Informational coherence geometry in astronomical imaging

تخيل أنك تنظر إلى لوحة فنية عملاقة مرصعة بالنجوم. لعقود من الزمن، كان لدى العلماء أداة مفضلة لدراسة هذه التحف الكونية: "تحويل فوريه" (Fourier transform). فكر في هذه الأداة كمنشور سحري يفكك الصورة إلى ألوانها النقية من الضوء والظلام، ليخبرنا بالضبط كم مقدار الطاقة الموجودة عند كل حجم من أحجام الأنماط، من النقاط الصغيرة إلى الدوامات الضخمة. الأمر يشبه معرفة الوصفة الدقيقة لكعكة بمجرد وزن الدقيق والسكر والبيض. لكن تكمن المشكلة هنا: معرفة المكونات لا تخبرك بكيفية ترتيبها. يمكنك الحصول على نفس كمية الدقيق والسكر تماماً، ولكن إذا خلطتهما عشوائياً، ستحصل على فوضى بدلاً من كعكة لذيذة. وفي عالم صور الفضاء، تسمى عملية "الخلط" هذه بـ "الطور" (Phase). الطور هو كتيب التعليمات السري الذي يخبر النجوم والمجرات أين يجب أن تقف لتشكل أشكالاً وخطوطاً واتصالات.

هذا يقودنا إلى سؤال رائع حير علماء الصور لفترة طويلة: إذا حافظنا على نفس "المكونات" (كميات الطاقة) ولكن قمنا بخلط "التعليمات" (الطور)، فهل ستظل الصورة متماسكة؟ بعبارة أخرى، هل الطريقة التي تتصل بها النجوم والغازات مع بعضها البعض في الفضاء الحقيقي هي مجرد حادث عشوائي للطاقة، أم أن هناك هندسة أعمق وخفية تمسك بها؟ تغوص هذه الورقة البحثية في هذا الغموض باستخدام الكاميرات المذهلة الجديدة لتلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST). وهي تطرح سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا أخذنا صورة حقيقية للكون، وقمنا بخلط التعليمات الخفية، وحافظنا على نفس كمية الطاقة، فهل ستبدو النسخة المخلطة منظمة بقدر ما تبدو النسخة الأصلية؟

الخلط الكوني العظيم

قرر المؤلفان، راؤول بيانشيتي وبايام دانش، لعب لعبة "أوجد الفروق" مع الكون. لم يكتفيا بالنظر إلى الصور فحسب؛ بل بنيا مساراً رياضياً لاختبار ما إذا كانت الروابط في الفضاء مميزة. طريقتهم تشبه طباخاً يأخذ طبقاً معقداً ومثالياً، ويقيس كل حبة ملح وتوابل فيه، ثم يحاول إعادة إنشاء الطبق عن طريق إلقاء تلك المكونات ذاتها في خلاط، آملاً أن تتجمع سحرياً لتصبح الوجبة الأصلية.

إليكم كيف فعلوا ذلك:

1. الواقع الحقيقي: أخذا صورتين مذهلتين ومتاحتين للجمهور من تلسكوب جيمس ويب. كانت إحداهما "حقل كوزموس الليغاسي" (COSMOS Legacy Field)، وهو بقعة عميقة من السماء مليئة بآلاف المجرات البعلة والغازات الرقيقة. والأخرى هي "كاسيوبيا أيه" (Cassiopeia A)، وهي بقايا نجم منفجر قريب (بقايا مستعر أعظم) تبدو كأنها غلاف متوهج ضخم.
2. الخلط: لكل صورة، استخدما خدعة حاسوبية لإنشاء صورة "بديلة". حافظا على مستويات الطاقة نفسها تماماً (سعة فوريه) ولكن قام بتغيير الطور بشكل عشوائي تماماً. تخيل أنك تأخذ أحجية (بازل)، وتحتفظ بكل قطعها، ولكنك تعيد ترتيبها بحيث تختفي الصورة، بينما يظل إجمالي اللون والسطوع للكومة متطابقاً.
3. الاختبار: ثم بحثا عن "التماسك" (Coherence). بعبارات بسيطة، التماسك هو مدى تماسك أجزاء الصورة مع بعضها في خط أو شكل. وسألا: "هل الأجزاء الساطعة والمتصلة، الشبيهة بالخيوط، في الصورة الحقيقية تشكل سلاسل طويلة وكبيرة، أم أنها تتفكك إلى جزر صغيرة ومشتتة؟"

