الدرس الثاني: تسارع توسّع الكون

 الدرس الثاني: تسارعُ توسّعِ الكون

الفكرة الرئيسة:
تمكّن العلماء من حساب عمر الكون التقريبي باستخدام قانون هابل، وإثبات أن الكون يتوسّع متسارعًا بفعل الطاقة المظلِمة التي تملأ الفضاء.

تسارعُ توسّعِ الكون  Accelerating Expansion of the Universe

- كيف عرف العلماء أن الكون في حالة تسارع مستمر؟

• تعلمتُ في صفوفٍ سابقة أن انزياح أطياف المجرّات نحو الأحمر دليل على تباعد المجرات عنّا وعن بعضها بعضًا، ويُعَدّ دليلا على توسّع الكون.
• افترض العلماء أن سرعة توسّع الكون ستقلّ مع الزمن بسبب قُوى التجاذب الكبيرة بينَ مكوِّناته المادية من مجرّات ونجوم وسُدُم وغيرها، إلا أن البيانات والمشاهدات التي جُمِعت بوساطة مِقراب هابل الفضائي عند رصدِه النجوم فوق المستعرة Supernova ، أنظرُ الشكل (5)، أشارت إلى أن الكون يتوسّع في الوقت الحالي بوتيرة أسرعَ ممّا كان عليه قبل مليارات السنين.

- فكيف كشفت النجوم فوق المستعرة عن تسارع توسّع الكون؟ وما السبب في ازدياد سرعة توسّعه؟

الشكل ( 5): نجم فوق مستعر.
أتوقع مقدار الطاقة الصادرة عن النجم فوق المستعر.

الإجابة: طاقة كبيرة جدًّا.

---

الطاقة المظلِمة Dark Energy

- كيف تمكّن العلماء من حساب معدل توسّع الكون؟
تمكّن العلماء من حساب معدل توسّع الكون، وذلك من خلال:

•  رصد الأطياف الصادرة عن النجوم فوق المستعرة في عدد من المجرّات البعيدة جدًّا باستخدام مِقراب هابل الفضائي،
• ما وفّر لهم بيانات عن شدة انزياح الأطياف الصادرة عنها نحو الأحمر وبُعدها عنّا،
• واستنادًا إلى تلك البيانات تَبيّن بأن الكون يتوسّع متسارعًا بشكل لم يسبق له مثيل.
• وقد عزا العلماء سبب تسارع توسّع الكون إلى الطاقة المظلِمة.

فما هذه الطاقة؟ وكيف تُسهم في تسارع توسّع الكون؟
تُعرَّف الطاقة المظلِمة Dark Energy، بأنّها أحد أشكال الطاقة غير المألوفة "لا نعرف طبيعتها " التي تملأ الفضاء، ويُعزى لها التمدّد السريع للكون، وتُشكّل هذه الطاقة(%68.3) تقريبًا من مكونات الكون، والجزء المتبقي من مكونات الكون يتوزّع بين مادّتَين؛

إحداهما تُسّمى المادة العادية (المألوفة) Ordinary Matter وهي المادة التي تتكوّن من غازَي الهيدروجين والهيليوم وباقي العناصر المعروفة، وتُشكّل ما نسبته (% 4.9 ) من مكونات الكون، أمّا المادة الأخرى فيُطلق عليها المادّة المظلِمة Dark Matter وهي مادة غير مألوفة "لا نعرف طبيعتها " تشكّل ما نسبته (% 26.8 ) من مكونات الكون، أنظرُ الشكل ( 6).

ويمكن الاستدلالُ على وجود المادة المظلِمة وتعرّفُ خصائصها عن طريق تأثير الجاذبية في المادة العادية.

الشكل ( 6):تمثيل بياني (قطاع دائري) يوضّح مكوِّنات الكون من مادةٍ وطاقةٍ ونسبها المئوية.

أُفكِّرُ:

ما الذي توصّل إليه العلماء حول سرعة توسّع الكون من تحليل الأطياف الصادرة عن النجوم فوق المستعرة؟

الإجابة: توصل العلماء إلى أن الكون يتوسّع متسارعًا بشكل لم يسبق له مثيل.

---

الربط بالتكنولوجيا
مِقراب فيرمي الفضائي هو مِقراب تابع لوكالة (ناسا) NASA، أُطلِق عام 2008 م، وهو مسبار فضائي متخصص في رصد أشعة غاما الصادرة عن النجوم، مثل النجوم فوق المستعرة، ويقع هذا المسبار في مدار منخفض حول الأرض.

 

أُفكِّرُ:

لم يُكشَف عن طبيعة المادة المظلِمة أو الطاقة المظلِمة؛ فكيف يُستَدلّ على وجودهما؟

الإجابة: من خلال تأثير الجاذبية في المادة العادية، وتوسُع الكون بشكل متسارع.

---

- قارن بين المادة المظلمة والطاقة المظلمة من حيث نوع القوة لكل منهما.

