كم عمر الكون؟ شرح لغز كوني هائل

“الفضاء كبير. كبير حقًا. لن تصدق مدى ضخامة حجمه وضخامة حجمه بشكل مذهل. أعني، قد تظن أن الطريق طويل للوصول إلى الكيميائي، لكن هذا مجرد حبة فول سوداني للوصول إلى الفضاء. ” —دوغلاس آدامز، دليل المسافر إلى المجرة

توفر المراصد مثل تلسكوب هابل وتلسكوب جيمس ويب الفضائي للبشرية القدرة على رؤية الأشياء أبعد من أي وقت مضى. عندما ننظر بعمق إلى سماء الليل، فإننا ننظر أيضًا إلى الوراء في الزمن. ومقارنة بالكون ككل، فإن عمر الأرض صغير جدًا إذ يبلغ 4.5 مليار سنة. توصل العلماء إلى هذا الرقم بسبب أدلة من التأريخ الإشعاعي، الذي يقيس معدل التحلل الإشعاعي في العناصر ذات عمر النصف المعروف. صخور القمر، والزركون القديم، والنيازك – كلها تقول نفس الشيء: عمر الأرض 4.5 مليار سنة.

ولكن من حيث تقع الأرض في الكون المرئي، فإن رؤيتنا تمتد لأكثر من 13 مليار سنة في الماضي. بعيدًا عن مجموعتنا المحلية، اكتشف علماء الفلك مجرات فقيرة جدًا بالمعادن وشديدة الانزياح نحو الأحمر بحيث يبدو أنها تشكلت بعد أقل من 300 مليون سنة من الانفجار الكبير، بداية كوننا المعروف.

منذ متى كان الكون موجودا؟ يقدر العلماء أن عمر الكون هو 13.8 مليار سنة، مع نسبة عدم يقين تزيد أو تقل عن 2% فقط.

ولكن كيف نعرف؟

الشموع القياسية وسلم المسافة الكونية

في عام 1924، أثناء مراقبة السماء ليلاً من خلال ما كان آنذاك أكبر تلسكوب في العالم، أفاد علماء الكونيات، بما في ذلك إدوين هابل وجورج لوميتر، أن كل مجرة ​​تقريبًا كانت تتحرك بعيدًا عن الأرض. علاوة على ذلك، كلما كانت المجرات أبعد، كلما كانت المجرات بعيدة أسرع كانوا يبتعدون.

وقد أكدت الملاحظات اللاحقة التي أجراها تلسكوب هابل الفضائي ومسبار جيمس ويب الفضائي هذه العلاقة بين المسافة والسرعة. لا تبتعد معظم المجرات عن الأرض فحسب، بل تبتعد أيضًا عن بعضها البعض بسرعة تتناسب مع المسافة التي تفصلها عن بعضها البعض.

اعتمد إدوين هابل في حساباته للمسافة على “الشمعة القياسية” الكونية التي تسمى المتغيرات القيفاوية: النجوم التي يرتبط سطوعها بقوة وبشكل مباشر بفترة نبضها. تعد المتغيرات القيفاوية درجة مهمة على سلم المسافة الكونية، وهو نظام يستخدمه علماء الفلك لبناء ملاحظة على أخرى لاستخلاص استنتاجات منطقية حول أشياء أبعد بكثير مما يمكن لتلسكوباتنا حلها. لقد اكتشف علماء الفلك في اليونان القديمة أنه بالنسبة لنجمين من نفس النوع، فإن النجم الأبعد سيكون أصغر في السماء، لكنهم لم يعرفوا ما نعرفه الآن: بعض أنواع النجوم أكبر من غيرها في وقت معين سطوع. ولأننا نعرف السطوع الحقيقي للمتغيرات القيفاوية، فيمكننا حساب المسافة بينها بدقة. يتيح لنا ذلك قياس المسافة إلى الأشياء البعيدة جدًا.

للضوء الصادر من شمسنا طول موجي أقصر عندما ينبعث من جانب القرص الشمسي الذي يدور باتجاهنا، وطول موجي أطول على الجانب الذي يدور بعيدًا عن الأرض. وهذه الظاهرة المعروفة باسم تأثير دوبلر هي نفسها التي تغير صوت صفارة الإنذار عند اقترابها وابتعادها. لاحظ هابل ومعاصروه أن النجوم والمجرات الدوارة التي تحركها حركتها الصحيحة بالنسبة إلى الأرض تظهر أيضًا هذا التأثير، حيث تمد أو تسحق الطول الموجي لضوئها اعتمادًا على ما إذا كانت تقترب أو تبتعد. كلما كان انزياح دوبلر أكثر وضوحًا، كلما تحرك الجسم بشكل أسرع.

وباستخدام قياسات كافية للمسافة وسرعة التراجع، يستطيع علماء الكونيات حساب المعدل الذي يتوسع به الزمكان: H0. لكن إذا كانت المجرات تتحرك بعيدًا عن بعضها البعض، فلا بد أنها بدأت أقرب من بعضها البعض. ومع تقارب مساراتهم، يمكننا أن نرى أين ومتى بدأوا في المقام الأول. ومن هناك، يستطيع العلماء إرجاع الزمن الكوني، وإدارة الساعة إلى الوراء لتقدير الحد الأقصى لعمر الكون.

