ملخص محاضرة بتاريخ 21.6.05 يونيو XNUMX) * [ملاحظة: سبق أن تم نشر الملخص في "أدافار"، في المدينة الجامعية المفتوحة]
دكتور يورام كيرش
شاهد الشروحات الخاصة بالصورة في نهاية المقال **
في المائة عام الماضية كان هناك تقدم كبير في جميع مجالات العلوم. أحد المجالات التي كان التقدم فيها مثيرًا للإعجاب بشكل خاص هو مجال علم الفلك والفيزياء الفلكية (فيزياء الكون). من الصعب أن نصدق مدى ضآلة معرفتنا الفلكية قبل أقل من قرن من الزمان. على سبيل المثال، حتى عام 1924، اعتقد علماء الفلك أن مجرة درب التبانة هي الكون بأكمله. تم دحض هذه الفرضية في عام 1924 من قبل عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل، الذي درس الأجرام السماوية الشبيهة بالسدم في مرصد جبل ويلسون في جنوب كاليفورنيا. وباستخدام تلسكوب المرصد الذي يبلغ قطره 2.5 متر، أثبت هابل أن هذه السدم تقع خارج مجرتنا، وهي مجرات في حد ذاتها.
وفي الأعوام 1925 - 1929، حقق هابل اكتشافاً آخر، وهو أن المجرات في الكون تبتعد عن بعضها البعض، وهناك علاقة مباشرة بين بعد المجرة عنا وسرعتها. ويمكن أن نستنتج أنه منذ حوالي 14 مليار سنة، كانت كل المادة الموجودة في الكون تتركز في منطقة واحدة صغيرة. ووفقا للنظرية المقبولة اليوم، فإن الكون قد نشأ فيما بعد في نوع من الانفجار الهائل المعروف باسم "الانفجار الكبير".
إشعاع الخلفية الكونية
وخير دليل على الانفجار الأعظم هو "إشعاع الخلفية الكونية" الذي اكتشف عام 1965. وقد اكتشفه عالما الفيزياء من شركة بيل، أرنو بنزياس (بينزياس) وروبرت ويلسون (ويلسون)، اللذين كانا يختبران هوائي راديو جديد للاتصالات عبر الأقمار الصناعية. واكتشفوا أن الهوائي يلتقط "ضجيجًا" ثابتًا للإشعاع الكهرومغناطيسي في مجال الموجات الدقيقة. وقد وصل هذا الإشعاع بنفس الشدة من جميع الاتجاهات إلى السماء، وتبين أنه يتصرف مثل الإشعاع المنبعث من جسم عند درجة حرارة حوالي ثلاث درجات فوق الصفر المطلق. (الإشعاع الذي تتطابق خصائصه مع الإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة يسميه الفيزيائيون "إشعاع الجسم الأسود"). وقد تبين أن هذا هو الإشعاع الذي بقي في الكون منذ الانفجار الأعظم، ثم برد تدريجياً بسبب توسع الكون.
ووفقا للنظرية، كان من المفترض أن تكون هناك اختلافات صغيرة بين درجات حرارة الإشعاع في مناطق مختلفة من الكون. والسبب في ذلك هو أن درجة حرارة إشعاع الخلفية هي نوع من "الصورة" للكون عندما كان عمره حوالي 400 ألف سنة. لكي تتشكل النجوم والمجرات، كان لا بد من وجود اختلافات طفيفة في الكثافة في الكون الشاب. أما الأماكن الأكثر كثافة فقد جذبت المواد من حولها، وبالتالي تشكلت تجمعات المواد التي نمت منها النجوم والمجرات وعناقيد المجرات التي نراها اليوم مع مرور الوقت. وأظهرت الحسابات أن الاختلافات في درجات الحرارة يجب أن تكون في حدود واحد في مائة ألف.
يعتقد معظم الباحثين أنه لا توجد فرصة لاكتشاف مثل هذه الاختلافات الصغيرة. ولكن كان هناك "متحدث مجنون" يعتقد خلاف ذلك. كان الدكتور جورج سموت، (سموت) من بيركلي، هو الذي شارك منذ عام 1970 في قياسات إشعاع الخلفية بمساعدة الأدوات الجوية في الطائرات والبالونات. بدأ سموت دراسة لاكتشاف عدم التماثل في إشعاع الخلفية. بدأ التخطيط في منتصف السبعينيات وتم الانتهاء من البحث بنجاح في عام 1992، عندما اكتشف قمر صناعي بحثي يسمى COBE (مستكشف الخلفية الكونية)، صممه سموت وفريقه، اختلافات تصل إلى واحد في مائة ألف في الكون. درجة حرارة الإشعاع في نقاط مختلفة في السماء. قدمت النتائج تأكيدًا متجددًا ومثيرًا للإعجاب للانفجار الكبير، ولاقت استحسانًا واسع النطاق. كتب سموت كتابًا رائعًا حول هذا الموضوع بعنوان "التجاعيد في الوقت المناسب" (نشرته مكتبة معاريف باللغة العبرية).
