29.5: ما الذي يتكون منه الكون حقًا؟
- Page ID
- 197680
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- حدد جزء كثافة الكون الذي تساهم به النجوم والمجرات ومقدار المادة العادية (مثل الهيدروجين والهيليوم والعناصر الأخرى التي نعرفها هنا على الأرض) التي تشكل الكثافة الكلية
- وصف كيف تغيرت الأفكار حول محتويات الكون على مدى السنوات الخمسين الماضية
- اشرح سبب صعوبة تحديد ماهية المادة المظلمة حقًا
- اشرح لماذا ساعدت المادة المظلمة المجرات على التشكل بسرعة في بداية الكون
- لخص تطور الكون من وقت انبعاث CMB حتى يومنا هذا
نموذج الكون الذي وصفناه في القسم السابق هو أبسط نموذج يشرح الملاحظات. يفترض أن النسبية العامة هي النظرية الصحيحة للجاذبية في جميع أنحاء الكون. مع هذا الافتراض، يفسر النموذج بعد ذلك وجود وبنية CMB؛ وفرة العناصر الضوئية الديوتيريوم والهيليوم والليثيوم؛ وتسارع توسع الكون. تدعم جميع الملاحظات حتى الآن صحة النموذج، والذي يشار إليه بالنموذج القياسي (أو التوافق) لعلم الكونيات.
\(\PageIndex{1}\)يلخص الشكل\(\PageIndex{1}\) والجدول أفضل التقديرات الحالية لمحتويات الكون. تساهم المادة المضيئة في النجوم والمجرات والنيوترينوات بحوالي 1٪ من الكتلة المطلوبة للوصول إلى الكثافة الحرجة. هناك 4٪ أخرى بشكل أساسي في شكل هيدروجين وهيليوم في الفضاء بين النجوم وفي الفضاء بين المجرات. تمثل المادة المظلمة حوالي 27٪ إضافية من الكثافة الحرجة. تقوم الكتلة المكافئة للطاقة المظلمة (وفقًا لـ\(E = mc^2\)) بتوفير 68٪ المتبقية من الكثافة الحرجة.
| الكائن | الكثافة كنسبة مئوية من الكثافة الحرجة |
|---|---|
| المادة المضيئة (النجوم، إلخ.) | <1 |
| الهيدروجين والهيليوم في الفضاء بين النجوم وبين المجرات | 4 |
| المادة المظلمة | 27 |
| الكثافة الكتلية المكافئة للطاقة المظلمة | 68 |
يجب أن تصدمك هذه الطاولة. ما نقوله هو أن 95٪ من مواد الكون هي إما مادة مظلمة أو طاقة مظلمة - لم يتم اكتشاف أي منها في مختبر هنا على الأرض. هذا الكتاب المدرسي بأكمله، الذي ركز على الأشياء التي تنبعث منها إشعاع كهرومغناطيسي، يتجاهل بشكل عام 95٪ مما هو موجود. من يقول أنه لا توجد ألغاز كبيرة لم يتم حلها بعد في العلوم!
\(\PageIndex{1}\)يوضح الشكل كيف تغيرت أفكارنا حول تكوين الكون على مدى العقود الثلاثة الماضية فقط. يتناقص جزء الكون الذي نعتقد أنه يتكون من نفس الجسيمات مثل طلاب علم الفلك بشكل مطرد.
ما هي المادة المظلمة؟
يجد العديد من علماء الفلك أن الوضع الذي وصفناه مرضٍ للغاية. تتفق العديد من التجارب المستقلة الآن على نوع الكون الذي نعيش فيه وعلى مخزون ما يحتويه. يبدو أننا قريبون جدًا من امتلاك نموذج كوني يشرح كل شيء تقريبًا. البعض الآخر ليس جاهزًا بعد للقفز على العربة. يقولون: «أظهر لي 96٪ من الكون الذي لا يمكننا اكتشافه مباشرة - على سبيل المثال، ابحث لي عن بعض المادة المظلمة!»
في البداية، اعتقد علماء الفلك أن المادة المظلمة قد تكون مخفية في الأشياء التي تبدو داكنة لأنها لا تنبعث منها أي ضوء (مثل الثقوب السوداء) أو التي تكون خافتة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها على مسافات كبيرة (مثل الكواكب أو الأقزام البيضاء). ومع ذلك، فإن هذه الأجسام ستكون مصنوعة من مادة عادية، ووفرة الديوتيريوم تخبرنا أن ما لا يزيد عن 5٪ من الكثافة الحرجة تتكون من مادة عادية.
