1.6: جولة في الكون
- Page ID
- 197548
يمكننا الآن القيام بجولة تمهيدية قصيرة عن الكون حيث يفهمها علماء الفلك اليوم للتعرف على أنواع الأشياء والمسافات التي ستواجهها في جميع أنحاء النص. نبدأ من المنزل بالأرض، وهو كوكب كروي تقريبًا يبلغ قطره 13000 كيلومتر (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يمكن للمسافر الفضائي الذي يدخل نظامنا الكوكبي أن يميز الأرض بسهولة عن الكواكب الأخرى في نظامنا الشمسي بالكمية الكبيرة من الماء السائل الذي يغطي حوالي ثلثي قشرتها. إذا كان لدى المسافر معدات لاستقبال إشارات الراديو أو التلفزيون، أو اقترب بما يكفي لرؤية أضواء مدننا ليلاً، فسوف تجد قريبًا علامات على أن هذا الكوكب المائي يتمتع بحياة حساسة.
أقرب جار فلكي لنا هو القمر الصناعي للأرض، والذي يُطلق عليه عادة القمر. \(\PageIndex{2}\)يوضح الشكل رسم الأرض والقمر بمقياس على نفس الرسم التخطيطي. لاحظ مدى صغر حجم هذه الأجسام لتناسبها على الصفحة بالمقياس الصحيح. تبلغ مسافة القمر من الأرض حوالي 30 مرة قطر الأرض، أو ما يقرب من 384,000 كيلومتر، ويستغرق القمر حوالي شهر ليدور حول الأرض. يبلغ قطر القمر 3476 كيلومترًا، أي حوالي ربع حجم الأرض.
يستغرق الضوء (أو موجات الراديو) 1.3 ثانية للانتقال بين الأرض والقمر. إذا شاهدت مقاطع فيديو لرحلات أبولو إلى القمر، فقد تتذكر أنه كان هناك تأخير لمدة 3 ثوانٍ تقريبًا بين الوقت الذي طرح فيه التحكم في المهمة سؤالًا والوقت الذي استجاب فيه رواد الفضاء. لم يكن هذا بسبب تفكير علماء الفلك ببطء، بل لأن موجات الراديو استغرقت ما يقرب من 3 ثوانٍ للقيام برحلة ذهابًا وإيابًا.
تدور الأرض حول نجمنا، الشمس، الذي يبعد حوالي 150 مليون كيلومتر - أي ما يقرب من 400 مرة بعيدًا عنا مثل القمر. نسمي متوسط المسافة بين الأرض والشمس بالوحدة الفلكية (AU) لأنها كانت في الأيام الأولى لعلم الفلك أهم معيار للقياس. يستغرق الضوء أكثر من 8 دقائق بقليل للسفر في وحدة فلكية واحدة، مما يعني أن آخر الأخبار التي نتلقاها من الشمس دائمًا عمرها 8 دقائق. يبلغ قطر الشمس حوالي 1.5 مليون كيلومتر؛ يمكن أن تتناسب الأرض بشكل مريح مع أحد الانفجارات الطفيفة التي تحدث على سطح نجمنا. إذا تم تقليل حجم الشمس إلى كرة السلة، فستكون الأرض بذرة تفاح صغيرة على بعد حوالي 30 مترًا من الكرة.
تستغرق الأرض عامًا واحدًا (\(3 × 10^7\, seconds\)) للتجول حول الشمس من مسافة بعيدة؛ وللوصول إليها، يجب أن نسافر بسرعة 110.000 كيلومتر في الساعة تقريبًا. (إذا كنت، مثل العديد من الطلاب، لا تزال تفضل الأميال على الكيلومترات، فقد تجد الحيلة التالية مفيدة. لتحويل الكيلومترات إلى أميال، ما عليك سوى ضرب الكيلومترات في 0.6. وبالتالي، يصبح 110,000 كيلومتر في الساعة 66,000 ميل في الساعة.) نظرًا لأن الجاذبية تحملنا بقوة على الأرض ولا توجد مقاومة لحركة الأرض في فراغ الفضاء، فإننا نشارك في هذه الرحلة سريعة الحركة للغاية دون أن ندرك ذلك يومًا بعد يوم.
