f120
| 20 |
|---|
نموذج المادة المظلمة (dark matter).
...كما رأينا سابقًا، قائمة مذهلة من المشكلات المرتبطة، ولو فقط بالفيزياء الفلكية. فمثلاً، تدور المجرات بسرعة زائدة. والكتلة المُسجَّلة تكون من 3 إلى 5 أضعاف أقل من الكتلة اللازمة لموازنة القوة الطاردة. وحالة أسوأ في مجموعات المجرات. مشكلة قديمة بالفعل، إذ سبق أن أشار إليها فريتز زويكي منذ عقود.
...كيف نخرج من هذه الحالة؟ هل يجب إعادة النظر في قانون نيوتن؟ اقترح البعض ببساطة أن المجرات، ومجموعات المجرات، بل وحتى الكون كله، قد يحتوي في داخله كتلة (تساهم في المجال الجاذبي) لم تُلاحظ حتى الآن. ماذا يمكن أن تكون هذه الكتلة؟ على سبيل المثال، نجومًا غير كافية في الإشعاع. وجد اسم لهذه الأجسام: MACHOS (أجسام كثيفة وضخمة في الهالة، أي في المنطقة المحيطة بالمجرة خارج "القرص"). طريقة الكشف: احتجاز مصادر واقعة في الخلفية، وغالبًا نجومًا. الطريقة: مراقبة عدد كبير جدًا من النجوم وتحديد انخفاضات في السطوع، حيث تتغير تطوراتها الزمنية عن التقلبات الناتجة عن النجوم المتغيرة.
النتائج: مخيبة للآمال.
...فرضية أخرى: "الجسيمات الغريبة"، مثل النيوترينوات ذات الكتلة (التي تمتلك كتلة صغيرة). لكن لم تُثبت حتى الآن وجود كتلة محتملة للنيوترينوات.
...مرشح آخر، يُحبه الفيزيائي الفلكي فرانسواز كومبس: هيدروجين بارد جدًا، عند درجات حرارة منخفضة جدًا، وبالتالي شبه غير مرئي.
...إذًا، يمكن أن تفسر هذه المادة المظلمة التأثيرات القوية للعدسة الجاذبية، التي تبدو مرتبطة بالمجرات ومجموعات المجرات (أقواس جاذبية). يرى الكثيرون هذه التأثيرات كـ"دليل لا يمكن إنكاره" على وجود مادة غير مُكتشفة.
...إذًا، يمكن تفسير أي شيء، وجميع الأمور الأخرى، برشق الكون بكميات من المادة المظلمة في الأماكن المناسبة. لذا، فهي نظرية تمامًا "مُصاغة خصيصًا" لهذا الغرض. بعض العلماء لا يهتمون حتى بتبرير أصل هذا المكون، أو طبيعته، أو أصله، ولا حتى وصف دينامياته، ويكفيهم القول إنها علم فلك جديد، "حيث نرسم خرائط للغير مرئي الآن". فهناك فرق علمية تعمل على رسم خرائط لتوزيع المادة المظلمة.
...ويمكن لهذه المادة أن تُفسر البنية الكبيرة للكون، وبالتالي "تبررها". في أماكن أخرى، يتم إنتاج توزيع للمادة المظلمة يفسر ليس فقط احتفاظ المجرات بتماسكها، بل أيضًا شكل منحنيات دورانها. كل هذا يُنشر بكثرة دون مشكلة (مجلة الفيزياء الفلكية، الفلك والفيزياء الفلكية، إلخ...). ويُميز بين "المادة المظلمة الباردة" و"المادة المظلمة الساخنة".
لذلك، تبدو بعض التخمينات "مقبولة".
سؤال الثابت الكوني وعمر الكون.
أولًا، نحدد أصله. مُزودًا بمعادلته الميدانية:
**S = **c T
...سَعَى آينشتاين فورًا لبناء نموذج للكون (1917). لكنه، جاهلًا بأن الكون غير ثابت، حاول بناء نموذج ثابت. وواجه حينها العديد من المشكلات، فذهب لزيارة الرياضي الفرنسي إلي كارتن، الذي قال له:
- يمكن تعديل معادلتك. أقترح:
**S = **c T - Lg ** **
حيث g هو التنسور المترّي و** **L ثابت. بهذه الطريقة تبقى المعادلة متجانسة بشكل تنسوري، وحلّك لا يزال غير متغير عند تغيير الإحداثيات.
