ماهو عمر الكون؟

بقلم حمدي الراشدي

ماهو عمر الكون؟

الى فترة قصيرة كان الاعتقاد سائدا بين العلماء انهم تمكنوا من تحديد العمر النهائي للكون، غير ان القياسات الاخيرة اظهرت ان ماتوصل اليه العلم سابقا وهو 13,7 مليار سنة ليس صحيحا، وانما الاصح ان عمره حوالي 15,8 مليار سنة. ويبقى السؤال الى اي مدى يمكننا ان نثق بهذه المعطيات؟
www.harvard.edu/%7Ekstanek/DIRECT/M31F_small.gif" style="width: 190px;height: 184px" border="0" alt=""/>
بشكل عام يمكن اعتبار الكون لازال فتياً للغاية ولم يبلغ مرحلة النضج. قسم كبير من الغاز الذي تشكل بفضل الانفجار الكبير بدأ بالتجمع، الان فقط، ليخلق نجوم وكواكب لاول مرة. مجموعتنا الشمسية من بين الاجرام الاولى التي ولدت، إذا انها تشكلت تقريبا في الثلث الاخير من فترة وجود كوننا.

تقريبا، لكون الفلكيين عاودهم الشك بصحة قياساتهم وبالعمر الحقيقي للكون. السبب هو ان القياسات الجديدة التي قاموا بها، تشير الى ان عمر الكون حوالي 15,8 مليار سنة. اي مليارين سنة اكثر من المعطيات السابقة.
كلا القياسين القديم والحديث تم القيام بهم إنطلاقا من ظاهرة تسارع الكون. قبل 80 سنة وجد الفضائي Edwin Hubble, علاقة بسيطة بين بين سرعة المجرة التي تبتعد فيها عنا وبعدها عنا. المجرات البعيدة تتحرك مبتعدة بسرعة اكبر بالمقارنة مع المجرات القريبة. العلاقة الدقيقة يقدمها مايعرف بثابت هيبل, H, والذي يعكس تسارع تمدد الكون. إذا كانت قيمة H كبيرة فذلك يعني ان تسارع الكون كبير، وبالتالي يعني ذلك انه لم يمض وقت طويل على الانفجار الكبير. على العكس، إذا كانت القيمة صغيرة يعني ذلك ان تسارع الكون بطئ، وانه مضى وقت طويل في طريقه للوصول الى حجمه الحالي. وبالتالي كلما صغرت قيمة ثابت هيبل كلما كان الكون اكبر عمرا. لذلك من الضروري تحديد ثابت هيبل بدقة للوصول الى نتائج دقيقة.
للوصول الى الدقة يجب استخدام نتائج قياسين، الاول هو المسافة الى مجرة من المجرات والثاني هو تحديد السرعة التي تبتعد فيها عنا. (للمزيد عن الحسابات انظر الفقرة الاخيرة في الموضوع).


تحديد السرعة امر بسيط إذ يحتاج فقط الى قياس انحراف الاشعة الحمراء. عندما تتحرك المجرة مبتعدة عن مجرتنا يزداد طول موجات الضوء القادمة الينا. يمكن القول ان موجات الضوء تصبح "ممطوطة"، بحيث ان الضوء يغير لونه، وهذا المقصود بانحراف الاشعة الحمراء. من خلال قياس درجة الانحراف يمكن حساب سرعة حركة المجرة.


المسافة تخدع القياس

المشكلة كانت دائما في كيفية الوصول الى المسافة. هذا الامر يُحل من خلال اختيار نجمة قوية الاشعاع من نجمات المجرة التي تبتعد عنا، ومن ثم قياس قوة اشعاعها. إذا كنا نعرف مسبقاً مستوى قوة إشعاع النجمة بالمقارنة مع الشمس نستطيع عندها حساب المسافة من خلال قوة الاشعاع الملاحظ. في الحقيقة فأن المبدأ المستعمل بسيط، وهو انه إذا كان نوع معين من النجوم ومعروف مسبقا من قبلنا يضئ مثلا، بقوة 10000 مرة اقوى من شمسنا ، وهذا يكفي لنتمكن بالكاد من رؤيته بالتلسكوب، فإن ذلك يعني ان المجرة بعيدة عنا جداً.