الأرض هي واحدة فقط من ثمانية كواكب تدور حول الشمس. تشكل هذه الكواكب، إلى جانب أقمارها وأسراب الأجسام الصغيرة مثل الكواكب القزمة، النظام الشمسي (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يُعرَّف الكوكب بأنه جسم ذو حجم كبير يدور حول نجم ولا ينتج ضوءه الخاص. (إذا كان الجسم الكبير ينتج ضوءه الخاص باستمرار، فإنه يُطلق عليه اسم النجم.) في وقت لاحق من الكتاب، سيتم تعديل هذا التعريف قليلاً، لكنه جيد تمامًا في الوقت الحالي عندما تبدأ رحلتك.
الشمس هي نجمنا المحلي، وجميع النجوم الأخرى هي أيضًا كرات ضخمة من الغاز المتوهج الذي يولد كميات هائلة من الطاقة من خلال التفاعلات النووية في أعماقها. سنناقش العمليات التي تجعل النجوم تتألق بمزيد من التفاصيل لاحقًا في الكتاب. تبدو النجوم الأخرى خافتة فقط لأنها بعيدة جدًا. إذا واصلنا تشبيهنا في كرة السلة، فإن Proxima Centauri، أقرب نجم وراء الشمس، والذي يبعد 4.3 سنة ضوئية، سيكون على بعد 7000 كيلومتر تقريبًا من كرة السلة.
عندما تنظر إلى السماء المليئة بالنجوم في ليلة صافية، فإن جميع النجوم المرئية للعين المجردة هي جزء من مجموعة واحدة من النجوم التي نسميها مجرة درب التبانة، أو ببساطة المجرة. (عند الإشارة إلى درب التبانة، نقوم بتكبير المجرة؛ وعند الحديث عن مجرات النجوم الأخرى، نستخدم المجرات الصغيرة.) الشمس هي واحدة من مئات المليارات من النجوم التي تشكل المجرة؛ مداها، كما سنرى، يرعب الخيال البشري. داخل كرة نصف قطرها 10 سنوات ضوئية تتمركز حول الشمس، نجد ما يقرب من عشر نجوم. داخل كرة نصف قطرها 100 سنة ضوئية، هناك ما يقرب من 10000 (104) نجمة - عدد كبير جدًا لا يمكن حصره أو تسميته - لكننا ما زلنا نجتاز جزءًا صغيرًا فقط من مجرة درب التبانة. داخل كرة 1000 سنة ضوئية، نجد حوالي عشرة ملايين (107) نجمة؛ داخل كرة تبلغ 100,000 سنة ضوئية، نشمل أخيرًا مجرة درب التبانة بأكملها.
تبدو مجرتنا وكأنها قرص عملاق مع كرة صغيرة في المنتصف. إذا تمكنا من التحرك خارج مجرتنا والنظر إلى أسفل على قرص درب التبانة من الأعلى، فمن المحتمل أن يشبه المجرة في الشكل\(\PageIndex{5}\)، بهيكلها الحلزوني المحدد بالضوء الأزرق لنجوم المراهقين الساخنة.
تقع الشمس إلى حد ما على بعد أقل من 30000 سنة ضوئية من مركز المجرة، في موقع لا يوجد فيه الكثير مما يميزه. من موقعنا داخل مجرة درب التبانة، لا يمكننا الرؤية حتى حافتها البعيدة (على الأقل ليس بالضوء العادي) لأن المسافة بين النجوم ليست فارغة تمامًا. يحتوي على توزيع متناثر للغاز (غالبًا أبسط عنصر، الهيدروجين) ممزوجًا بجزيئات صلبة صغيرة نسميها الغبار بين النجوم. يتجمع هذا الغاز والغبار في غيوم هائلة في العديد من الأماكن في المجرة، ليصبح المادة الخام للأجيال القادمة من النجوم. \(\PageIndex{5}\)يُظهر الشكل صورة لقرص المجرة كما يُرى من وجهة نظرنا.