-
لكن ما المعنى الفيزيائي لهذا الثابت L؟
-
هذا، يا صديقي، مشكلتك. أنا رياضي فقط...
من خلال معادلة ميدانية، وبافتراض أن الانحناء ضعيف والسرعات الحرارية صغيرة مقارنة بسرعة الضوء c، يمكن استرجاع الديناميكا النيوتونية. فتُصبح قوة نيوتن مزودة بحد تصحيح:
...كان هذا الحد التصحيحي متناسبًا مع المسافة. ويُستخدم غالبًا مصطلح "القوة الدافعة للفراغ" (أو جاذبة، حسب الإشارة المختارة للثابت L المُنتَقَد).
...كانت هذه القوة الدافعة للفراغ هي المفتاح الذي سمح للكون الثابت لآينشتاين بالوصول إلى توازن (غير مستقر، بالمناسبة). لكن بسرعة:
-
كشف إدвин هابل عن انزياح أحمر z، يُعادل حركة انتشار كوني عام (التأثير الدوبلر). إذًا، وداعًا للنموذج الكوني الثابت.
-
في نفس الوقت، أخرج الروسي فريدمان حلولًا غير ثابتة لمعادلة الميدان، دون ثابت كوني.
استاء آينشتاين، فانسحب تحت خيمته وقال:
- لو عرفت أن الكون غير ثابت، لوجدت الحل قبل فريدمان!
...هبط الثابت الكوني حينها إلى نسيان شبه كامل لعقود. وقدم بعض العلماء حججًا تدعو إلى ضرورة إلغائه. الحقيقة أن، بالرجوع إلى تأثيرات على مسافات بعيدة جدًا، لم تُظهر هذه الثابت تأثيرها إلا متأخرًا، عندما وصلت البُعد المميز R(t) للكون إلى "قيمة كافية".
...قياسات الانزياح الأحمر، وسرعة المجرات الشعاعية، تُمكن من تعيين قانون هابل، الذي ينبع من حل معادلة الميدان، ويقول ببساطة:
سرعة الانفصال متناسبة مع الانزياح الأحمر z
الثابت التناسبي يُسمى "ثابت هابل" Ho.
...ملاحظة جانبية لمن لا يعرفها. ذرة، في المختبر، ساكنة بالنسبة لأداة القياس، تُصدر على سبيل المثال إشعاعًا يتوافق مع طول موجة l. وبسبب تأثير دوبلر، نفس الذرة، وهي في حركة، ستُنتج طول موجة: l' = l + D l
نضع:
| Dl |
|---|
| l |
| Dl |
|---|
| l |
إذا كان D l موجبًا: المصدر يبتعد: انزياح أحمر.
إذا كان D l سالبًا، المصدر يقترب: انزياح أزرق.
يظهر ثابت هابل أيضًا في قانون التوسع R(t) حسب الزمن:
...نعلم أن هناك في الواقع ثلاثة نماذج لفريدمان، تختلف فقط في وصف مستقبل الكون البعيد.
في المخطط أدناه، حيث نفترض أننا "بعيد جدًا" عن هذا المستقبل البعيد، تكون الثلاث منحنيات متطابقة.
...إذًا، معرفة قانون التوسع الكوني، وثابت هابل، تسمح فورًا، وفق هذا النموذج (بلا ثابت كوني)، باستنتاج عمر الكون.
...تخيل أننا نلتقط صورة فورية لانفجار قنبلة يدوية. فإن زمن التعرض سيُسبب ضبابية معينة في الأجسام، مما يسمح بتقدير سرعتها، وبالتالي حساب لحظة بدء الانفجار من خلال فحص صورة واحدة. بالطبع، الانفجار الكوني مختلف عن انفجار القنبلة من حيث الديناميكية، لأن القوة الجاذبية، بفعل تباطؤ التوسع، تبطئه تدريجيًا.
...الأجسام الكونية تتحرك بـ"حركات ذاتية"، تمامًا كما تتحرك جزيئات الغاز بحركة حرارية. ويُسمى هذا "السائل الكوني"، وهو "غاز" تكون جزيئاته المجرات.
...لحساب ثابت هابل، كان يجب أن تُبنى القياسات على أجسام بعيدة بما يكفي، وبالتالي بسرعات كافية لتتجاوز القيمة المتوسطة لسرعة الاهتزاز...
...