العصور المظلمة للكون

يحاول علماء الفلك ملء الصفحات الفارغة في ألبوم صور طفولة الكون 

بقلم أبراهام ليب، ظهر في الطبعة الإسرائيلية لمجلة ساينتفيك أمريكان في فبراير-مارس 2007

مقدمة للقراء الإسرائيليين: لأول مرة في تاريخ البشرية، يدرس العلماء قصة سفر التكوين من خلال التلسكوبات. المقال الذي كتبته يصف الجبهة البحثية للكون الفتي والتي تتمحور حول الآية "وليكن نور". وكما هو الحال دائمًا، فإن العلم يفعل أكثر مما يجيب - فهو يفتح نافذة لمزيد من الأسئلة، والتي ربما سيحلها أحد قرائي الشباب في المستقبل. عندما كنت طفلاً صغيرًا في موشاف بيت حانان، أحببت ركوب الجرار إلى الحقول ومناقشة الأسئلة الفلسفية حول الكون هناك. وما زلت لم أتمكن من حل معظم هذه الأسئلة.

عندما أنظر إلى السماء ليلا، غالبا ما أتساءل عما إذا كنا نحن البشر لسنا منغمسين في أنفسنا أكثر من اللازم. أليس هناك الكثير في الكون أبعد مما يمكننا رؤيته على الأرض؟ لقد كنت محظوظًا، وباعتباري عالم فيزياء فلكية، أتقاضى أجرًا للتفكير في هذا الموضوع، وهي مهنة تمنحني منظورًا مختلفًا للأشياء. إذا لم يكن الأمر كذلك، فمن المؤكد أن هناك قضايا أخرى من شأنها أن تزعجني - موتي، على سبيل المثال. سيموت كل شخص يومًا ما، لكن عندما أنظر إلى الكون بأكمله، يغمرني شعور بطول العمر. وبفضل الصورة الكبيرة، أجد نفسي أقل انزعاجًا بشأن وجودي الخاص مما قد أكون عليه في ظل ظروف أخرى.

يتعامل علماء الكونيات مع بعض الأسئلة الأساسية التي حاول البشر حلها لعدة قرون من خلال التفكير الفلسفي، لكننا نفعل ذلك من خلال الاعتماد على الملاحظات المنهجية والمنهجية الكمية. ربما كان أعظم إنجاز في القرن الماضي هو بناء نموذج للكون، استنادا إلى مجموعة واسعة من المعرفة. عندما أتصفح الجريدة، كجزء من روتيني الصباحي، كثيرًا ما أصادف وصفًا طويلًا للصراعات بين الناس حول الحدود أو الملكية أو الحريات. غالبًا ما تُنسى أخبار اليوم بعد أيام قليلة، ولكن ماذا تجد عادةً في الفصل الأول من الكتابات القديمة، التي تركز اهتمام جماهير واسعة على مدى فترات طويلة من الزمن، مثل الكتاب المقدس؟ مناقشة حول كيفية تشكل عناصر الكون: الضوء، النجوم، الحياة. على الرغم من أن البشر غالبًا ما يكونون منشغلين بالمشاكل اليومية، إلا أنهم فضوليون بشأن الصورة الكبيرة. كمواطنين في الكون، من الطبيعي بالنسبة لنا أن نتساءل كيف تم إنشاء المصادر الأولى للضوء، وكيف تشكلت الحياة، وما إذا كانت هناك كائنات ذكية غيرنا في هذا الفضاء العظيم. يتمتع علماء الفلك في القرن الحادي والعشرين بوضع فريد يسمح لهم بالعثور على إجابات لهذه الأسئلة الكبيرة.

إن ما يجعل علم الكونيات الحديث علمًا تجريبيًا هو قدرتنا على النظر إلى الماضي، بالمعنى الحرفي للكلمة. عندما تنظر إلى صورتك المنعكسة في مرآة موضوعة على بعد متر منك، ترى نفسك كما نظرت قبل 6 نانو ثانية - وهو الوقت الذي انتقل فيه الضوء إلى المرآة والعودة. وبالمثل، لا يحتاج علماء الكونيات إلى تخمين كيفية تطور الكون؛ نحن قادرون على مشاهدة تاريخها من خلال التلسكوبات. وبما أن الكون إحصائيًا يبدو متماثلًا في جميع الاتجاهات، فإن ما نراه على بعد مليارات السنين الضوئية ربما يكون تمثيلًا جيدًا لحالة الجزء الذي نعيش فيه من الكون منذ مليارات السنين.