الشكل الآخر المحتمل الذي يمكن أن تتخذه المادة المظلمة هو نوع من الجسيمات الأولية التي لم نكتشفها بعد هنا على الأرض - جسيم له كتلة ويوجد بوفرة كافية للمساهمة بـ 23٪ من الكثافة الحرجة. تتنبأ بعض نظريات الفيزياء بوجود مثل هذه الجسيمات. تم تسمية فئة واحدة من هذه الجسيمات باسم WIMPs، والذي يرمز إلى الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف. نظرًا لأن هذه الجسيمات لا تشارك في التفاعلات النووية التي تؤدي إلى إنتاج الديوتيريوم، فإن وفرة الديوتيريوم لا تضع قيودًا على عدد WIMPs التي قد تكون في الكون. (كما تم اقتراح عدد من الجسيمات الغريبة الأخرى كمكونات أساسية للمادة المظلمة، لكننا سنقتصر مناقشتنا على WIMPs كمثال مفيد.)
في حالة وجود أعداد كبيرة من WIMPs، فيجب أن يمر بعضها عبر مختبرات الفيزياء لدينا الآن. الحيلة هي الإمساك بهم. نظرًا لأنها بحكم تعريفها لا تتفاعل إلا بشكل ضعيف (بشكل غير منتظم) مع المواد الأخرى، فإن فرص تأثيرها القابل للقياس ضئيلة. لا نعرف كتلة هذه الجسيمات، لكن نظريات مختلفة تشير إلى أنها قد تكون بضع إلى بضع مئات من كتلة البروتون. إذا كانت كتلة WIMPs أكبر بـ 60 مرة من كتلة البروتون، فسيكون هناك حوالي 10 ملايين منها تمر عبر يدك الممدودة كل ثانية - دون أي تأثير عليك على الإطلاق. إذا كان هذا يبدو محيرًا للغاية، فضع في اعتبارك أن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف مع المادة العادية، ومع ذلك تمكنا من «التقاطها» في النهاية.
على الرغم من التحديات، هناك أكثر من 30 تجربة مصممة للكشف عن WIMPS قيد التشغيل أو في مراحل التخطيط. تتراوح التنبؤات حول عدد المرات التي قد تصطدم فيها WIMPs فعليًا بنواة الذرة في الأداة المصممة لاكتشافها في نطاق حدث واحد في السنة إلى حدث واحد لكل 1000 سنة لكل كيلوغرام من الكاشف. لذلك يجب أن يكون الكاشف كبيرًا. يجب حمايته من النشاط الإشعاعي أو الأنواع الأخرى من الجسيمات، مثل النيوترونات، التي تمر عبره، وبالتالي يتم وضع أجهزة الكشف هذه في المناجم العميقة. ستكون الطاقة المنقولة إلى النواة الذرية في الكاشف عن طريق الاصطدام بـ WIMP صغيرة، وبالتالي يجب تبريد الكاشف إلى درجة حرارة منخفضة جدًا.
أجهزة كشف WIMP مصنوعة من بلورات الجرمانيوم أو السيليكون أو الزينون. يتم تبريد أجهزة الكشف إلى بضعة آلاف من الدرجة - قريبة جدًا من الصفر المطلق. وهذا يعني أن الذرات في الكاشف باردة جدًا لدرجة أنها نادرًا ما تهتز على الإطلاق. إذا اصطدم جسيم من المادة المظلمة بإحدى الذرات، فسيؤدي ذلك إلى اهتزاز البلورة بأكملها وبالتالي زيادة درجة الحرارة بشكل طفيف جدًا. قد تولد بعض التفاعلات الأخرى وميضًا ضوئيًا يمكن اكتشافه.
يتم إجراء نوع مختلف من البحث عن WIMPs في مصادم الهدرونات الكبير (LHC) في CERN، مختبر فيزياء الجسيمات في أوروبا بالقرب من جنيف، سويسرا. في هذه التجربة، تصطدم البروتونات بالطاقة الكافية التي من المحتمل أن تنتج WIMPs. لا تستطيع أجهزة الكشف عن LHC اكتشاف WIMPs مباشرة، ولكن إذا تم إنتاج WIMPs، فسوف تمر عبر أجهزة الكشف، وتنقل الطاقة معها. سيجمع المجربون بعد ذلك كل الطاقة التي يكتشفونها نتيجة اصطدامات البروتونات لتحديد ما إذا كانت هناك أي طاقة مفقودة.
