على افتراض أن الطاقة المظلمة تعمل على تسريع توسع الكون، فكيف تفعل ذلك بالضبط؟
ونهاية الشهر الماضي، وافقت الحكومة الأميركية على مشروع SNAP، وهو مركبة فضائية سيتم إطلاقها لدراسة "الطاقة المظلمة"، وهو عامل مجهول الخصائص يسرع توسع الكون.
تم اكتشاف أدلة رصدية غير مباشرة على وجود الطاقة المظلمة قبل أربع سنوات. ولا يمكن ملاحظته بشكل مباشر، لكن العلماء يعتقدون أنه يملأ الفضاء بأكمله ويدفع الكون إلى التوسع بسرعة متزايدة. سيقوم المسبار (Supernova Acceleration SNAP) بالبحث عن المستعرات الأعظم وتصويرها، وهي النجوم التي أنهت حياتها بانفجار هائل. إن الصور الفوتوغرافية وقياس الخصائص الضوئية للعديد من المستعرات الأعظمية - والتي سيتم إجراؤها باستخدام تلسكوب وكاميرا رقمية فريدة من نوعها، أكبر بثلاثين مرة من كاميرا تلسكوب هابل الفضائي - ستسمح، كما يأمل العلماء، بفهم أفضل لجوهر الكون. الطاقة المظلمة.
وفي عام 1929، نشر عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل نتائج سلسلة من الملاحظات، التي أظهرت أن المجرات المختلفة تتحرك مبتعدة عن بعضها البعض بسرعة عالية. وأدت هذه الملاحظة إلى تكوين نظرية "الانفجار الكبير" التي اعتقدت أن الكون كان يتركز في البداية في نقطة واحدة ثم انفجر وبدأ في التوسع والنمو. ولتصور صورة العالم التي تم الحصول عليها من هذه النظرية يمكن استخدام صورة "البالون المنتفخ". المجرات المختلفة عبارة عن نقاط مرسومة على سطح البالون. في الحالة الأولية، عندما يكون البالون فارغًا، تكون النقاط قريبة جدًا من بعضها البعض. مع التورم، تبتعد النقاط، كل واحدة منها عن الأخرى.
حتى العقد الماضي، كان الافتراض المقبول بين علماء الفيزياء هو أن الجاذبية ستبطئ معدل توسع الكون. فإذا كانت كمية المادة في الكون كبيرة بما يكفي، فإن الجاذبية ستوقف توسع الكون تمامًا. سيتوقف الكون عن التوسع ويبدأ في الانهيار مرة أخرى تحت ثقله، ربما إلى درجة إعادة التركيز في نقطة واحدة. كان هذا الاحتمال يسمى "النهاية الساخنة" - الكون المركز والمغلي (يمكن للمرء أن يفكر في احتمال أن يؤدي انهيار من هذا النوع إلى خلق انفجار كبير جديد وإمكانية وجود دورة لا نهاية لها من الأكوان يخلق ويموت). وبدلاً من ذلك، إذا كانت كمية المادة في الكون غير كافية، فمن المتوقع أن يموت موتًا "باردًا" - سيستمر في التوسع إلى الأبد، وسوف تبتعد المجرات عن بعضها البعض، وسيفقد الكون حيويته، ويتوقف عن الإشعاع الضوء وتتوزع إلى عناصره الأساسية.
في منتصف التسعينيات، ومع نضوج التقنيات وأدوات المراقبة المناسبة، شرعت مجموعتان من العلماء في قياس معدل تباطؤ توسع الكون. قامت المجموعتان - مجموعة أمريكية بقيادة الدكتور سول بيرلماتر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ومجموعة أسترالية بقيادة بريان شميت - بفحص الضوء القادم من انفجارات السوبرنوفا لغرض البحث. تعمل المستعرات الأعظم كأدوات بحثية قيمة لأنها أحداث شديدة السطوع تحدث على مسافات شاسعة. قام الباحثون بقياس سطوع كل مستعر أعظم و"انزياحه نحو الأحمر" - التغير في تردد الضوء الناتج عن حقيقة تحركه بعيدًا عن أدوات المراقبة لدينا.
عندما يتم فصل الضوء الذي يصل إلينا من الأجسام الموجودة في الفضاء إلى الألوان المختلفة التي يتكون منها، يتم الحصول على نمط "الطيف الضوئي". من خلال دراسة الطيف، من الممكن التعرف على تكوين وحركة العنصر الذي ينبعث منه الضوء. ومع تحرك المصدر بعيدًا عن الأرض، يمكن ملاحظة تحول في نمط الطيف نحو اللون الأحمر منخفض التردد. وهذا مشابه لتأثير دوبلر، الذي يجعلنا نسمع صوتًا أعلى من القطار عندما يقترب منا وصوتًا أقل عندما يتحرك بعيدًا.