تعمل المادة المظلِمة بوصفها قوّة جاذبة، تربط مكوِّنات الكون من نجوم ومجرّات معًا، في المقابل تعمل الطاقة المظلِمة بوصفها قوة تُباعِد بين المجرّات ومن ثمَّ توسّع الكون، أنظر ُ الشكل ( 7). في المراحل الأولى من عمر الكون كان تأثير المادة المظلِمة أكبر بكثير من تأثير الطاقة المظلِمة التي كان أثرها قليلا في توسّع الكون، وبازدياد عمر الكون وتوسّعه قلَّ تأثير المادة المظلِمة وازداد تأثير الطاقة المظلِمة التي تُباعِد بين المجرات بسرعة أكبر، ما يفسّر تسارع توسّع الكون.

الشكل ( 7): تأثير كلّ من المادة المظلِمة والطاقة المظلِمة على توسّع الكون مع الزمن.

أُفكِّرُ:

أتوقّع ماذا يمكن أن يحدث لسرعة توسّع الكون لو كان تأثير الطاقة المظلِمة على توسّع الكون مشابهًا لتأثير المادة المظلِمة.

الإجابة: بما أن الطاقة المظلمة تعمل على توسع الكون، وبافتراض أنها ستعمل عمل المادة المظلمة (أي قوة جاذبة) فإنه سيحدث تباطؤ في سرعة توسّع الكون بشكل كبير جدًّا، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى توقف توسع الكون أو تقلصه.

---

الرّبط بالفيزياء

افترض العالم ألبرت أينشتاين في عام 1917 م في نظريته النسبية العامة نوعًا من القوّة الكونية البادئة، وأُطلِق عليها اسم " الثابت الكوني" من أجل مواجهة قوّة الجاذبية وتفسير الكون الذي كان يُفترض أنه ثابت (لا يتوسّع ولا ينكمش). ويتعارض اكتشاف الطاقة المظلِمة مع ما افترضه العالم أينشتاين؛ لأن الكون يتوسّع متسارعًا.

---

 

أتحقّق: أوضّح المقصود بالطاقة المظلِمة.

الإجابة: 

أحد أشكال الطاقة غير المألوفة "لا نعرف طبيعتها" التي تملأ الفضاء، ويُعزى لها التمدّد السريع للكون.

نشاطٌ

دَور المادّة المظلِمة والطاقة المظلِمة في توسّع الكون

تحتوي أغلب المجرّات على مادة مظلمِة لا تعكس الضوء أو تمتصّه مثلما تفعل المادة العادية، وعلى الرغم من أننا لم نكتشف المادة المظلِمة بعد في مختبرات البحوث العلمية، إلا أن وجودها أصبح معروفًا من خلال تأثيراتها الجاذبية.

لتعرّف الفرق بينَ المادة المظلِمة والطاقة المظلِمة وأثر كلّ منهما في توسّع الكون، أدرسُ الشكل الآتي الذي يوضّح نموذجًا للكون، ثم أُجيب عن الأسئلة التي تليه:

التحليل والاستنتاج:
1. أُحدّد أيّ النقاط الآتية (أ، ب، ج، د) يكون عندها تأثير الطاقة المظلِمة أكبرَ ما يمكن، وأبرّر السبب. 

الإجابة:النقطة (أ)؛ لأنه يحدث عندها أكبر توسّع للكون.

2. أُقارنُ بينَ النقطة (هـ) والنقطة (ج) من حيث تأثير المادة المظلِمة في كلّ منهما.

الإجابة: تأثير المادة المظلِمة في النقطة (هـ) أكبر منه في النقطة (ج).

3. أُرتّب النقاط (أ، ب، ج، د، هـ) تنازليًّا حسب تأثير المادة المظلِمة في كلّ منها.

الإجابة:(هـ، د، ج، ب، أ).
4. أرسم سهمين يدل كل منهما على الاتجاه الذي يزداد به تأثير كلّ من الطاقة المظلِمة والمادة المظلِمة.

عمر الكون Age of the Universe

- كيف تمكن العلماء من تقدير عمر الكون؟
تمكّن العلماء من تقدير عمر الكون التقريبي بحسابِ مقلوبِ ثابتِ هابل، وَفق العلاقة الرياضية الآتية:
T = 1/ Ho
حيثُ إن:

• T هو عمر الكون التقريبي، 
•  Ho هو ثابت هابل وتتراوح قيمته بين (km/s/Mpc)68-80، وقد قدّر العلماء متوسط

قيمته بنحو (70km/s/Mpc).

ويُحسَب عمر الكون بالسنوات وأجزائها، مع العلم أن:

• السنة =( s ⁷ 10 × 3.1)  
• الفرسخ الفلكي = (km ¹³ 10 × 3.1)ويساوي أيضًا (3.26lights years)،ويُشار إلى (المليون فرسخ فلكي) بالرمز (Mpc).
• وقد قدّر العلماء عمر الكون بنحو(13.7billion years)، وقد يكون العمر الفعلي للكون أصغر أو أكثر ببضعة مليارات من السنين.