خلفية الميكروويف الكوني

يبدأ الوقت بالنسبة لنا في لحظة الانفجار الكبير، عندما يحدث انفجار ذو حجم غير مفهوم في جزء صغير من الثانية، يقذف إلى الخارج كمية هائلة من المادة والطاقة. خلال البيكو ثانية القليلة الأولى بعد الانفجار الكبير، كانت قوانين الفيزياء مختلفة تمامًا عن تلك الموجودة في إطارنا المرجعي. ومع توسع حساء الغلوون البدائي نحو الخارج، فإنه يبرد، ولكن للقيام بذلك، كان عليه أن يدفع خارج حدود الكون المرئي.

المصدر: وكالة الفضاء الأوروبية – سي. كارو

بعد الانفجار الكبير، خلال الـ 380 ألف سنة الأولى أو نحو ذلك، كان الكون حارًا وكثيفًا للغاية لدرجة أنه كان معتمًا فعليًا. مثل قلب النجم، كانت الإلكترونات محشورة معًا بإحكام لدرجة أن الفوتونات لا يمكنها الذهاب إلى أي مكان. مع تبريد الكون وتوسعه، فجأة، يمكن للفوتونات أن تجد مسارات للخارج.

أطلق الزمكان نفسه الفوتونات في انفجار هائل من الإشعاع، ونرى آخر آثار لها كخلفية كونية موجية: التوهج الباهت للإشعاع المتبقي الذي خلفه الانفجار الكبير بعد كل هذا الوقت.

مصدر الصورة: تعاون وكالة الفضاء الأوروبية/بلانك

بعض فوتونات CMB مستقطبة، مما يعني أنها أثناء انتقالها للخارج من مصدرها، فإنها تهتز في الاتجاه “المفضل”. وتخبر أنماط الاستقطاب علماء الفلك عن التفاعل الأخير بين تلك الفوتونات والإلكترونات التي احتجزتها منذ فترة طويلة، لأنه في الأماكن التي يوجد بها أكبر عدد من الإلكترونات، كانت المادة أكثر تركيزا.

مشاكل ومجهول

كل ما سبق يقودنا إلى الاعتقاد بأن لدينا فكرة قوية جدًا عن عمر الكون. ومع تحسن تكنولوجيا التلسكوب لدينا، يقل عدم اليقين في نماذجنا. لكن لأنه لا يوجد شيء سهل في علم الكونيات، هناك بعض التناقضات.

1. توتر هابل

يبدو أن الضوء يخضع لنوع من حدود السرعة الكونية والمختصرة بـ جوالتي كانت جزءًا لا يتجزأ من النظرية النسبية لأينشتاين. ومع ذلك، قد لا يكون الزمكان نفسه خاضعًا لنفس حد السرعة. يبلغ عمر الكون 13.8 مليار سنة، لكن نصف قطر الكون المرئي ليس 13.8 مليار سنة ضوئية. وبدلا من ذلك، فإن الكون المرئي هو بعض 46.5 مليار سنة ضوئية. وذلك لأن نسيج الزمكان توسع منذ أن غادر الضوء الذي نراه مصادره البعيدة. يخبرنا معدل توسعه عن عمره، لكن طرقنا الأساسية لقياس هذا المعدل تعطي إجابات مختلفة.

إن النموذج السائد لعلم الكون، والذي يسمى نموذج lambda-CDM (لامدا للثابت الكوني؛ CDM للمادة المظلمة الباردة – المزيد عن هذا في لحظة)، يفرض حدًا أعلى لعمر الكون: 14.5 مليار سنة، على أقصى تقدير. في هذا النموذج، تلعب المادة المظلمة والطاقة المظلمة دورًا حاسمًا في تفسير بنية الكون على المقاييس الأكبر. لكن النموذج يجب أن يأخذ في الاعتبار أيضًا إشعاع الخلفية الكونية الميكروي والتغير في معدل تمدد الكون. وهنا تكمن المشكلة. تعطي مصادر الرصد المختلفة أيضًا قيمًا مختلفة قليلاً لعمر الكون. وهذا التناقض هو مشكلة كونية تعرف باسم توتر هابل.

ومع ذلك، فإن الفرق صغير جدا. على سبيل المثال، أعادت بعثة بلانك التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، وهي تلسكوب فضائي تم إطلاقه لمراقبة الخلفية الكونية الميكروية، بيانات تشير إلى عمر يبلغ 13.787 مليار سنة. وفي الوقت نفسه، حسب مشروع ويلكنسون مسبار تباين الموجات الميكروية (WMAP) التابع لناسا أن عمر الكون هو 13.772 مليار سنة.

2. توسيع الزمكان مقابل “الضوء المتعب”

يجب أن يكون عمر الكون على الأقل بنفس عمر أقدم شيء فيه. أقدم المجرات المرصودة ذات انزياح أحمر عميق (ض = 11 أو أكبر)، وربما تشكلت في غضون بضع مئات من السنين من الانفجار الكبير. وقد سافر الضوء المنبعث من هذه الأجسام أكثر من 13 مليار سنة ضوئية ليصل إلينا.

