| 20 |
"نموذج" المادة المظلمة (dark matter).
...رأينا آنفاً القائمة المثيرة للإعجاب من المشاكل المرتبطة، ولو بالفيزياء الفلكية وحدها. فالمجرات تدور بسرعة مفرطة، على سبيل المثال. والكتلة المحصاة أضعف من أن توازن قوة الطرد المركزي بثلاث إلى خمس مرات. والوضع أسوأ في عناقيد المجرات. وهي مشكلة قديمة، إذ أشار إليها أصلاً فريتز زفيكي منذ عشرات السنين.
...كيف الخروج من ذلك؟ هل يجب مراجعة قانون نيوتن؟ اقترح البعض ببساطة أن المجرات وعناقيد المجرات وحتى الكون بأكمله قد تحتضن في جوفها كتلة (تسهم في مجال الجاذبية) أفلتت حتى الآن من الرصد. فماذا عساها تكون؟ مثلاً نجوم قليلة الإشعاع. وقد وُجد لهذه الأجسام اسم: الماخوس (MACHOS، أي الأجسام المضغوطة الضخمة المتمركزة في هالة المجرات: الجزء من الفضاء المجري الكائن داخل "القرص" وخارجه). وطريقة الكشف: حجب مصادر في الخلفية، وهي نجوم أساساً. والمنهج: تتبع عدد هائل من النجوم وإظهار انخفاضات في اللمعان يختلف تطورها الزمني عن التقلبات المقابلة للنجوم المتغيرة.
النتائج: مخيبة.
...فرضية أخرى: "الجسيمات الشاذة"، مثلاً النيوترينوات الضخمة (ذات الكتلة الضئيلة). لكن لم يُكشف حتى اليوم عن كتلة محتملة للنيوترينوات.
....مرشح آخر عزيز على عالمة الفيزياء الفلكية فرانسواز كومب: الهيدروجين البارد، في حرارة شديدة الانخفاض، وبالتالي غير قابل للرصد عملياً.
...هذه المادة المظلمة ستتيح إذن تفسير تأثيرات العدسية الجاذبية القوية، المرتبطة ظاهرياً بالمجرات وعناقيد المجرات (الأقواس الجاذبية). ويعتبر كثيرون هذه التأثيرات "دليلاً دامغاً" على وجود هذه المادة غير المرصودة.
...أصبح من الممكن إذن تفسير أي شيء وأي شيء آخر برش الكون بمهارة بالمادة المظلمة، في المواضع المناسبة. إنها إذن نظرية موضوعة لغرض بعينه تماماً. بل إن البعض لا يعنيهم حتى تبرير أصل هذا المكوّن ولا طبيعته ولا أصله ولا حتى وصف ديناميكيته، مكتفين بالقول إنها فلك جديدة "حيث يُرسم الآن خرائط للامرئي". وهناك فرق تعمل، شرعت في وضع خرائط لتوزع المادة المظلمة.
...وهي تتيح ربط البنية الواسعة النطاق للكون، وبالتالي "تبريرها". وفي مواضع أخرى يُنتج توزع للمادة المظلمة يتيح لا تبرير تماسك المجرات فحسب، بل شكل منحنيات دورانها. وكل هذا يُنشر بغزارة ودون مشاكل (المجلة الفيزيائية الفلكية، الفلك والفيزياء الفلكية، إلخ...). ويُميَّز فيه بين "المادة المظلمة الباردة" و"المادة المظلمة الساخنة".
تبدو بعض التخمينات إذن "مشروعة".
مسألة الثابت الكوني وعمر الكون.
لنحدد أولاً أصله. متسلحاً بمعادلة حقله:
S = c T
...سعى أينشتاين فوراً إلى بناء نموذج للكون (1917). لكنه إذ كان يجهل أنه غير مستقر، سعى إلى بناء نموذج مستقر. فاصطدم بمشاكل عديدة وذهب لزيارة الرياضي الفرنسي إيلي كارتان، الذي قال له:
- يمكن تعديل معادلتك. أقترح عليك:
S = c T -Lg
حيث g هو التنسور المتري وL ثابت. وهكذا تبقى المعادلة تنسورية فعلاً وحلك يظل دائماً لامتغير بتغيير الإحداثيات.
-
لكن ما المعنى الفيزيائي لهذا الثابت L؟
-
هذا يا عزيزي مشكلتك. أما أنا فرياضي.....