الهدف النهائي لعلم الكون الرصدي هو وصف تاريخ الكون بأكمله، مما يوفر صورة كاملة لتطورنا لأنه كان عبارة عن غاز عديم الشكل من الجسيمات دون الذرية. لدينا صورة مؤقتة للكون كما كان بعد 400,000 ألف سنة من الانفجار الكبير - من إشعاع الخلفية الكونية - وأيضًا صور للمجرات الفردية، بعد حوالي مليار سنة. وبحلول منتصف العقد المقبل، تعتزم وكالة ناسا إطلاق تلسكوب فضائي جديد يسمى "تلسكوب جيمس ويب الفضائي" (JWST)، والذي سيكون قادرا على رصد المجرات الأولى، التي تشكلت، وفقا للمنظرين، في عصر كوني لعدة مئات الملايين من السنين.

لكن كل هذا لا يزال يترك لنا فجوة كبيرة. وفي الفترة ما بين إطلاق إشعاع الخلفية الكونية، وأشعة الضوء الأولى من النجوم، ساد الظلام في الكون، ولم يتبع الإشعاع الكوني توزيع المادة. قد تبدو هذه الفترة الزمنية قاتمة، وكأنها فترة فاصلة مملة بين النتائج المباشرة للانفجار الكبير، والكون المزدحم اليوم. ولكن في الواقع، حدثت أحداث مهمة في تلك الأيام: تطور الخليط البدائي إلى مجموعة غنية من الأجرام السماوية التي نراها اليوم. وفي الظلام الدامس، تعمل قوى الجاذبية على تجميع الأجسام في الكون. 

علماء الفلك في وضع يشبه التقليب في ألبوم صور لشخص يحتوي على أول صورة بالموجات فوق الصوتية له كجنين لم يولد بعد، والعديد من الصور له عندما كان مراهقًا وكشخص بالغ. إذا حاولت أن تخمن من خلال هذه الصور ما حدث بين الفترتين، فربما كنت مخطئا للغاية. فالطفل ليس جنينًا خضع للتضخم، أو شخصًا بالغًا خضع للتصغير، وينطبق الشيء نفسه على المجرات. ولم يتبعوا مسارًا واضحًا للتطور من نفس المادة الأولية التي تم تسجيلها في إشعاع الخلفية الكونية. تشير الملاحظات إلى أن الكون خضع لعملية تشوه معينة خلال ذلك العصر المظلم.

ويبحث علماء الفلك اليوم عن تلك الصفحات المفقودة في ألبوم الصور الكونية، والتي ستظهر كيف تطور الكون خلال بداياته، وكيف تشكلت اللبنات الأساسية للمجرات مثل مجرتنا درب التبانة. قبل عشر سنوات، عندما انضممت إلى هذا الجهد، لم يُظهِر سوى عدد قليل من الباحثين اهتمامًا بالموضوع. واليوم، يتعامل جزء كبير من مشاريع الرصد المستقبلية مع هذا الأمر، ويبدو أن هذا المجال هو أحد أكثر مجالات العمل إثارة في علم الكونيات في العقد القادم.
الأيونات إلى الأيونات

وفقا لنظرية الانفجار الأعظم، كان الكون المبكر مليئا بالبلازما الساخنة - مرجل من البروتونات والإلكترونات والفوتونات وحفنة من الجسيمات الأخرى. تفاعلت الإلكترونات التي تتحرك بحرية مع الفوتونات في عملية تسمى تشتت طومسون، مما أدى إلى خلق اقتران قوي بين المادة والإشعاع. مع توسعه وتوسعه، برد الكون، وعندما انخفضت درجات الحرارة إلى أقل من 3,000 درجة كلفن، ارتبطت البروتونات بالإلكترونات وشكلت ذرات هيدروجين محايدة كهربائيًا. وانتهت عملية تشتت طومسون، وضعف التفاعل بين الفوتونات والمادة بشكل كبير وأصبح إشعاع الخلفية الكونية. استمر توسع الكون في تبريد الغاز، لذلك يمكننا أن نتوقع أن يكون الغاز الكوني باردًا ومحايدًا حتى يومنا هذا.