حتى الآن، لم تكتشف أي من هذه التجارب WIMPs. هل ستؤتي التجارب الجديدة ثمارها؟ أم سيتعين على العلماء البحث عن تفسير آخر للمادة المظلمة؟ الوقت فقط هو الذي سيخبرنا (الشكل\(\PageIndex{3}\)).
المادة المظلمة وتكوين المجرات
على الرغم من أن المادة المظلمة قد تكون بعيدة المنال في عالم اليوم الحالي، لم يكن من الممكن أن تتشكل المجرات بسرعة بدونها. نمت المجرات من تقلبات الكثافة في الكون المبكر، وقد تشكل بعضها بالفعل بعد حوالي 400-500 مليون سنة فقط من الانفجار العظيم. تعطينا الملاحظات مع WMAP و Planck والتجارب الأخرى معلومات عن حجم تقلبات الكثافة هذه. اتضح أن اختلافات الكثافة التي نلاحظها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تكوين المجرات بعد وقت قصير من الانفجار العظيم. في بداية الكون الحار، اصطدمت الفوتونات النشطة بالهيدروجين والهيليوم، وأبقتها تتحرك بسرعة كبيرة لدرجة أن الجاذبية لم تكن قوية بما يكفي لجعل الذرات تتجمع لتشكل المجرات. كيف يمكننا التوفيق بين هذا وحقيقة أن المجرات تشكلت وهي في كل مكان حولنا؟
توفر لنا أدواتنا التي تقيس CMB معلومات حول تقلبات الكثافة فقط للمواد العادية التي تتفاعل مع الإشعاع. المادة المظلمة، كما يشير اسمها، لا تتفاعل مع الفوتونات على الإطلاق. كان من الممكن أن يكون للمادة المظلمة اختلافات أكبر بكثير في الكثافة وأن تكون قادرة على التجمع معًا لتشكيل «مصائد» الجاذبية التي كان من الممكن أن تبدأ بعد ذلك في جذب المادة العادية فور أن أصبح الكون شفافًا. ومع تركز المادة العادية بشكل متزايد، كان من الممكن أن تتحول إلى مجرات بسرعة بفضل مصائد المادة المظلمة هذه.
على سبيل المقارنة، تخيل شارعًا به إشارات مرور كل نصف ميل أو نحو ذلك. لنفترض أنك جزء من موكب سيارات برفقة الشرطة التي تقودك عبر كل ضوء، حتى لو كان لونه أحمر. لذلك أيضًا، عندما كان الكون المبكر غير شفاف، تفاعل الإشعاع مع المادة العادية، مما نقل الطاقة إليها وحملها على طول الطريق، متجاوزًا تركيزات المادة المظلمة. لنفترض الآن أن الشرطة تغادر الموكب، الذي يواجه بعد ذلك بعض الأضواء الحمراء. تعمل الأضواء كمصائد مرورية؛ يجب أن تتوقف السيارات المقتربة الآن، وبالتالي تتجمع. وبالمثل، بعد أن أصبح الكون المبكر شفافًا، تفاعلت المادة العادية مع الإشعاع من حين لآخر فقط وبالتالي يمكن أن تقع في مصائد المادة المظلمة.
الكون في قشرة
في الأقسام السابقة من هذا الفصل، قمنا بتتبع تطور الكون تدريجياً إلى الوراء عبر الزمن. اتبع الاكتشاف الفلكي هذا المسار تاريخيًا، حيث سمحت لنا الأدوات الجديدة والتقنيات الجديدة بالبحث عن قرب من بداية الزمن. تم تحديد معدل توسع الكون من قياسات المجرات القريبة. تم استخدام تحديدات وفرة الديوتيريوم والهيليوم والليثيوم بناءً على النجوم والمجرات القريبة لوضع حدود لمقدار المادة العادية في الكون. لا يمكن تفسير حركات النجوم في المجرات والمجرات داخل مجموعات المجرات إلا إذا كانت هناك كميات كبيرة من المادة المظلمة. تشير قياسات المستعرات الأعظمية التي انفجرت عندما كان عمر الكون حوالي نصف عمره الآن إلى أن معدل تمدد الكون قد تسارع منذ حدوث تلك الانفجارات. تُظهر ملاحظات المجرات الخافتة للغاية أن المجرات بدأت تتشكل عندما كان عمر الكون 400-500 مليون سنة فقط. وأكدت ملاحظات CMB النظريات المبكرة بأن الكون كان حارًا جدًا في البداية.
لكن كل هذا التحرك أكثر فأكثر إلى الوراء في الوقت المناسب قد يجعلك تشعر بالدوار قليلاً. لذلك دعونا الآن نوضح بدلاً من ذلك كيف يتطور الكون مع مرور الوقت إلى الأمام.