وبالرغم من ان الفلكيين قد استخدموا المبدأ ذاته للوصول الى القياسات الجديدة، ولكنهم قاموا بذلك بطريقة جديدة اكثر تحسنا من الطريقة القديمة. المجرة المسماة M33, تملك نجمين غير عاديين، ذو اشعة قوية ويدوران حول بعضهم البعض بطريقة تجعل كل منهم يحدث ظاهرة الكسوف عند الاخر كل 15 يوم. بمساعدة اكبر تليسكوب في العالم، الموجود في هاواي والمسمى Keckteleskop, تمكن فريق من الفلكيين بقيادة Alceste Bonanos, من قياس مدارات هذين النجمين حول بعضهم البعض بدقة بحيث امكن حساب كثافتهم. لقد ظهر ان كلا النجمين من النوع الثقيل للغاية ووزنهم اكبر من وزن شمسنا 30 مرة.

القياسات اظهرت ايضا ان حجمهم اكبر بعشر مرات من حجم شمسنا. وبفضل اطياف الاشعة تمكن العلماء من قياس درجة حرارتهم، وبالتالي اصبح لدينا مايكفي من المعلومات لحساب قوة الضوء لديهم بالمقارنة مع الشمس. بعد ذلك اصبح حساب المسافة قضية سهلة، لتظهر النتيجة ان المجرة انطلقت منذ 2,6 مليار سنة ضوئية لتصبح على مسافة 3,1 مليار سنة ضوئية. بمقارنة سرعة المجرة اعطى قيمة لثابت هيبل اقل من القيمة المقبولة، وبلحظة اصبح الكون اكبر عمرا بمليارين سنة.


قياس نبض النجوم

حتى الان كان العلماء يستخدمون نجوم لها ظاهرة خاصة من اجل قياس المسافة من خلال قياس شدة الاشعاع. هذه النجوم تسمى cepheid, وتتميز بتغير في شدة اضائتها. يطلق على هذه الظاهرة اسم النبض الاشعاعي. إضافة الى ذلك هناك علاقة ثابتة ودقيقة بين نبضة النجمة في لحظة معينة وشدة الاضاءة، بحيث ان الموجة في لحظة قمة إضائتها تملك الحصة الاكبر من وقت حياة الموجة. وقت الموجة القادمة من مثل هذه النجوم يمكن ان يكون مابين اليوم الواحد الى عدة اسابيع. ومن حيث ان هذه النجوم لها قوة إضاءة في المتوسط اكبر بعشرات المرات من شمسنا، يمكن رؤيتهم من على مسافات بعيدة للغاية. لهذا السبب نعتبرهم مناسبين للغاية لقياس المسافة بين المجرات.


الناحية السلبية انه من الصعب للغاية الحصول على مقادير دقيقة تماما لقوة الضوء بالمقارنة مع الشمس. لربما لهذا السبب تقدم لنا الطريقتين نتائج مختلفة عن المسافة الى مجرة M33.
قبل كل حالة قياس كان يسبقها بحث عن نجوم توأمية لها قوة ضوئية كافية لاستخدامها في القياس. إذ انه في حالة النجوم التوأمية وحدها يمكن قياس قوة الاضاءة بدقة بالمقارنة مع شمسنا، وبالتالي التوصل الى ارقام دقيقة عن المسافة الى مجرتنا. المشكلة هي صعوبة ايجاد نجوم توأمية لها قوة ضوئية كافية.