الاكتشاف الكبير: الحقيقي مقابل العشوائي

كانت النتائج واضحة بشكل مدهش. عندما نظرا إلى الصور الحقيقية، شكلت الأجزاء "اللاصقة" في الكون طرقاً سريعة ضخمة ومتصلة. في حقل كوزموس، كانت أكبر مجموعة متصلة من هذه البكسلات المنظمة عبارة عن خيط ضخم مستمر من 1,358 بكسل. لقد كان خيطاً هائلاً ومتواصلاً من البنية.

الآن، انظر إلى النسخ المخلطة. على الرغم من امتلاكها لنفس كمية الضوء والطاقة تماماً، إلا أن الهياكل تفككت. كانت أكبر مجموعة متصلة في صور كوزموس المخلطة هي 223 بكسل فقط. كانت هذه نسبة ضئيلة جداً من الشيء الحقيقي! كانت الصور المخلطة تحتوي على المزيد من المجموعات الصغيرة، لكنها كانت كلها قصيرة، ومقطعة، وفوضوية. أما الكون الحقيقي، فقد نظم نفسه في شيء أكبر بكثير وأكثر اتصالاً.

قاما بنفس الاختبار مع كاسيوبيا أيه. أظهرت الصورة الحقيقية غلافاً متصلاً ضخماً مكوناً من 780 بكسل. والنسخ المخلطة؟ كانت أكبر مجموعة فيها هي 285 بكسل فقط.

وللتأكد من أن هذا لم يكن مجرد ضربة حظ، قاما بتشغيل عملية الخلط 50 مرة لكل صورة. وفي كل حالة، كانت أكبر مجموعة في الصورة الحقيقية أكبر من أكبر مجموعة في أي من النسخ الخمسين المخلطة. احتمالات حدوث هذا بالصدفة هي حوالي 1 من 51 (أو حوالي 0.02). وهذا يشير إلى أن الطريقة التي ينظم بها الكون نفسه ليست مجرد ترتيب عشوائي للطاقة؛ بل هناك "هندسة طور" محددة تمسك هذه الهياكل معاً.

ماذا يعني هذا (وماذا لا يعني)

من المهم فهم ما لا تقوله هذه الورقة البحثية. المؤلفان لا يدعيان أنهما وجدا كوكباً جديداً، أو نوعاً جديداً من النجوم، أو رسالة سرية من الكائنات الفضائية. وهما لا يقولان إن الصور المخلطة "خاطئة" من الناحية الفيزيائية؛ بل يظهران فقط أن الصور المخلطة تفتقر إلى "الاتصال" الموجود في الشيء الحقيقي.

بدلاً من ذلك، هذا يعد طفرة منهجية. فهو يثبت أنك إذا نظرت فقط إلى "وصفة الطاقة" لصورة فضائية، فستفقد الجزء الأكثر أهمية: الشكل. الكون الحقيقي يمتلك "هندسة تماسك" تصمد حتى عندما تحاول كسرها. قد تمتلك الصور المخلطة نفس متوسط السطوع، لكنها تشبه كومة من الرمل، بينما الصورة الحقيقية تشبه قلعة رملية. القلعة الرملية لها بنية لا تستطيع كومة الرمل -حتى مع وجود نفس كمية الرمل- محاكاتها ببساطة.

يطلق المؤلفان على هذا اسم "هندسة التماسك المعلوماتي" (informational coherence geometry). إنها طريقة جديدة للنظر إلى صور الفضاء تساعد العلماء على إيجاد "الغراء" الذي يربط الإشارات الخافتة والضعيفة معاً. هي لا تخبرنا لماذا يوجد هذا الغراء (فهذا عمل علماء الفيزياء الفلكية)، لكنها تمنحنا أداة جديدة قوية للعثور على مكان اختباء الهياكل المثيرة للاهتمام والمتصلة، حتى عندما تكون خافتة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة.

باختصار، الكون ليس مجرد حقيبة من المكونات؛ بل هو وصفة مبنية بعناية. وبفضل هذه الطريقة الجديدة، أصبح لدينا الآن وسيلة أفضل لتذوق الفرق بين تحفة كونية حقيقية وبين خليط عشوائي من نفس الأجزاء.