ومن خلال قياس سطوع المستعرات الأعظم وتحولها نحو الأحمر، أمكن لأول مرة الحصول على بيانات حول معدل توسع الكون خلال فترات مختلفة من حياته. وأذهلت نتائج الدراستين، اللتين نشرتا عام 1998، العالم العلمي. وبدلا من قبول قيمة أو أخرى لإبطاء توسع الكون، اكتشفت المجموعتان في نفس الوقت أن الكون لا يتباطأ على الإطلاق، بل على العكس من ذلك - فهو يتسارع في توسعه. والسؤال المباشر الذي يطرح نفسه هو ما الذي يسبب هذا التسارع.
وافترض الباحثون أنه من المحتمل أن يكون هناك عامل غير معروف طبيعته، موجود في كل مكان في الكون ويسرع انتشاره. المصطلح المطالب به لهذا العامل، "الطاقة المظلمة"، يؤكد على عدم اليقين الذي يشعر به الفيزيائيون بشأنه. والفرضية العلمية المقبولة كتفسير لهذه الظاهرة هي أن الطاقة المظلمة هي نتاج الفضاء الفارغ نفسه.
ومن المثير للدهشة أن فكرة الطاقة المنبعثة من الفضاء نفسه تنبأ بها ألبرت أينشتاين في نظريته النسبية العامة. وافترض أينشتاين أنه لا بد من وجود طاقة تنبثق من الفضاء نفسه بناءً على تطوير معادلات نظريته. وكان الرأي السائد في ذلك الوقت هو أن الكون ثابت لا يتمدد ولا ينكمش. وبما أن النظرية النسبية العامة في شكلها الأولي لا تسمح للكون بالبقاء في حالة مستقرة، فقد اضطر أينشتاين إلى إضافة عنصر آخر إلى المعادلات. وقد أطلق على هذا العنصر اسم "الثابت الكوني".
وفي نهاية العشرينيات أصبح من الواضح كما ذكرنا أن الكون يتوسع وتم طرح نظرية الانفجار الكبير وهو ما يفسر توسعه. وفي ضوء هذه التغييرات، تراجع أينشتاين عن تصريحه، وألغى الثابت الكوني، وقال إن إضافته إلى المعادلات كان "أكبر خطأ في حياتي". لكن في ضوء القياسات الجديدة التي كشفت أن توسع الكون يتسارع وفي ضوء التطورات الإضافية في الفيزياء، أصبح من الواضح للعلماء أنه بالنظر إلى قيمة مناسبة، يمكن للثابت الكوني لأينشتاين التنبؤ بدقة بتسارع التوسع وتفسيره. الطاقة المظلمة. ولذلك فمن الممكن أن أينشتاين كان على حق في تفكيره النظري الأولي.
تجدر الإشارة إلى أنه وفقًا لنظرية فيزيائية حديثة أخرى، وهي ميكانيكا الكم، هناك أساس جيد للافتراض بأن الفضاء الفارغ ينتج الطاقة ويمكن أن يكون مصدرًا للطاقة المظلمة. المشكلة هي أن تنبؤات شدة الطاقة التي تنبأت بها ميكانيكا الكم أكبر بكثير من الكثافة التي يقاسها علماء الفلك - 10 مرات أس 50 إلى 10 مرات أس 123.
ما هي خصائص الطاقة المظلمة؟ تقدم النماذج الفيزيائية المختلفة إجابات مختلفة على هذا السؤال. وفقا لنموذج أينشتاين، فإن الطاقة الموجودة في حجم معين من الفضاء تظل ثابتة طوال تطور الكون. ووفقا لنموذج آخر، فإن الطاقة المظلمة تختلف في المكان والزمان. توصل الدكتور بيرلماتر وباحث آخر من جامعة كاليفورنيا في بيركلي، مايكل ليفي، إلى فكرة إطلاق مركبة فضائية من شأنها أن تحقق بشكل أكثر دقة في العديد من أحداث المستعرات الأعظم من أجل محاولة معرفة التفسير الفيزيائي الصحيح للظلام الطاقة هي. المركبة الفضائية "Snap" هي نتاج هذه الفكرة.
خلال مهمتها، التي ستستمر ثلاث سنوات، ستقوم شركة Snap بتصوير آلاف المستعرات الأعظمية وقياس انزياحها نحو الأحمر باستخدام أداة قياس الطيف. ومن مدارها حول الأرض، ستتمكن المركبة الفضائية من تقديم معلومات أكثر دقة مما يمكن الحصول عليه من عمليات الرصد الأرضية، وبناءً على هذه المعلومات سيحاول الباحثون تطوير نموذج يصف الطاقة المظلمة. ووفقا لجريج ألدرينج، من فريق بحث SNAP في مختبر لورانس في بيركلي، "عندما نرى كيف تتغير الطاقة المظلمة في المكان والزمان، نأمل أن نكون قادرين على الاختيار بين النماذج المختلفة التي تفسر ذلك".
وسيحتوي نظام سناب الاستشعاري على تلسكوب يتضمن مرآة يبلغ قطرها مترين وكاميرا تحتوي على 600 مليون عنصر (بكسل). وللمقارنة فإن كاميرا تلسكوب هابل الفضائي الذي أطلق عام 1990 تحتوي على مليوني بيكسل فقط. وتقدر تكلفة المشروع بعدة مئات الملايين من الدولارات. سنة الإطلاق المتوقعة: 2008.