لكن من المدهش أن الوضع مختلف. على الرغم من أن العالم من حولنا يتكون من الذرات، إلا أن معظم المادة العادية في الكون اليوم هي على شكل بلازما، موجودة في أعماق الفضاء بين المجرات. تشير ملاحظات الطيف الضوئي للكوازارات والمجرات وأبعد ومضات إشعاع جاما المعروفة لنا (وبالتالي الأقدم أيضًا) إلى أن نفس الهيدروجين الكوني المنتشر كان متأينًا بالكامل عندما كان عمر الكون مليار سنة. ظهرت إشارة لما حدث قبل ثلاث سنوات، عندما وجدت المركبة الفضائية ويلكنسون لعدم تجانس إشعاع الخلفية الكونية (WMAP) استقطابًا طفيفًا في إشعاع الخلفية الكونية. لا يمكن للهيدروجين المحايد أن يستقطب هذا الإشعاع، فقط الهيدروجين المتأين يمكنه ذلك. تشير درجة الاستقطاب إلى أن الغاز قد تأين بالفعل بعد عدة مئات الملايين من السنين من الانفجار الكبير. وهذا يعني أن الذرات لا بد أنها تحللت مرة أخرى إلى مكوناتها، البروتونات والإلكترونات، عندما انتهى العصر المظلم.

يربط معظم الباحثين عملية إعادة التأين هذه بالخلق الأول للنجوم. يتطلب تأين ذرة الهيدروجين طاقة قدرها 13.6 إلكترون فولت، وهي الكمية التي يحملها الفوتون في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. هذه ليست طاقة كبيرة، فهي تعادل حوالي 109 جول لكل كيلوغرام من الهيدروجين، وهي أقل بكثير من كمية الطاقة البالغة 1015 جول المنبعثة في الاندماج النووي لنفس الكمية من الهيدروجين. إذا خضع جزء من المليون فقط من كمية الغاز في الكون للاندماج داخل النجوم، فسيتم إطلاق طاقة كافية لتأين بقية الغاز. ويتكهن باحثون آخرون بأن المادة التي تمتصها الثقوب السوداء تطلق الطاقة اللازمة للتأين. يؤدي السقوط في ثقب أسود إلى إطلاق ما يصل إلى 1016 جول لكل كيلوغرام، لذلك يجب أن يسقط واحد على عشرة ملايين فقط من الهيدروجين الكوني في الثقوب السوداء لتأين كل شيء آخر.

تتشكل النجوم والثقوب السوداء داخل المجرات، لذلك قبل أن تحدث عملية إعادة التأين، كان لا بد من تشكل المجرات. على الرغم من أن المجرات يُنظر إليها عمومًا على أنها كوكبات، إلا أن علماء الكونيات يعرّفونها على أنها مجموعات كبيرة من المادة. عادةً ما تتشكل النجوم في المجرات فقط في مرحلة متأخرة نسبيًا. وفي الواقع، فإن معظم المادة الموجودة في المجرات هي مادة مظلمة، وهي نوع من المادة لم نحددها بعد، وهي بحكم تعريفها غير مرئية. ويعتقد البعض أن المجرات تشكلت عندما أصبحت منطقة من الكون، التي كانت أكثر كثافة من المتوسط، أكثر ازدحاما بسبب جاذبيتها. على الرغم من أن المنطقة توسعت في البداية، مثل بقية الكون، إلا أن الجاذبية الزائدة أبطأت معدل توسعها، وعكست اتجاهها، وتسببت في انهيار المنطقة وتشكيل جرم سماوي مقيد - مجرة.

ووفقا للنماذج المتاحة اليوم، بدأت المجرات القزمة بالتشكل عندما كان عمر الكون 100 مليون سنة. مع مرور الوقت، اندمجوا معًا وشكلوا مجرات أكبر وأكبر. وقد تشكلت مجرة ​​حديثة، مثل مجرة ​​درب التبانة، بعد حوالي مليون من عمليات الاندماج هذه. داخل المجرات الجنينية، يبرد الغاز ويتجمع حتى تتشكل النجوم. تسربت الأشعة فوق البنفسجية للنجوم إلى الفضاء بين المجرات، مما أدى إلى تجريد الإلكترونات من ذراتها وخلق فقاعة متوسعة من الغاز المتأين. ظهرت المزيد والمزيد من هذه الفقاعات مع تكوين مجرات جديدة، وبدأ الفضاء بين المجرات يشبه الجبن السويسري. بدأت الفقاعات تتداخل مع بعضها البعض وملأت المساحة بالكامل في النهاية.

