أهم معضلات الفيزياء الفلكية

قبل فترة قصيرة كانت صفوة علماء البشرية تعتقد انها تعلم 100% بمكونات الكون في حين نعلم اليوم 4% فقط من هذه المكونات. ظاهريا قد يبدو البشرية لم تحقق تقدما كبيرا وانما تتراجع.
لماذا السماء ليست مضيئة كالشمس طوال اليوم؟ يعتقد البعض ان ذلك واضح للغاية، غير ان الواقع ان التفسير كان معضلة كبيرة الى فترة قصيرة، وهذه المعضلة كانت تسمى اولبير برادوكس. Olbers paradox.
من اجل التبسيط لنفترض ان جميع النجوم هي مثل شمسنا بالضبط. نعلم ان شعاع الشمس يضعف كلما ابتعد عن المصدر. إذا تصورنا فضاء كروي في مركزه توجد شمس فيجب ان تنتشر الاشعة الشمسية الى الخارج لتغطي مساحات متزايدة من حيث ان مساحة المحيط الخارجي للفضاء اكبر. مساحة السطح الخارجي للفضاء الكروي تتزايد بمقدار مربع طول البعد الى الشمس، اي طول المسافة الى الشمس مضروبة بنفسها. هذا الامر يؤدي الى الحصول على المعادلة التالية: r2p4/1 وهي التي تصف كثافة الضوء بالعلاقة مع المسافة ®.
لحد الان يمكن لهذا الكلام ان يكون توضيحا مقبولا لسبب وجود الظلام في الليل. ولكن يوجد جانب اخر لهذه المعادلة عندما نضربها مع عدد مصادر الضوء في الكون ، عندها تزداد قيمة مصادر الضوء البعيدة عنا. إذ كلما نظرنا ابعد كلما ازدادت مصادر الضوء الموجهة الينا. ماذا يعني ذلك؟
إذا افترضنا ان توزيع النجوم متشابه ومتساوي في كل مكان من الكون فيمكننا ان نستخدم معطيات منطقة معينة لبناء موديل، حيث عدد النجوم هو متوسط عدده في منطقة محددة. هذا يعني ان عدد الشموس ستزيد بزيادة مساحة الفضاء الكروي الذي افترضناه. إذا جعلنا المسافة الى سطح الفضاء الكروي تزداد بحيث ان سطح الكرة يتضاعف فهذا يعني ان عدد الشموس داخل الكرة سيزداد ايضا الى الضعف. اي ان اعداد النجوم ستزداد بنفس العلاقة الذي ستتناقص فيه قوة الإضاءة الصادرة عن كل نجم على انفراد. هذا يعني ان التأثيرين يلغون بعضهم البعض.
إذا اخذنا الان بعين الاعتبار ان النجوم الواقعة على مسافات مختلفة عنا تقوم جزئيا بالتغطية على بعضها البعض عندما ننظر في اعماق الكون ، يكون من الممكن الاستنتاج ان كل القبة الكونية كان ينبغي لها ان تكون مضيئة بقوة ليلا نهارا مثل قوة اضاءة الشمس .

تذكر Olbers paradox: الى ان " الفلكي الخبير قد يعترض قائلا بأن النجوم مركزة في المجرات وبينها فراغات هائلة، ولكن هذا الاعتراض لايفسر عدم الاضاءة ضمن المجرة ذاتها إذا كان توزيع النجوم داخل المجرة متساوي".
ماهو الحل لمعضلة Olbers paradox؟
نعلم ان الكون يتسارع
كما نعلم ان النجوم لاتعيش للابد