بعد اكتشافات كوبي، بدأ علماء الفيزياء الفلكية باختبار نظريًا لكيفية تأثير العوامل المختلفة، مثل عمر الكون وكمية المادة في الكون، على التقلبات في إشعاع الخلفية. وأظهرت الاختبارات أنه من الممكن استخلاص معلومات مهمة من هذه التقلبات، إذا تم قياسها بأجهزة أكثر دقة من أجهزة كوبي. وسمحت خريطة الخلفية الإشعاعية التي قدمها كوبي للباحثين بمقارنة متوسط درجة الحرارة بين المناطق التي يبلغ قطرها سبع درجات قوسية أو أكثر (الدائرة الكاملة 360 درجة). يمكن مقارنة ذلك بصورة جواز سفر مقاس 5 × 5 سم، والتي تتكون من مربعات مقاس 1 × 1 مم باللون الأسود والأبيض وظلال الرمادي. قد نتمكن من تحديد هوية من تم تصويره في الصورة، لكن من المشكوك فيه أن تكون جودتها كافية لجواز السفر أو بطاقة الهوية.
بدأت وكالة ناسا، التي ساعدت في بناء كوبي ونقله إلى الفضاء، في التخطيط لإنشاء قمر صناعي بحثي جديد لقياس إشعاع الخلفية. كان القمر الصناعي يسمى MAP (اختصار لمسبار تباين الموجات الميكروية. لاحقًا أطلق عليه اسم WMAP تخليدًا لذكرى ديفيد ويلكنسون [ويلكنسون] الذي كان أحد المبادرين لـ MAP). وصلت قدرة الفصل في قياسات MAP إلى خمس الدرجة. تم إطلاق MAP بنجاح في يونيو 2001 وكان مجتمع علماء الفيزياء الفلكية ينتظرون النتائج بفارغ الصبر.
فك أسرار الخلق
استمرت القياسات لمدة عام كامل عندما كان MAP يدور حول الشمس وكان دائمًا على بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض. تم أخذ عينات من كل قطعة من السماء عدة آلاف من المرات، بخمسة ترددات في مجال الموجات الدقيقة. نُشرت النتائج في فبراير 2003 (بعد حوالي أسبوعين من كارثة كولومبيا التي لقي فيها سبعة رواد فضاء حتفهم، بمن فيهم إيلان رامون). تجاوزت نتائج MAP كل التوقعات. إلى جانب نتائج الأجهزة الأرضية والأدوات التي تم إطلاقها في البالونات، أكدت نظرية الانفجار الكبير وأسفرت عن قيم دقيقة للغاية لمختلف المعلمات المتعلقة بتطور الكون. على سبيل المثال، وجد أن عمر الكون هو 13.7 مليار سنة، بدقة تصل إلى واحد بالمائة (التقديرات السابقة تحدثت عن 13-15 مليار سنة).
قدمت النتائج تأكيدًا لنسخة حديثة من نظرية الانفجار الكبير تسمى نظرية الكون المتوسع. وفقا لهذه النظرية، التي اقترحتها إلين جوث من الولايات المتحدة الأمريكية عام 1981، في مرحلة مبكرة جدًا من تطور الكون، كانت هناك فترة قصيرة من التوسع السريع جدًا تُعرف باسم "التضخم". خلال هذه الفترة تضاعف حجم الكون بشكل متكرر، حوالي مائة مرة. ثم استمر في الانتشار بمعدل أبطأ بكثير.
نظرية جوث تجيب على السؤال المثير: من أين جاءت الطاقة الأولية التي منها المادة والإشعاع في الكون؟ ووفقا لنموذج الانتفاخ، فإن معظم المادة والإشعاع تم خلقها أثناء الانتفاخ، من خلال عمليات فيزيائية نستطيع فهمها وتحليلها. (في المقابل، وفقا للنموذج القياسي للانفجار الكبير، فإن كل المادة والإشعاع الذي يملأ الكون اليوم ظهر فجأة من العدم). ويمكن القول أن نموذج التضخم يزيل إلى حد ما حجاب الغموض الذي يكتنف فعل الخلق.