  ---

   

مثال 1
أحسب عمر الكون بوحدة(years) إذا كان ثابت هابل يساوي (70km/s/Mpc) .
الحل:

• أكتب قانون عمر الكون وأبيّن وَحدات ثابت هابل:

T = 1/ Ho
1/70km/s/Mpc=

• أحوّل وَحدة ( Mpc ) إلى(km):

Mpc = 3.1 × 10¹⁹ km

• أحوّل وَحدة (s) إلى (years) للحصول على عمر الكون بوَحدة(years):

 1year = 3.1 × 10⁷ s

 

• أعوّض في القانون:

^{$T=\frac{1\times 3.1\times {10}^{19}}{70\times 3.1\times {10}^7}$}
T= 14.285 × 10⁹ years

 

---

مثال 2
أحسب عمر الكون بوحدة (years) إذا كان ثابت هابل يساوي (77km/s/Mpc).
الحل:
T = 1/ Ho

• أحوّل وَحدة ( Mpc ) إلى (km ):

Mpc = 3.1 × 10¹⁹ km

• أحوّل وَحدة (s) إلى (years) للحصول على عمر الكون بوَحدة(years):

 1year = 3.1 × 10⁷ s

• أعوّض في القانون:

$\frac{1\times 3.1\times {10}^{19}}{77 \times 3.1\times {10}^7}$=T

                                                                                                                                                                                     T=12.987 ×10⁹ years

• أُلاحظ من الأمثلة السابقة أنه كلّما زادت قيمة ثابت هابل قلّ عمر الكون.

 

---

تمرين؟

أحسب ثابت هابل على افتراض أن عمر الكون يساوي

(13.5billion years).

T = 1/H_o                         

• أحوّل وحدة Mpc إلى km:

km ¹⁹ 10 × 3.1 = Mpc

أحوّل الوحدة من ( (sإلى (years)

 s⁷ 10 × 3.1= 1year 

 

                                                                               10¹⁹ × 3.1 × 1

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ = 10⁹ × 13.5

                                                                              10⁷ × 3.1 × H_o 

Ho= 74 km/ s /Mpc

 

---

أتحقّق: أوضّح كيف تمكّن العلماء من حساب عمر الكون؟

الإجابة:  بحسابِ مقلوبِ ثابتِ هابل، حسب العلاقة الرياضية: T = 1/ H_o

الإثراء والتوسّع

مِقراب جيمس ويب الفضائي

James Webb Space Telescope

أُطلق مِقراب جيمس ويب الفضائي (JWST) بتاريخ 25 / 12 / 2021 م إلى الفضاء نحو نقطة
لاغرانج (Lagrangian Point (2 L على بُعد (1.5million kilometers) من الأرض، ويُعدّ هذا
المقرابُ أقوى مرصد فضائي حتى الآن، ويوصَف بأنه خليفة مِقراب هابل الفضائي، ويتمتع مقراب جيمس ويب بقدرة كبيرة على رصد وتحليل طيف الأشعة تحت الحمراء القادمة من الأجرام البعيدة، في حين أن  مِقراب هابل يعمل ضمن مجال مختلف من طول الموجة، إذ إن قدراته الأساسية تقع ضمن طيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وجزء صغير من طيف الأشعة تحت الحمراء. بالإضافة إلى ذلك فإن الصور الملتقطة بوساطة مِقراب جيمس ويب أكثر دقّةً من مِقراب هابل. لذلك من المتوقع أن تحدث ثورة في علم الفلك والفيزياء الفلكية عن طريق تسليط الضوء على أقدم النجوم، والمجرّات التي تشكّلت بعد الانفجار العظيم.
يتكوّن قلب مِقراب جيمس ويب من مرآة مقعَّرة قُطرها (6.5m)، تتألف من 18 مرآة سداسية الأضلاع، وهي مصنوعة من عنصر البريليوم المطليّ بالذهب، وقد أضيفت مِجسّات دقيقة إلى المِقراب بهدف التقاط صور للأجرام في الفضاء وتحليل الإشعاع؛ من أجل فهم خصائص المواد الكونية.

الكتابة في الجيولوجيا
أكتبُ فقرة حول المرصد الفضائي جيمس ويب، ودَوره في استكشاف أسرار الكون، ثمّ أعرض ما كتبتُه على زملائي/ زميلاتي في الصفّ.

الإجابة: 

يمكن أن يكتب  فقرة على النحو الآتي:

يسمح المقراب الفضائي "جيمس ويب" للعلماء بمشاهدة البعد العميق للكون، ورؤية جزءًا من الفضاء لم يتح لهم رؤيته من قبل؛ فيتيح لهم رؤية الكون عند بدء نشأة أول النجوم وأول المجرات بدقة تفوق كثيرًا إمكانيات مقراب هابل الفضائي، وسيستعين العلماء به لدراسة الكواكب والأجرام الأخرى في مجموعتنا الشمسية، لتعرُّف أصولها ونشأتها ومقارنتها بالكواكب التي تدور حول النجوم الأخرى خارج مجموعتنا الشمسية، والبحث عن المناطق الصالحة للعيش على سطح الكواكب الأخرى في مجرتنا، أي الكواكب التي تأوي أي شكل من أشكال الحياة.