لكي يكون عمر الكون حوالي 14 مليار سنة، يجب علينا التخلص من معظم الافتراضات من نموذج لامدا-CDM، الذي يناسب الأدلة الرصدية. ومع ذلك، فإن ورقة بحثية صدرت عام 2023 تحسب عمر الكون بما يقرب من ضعف ذلك – 26.7 مليار سنة. ماذا يعطي؟

يعتمد منطق البحث على ظاهرة تسمى “الضوء المتعب”، والتي اقترحها الفيزيائي فريتز زويكي في عام 1929 لشرح الانزياح الأحمر للفوتونات من مصادر بعيدة.

الفوتونات من مصدر تتحرك بعيد يبدو منا أن يتغيروا في طريقهم إلى هنا. يزداد طولها الموجي، وهو ما نراه كتحول في اللون نحو اللون الأحمر. وفي الوقت نفسه، يبدو أن الضوء الصادر من مصدر يقترب من الأرض يتحول نحو الطرف ذو الطاقة الأعلى “الأكثر زرقة” من الطيف.

يشرح علم الكونيات الحالي هذا الانزياح الأحمر باعتباره نتاجًا لتوسع الفضاء نفسه، بسرعة كافية لتمديد الطول الموجي للفوتون الذي يتحرك عبره. في القرن الذي انقضى منذ تقرير هابل الأولي، أثبتت آلاف الدراسات الاستقصائية التي تبحث في ملايين النجوم والمجرات ملاحظاته وملاحظات زملائه، وأثبتت صحة النظرية النسبية بما لا يدع مجالًا للشك. لكن “الضوء المتعب” الخاص بزويكي يشير إلى أن الفوتونات تفقد طاقتها أثناء انتقالها عبر الزمكان.

يعترف راجيندرا جوبتا، عالم الفيزياء من جامعة أوتاوا ومؤلف ورقة “الضوء المتعب” لعام 2023، بأن نظرية الضوء المتعب تتعارض مع الملاحظات. ومع ذلك، قال غوبتا: “من خلال السماح لهذه النظرية بالتعايش مع الكون المتوسع، يصبح من الممكن إعادة تفسير الانزياح نحو الأحمر كظاهرة هجينة، وليس فقط بسبب التوسع”. وبعبارة أخرى، نحن لا نعرف ما لا نعرفه.

المادة المظلمة

إن عدم اليقين في قياساتنا لعمر كوننا وحقيقة وجود توتر هابل لا يبطل قياساتنا. إنها تظهر لنا أن نماذجنا الكبرى تحتاج إلى بعض التوحيد. في مقدمة الصف مباشرة، يوجد نموذج lambda-CDM. لا تزال المادة المظلمة بمثابة حصان أسود، وهذه مشكلة أخرى.

لا يزال هناك جدل ساخن حول كيفية ظهور المادة المظلمة في المخطط الكبير للأشياء، أو ما إذا كان هناك شيء مثل المادة المظلمة، أو الطاقة المظلمة، في المقام الأول. اقترح بعض علماء الفلك نظامًا من ديناميكيات نيوتن المعدلة كبديل للمادة المظلمة الباردة، أو حتى نماذج أكثر غرابة بما في ذلك علم الكونيات الغشائي، والذي يرتبط بنظرية الأوتار. ومع ذلك، فإن فهم المادة المظلمة سيتطلب بعض الأدلة الاستثنائية: العديد من الملاحظات لجسيمات المادة المظلمة المرشحة وبعض النماذج الفيزيائية الجديدة اللامعة لتفسيرها.

إن إمكانية اعتبار المادة المظلمة نظرية ستؤثر أيضًا على توقعاتنا حول سلوك الكون على المدى الطويل. إن المعدل الذي يتوسع به الكون له آثار على مصيره النهائي: الموت الحراري، أو التمزق الكبير، أو الانهيار النهائي إلى متفردة جديدة شاملة، أو أي شيء آخر تمامًا.

إذا كان الكون يتوسع بمعدل ثابت، في توازن مع الجاذبية، فمن الممكن أن يستمر إلى الأبد. ومع ذلك، لن يتمكن البشر من رؤيته. بحلول حوالي تريليوني سنة من الآن، ستكون جميع المجرات الواقعة خارج عنقودنا المحلي الفائق بعيدة جدًا بحيث لا يمكننا رؤيتها: خلف الأفق الكوني. إذا حلت المادة المظلمة محل الجاذبية، مما تسبب في زيادة معدل توسع الكون بشكل أكبر، فسيؤدي ذلك إلى تسريع الجدول الزمني الذي يبلغ تريليوني عام. ومن ناحية أخرى، إذا انتصرت الجاذبية على الطاقة المظلمة، فإن كل ما توسع في الكون كما نعرفه سوف ينهار ذات يوم مرة أخرى على نفسه في “الانسحاق الكبير”.

لحسن الحظ، لدينا ما يكفي من الوقت لمعرفة ذلك.