دعم المعطيات القديمة

تيليسكوب Chandra, والذي يعمل على قياس الاشعة الرونتغينية، قدم الكثير من القياسات الدقيقة عن المسافات لمجموعة كبيرة من المجرات. طريقة عمله تستغل ان الغيمة المجرية ممتلئة بكميات هائلة من الغاز الحار. هذا الغاز يؤثر على الاشعة الخلفية للكون، اي الاشعة التي نتجت بسبب الانفجار العظيم. من خلال قياس الانحراف الذي يسببه هذا التأثير، يمكن الوصول الى حجم الغيمة المجرية. بعد هذه العملية يصبح من السهل قياس المسافة اليها، ومن خلال انحراف الاضعة الحمراء يمكن الوصول الى قيمة ثابت هيبل. هذا النوع من القياس يتناسب اكثر مع القيمة " الطبيعية" لثابت هيبل.


هذا النوع من القياس مع إستخدام تليسكوب الرونتغين يعتبر بنفس جودة القياسات القادمة من نجمين توأمين، ولذلك من الصعب تفسير اسباب ظهور الفرق الكبير في النتائج. الاستنتاج الوحيد الذي نستطيع إستخراجه هو انه من الضروري إجراء الكثير من القياسات بعدة طرق قبل التوصل الى قيمة لثابت هيبل، تكون اكثر القيم دقة.

الطاقة المظلمة تُغيير الامور

وحتى إذا كانت لدينا قيمة لثابت هيبل وبالتالي لسرعة توسع الكون، فأن ذلك لايعني انه لدينا قيمة مؤكدة لعمر الكون، بسبب انه لسنا متأكدين من ان الكون بالسرعة نفسها كل الوقت. الحقيقة اننا نعرف ان الكون لم يتوسع بالسرعة نفسها كل الوقت. لذلك فأن المسافة من ثابت هيبل الى العمر الحقيقي هي مسافة نظرية.


لفترة طويلة كان من السائد لدى العلماء فكرة ان سرعة تمدد الكون تتعرض للكبح وبالتالي للتباطئ بإستمرار بسبب ان قوة الجاذبية تكبح هذا التمدد، ولكن قبل عشرة سنوات جرى التخلي عن هذه النظرية. لقد حدث ذلك عندما دخل عامل الطاقة المظلمة الى المعادلة، ليجعل سرعة الكون تتحول الى تسارع.
مفهوم الطاقة المظلمة ظهر بعد ان لاحظ العلماء عام 1998 احدى السوبرنوفا وهي تسلك سلوكا غريبا يتناقض مع النظرية المعترف بها. ضوء السوبر نوفا كان اضعف بوضوح مما يفترض به ان يكون. الاستنتاج المنطقي الوحيد كان ان هذا الضوء قضى وقتا اطول في الوصول الينا بالمقارنة مع ماتفترضه النظرية السابقة، ولذلك فأن الكون اكبر عمرا مما كان مفترضا، وبالتالي فأن الكون قد تمدد ببطء في البداية.
كون الكون يتسارع لم يمكن توضيحه بغير وجود الطاقة المظلمة، وهي قوة تسيطر على الكون بأسره. إذا اجرينا الحسابات بواسطة معادلة اينشتاين الشهيرة التي تجمع العلاقة بين الكثافة والطاقة، نحصل على نتائج مدهشة تشير الى ان الطاقة المظلمة تملك 73 بالمئة من كثافة الكون بأسره.لهذه الاسباب نملك اليوم موديلا جديدا عن الكون، وبواسطة المعادلات الرياضية يمكننا حساب عمر الكون، إنطلاقا من قيمة ثابت هيبل، ولكن إذا كان هذا الموديل ايضا خاطئ، كما كان الحال مع سابقه، فمن الطبيعي ان تكون النتائج خاطئة ايضا.

من هنا فأن نشاط العلماء في هذا المجال يأخذ حجما كبيرا سعيا لتحديد قيمة صحيحة لثابت هيبل، ولخلق موديل اكثر تطورا يسمح بحساب عمر الكون بدقة. والى حين ذلك فأن الحسابات الراهنة هي تقريبية.
الحسابات الرياضية

عند إجراء حساب عمر الكون يحتاج الفلكيين الى قيمتين رئيسيتين، المسافة بين شئ بعيد للغاية، مثلا مجرة، وسرعة إبتعاد هذا الشئ عنا. من خلال هذه القيمتين القادمة من عدة اشياء (مجرات)، يمكن الحساب العكسي الى نقطة انطلاق هذه الاشياء، اي الى نقطة الانفجار العظيم، وبالتالي لحظة ولادة الكون. هذا الامر يحدث بمساعدة قانو هيبل:

V=H.rحيث:
V-سرعة إبتعاد المجرة عنا بالكيلومتر في الثانية،
r- المساف الى المجرة بالسنوات الضوئية.
H- ثابت هيبل، الذي يأخذ بالاعتبار ان المجرة البعيدة تبتعد عنا اسرع من المجرة القريبة، زهي ايضا تعبير سرعة تمدد الكون.