ما مقدار المادة الموجودة في الكون؟
يمكننا أن نقدر بدقة كبيرة كتلة الأرض، وكتلة كل كوكب من الكواكب، وكتلة الشمس، وأيضا كتلة النجوم الأبعد، ولكن هل من الممكن تقدير الكتلة الإجمالية للكون، أو الكتلة الكلية للكون؟ كثافة المادة في الكون؟ هذا السؤال مهم لأن كمية المادة والطاقة الموجودة في الكون تحدد ما إذا كان سيستمر في التوسع إلى الأبد، أو ما إذا كانت قوى الجاذبية ستتسبب في تباطؤ التوسع وسيبدأ الكون في الانكماش. القيمة المحددة تسمى "الكثافة الحرجة". فإذا كانت كثافة المادة والطاقة في الكون أقل من الكثافة الحرجة، فإن توسع الكون سيستمر إلى الأبد. إذا كانت أعلى من الكثافة الحرجة، فإن التوسع سوف يعكس اتجاهه عند نقطة ما، وفي النهاية سوف تتراكم كل المادة الموجودة في الكون مرة أخرى في منطقة صغيرة جدًا.
نتائج MAP حلت اللغز. ويترتب على ذلك أن كثافة المادة والطاقة في الكون تساوي الكثافة الحرجة، مع احتمال وجود خطأ أقل من واحد بالمائة. يتكون حوالي أربعة بالمائة فقط من هذه الكثافة من المادة التي تُبنى منها الذرات. 23 بالمئة هي مادة غامضة لا تزال طبيعتها تحتاج إلى توضيح، وتعرف بالمادة المظلمة. و73% أخرى عبارة عن طاقة غامضة، وهي تشبه إلى حد ما الطاقة التي أدت إلى توسع الكون خلال فترة التضخم. وقد سميت هذه الطاقة بالطاقة المظلمة. هل الطاقة المظلمة هي بالفعل بقايا من تلك الطاقة البدائية، أم أنها ظاهرة جديدة لم تكن موجودة في الكون المبكر؟ ما زلنا لا نعرف الجواب. دعونا نأمل أن تجده في المستقبل.
*في الانقلاب الصيفي: عقدت الجامعة المفتوحة ندوة حول علم الفلك واستكشاف الفضاء
عقدت الجامعة المفتوحة ندوة حول علم الفلك واستكشاف الفضاء بمناسبة مرور 100 عام على نشر مقال ألبرت أينشتاين عن النظرية النسبية (يونيو 1905) وفي إطار فعاليات السنة الدولية للفيزياء.
وعرضت محاضرات الندوة المعرفة الفلكية المحدثة والحديثة المبنية على أحدث عمليات الرصد من المركبات الفضائية والتلسكوبات الموجودة على الأرض.
وسيتحدث البروفيسور يورام كيرش من قسم العلوم الطبيعية والحياة في الجامعة المفتوحة في الندوة عن اكتشافات المركبة الفضائية COBE وWMAP وكيف تصف الفيزياء خلق العالم. وتحدث البروفيسور إيليا ليبوفيتز من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة تل أبيب، عن الانفجار الأضخم في الكون، لنجوم تعرف باسم "انفجارات إشعاع جاما"؛ وأوضح يجال فتال من الجمعية الفلكية الإسرائيلية والجامعة المفتوحة ماهية الكسوف الشمسي والأبيض وسيقدم على وجه الخصوص الكسوف الكلي للشمس الذي سيحدث بالقرب من إسرائيل في مارس 2006؛ وأخيراً عرض الدكتور يوآف يائير من قسم العلوم الطبيعية والحياة في الجامعة المفتوحة الابتكارات والاكتشافات في دراسة كواكب المريخ وزحل والأجرام الأخرى في النظام الشمسي.
** شرح للصورة
يمكن وصف معالجة البيانات بالطريقة التالية. وتقسم السماء إلى مربعات ذات عرض زاوي معين (مثلاً 10) ويتم حساب الفرق بين متوسط درجة الحرارة في كل مربع ومتوسط درجة حرارة إشعاع الخلفية ككل. ثم يتم حساب متوسط هذه الاختلافات. عند تغيير حجم المربعات بشكل متكرر وتكرار العملية الحسابية، تحصل على الرسم البياني في الشكل. المحور الرأسي في الرسم البياني هو متوسط فرق درجة الحرارة (T) بوحدات 1 مقسومًا على 100,000 درجة كلفن. على المحور الأفقي تظهر المعلمة l المتعلقة بحجم المربعات. (1800 مقسومًا على l هو العرض الزاوي للمربعات، والذي يظهر على المقياس العلوي). الدوائر في الرسم البياني هي نتائج قياسات MAP وبعض التجارب الأرضية. ويبين الخط المستمر الحساب النظري لـ T، الذي يتوافق مع نتائج القياس.