يبدو هذا التسلسل للأحداث ممكنًا، لكنه حتى الآن كان موجودًا فقط في أذهان المنظرين. سيكون علماء الكون العمليون مهتمين بإيجاد دليل مباشر على فترة إعادة التأين قبل إضافة الفصل المفقود إلى الكتب المدرسية. علاوة على ذلك، فإن الملاحظات فقط هي التي يمكنها تحديد ما إذا كانت النجوم أو الثقوب السوداء هي التي سيطرت على عصر إعادة التأين وما هي خصائص المادة المظلمة. ولكن كيف تكون مثل هذه الملاحظات ممكنة إذا كان العصر المظلم، على الأقل في البداية، مظلمًا؟
رؤية في الظلام

لحسن الحظ، حتى الهيدروجين البارد قادر على إصدار نوع من الضوء. تمتلك الجسيمات دون الذرية خاصية داخلية تسمى الدوران، والتي يمكن أن تشير إلى أحد الاتجاهين والتي اتفق العلماء على تسميتها "أعلى" و"أسفل". يمكن للإلكترون والبروتون الموجودين في ذرة الهيدروجين أن يشيرا في نفس الاتجاه (الحالة الموازية) أو في اتجاهين متعاكسين (الحالة المعكوسة). طاقة الذرة في الحالة المقلوبة أقل. على سبيل المثال، إذا كان كل من الإلكترون والبروتون يشيران في البداية إلى الأعلى، ثم يدور الإلكترون ويشير إلى الأسفل، فإن الذرة بأكملها تنخفض إلى مستوى طاقة أقل، مما يؤدي إلى تحرير فرق الطاقة في الفوتون الذي يبلغ طول موجته 21 سم. وفي العملية العكسية، إذا امتصت الذرة فوتونًا بهذا الطول الموجي، فإن الإلكترون المتجه للأسفل سيعكس اتجاهه.

إن طاقة الفوتون الذي يبلغ طوله الموجي 21 سم أقل بكثير من طاقة الفوتونات المميزة لقفز الإلكترون بين المدارات في ذرة الهيدروجين. لذلك، من الممكن أن تحدث عملية عكس الدوران حتى عندما لم تكن النجوم قد إشعاعت بعد. كانت طاقة إشعاع الخلفية الكونية والاصطدامات بين الذرات كافية لعكس دوران الإلكترونات وجعل الهيدروجين يصدر إشعاعًا ضعيفًا. تحدد النسبة بين عدد الذرات في الحالة الموازية وعدد الذرات في الحالة المقلوبة "درجة حرارة دوران" الغاز. على سبيل المثال، تشير درجة حرارة الدوران المرتفعة إلى وجود نسبة عالية من الذرات في حالة متوازية.

لذلك، وفقًا لهذه النظرية، يتم تعريف العصر المظلم بثلاثة أنواع من درجات الحرارة: درجة حرارة الدوران (مقياس لنسبة الذرات في حالات الدوران المختلفة)، ودرجة الحرارة الحركية الطبيعية (مقياس لحركة الذرات) ودرجة الحرارة الحركية الطبيعية (مقياس لحركة الذرات). درجة حرارة الإشعاع (مقياس لطاقة فوتونات الخلفية). من الممكن أن تكون درجات الحرارة الثلاث هذه مختلفة عن بعضها البعض بسبب العمليات الفيزيائية المختلفة التي حدثت.