انطلاقاً من معادلة حقل، وبافتراض انحناء ضعيف وسرعات اهتزاز حراري ضعيفة أمام سرعة الضوء c، يمكن استعادة الديناميكا النيوتنية. فتصبح قوة نيوتن مزودة بحد تصحيحي:
...كان هذا الحد التصحيحي متناسباً مع المسافة. ويُستخدم عادة تعبير "قوة التنافر الفراغي" (أو التجاذب، حسب الإشارة المختارة لهذا الثابت الاعتباطي L).
...كانت قوة التنافر الفراغي هذه حجر الزاوية الذي أتاح لكون أينشتاين المستقر أن يعرف توازناً (غير مستقر، على أي حال). لكن سرعان ما:
-
أعلن اكتشاف إدوين هابل عن انزياح نحو الأحمر z، مُفسَّراً بحركة توسع كوني عام (تأثير دوبلر). فوداعاً لنموذج الكون المستقر.
-
أخرج الروسي فريدمان في الوقت نفسه الحلول غير المستقرة لمعادلة الحقل، دون ثابت كوني.
غير راضٍ، انسحب أينشتاين إلى خيمته قائلاً:
- لو علمت أن الكون غير مستقر لسبقت فريدمان!
...غرق هذا الثابت الكوني آنذاك في شبه نسيان لعقود. وقدّم البعض حججاً تدعو إلى ضرورة عدمه. والحقيقة أن تأثيره، بالرجوع إلى أفعال على مسافات شديدة البعد، لا يُحسّ إلا متأخراً، حين يكون البعد المميز R(t) للكون قد بلغ "قيمة كافية".
...تتيح قياسات الانزياح نحو الأحمر والسرعة الشعاعية للمجرات معايرة قانون هابل، المنبثق عن حل معادلة الحقل والذي يقول ببساطة:
سرعة الفرار متناسبة مع الانزياح نحو الأحمر z
ويسمى ثابت التناسب ثابت هابل Ho.
....استطراد لمن يجهله. ذرة ساكنة في المختبر بالنسبة لجهاز القياس تُصدر مثلاً إشعاعاً يقابل طول موجة l. وبفعل تأثير دوبلر ستعطي الذرة نفسها، وهي متحركة، طول موجة: l' = l + D l
نضع:
| z = |
إذا كان D l موجباً: المصدر يبتعد: انزياح نحو الأحمر.
إذا كان D l سالباً، المصدر يقترب: "انزياح نحو الأزرق".
يظهر ثابت هابل أيضاً في قانون التوسع R(t) بدلالة الزمن:
...نعلم أن هناك في الواقع ثلاثة نماذج لفريدمان، لا تختلف إلا في وصفها للمستقبل البعيد للكون.
في المخطط التالي، حيث يُفترض أننا "بعيدون بما يكفي" عن هذا المستقبل البعيد للكون، تندمج المنحنيات الثلاثة.
...إذن معرفة قانون التوسع الكوني وثابت هابل تتيح فوراً، وفق هذا النموذج (بثابت كوني معدوم)، استنتاج عمر الكون.
...لنتخيل أننا نلتقط صورة آنية لانفجار قنبلة يدوية. فزمن التعريض سيعطي الأجسام ضبابية معينة تتيح تقدير سرعتها، وبالتالي حساب لحظة بدء الانفجار بفحص صورة بسيطة. والانفجار الكوني مختلف بالطبع عن انفجار قنبلة يدوية، من حيث ديناميكيته، لأن قوة الجاذبية، بكبحها التوسع، تبطئه تدريجياً.
...أجسام الكون تتحرك بـحركات ذاتية، على غرار جزيئات غاز تتحرك بحركة اهتزاز حراري. ويُتحدث عن "مائع كوني"، "غاز" تكون جزيئاته هي المجرات.
...لتقدير ثابت هابل كان لا بد إذن من إسناد القياسات إلى أجسام بعيدة بما يكفي، متحركة بسرعات كافية لتتجاوز متوسط سرعة اهتزاز مجرة في عنقودها (في حدود 500 إلى 1000 كيلومتر في الثانية).
...بقيت المشكلة في تقدير المسافة. فرؤية مجرة في صورة شيء، وتقدير مسافتها شيء آخر. ولذلك يجب معرفة قدرها المطلق، أي كمية الضوء التي يُفترض أنها تصدرها. وطويلاً لم يتفق الفلكيون على تقدير هذا الثابت هابل (وفي هذا المجال كان كبير المعارضين الفلكي الفرنسي دو فوكولور، العامل في الولايات المتحدة).