في العشرينات من القرن الماضي لاحظ الفلكي ايدوين هوببله Edwin Hubble, ان الكون يتوسع. وبذلك اكتشف قانون هوببله، الذي يقول ان سرعة التوسع مرتبطة بالمسافة. إذا كانت احدى المجرات تقع على بعد محدد بالنسبة الينا وتبتعد عنا بسرعة محددة فأن مجرة اخرى تقع على ضعف المسافة ستقوم بالابتعاد عنا بضعف السرعة. هذه هي ابسط اشكال العلاقات وهي صحيحة طالما إذا افترضنا ان الكون ينتفخ كالعجينة المختمرة الممتلئة بالزبيب: العجين بين الزبيب تكبر بنفس القدر في جميع الانحاء، ولكون يوجد عجين اكثر بيننا وبين الزبيب الابعد فأن إبتعادهم عنا سيكون اسرع.
إذا تمعنا قليلا بالمقضية نجد انه لايوجد اهمية للزبيبة التي نجلس عليها، جميع الزبيب يبتعد عنا وتزداد السرعة مع ازدياد البعد عنا. ولكون الامر نفسه تعاني منه جميع المجرات فمن الظاهر انه لايوجد مركز للكون. في اي مكان نجد نفسنا فيه سيكون التوسع بالشكل ذاته.
هذا الامريسمى المبدأ الفلكي ( الكسملوغي): في الابعاد البعيدة يكون الكون متشابه في كل مكان (هوموغين) وفي جميع الاتجاهات (isotropt). يجب علينا ان نتذكر ان هذا المبدأ الكسملوغي هو رأي يبدو انه يتطابق مع ملاحظاتنا الراهنة. لاشئ يمنع ان هذا الرأي يمكن ان يظهر خطئه في المستقبل.

انتفاخ الكون له تأثيرين على ضوء النجوم. الاول، ان الضوء ينتشر في مساحة اكبر من المساحة التي افترضناها، وعند وصول الضوء الى هدفه تكون الكرة قد ازدادت ضخامة. الثاني، ان الموجة الضوئية نفسها تتعرض لنفس عوامل التضخم، وبالتالي فالموجة تمط بنفس التناسب. عندما تزداد طول موجة الضوء تنخفض الطاقة، (الضوء الاحمر ذو الموجة الطويلة يملك طاقة اقل من الضوء الازرق ذو الموجة القصيرة). كثافة الضوء تنحل في الطريق بسبب هذين العاملين. ومن حيث اننا نعلم ان النجوم تملك فترة حياة محددة، لذلك يرسلون خلال حياتهم مقدار محدود من الطاقة الضوئية.
عند مراعاة تأثير الانتفاخ مع فترة حياة النجوم تكون النتيجة ان ظلام الليل. الاضواء الخفيفة التي نراها في الليل بالعين المجردة، جميعها لنجوم واقعة في مجرتنا وقريبة للغاية من مجموعتنا الشمسية بالمقاييس الفلكية.

فيزياء الفلك يحاولون تفسير ظواهر الفلك بمساعدة القوانين المشهورة للفيزياء، مع الامل بالحصول على قوانين جديدة للغاية. علم الفلك يدرس الفلك في اشكاله العامة، اصله، تطوره واخيرا المصير الذي ينتظره. الجاذبية هي القوة الاكثر اهمية في علم الفلك وجزء من فيزياء الفلك. بالرغم من ان الحاذبية هي اضعف القوى الا انها تمتلك خاصية مميزة للغاية: دائما جاذبة. (الطاقة المظلمة من المحتمل ان تكون استثناء).
هذا يعني ان الجاذبية دائما تتزايد بحيث انها في النهاية تنتصر على جميع القوى الاخرى، ولكن فقط عند وجود مايكفي من المادة او الطاقة او كلاهما. بالنسبة لجميع الاجسام الكونية مثل النجوم والمجرات فأن تأثير الجاذبية لامنافس له. إذا كنا دقيقين فأن الجاذبية ليست قوة على الاطلاق، حسب اينشتاين، وانما تأثير المادة والطاقة في الزمكان. لهذا السبب نتكلم اليوم عن علم الفلك النسبي.
الكون ممتلئ ببقايا الحرارة الناجمة عن الانفجار العظيم. هذه الحرارة تسمى Cosmic Micro-wave Background Radiation (CMBR or CBR). هذه الموجات الخلفية للكون حرارتها كانت حرارتها تصل الى 3000 درجة Kelvin ، عندها اصبح الكون لاول مرة مخترقا من قبل الضوء حوالي 400 الف سنة بعد الانفجار العظيم. قبل ذلك الوقت كان الكون يتآلف من بلازما، اغلبها من ايونات غاز الهيدروجين، حيث الضوء لايمكن ان يخترقها بحرية. بعد ان برد الكون بما يكفي اصبحت البلازما هيدروجين محايد والضوء اصبح قادر على عبوره ليصبح شفاف. منذ ذلك الوقت توسع حجم الكون 1000 مرة، مما ترتب على ذلك ان حرارة الاشعة الخلفية هبطت ايضا 1000 مرة. الحرارة الكونية اليوم تصل الى حوالي 3 درجات فوق الصفر المطلق.

لكون الكون كان غير مرئي قبل ان يصبح شفاف للضوء فأن الصورة التي تقدمها لنا الاشعة الخلفية هي اقدم صورة ممكنة لشكل الكون ، يمكن الوصول عليها بالتكنيك التقليدي. بمساعدة القمر الصناعي Cobe تمكن الفلكيين John Mather and George Smoot من تحديد حرارة الاشعة الخلفية للكون بدقة لتظهر انها كانت 2725 كيلفين.
منذ عام 2003 قام القمر الصناعي WMAP بقياس الفروقات الصغيرة للغاية بين درجات الحرارة في حرارة الاشعة الخلفية للكون في فترة 400 الف سنة مابعد الانفجار العظيم. هذه الفروقات تقدم لنا العديد من المعطيات من بينها الكمية الكلية للطاقة الكونية. اضافة الى ذلك فأن البقع الاكثر حرارة بسبب ارتفاع الكثافة كانت بذور نشوء مافوق المجرات، بسبب قوة الجاذبية.
الاشعة الخلفية للكون هي احد ثلاث مؤشرات على اسباب اعتقادنا ان الكون انطلق من العدم قبل 14 مليار سنة. المؤشرين الاخرين هم انتفاخ الكون وكمية الهليوم في الكون.

هل يمكن الحصول على صور اقدم؟
بالتكنيك الحالي من الصعب الحصول على صور اقدم مما حصلنا عليه. ولكن تماما كما ان الضوء ترك اثاره على شكل فوتونات يعتقد العلماء نظريا بوجود بقايا اشاعية للنيوترين (neutrin), وآثار الجاذبية التي يمكن تسميتها graviton, وكلاهما ظهروا بنتيجة الانفجار العظيم. النيوترين والغرافيتون ليس لهم تأثير متبادل ملاحظ مع المادة مما يعني ان الكون اصبح مرأي لهم في فترة مبكرة كثيرا عن 400 الف سنة.
ولكن لكونهم لايتفاعلون مع المادة لم نتمكن نحن من إلتقاط بقاياهم بواسطة التكنيك الذي نملكه. بعض العلماء يعتقد ان ذلك سيبقى مستحيل. ولكن من الضروري الحذر عند استخدام تعبير " مستحيل" في العلم. العالم Wolfgang Pauli, الذي اكتشف جزيئة النيوترين كان قد قال عام 1930 انه من المستحيل الحصول على هذه الجزيئة من خلال التجربة. ولكن عام 1956 تم الحصول عليها من خلال التجربة.
إذا تمكنا من إلتقاط النيوترين، فسنحصل على صورة الكون في الثانية الاولى بعد حصول الانفجار العظيم، بإعتبارها اللحظة التي اصبح الكون فيه مرأي لهذه الجزيئة. وبمساعدة موجات الجاذبية القادمة من الانفجار يمكن لنا الحصول على "صورة" عن الكون في الثانية 30- 10 بعد الانفجار مباشرة.
المادة المظلمة يوجد دلائل غير مباشر على وجودها. حتى الان نملك ثلاثة معطيات تشير اليها.

المجرات اللولبية تتدور بسرعة اكبر من التي قادرة ان تبقيهم مع بعض بواسطة قوة الجاذبية لمادتهم المرئية الخاصة. لابد من وجود الكثير من المادة المظلمة الغير معروفة توازن القوة الطاردة وتمنعهم من التفتت والتطاير الى كل الاتجاهات. مجرة لولبية كلاسيكية يبدو انها تملك من المادة المظلمة عشرة مرات اكثر من مادتها المرئية. المعضلة ان المجرة من النوع الاخر المسمى elliptical يظهر انها لاتملك مادة مظلمة على الاطلاق.
المجرات في المجموعة المجرية (galaxhop) تتحرك بسرعة اكبر من التي تسمح لهم بالبقاء متماسكين مع بعض. من جديد يجب افتراض وجود المادة المظلمة من اجل تفسير بقاءهم مع بعض. نسبة المادة المظلمة اللازمة لابقاء المجرات في مجموعتها اكبر من التي تحتاجها المجرة اللوبية لتفسير بقاءها متماسكة. قياسات مستقلة عن بعضها البعض بمساعدة " عدسات الجاذبية" تظهر ان نسبة المادة المظلمة في المجموعات المجرية تتطابق مع التي توصل اليها العلماء من حسابات حركة المجرات.
القياسات القادمة من الكون بأسره، مثلا من خلال قياس موجات الاشعة الخلفية الكونية، او النظر الى البنيات الكونية الهائلة مثل الفراغ الكوني (voids) والخيوط الكونية، filament ، حيث جميع المجرات المعروفة تقع في حدودها ، تشير ايضا الى ان نسبة المادة المظلمة يجب ان تكون اكبر بعدة مرات من المادة المرئية.

يوجد العديد من المرشحين لدور المادة المظلمة، بالدرجة الاولى الجسميمات المفترضة للنظريات الغير مجربة في فيزياء الاجزاء. المعضلة اننا لم نصادف هذه الاجزاء في الاختبارات الارضية. حتى الان توجد دلائل غير مباشرة على وجودهم في الفيزياء الفلكي ودلائل كونية ضعيفة على وجود المادة المظلمة. ولكن ملاحقتهم لازالت مستمرة. احدث مالاحظه العلماء في هذا المجال هو الاثبات على حدوث مايسمى Einstein ring. هذه الظاهرة تحدث عندما تقوم مجرة بالتغطية على مجرة اخرى ، بالنسبة للمراقب من الارض، فينشأ عدسة الجاذبية. عندما يكونوا مواجهين لبعضهم تماما ينشأ حلقة على شكل العدسة. عند وجود مجرة ثالثة على نفس النسق تظهر الحلقة العدسية مكتملة. هذه المنظومة تسمى SDSSJ0946+1006 . والظاهرة تعطي الامكانية لحساب كثافة المجرات التي بدورها تساعد العلماء على التعرف على بعض سمات المادة المظلمة.
احدى النظريات البديلة للمادة المظلمة ان الجاذبية قد يكون لها سلوك يختلف عما نعتقده عندما يتعلق الامر بالاجسام الكونية الهائلة. في هذه الحالة لانحتاج الى افتراض وجود المادة المظلمة. اهم نظرية من هذا النوع تسمى: Modified Newtonian Dynamics, "Mond".
الطاقة المظلمة شئ اخر مختلف عن المادة المظلمة. القياسات الكونية منذ عام 1998 تشير الى وجود قوة جاذبية دافعة فعالة فقط على مسافات كونية بعيدة. هذه القوة يمكن ملاحظتها فقط عند دراسة الكون بأكمله.

بالمقارنة مع المادة المظلمة لايوجد هنا حتى افتراض لتوضيح مايمكن هذه الطاقة ان تكون. من الواضح انه من الابسط حشر مصطلح يمكنه تمثيل الطاقة المظلمة في معادلات اينشتاين، وبهذا الشكل اعادة النظام الذي نعتقد اننا نراه. ولكن لايوجد اي توضيح فيزيائي لهذه الظاهرة. اكثر المصطلحات استخداما هو " الثابت الكوني" للتعبير عن الطاقة الموجودة في الفراغ الكوني والتي تقوم بالضغط حتى لاينفجر الكون كالزجاجة المفرغة من الهواء. من ماذا تتآلف هذه الطاقة، لازال امرا محيرا، ولكننا نعلم انها تملك قوة "ضغط سالبة" مما يعني ضرورة ان تكون قوة الجاذبية في معادلات اينشتاين معاكسة (repulsive force), الامر الذي يعتبر مستحيل بالنسبة لدميع انواع المادة المعروفة لنا. بتعبير اخر فأن الطاقة المظلمة لايمكن تفسيرها عن طريق فيزياء الجسيمات او جزيئات الاشعة التي نعرفها، ولاحتى من المقترحة والتي لم نعثر عليها حتى الان.
المادة المرئية يبدو انها، حسب الملاحظات الاخيرة، تشكل فقط 4% من محتوى الكون، 23% يتكون من مادة مظلمة والبقية 73% من طاقة مجهولة لانملك عنها اي فكرة.