قيمة ثابت هيبل يجري تقديره من خلال المعادلة التالية:

H=V:r

من اجل الوصول الى عمر الكون يجب على العلماء إمتلاك المزيد من المعلومات. قيمة ثابت هيبل نعرف بواسطتها سرعة تمدد الكون اليوم، ولكن لانستطيع ان نعلم فيما إذا كانت هذه السرعة هي نفسها في السابق. هذا الوضع يفتح المجال لثلاث افتراضات ممكنة:
الاولى: إذا كان تمدد الكون متساوي في كل الازمنة، يمكن إعتبار عمر الكون هو:

T=1:H

وهذا يسمى عمر هيبل. على اساس قيمة ثابت هيبل المعروفة اليوم وبالتالي يكون عمر الكون إنطلاقا من هذه المعادلة هو: 13,8 مليار سنة.

الثانية: إذا كانت السرعة تكبح وتتباطئ، بسبب قوة الجاذبية، يمكن عندها حساب عمر الكون إنطلاقا من معادلة:

T=2: (3.H)

وحسب هذه المعادلة يكون عمر الكون 9,2 مليار سنة، مع استخدام ثابت هيبل نفسه كما في السابق.

الثالثة: إذا كان الكون يتمدد متسارعا، بفضل تأثير الطاقة المظلمة. هنا لازال بالامكان التوصل الى عمر الكون بإستخدام ثابت هيبل، ولكن يحتاج الامر الى معادلات اكثر تعقيداً. هذه الحسابات المعقدة هي التي قدمت لنا العمر الذي كان معتمدا الى فترة قصيرة وهو: 13,7، وهي التي قدمت لنا النتائج الجديدة بعد الحصول على قيم جديدة، بسبب استحداث الطرق الجديدة، ليصبح عمر الكون: 15,8 مليار سنة.


المزيد عن طريقة الحساب
تحديد العمر النظري للكون يخضع لمعادلات النسبية العامة بربطها بمعادلات التغير الحراري THERMODYNAMIQUE و هي معادلات معقدة جدا و لكنّنا عبقرية هابل HUBBLE جعلته يتجاوزها بتبسيط كثير من حدودها و وصل إلى معادلة بسيطة جدا :

R/R0 = (3Ht /2) ^2/3

أين :
R : قطر الكون في لحظة معينة
R0 : قطر الكون في لحظتنا هذه و هي كما ترين متغيرة كلّما طال الزمن
H : ثابث هابل المقدر بين 50 و 100 وحدة و كل وحدة = 3 . 20 ^ (-20 ) هرتز
t : الزمن
عندما نضع في معادلتنا t = 0 فإنّ القطر ينعدم لأننا في اللحظة الأولى قبل الإنفجار و هذا ما جعل هذا النموذج ضعيف لكنّه مقبول.
و عندما نضع R= R0 أي نجعل أنفسنا في لحظتنا هذه فإنّنا نجد مباشرة أنّ :

t = (2/3) H
هذا هو سبب مجيء الكسر 3/2 و لكن مشكلة هذا النموذج أنّنا نحتاج دوما تعديل normalisation ثابث هابل كلّما مرّ الزمن.


مصادر:
The First DIRECT Distance
www.harvard.edu/press/archive/pr0418.html" class="postlink" target="_blank" rel="nofollow">Double Stars Emerge
Biggest stars yet seen
Big bang pushed back two billion years
Universe bigger than believed
Орбитальный период
heaviest stars
Double Stars