...أقدم نجوم مجرتنا تنتمي إلى العناقيد النجمية، كعنقود هرقل. وحتى الآن كان الفلكيون جميعاً متفقين على تحديد عمرها الأقصى بنحو 15 مليار سنة (بل ذهب البعض إلى 20 أو حتى 22....). وكان كل اللعب آنذاك في ضبط تقدير Ho لعدم الابتعاد كثيراً عن هذا العمر لأقدم النجوم.
...في 1993 تمكن الفلكيون، بمساعدة تلسكوب هابل الفضائي، من رصد قيفاويات في مجرات شديدة البعد (55 و48 مليون سنة ضوئية). والقيفاوي هو المقياس الأمثل للمسافة، إذ يُفترض معرفة القانون الرابط بين دور تقلباته وكمية الضوء التي تصدرها، أي قدرها المطلق (قانون هنريتا ليفيت، 1912). وبقياس قدرها الظاهري بالتلسكوب يُستنتج بعدها.
...القياسات المنجزة على مجرات، في 93-94، قسّمت المسافة التي كان مقدَّراً حتى الآن بنحو الضعف تقريباً. وهكذا هبط عمر الكون إلى 8 أو 9 مليارات سنة وأصبح ... أصغر من النجوم التي يحتويها. وخلصت مجلة نيتشر، في 1994، إلى أنه "سيتعين إعادة النموذج إلى المصلحة".
...منذ ذلك الحين جدّ أمران جديدان. فقانون القيفاويات، ليكون قابلاً للاستغلال، يجب معايرته. وإذا سُلّم بوجود علاقة بين دور هذه النجوم المتغيرة وقدرها المطلق، أي كمية الضوء التي تصدرها، فلا بد من توفر قياسات مسافات مستقلة. وهي توفرها طريقة التزيح لبيسل. فيُستعان آنذاك بالإزاحة الموسمية للأرض حول الشمس، بأخذ موضعين متقابلين تماماً. فنجم معطى، قريب نسبياً، أمام خلفية من نجوم شديدة البعد، سيكون له في موعدين من السنة موضعان مختلفان يقابلان فجوة زاوية معينة Dq .
...لهذه الطريقة حدودها. فكلما بعد النجم كبر هامش الخطأ. وقد أُعيدت معايرة قياسات المسافات مؤخراً باستخدام القمر الصناعي هيباركوس. ووفقاً للمختصين فإن تحليل البيانات التي أوردها القمر الصناعي كان سيفضي إلى مراجعة المسافات المقدَّرة للقيفاويات المستخدمة تقليدياً في معايرة القانون، إذ تزداد مسافتها بمعامل 1,2 إلى 1,4. وهكذا فالمجرات التي كشف فيها تلسكوب هابل قيفاويات لم تكن "قريبة إلى هذا الحد" وبالتالي فالكون "ليس بهذا الحد من الشباب". ومن جهتهم بذل الذين كانوا يقدّرون عمر أقدم نجوم العناقيد النجمية في مجرتنا جهوداً جدية في التخفيض و"كل شيء عاد إلى نصابه"، حسب تقدير البعض.
لنسلّم بذلك...
...الحل "الكلاسيكي" الآخر يقوم، كما فعل لاشييز-ري، على إخراج الثابت الكوني L من نفتالينه على عجل. وهو، إذا زُوّد بالإشارة الصحيحة (قوة التنافر الفراغي)، يعمل على إعادة إنعاش التوسع:
فالقانون:
يكف بالتالي عن الصلاحية، أو يعطي عمراً أقصر. والحقيقة أنه عبر هذا النموذج "ذا الهندسة المتغيرة" يمكن دائماً اختيار قيمة لـ L تتلاءم مع أي قيمة لعمر الكون، مثلاً عمر أقدم نجومه. بل ذهب البعض إلى القول إن هذا يعطي ببساطة قياساً لـ L.
...يبدو أن الخلاف الذي يقسم الفلكيين حول عمر الكون بعيد عن الانطفاء. فبين المتشائمين الذين، مستندين إلى إعادة معايرة حديثة للقيفاويات، يوسّعون الكون القريب بأكمله (كمسافة مجرة أندروميدا مثلاً) ويسلّمون بإعادة تقدير نحو الانخفاض لعمر أقدم النجوم، والمتشائمين الذين يرون أن قياسات هابل تثير مشكلة حقيقية، أي موقف نتخذ؟
موقف انتظار حذر، بلا شك.
فهرس المقال فهرس العلوم الصفحة الرئيسية
العودة إلى دليل العلوم عدد زيارات هذه الصفحة منذ 1 يوليو 2004: