ما هي القوة التي تحرك المجرات؟

يحتوي الكون على مليارات المجرات وفي كل واحدة منها مليارات الشموس. من كل مجرة، يمكن رؤية المجرات الأخرى وهي "تهرب" بسرعة (تتزايد مع المسافة) تبلغ حوالي 25 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية. بدأ الهروب مع الانفجار الكبير منذ حوالي 12 مليار سنة. وفي عام 1998، أصبح من الواضح أنه لا تزال هناك قوة تتسارع وتزيد من معدلها

البروفيسور يوفال نعام، من باب المجاملة لنظام روش جادول

سنة المعجزة وعلم الكونيات

ليس من المعتاد في الفيزياء الحديث عن المعجزات، إلا أن الفيزيائيين يطلقون على عام 1905 اسم "عام المعجزة"؛ ثم نشر ألبرت أينشتاين خمسة أعمال غيرت وجه الفيزياء الحديثة، ومن بينها النسبية الخاصة. ومنذ ذلك الحين وحتى عام 1915، استثمر أينشتاين نفسه في بناء النظرية النسبية العامة، التي حلت محل نظرية نيوتن في الجاذبية وشكلت علم الكونيات.
وقد أوضحت نظرية نيوتن في الجاذبية علاقات الجذب الموجودة بين الأجسام في الكون والتي تشروط بكتلتها والمسافة بينها. لقد طرحت النظرية النسبية العامة فكرة الفضاء المنحني كتأثير على الحركة المتبادلة للأجسام وسرعتها.
في الأساس، تعتبر نظرية نيوتن تقريبًا ممتازًا لنظيرتها أينشتاين، طالما أن السرعات ليست قريبة من سرعة الضوء وطالما أن مجال الجاذبية "ضعيف". ويعتبر مجال الجاذبية "قويا" في هذا السياق، إذا كانت قوته قريبة مما هو مطلوب لتكوين ثقب أسود.
فشمسنا، على سبيل المثال، التي يبلغ نصف قطرها 500,000 ألف كيلومتر، لديها مجال جاذبية "ضعيف". ولو انهار إلى نصف قطر 2 كيلومتر، لتحول إلى ثقب أسود.
لقد راكمت نظرية أينشتاين النسبية منذ طرحها، وقبلها المجتمع العلمي، وعلى ضوءها، بدأ علماء الفيزياء الفلكية في فك رموز بنية الكون واتجاه توسعه.

ما هو الثابت الكوني؟
عندما اقترب أينشتاين من مشكلة الكون، افترض أنه من الممكن استخدام (نموذج) تقريبي تكون فيه النجوم نوعًا من "حبيبات الغبار" ومن ثم حساب القوى الموجودة داخل هذا الغبار*.
كان من الواضح أنه في ديناميكيات نيوتن هذا نظام غير مستقر حيث يجذب الجميع الجميع وسينهار مثل هذا الكون بينما يسحق بعضهم البعض.
بدأ أينشتاين من فرضية أن الكون مستقر بشكل عام ولذلك اختبر في المعادلات إمكانية وجود عامل فيه قادر على موازنة قوى الجاذبية واستقرار النظام. في الواقع، يوجد في نظرية الجاذبية الجديدة عنصر يمكن أن يمثل التنافر ويسمى "الثابت الكوني". ولكن هنا تبدأ الأمور بالتعقد، لأن الحجم الثابت لـ "الثابت الكوني" يجعل من الصعب عليه القيام بدور المثبت. وذلك بسبب الحركة المستمرة للحبيبات (المجرات كما تتذكر)، والتي تغير المسافات بينها باستمرار، وبالتالي تغير قوى الجذب التي من المفترض أن يوازنها الثابت «الثابت».

المساحة المتسعة
هل الخياران الوحيدان اللذان يواجهان الكون إما أن ينهار أو يتوسع إلى الأبد؟ في عام 1922، أظهر باحث روسي في الغلاف الجوي يُدعى ألكسندر فريدمان، والذي كان منخرطًا في علم الكونيات كهواية، أنه وفقًا لمعادلات النسبية العامة، فإن عدة حالات من عدم الاستقرار، وليس مجرد الانهيار، كانت محتملة بعد الانفجار الكبير. فإذا أخذنا على سبيل المثال التمدد الأولي الذي أعقب الانفجار الأعظم، فإنه يتباطأ بعد فترة بسبب التجاذب المتبادل لمجالات الجاذبية. أو أن جاذبية المجالات أضعف من أن توقف التوسع وتستمر وتؤدي إلى تكوين كتل معزولة (مجرات) تتحرك بعيدًا وتتسبب في "تضخم" الكون.
وبعد سنوات قليلة، اكتشف هابل بالفعل الانزياح نحو الأحمر** في طيف ضوء المجرات، مما يشير إلى هروب "خائف" للمجرات من بعضها البعض. وهي تبتعد بسرعة متزايدة تتراكم مع المسافة - 25 كيلومترًا أخرى في الثانية لكل مسافة مليون سنة ضوئية***.

ماذا يوجد في الكون وأين ينتشر؟
منذ الخمسينيات، انشغل العلماء بمسألة أخرى في النظرية النسبية. هذه فجوة بين كميات المادة والإشعاع، والتي وفقًا للحسابات يجب أن تشكل متوسط ​​كثافة الطاقة (الكثافة "الحرجة") في الكون، والكمية المكتشفة (المادة المرئية) والتي تقل عن 10٪ من الذي - التي. ولذلك، تشير التقديرات إلى أنه لا تزال هناك كميات هائلة من المادة بأشكال لم نكتشفها بعد لأنها لا تعكس الضوء الطبيعي. ويشار إلى هذه المادة مجتمعة باسم "المادة المظلمة" وهي تشكل 20% أخرى من كمية المادة في الكون. ومازال هناك 70% مفقود من الكثافة الحرجة ويعتقد أن هناك أشكال إضافية من الطاقة لم نلاحظ وجودها وهي تلعب دورا في سلوك الكون.

عندما تبتعد المجرات عن بعضها البعض، ينشأ فراغ (وإن لم يكن مطلقًا) بينها. لكن عندما تتغير سرعة هروبهم في السياق واعتمادًا على الوقت، فهذا مؤشر على أن قوة متدخلة تعمل هنا الآن وليس فقط في لحظة الانفجار الذي حدث قبل 12 مليار سنة. هل هذه القوة ناتجة عما يسميه العلماء "طاقة الفراغ" حيث أن التجاذب يحدث بواسطة الجماهير؟

من المفترض مؤخرًا أن النسب المفقودة (70٪) موجودة في أحد النموذجين. إحداهما هي نفس "طاقة الفراغ" التي لم نتعلم حسابها بعد، والأخرى مرتبطة بمصطلح جديد يسمى "الجوهر" الذي يصف كيانًا (وهو ليس ماديًا بالمعنى المعتاد) يشع مجال تنافر. تم إدراج كلا الشكلين تحت اسم "الطاقة السوداء" (على عكس "المادة السوداء").

في بداية القرن الحادي والعشرين، نواجه معضلة قوة الجاذبية بطبيعتها، ولكن عملها هو التنافر، وهي التي تدير المجرات. إذن هذا هو اللغز الكوني الذي يسبق عام الفيزياء الذي سيبدأ في عام 21 - الذكرى المئوية لـ "عام المعجزة".

*في عام 1926، اكتشف عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل أن الكون أكبر بكثير مما توقعوه، وأن السدم التي كان يعتقد أنها سحب غازية في مجرتنا هي في الواقع مجرات في حد ذاتها.
** وهذا ما يسمى بـ "تأثير دوبلر" - وهو استطالة الأطوال الموجية عندما يبتعد مصدر الضوء عنا، وقصرها عندما يقترب المصدر.
***السنة الضوئية - المسافة التي يقطعها شعاع الضوء في سنة واحدة (سرعة الضوء = 300,000 كم في الثانية، أي حوالي عشرة آلاف مليار كم)

مرة أخرى، شكرًا لمحرر "روش جادول" زوهار جوري على المقال، وبالطبع أيضًا للبروفيسور يوفال نيمان
إلى الموقع الشهري "روش جودول"