عادةً ما تكون المادة بين النجوم قليلة جدًا لدرجة أن المسافة بين النجوم هي فراغ أفضل بكثير من أي شيء يمكننا إنتاجه في المختبرات الأرضية. ومع ذلك، فإن الغبار الموجود في الفضاء، والذي يتراكم على مدى آلاف السنين الضوئية، يمكن أن يحجب ضوء النجوم البعيدة. مثل المباني البعيدة التي تختفي من منظرنا في يوم مليء بالضباب الدخاني في لوس أنجلوس، لا يمكن رؤية المناطق البعيدة من درب التبانة خلف طبقات الضباب الدخاني بين النجوم. لحسن الحظ، وجد علماء الفلك أن النجوم والمواد الخام تتألق بأشكال مختلفة من الضوء، بعضها يخترق الضباب الدخاني، وبالتالي تمكنا من تطوير خريطة جيدة جدًا للمجرة.
ومع ذلك، كشفت الملاحظات الأخيرة أيضًا عن حقيقة مفاجئة ومزعجة إلى حد ما. يبدو أن هناك أكثر - أكثر بكثير - للمجرة مما تراه العين (أو التلسكوب). من خلال التحقيقات المختلفة، لدينا أدلة على أن الكثير من جهاز Galaxy الخاص بنا مصنوع من مواد لا يمكننا حاليًا ملاحظتها مباشرة باستخدام أدواتنا. لذلك نسمي هذا المكون من المجرة المادة المظلمة. نحن نعلم أن المادة المظلمة موجودة من خلال السحب الذي تمارسه جاذبيتها على النجوم والمواد الخام التي يمكننا ملاحظتها، ولكن ما تتكون منه هذه المادة المظلمة ومقدار وجودها لا يزال لغزًا. علاوة على ذلك، لا تقتصر هذه المادة المظلمة على مجرتنا؛ يبدو أنها جزء مهم من مجموعات النجوم الأخرى أيضًا.
بالمناسبة، لا تعيش جميع النجوم بمفردها، كما تفعل الشمس. يولد الكثير منهم في أنظمة مزدوجة أو ثلاثية مع نجمتين أو ثلاثة أو أكثر تدور حول بعضها البعض. نظرًا لأن النجوم تؤثر على بعضها البعض في مثل هذه الأنظمة القريبة، تسمح لنا النجوم المتعددة بقياس الخصائص التي لا يمكننا تمييزها من خلال مراقبة النجوم الفردية. في عدد من الأماكن، تشكلت نجوم كافية معًا حتى تعرفنا عليها كمجموعات نجمية (الشكل\(\PageIndex{6}\)). تحتوي بعض أكبر مجموعات النجوم التي قام علماء الفلك بفهرستها على مئات الآلاف من النجوم وتشغل أحجامًا من الفضاء تمتد لمئات السنين الضوئية.
قد تسمع النجوم التي يشار إليها باسم «الأبدية»، ولكن في الواقع لا يمكن لأي نجم أن يدوم إلى الأبد. نظرًا لأن «تجارة» النجوم تنتج الطاقة، ويتطلب إنتاج الطاقة نوعًا من الوقود ليتم استهلاكه، في النهاية نفد وقود جميع النجوم. لكن هذه الأخبار لا ينبغي أن تسبب لك الذعر، لأن شمسنا لا تزال أمامها 5 أو 6 مليارات سنة على الأقل. في نهاية المطاف، ستموت الشمس وجميع النجوم، وفي خضم الموت يتم الكشف عن بعض العمليات الأكثر إثارة للاهتمام والأكثر أهمية في الكون. على سبيل المثال، نحن نعلم الآن أن العديد من الذرات في أجسامنا كانت ذات يوم داخل النجوم. انفجرت هذه النجوم في نهاية حياتها، وأعادت تدوير موادها مرة أخرى إلى خزان المجرة. بهذا المعنى، نحن جميعًا مصنوعون حرفيًا من «غبار النجوم» المعاد تدويره.