خلقت درجات الحرارة الثلاثة مثلثًا غريبًا من العلاقات: في البداية كانت درجة حرارة الدوران مشابهة لدرجة حرارة الحركة، ثم درجة حرارة الإشعاع، وأخيرًا درجة حرارة الحركة مرة أخرى (انظر الامتداد في مربع النص). مع توسع الفضاء، يبرد الغاز والإشعاع. لو كان الغاز معزولا، لكان قد برد بشكل أسرع، ولكن نظرا لقلة عدد الإلكترونات الحرة المتبقية بعد تكوين الهيدروجين، لكان التبريد أبطأ. تم استخدام الإلكترونات الحرة كوسيط. لقد قاموا بنقل الطاقة من إشعاع الخلفية الكونية إلى الذرات، وبالتالي الحفاظ على المساواة بين درجات الحرارة الثلاث. بعد عشرة ملايين سنة فقط من الانفجار الأعظم، توقفت الإلكترونات الحرة عن العمل كوسيط، بسبب تخفيف إشعاع الخلفية. اختل التوازن بين الغاز والإشعاع، وبدأ الغاز يبرد بسرعة. تقارن الاصطدامات الذرية درجة حرارة الدوران مع درجة الحرارة الحركية. عند هذه النقطة، ابتلع الهيدروجين الفوتونات ذات الطول الموجي 21 سنتيمترًا فقط، وامتص طاقة إشعاع الخلفية الكونية (رغم أنها ليست كافية لإعادة النظام إلى التوازن).

بعد مائة مليون سنة من الانفجار الكبير حدث تغيير آخر. أدى التمدد الكوني إلى تخفيف الغاز حتى حدثت الاصطدامات بشكل نادر جدًا بحيث لا يمكن مقارنة درجة حرارة الدوران ودرجة الحرارة الحركية. بدأت السبينات تكتسب الطاقة من الإشعاع الكوني، ومع عودة درجة حرارة السبين إلى التوازن مع درجة حرارة الإشعاع، امتص الهيدروجين وأصدر فوتونات بطول موجة يبلغ 21 سم. خلال هذه الفترة، لم يكن من الممكن رؤية الغاز على خلفية الإشعاع الكوني.

وعندما ظهرت النجوم والثقوب السوداء الأولى، حدث التغيير الثالث. أدت الأشعة السينية المنبعثة إلى رفع درجة حرارة الحركة. تم امتصاص ضوءها فوق البنفسجي وأعاد إطلاقه بواسطة الهيدروجين، كما أدت التحولات المتكررة للإلكترونات بين المدارات الذرية إلى توازن درجة حرارة الدوران ودرجة الحرارة الحركية. ارتفعت درجة حرارة الدوران فوق درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية، وكان الهيدروجين يشع بشكل أكثر كثافة من الخلفية. نظرًا لأن قلب دوران الإلكترونات يتطلب طاقة أقل بكثير من الذرات المؤينة، فقد تسببت المجرات في دوران الهيدروجين قبل فترة طويلة من إعادة تأينه. أخيرًا، عندما أصبح الهيدروجين متأينًا، أطلق إشعاعًا بطرق أخرى، وتلاشت الانبعاث بين المجرات بطول موجة يبلغ 21 سم.
التصوير المقطعي للأجداد

وبسبب نفس مثلث العلاقات، ستضاء السماء بإشعاع قدره 21 سم أو أغمق من إشعاع الخلفية، حسب الزمان والمكان. هناك ظاهرة أخرى يجب أن يأخذها الراصدون بعين الاعتبار، وهي تحول الفوتونات إلى أطوال موجية أطول، الناتج عن التوسع الكوني. منذ بداية العصر المظلم، زاد قطر الكون 1,000 مرة، لذا فإن فوتونًا يبلغ قطره 21 سنتيمترًا ينبعث في نفس الوقت، سيصل إلى الأرض بطول موجة يبلغ 210 أمتار. ينحرف الفوتون المنبعث قرب نهاية العصر المظلم بطول موجة يتراوح من متر إلى مترين.

هذا هو نطاق من الأطوال الموجية الموجودة في مجال الموجات الراديوية للطيف الكهرومغناطيسي. ويمكن التقاط الانبعاث بواسطة مجموعة من الهوائيات منخفضة التردد، مثل تلك المستخدمة في البث الإذاعي والتلفزيوني. وتشارك العديد من المجموعات البحثية حاليًا في بناء مثل هذه المصفوفات. وستتضمن مجموعة "ميلورا" الميدانية (MWA) في غرب أستراليا 8,000 هوائي منتشرة على مساحة قطرها كيلومتر ونصف وحساسة لأطوال موجية تتراوح من متر واحد إلى 3.7 متر. يمتلك المصفوفة دقة زاويّة تبلغ بضع دقائق قوسية، وهو ما يتوافق مع مقياس مادي يبلغ حوالي ثلاثة ملايين سنة ضوئية خلال العصر المظلم. ومن المبادرات الأخرى في التخطيط مصفوفة التردد المنخفض (LOFAR)، والتلسكوب الهيكلي المبكر (PaST)، وفي المستقبل البعيد، مصفوفة الكيلومتر المربع (SKA).