\(\PageIndex{4}\)يلخص الشكل التاريخ الكامل للكون الذي يمكن ملاحظته منذ البداية في رسم تخطيطي واحد. كان الكون حارًا جدًا عندما بدأ في التوسع. لدينا بقايا أحفورية من الكون المبكر جدًا في شكل نيوترونات وبروتونات وإلكترونات ونيوترينوات والنواة الذرية التي تشكلت عندما كان عمر الكون 3-4 دقائق: الديوتيريوم والهيليوم وكمية صغيرة من الليثيوم. تبقى المادة المظلمة أيضًا، لكننا لا نعرف حتى الآن شكلها.
برد الكون تدريجيًا؛ عندما كان عمره حوالي 380,000 عام، وعند درجة حرارة حوالي 3000 كلفن، اندمجت الإلكترونات مع البروتونات لتكوين ذرات الهيدروجين. في هذه المرحلة، كما رأينا، أصبح الكون شفافًا للضوء، واكتشف علماء الفلك انبعاث CMB في هذا الوقت. لا يزال الكون لا يحتوي على نجوم أو مجرات، وهكذا دخل ما يسميه علماء الفلك «العصور المظلمة» (لأن النجوم لم تكن تضيء الظلام). خلال مئات الملايين من السنين التالية، نمت التقلبات الصغيرة في كثافة المادة المظلمة، وشكلت مصائد الجاذبية التي ركزت المادة العادية، والتي بدأت في تكوين المجرات بعد حوالي 400-500 مليون سنة من الانفجار العظيم.
في الوقت الذي كان فيه الكون يبلغ حوالي مليار سنة، كان قد دخل نهضته الخاصة: فقد اشتعل مرة أخرى بالإشعاع، ولكن هذه المرة من النجوم المشكلة حديثًا ومجموعات النجوم والمجرات الصغيرة. على مدى عدة مليارات من السنين التالية، اندمجت المجرات الصغيرة لتشكل العمالقة التي نراها اليوم. بدأت المجموعات والمجموعات الفائقة من المجرات بالنمو، وبدأ الكون في النهاية يشبه ما نراه في الجوار.
خلال العشرين عامًا القادمة، يخطط علماء الفلك لبناء تلسكوبات عملاقة جديدة في الفضاء وعلى الأرض لاستكشاف المزيد في الماضي. في عام 2021، سيتم إطلاق وتجميع تلسكوب جيمس ويب الفضائي، وهو تلسكوب بطول 6.5 متر خلف تلسكوب هابل الفضائي، في الفضاء. تشير التوقعات إلى أنه باستخدام هذه الأداة القوية (انظر الشكل 29.1) يجب أن نكون قادرين على النظر إلى الوراء بعيدًا بما يكفي لتحليل تكوين المجرات الأولى بالتفصيل.
المفاهيم الأساسية والملخص
سبعة وعشرون بالمائة من الكثافة الحرجة للكون تتكون من مادة مظلمة. لشرح الكثير من المادة المظلمة، تتنبأ بعض نظريات الفيزياء بضرورة وجود أنواع إضافية من الجسيمات. تم تسمية أحد الأنواع باسم WIMPs (الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف)، ويقوم العلماء الآن بإجراء تجارب لمحاولة اكتشافها في المختبر. تلعب المادة المظلمة دورًا أساسيًا في تكوين المجرات. نظرًا لأن هذه الجسيمات، بحكم تعريفها، لا تتفاعل إلا بشكل ضعيف جدًا (إن وجدت) مع الإشعاع، فقد يكون من الممكن أن تتجمع بينما كان الكون لا يزال حارًا جدًا ومليئًا بالإشعاع. وهكذا كانت ستشكل مصائد الجاذبية التي سرعان ما اجتذبت المادة العادية وتركيزها بعد أن أصبح الكون شفافًا، وانفصل المادة عن الإشعاع. مكّن هذا التركيز السريع للمادة المجرات من التكون بحلول الوقت الذي كان فيه عمر الكون 400-500 مليون سنة فقط.
مسرد المصطلحات
- المادة المظلمة
- مادة غير مضيئة، لا نفهم طبيعتها بعد، ولكن يمكن استنتاج وجودها بسبب تأثيرها الجاذبي على المادة المضيئة
- الجسيمات الضخمة التي تتفاعل بشكل ضعيف
- (WIMPs) تعد الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف أحد المرشحين لتكوين المادة المظلمة