ستقوم هذه المصفوفات بمسح الترددات لرسم خريطة لإشعاع 21 سم في أوقات مختلفة من التاريخ الكوني. سيتمكن علماء الفلك من تجميع خريطة ثلاثية الأبعاد لتوزيع الهيدروجين المحايد. سيكونون قادرين على ملاحظة كيفية تضخيم الاختلافات الطفيفة في الكثافة في الكون بمقدار جزء واحد في 100,000 (كما هو الحال في إشعاع الخلفية الكونية) بعدة مراتب من حيث الحجم. وفي المناطق ذات الكثافة الأعلى، نأمل أن نرى المجرات تبدأ في التبلور وتكوين فقاعات من الهيدروجين المتأين. سوف تتكاثر الفقاعات وتندمج حتى تقوم أخيرًا بإخلاء الفضاء بين المجرات من الهيدروجين المحايد (انظر مربع النص على اليمين). إن حدة ملامح الفقاعات سوف تجيب على السؤال ما الذي تسبب في إعادة التأين، النجوم الثقيلة أو الثقوب السوداء؟ تطلق النجوم الضخمة معظم طاقتها في نطاق الضوء فوق البنفسجي، وهو إشعاع يمكن حجبه بسهولة بواسطة الهيدروجين الموجود بين المجرات، بينما تنتج الثقوب السوداء بشكل أساسي الأشعة السينية، التي تخترق عمق الغاز. ولهذا السبب تخلق الثقوب السوداء خطوطًا أكثر ضبابية.

ومن المتوقع أن تعطي خريطة الإشعاع ذات الطول الموجي 21 سم معلومات أكثر من أي خريطة سابقة في علم الكونيات، بما في ذلك خريطة إشعاع الخلفية الكونية. هناك عدة أسباب لذلك. أولا، في حين أن إشعاع الخلفية الكونية يوفر صورة ثنائية الأبعاد، حيث أنه تم إنشاؤه في لحظة واحدة من الزمن (عندما بردت الكون إلى أقل من 3,000 كلفن)، فإن الخريطة 21 سم ستكون، كما ذكرنا، ثلاثية الأبعاد. ثانيًا، إشعاع الخلفية غامض بعض الشيء، لأنه لم يتم إطلاقه في وقت واحد في كل مكان. لقد مر الكون بعصر متوسط ​​لم يكن فيه منيعاً لمرور الإشعاع ولا شفافاً كنوع من الضباب الذي يتبدد تدريجياً. خلال هذه الفترة، انتشر الإشعاع على مسافات قصيرة وترك بصمة رقيقة على إشعاع الخلفية الكونية. ومن ناحية أخرى، عندما انبعث الإشعاع 21 سم من ذرات الهيدروجين، لم يعيق أي شيء تقدمه في الفضاء، وبالتالي فهو يعكس توزيع الغاز دون ضبابية. السبب الثالث هو المعلومات التي يحملها إشعاع الخلفية. ويحمل هذا الإشعاع معلومات عن كثافة المادة التي شكلت بذور المجرات، بينما يرسم إشعاع 21 سم كلاً من بذور المجرات وتأثير المجرات على بيئتها، منذ لحظة تشكلها.

للكشف عن الإشارات الإشعاعية بطول موجة يبلغ 21 سنتيمترًا، يجب التغلب على العديد من التحديات. أولاً، يجب تصفية البث الإذاعي واسع النطاق والتردد المنخفض على الأرض. ثانياً، سيكون من الضروري التعامل مع انبعاث موجات الراديو من مجرتنا، وهو انبعاث أقوى بـ 10,000 مرة من الإشارات الواردة من عصر إعادة التأين. ولحسن الحظ، فإن شكل الضوضاء المجرية يكون موحدًا إلى حد ما عند الأطوال الموجية القريبة من بعضها البعض، في حين أن إشارات الإشعاع البالغة 21 سم تختلف مع الطول الموجي وفقًا للبنية المكانية للفقاعات المتأينة. وهذا الاختلاف سيجعل من الممكن استخراج الإشارات الإشعاعية من ضجيج المجرة. سيتمكن علماء الفلك من مقارنة الخرائط مقاس 21 سم مع الصور التي تم الحصول عليها بوسائل أخرى، مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي. يجب أن تتوافق المجرات المرئية في ضوء الأشعة تحت الحمراء مع فقاعات الأيونات المنتشرة في مساحات الهيدروجين المحايدة. 

إلى جانب تحديات المراقبة التي ذكرناها، هناك العديد من المهام الأخرى التي تواجه المنظرين. أولا وقبل كل شيء، سيتعين عليهم إجراء عمليات محاكاة حاسوبية أكبر - حتى يتمكنوا من تتبع الأحداث في حجم كبير بما يكفي لتكون عينة ممثلة إحصائيا للكون (بعرض مليار سنة ضوئية)، وبدقة عالية بما فيه الكفاية - تتبع أيضًا المجرات القزمة. يجب على عمليات المحاكاة أيضًا أن تتبع تقدم الإشعاع المؤين من المجرات إلى الغاز المحيط بها، وهي عملية لم تقدم عمليات المحاكاة حتى الآن سوى وصف تقريبي لها. من المحتمل جدًا أن يلاحظ المراقبون إعادة التأين، حتى قبل أن يتمكن المنظرون من التنبؤ بما يفترض بهم رؤيته بالضبط.

ينبغي للجهود المشتركة - التجريبية والنظرية على حد سواء - أن تبدد بعض الضباب الذي يخيم على بعض القضايا المثيرة للقلق في نظرية تكوين المجرات. إحدى هذه القضايا تتعلق بالثقوب السوداء الضخمة الموجودة في مراكز المجرات. في السنوات العشر الأخيرة، أدرك علماء الفلك أن كل مجرة ​​في الكون تقريبًا اليوم، بما في ذلك مجرة ​​درب التبانة، بها ثقب أسود هائل. ويُعتقد أن هذه الثقوب السوداء تبتلع الغاز أثناء الأحداث التي تحدث عند اندماج المجرات. عندما يحدث هذا، يضيء الغاز المنهار بشكل أكثر سطوعًا من بقية المجرة، مما يشكل نجمًا زائفًا. كشف مسح سلون الرقمي للسماء أن النجوم الزائفة ذات الثقوب السوداء التي تزيد كتلتها عن مليار كتلة شمسية كانت موجودة في وقت مبكر من العصر الكوني البالغ مليار سنة. كيف تشكلت مثل هذه الثقوب السوداء الضخمة في وقت مبكر جدًا؟ ولماذا توقفوا عن النمو؟

هناك مسألة أخرى تتعلق بتوزيع حجم المجرات. يعتقد المنظرون أن الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من المجرات القزمة أثناء إعادة التأين تسخن الغاز الكوني وتمنع تكوين مجرات جديدة منخفضة الكتلة. وكيف تطور هذا الوضع مع مرور الوقت؟ أي من المجرات القزمة التي نراها اليوم كانت موجودة في البداية؟ هذه ليست سوى بعض من الأسئلة العديدة التي تم العثور على إجابات لها في العصر المظلم.
 نظرة عامة - عصر إعادة التأين
في السنوات الأخيرة، تم إيلاء الكثير من الاهتمام في علم الكونيات لإشعاع الخلفية الكونية، الذي يوفر صورة مؤقتة للكون عند عمر 400,000 سنة. ولكن بين ذلك الوقت ووقت ظهور المجرات الأولى، كانت هناك فترة من الظلام التام تقريبًا، لا يقطعها سوى ضوء النجوم الخافت. وفي هذه الفترة يكمن سر تكوين المجرات.
ومن الواضح أنه من الصعب دراسة الفترة التي بطبيعتها تكاد تكون غير مرئية. يكمن المفتاح في البحث عن الإشارات الخافتة لموجات الراديو المنبعثة من غاز الهيدروجين المحايد أثناء تفاعله مع إشعاع الخلفية. اليوم، بدأ العلماء في إجراء مثل هذا البحث.
وستكون النتيجة خريطة أكثر إثارة للاهتمام من إشعاع الخلفية الكونية. ستكون عبارة عن خريطة ثلاثية الأبعاد تصف خطوة بخطوة كيفية إنشاء الأنماط والنظام من مادة عديمة الشكل.

عن المؤلف
أبراهام ليب (لوب) هو عالم رائد في العالم في مجال البحث النظري للنجوم الأولى وعصر إعادة التأين. ووفقا له، فإن ما يدفعه هو الاهتمام بالأسئلة الفلسفية القديمة. ألهمته هذه الأسئلة لدخول مجال الفيزياء في شبابه. وهو حاليا أستاذ علم الفلك في جامعة هارفارد وأستاذ زائر في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت. كان ليب أيضًا رائدًا في اكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية باستخدام عدسة الجاذبية الدقيقة وتوليد أشعة جاما في الفضاء بين المجرات. شارك في أول مجموعة عمل علمية حول تلسكوب جيمس ويب الفضائي وحصل على زمالة غوغنهايم عام 2002.

على الرغم من عدم وجود نجوم بعد، إلا أن العصر المظلم لم يكن مظلمًا تمامًا. تسببت عملية نادرة في توهج غاز الهيدروجين بشكل خافت.
لكي يتألق الهيدروجين، لا بد من وجود مصدر للطاقة. وكانت المصادر الوحيدة المتاحة هي الطاقة الحركية للذرات نفسها (المنطلقة في الاصطدامات بين الذرات) وفوتونات إشعاع الخلفية الكونية. ساعدت حفنة من الإلكترونات الحرة في نقل الطاقة بين الذرات والفوتونات.
ومع ذلك، لم يكن هناك مصدر طاقة قوي بما يكفي لجعل الهيدروجين يتوهج بالوسائل المعروفة، كما يحدث عندما يُلقى إلكترون إلى مدار ذري أعلى (يُسمى "الحالة المثارة") ثم يعود إلى مداره الأصلي مُصدرًا فوتونًا.
قدمت الاصطدامات والفوتونات طاقة كافية لعكس دوران الإلكترون ونقله إلى حالة موازية لدوران البروتون. عندما انقلب دوران الإلكترون إلى الوراء، أطلق فوتونًا بطول موجي قدره 21 سم.
تم استخدام الطاقة الحركية وطاقة الفوتون وطاقة الدوران كثلاثة حمامات طاقة تتبادل الطاقة مع بعضها البعض في عمليات مختلفة.
يمكن تمثيل كمية الطاقة في كل حمام بدرجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة. في بداية العصور المظلمة، كانت درجات الحرارة الثلاث متساوية (أ). ثم بدأت درجة الحرارة الحركية ودرجة حرارة الدوران في الانخفاض بشكل أسرع من طاقة الفوتون (ب). وبعد مرور بعض الوقت، تعود درجة حرارة السبين إلى التوازن مع درجة حرارة الفوتون (ج). وأخيرًا، قامت النجوم والكوازارات بتسخين الغاز ورفع درجة الحرارة الحركية ودرجة حرارة الدوران (د). تحدد درجات الحرارة النسبية كيف (وإذا) يمكن ملاحظة الهيدروجين.

والمزيد حول هذا الموضوع

قياس طيف الطاقة على نطاق صغير لتقلبات الكثافة الكونية من خلال التصوير المقطعي 21 سم قبل عصر تكوين البنية. أبراهام لوب وماتياس زالداريج في رسائل المراجعة البدنية، المجلد. 92، لا. 21، ورقة رقم 211301؛ 25 مايو 2004، النسخة الأولية متاحة على arxiv.org/abs/astro-ph/0312134

حالة الكون، بيتر كولز في الطبيعة، المجلد 433، الصفحات 248-256؛ 25 يناير 2005.

الضوء الأول، أبراهام لوب، ملاحظات محاضرة للمدرسة الشتوية لرسوم SAAS، أبريل 2006، arxiv.org/abs/astro-ph/0603360

مطاردة ظلال هابل: البحث عن المجرات على حافة الزمن، جيف كانيبي، هيل ووانغ، 2006.

علم الكونيات في الترددات المنخفضة: انتقال 21 سم والكون ذو الانزياح الأحمر العالي، ستيفن فورلانيتو، س. بينغ أوه وفرانك بريجز في تقارير الفيزياء (قادم).
arxiv.org/abs/astro-ph/0608032