كيف تم اكتشاف ظاهرة توسع المجرات. قانون هابل إن السرعة الظاهرية التي تبتعد بها المجرة عنا تتناسب طرديا مع بعدها. مراجعة: سوء فهم كوني
حاليا، وفقا للملاحظات الفلكية، ثبت ذلك الكون متجانس على نطاق واسع، أي. جميع مناطقها من 300 مليون سنة ضوئية وأكثر تبدو متشابهة. على نطاق أصغر، هناك مناطق في الكون حيث توجد مجموعات من المجرات، وعلى العكس من ذلك، هناك فراغات حيث يوجد عدد قليل منها.
المجرة هي نظام من النجوم التي لها أصل مشترك وترتبط ببعضها بواسطة قوى الجاذبية. المجرة التي تقع فيها شمسنا هي مجرة درب التبانة
يتم تحديد المسافات إلى الأجرام السماوية في علم الفلك بشكل مختلف اعتمادًا على ما إذا كانت هذه الأجرام قريبة أو بعيدة عن كوكبنا. في الفضاء الخارجي، تستخدم الوحدات التالية عادة لقياس المسافات:
1 وحدة دولية( وحدة فلكية) = (149597870 2) كم؛
حاسب شخصي 1 ( بارسيك) = 206265 وحدة فلكية. = 3.086·10 م؛
السنة الأولى ( سنة ضوئية) = 0.307 pc = 9.5·10 م.السنة الضوئية هي المسار الذي يقطعه الضوء خلال سنة.
تقترح هذه الورقة طريقة لتحديد المسافات إلى المجرات البعيدة باستخدام "الانزياح الأحمر"، أي. عن طريق زيادة الأطوال الموجية في طيف مصدر الإشعاع البعيد المرصود مقارنة بالأطوال الموجية المقابلة للخطوط في الأطياف القياسية.
يشير مصدر الضوء إلى الإشعاع الصادر من المجرات البعيدة (ألمع النجوم أو سدم الغاز والغبار الموجودة فيها). تحت " الانزياح الأحمر" - انزياح الخطوط الطيفية في أطياف العناصر الكيميائية التي تتكون منها هذه الأجسام إلى الجانب ذو الطول الموجي الطويل (الأحمر) مقارنة بالأطوال الموجية في أطياف العناصر القياسية على الأرض. يحدث "التحول الأحمر" بسبب تأثير دوبلر.
تأثير دوبلرهو أن الإشعاع المرسل من مصدر يتحرك بعيدًا عن جهاز استقبال ثابت سيتم استقباله بطول موجة أطول مقارنة بالإشعاع القادم من نفس المصدر الثابت. إذا اقترب المصدر من جهاز الاستقبال، فإن الطول الموجي للإشارة المسجلة، على العكس من ذلك، سينخفض.
في عام 1924، توقع الفيزيائي السوفييتي ألكسندر فريدمان أن الكون يتوسع. تشير البيانات المتاحة حاليًا إلى أن تطور الكون بدأ منذ تلك اللحظة الانفجار العظيم.منذ حوالي 15 مليار سنة، كان الكون عبارة عن نقطة (تسمى نقطة التفرد) والتي بسبب الجاذبية القوية فيها ودرجة الحرارة والكثافة العالية جدًا لا تنطبق عليها قوانين الفيزياء المعروفة. ووفقا للنموذج المقبول حاليا، بدأ الكون في التضخم من نقطة التفرد مع تسارع متزايد.
في عام 1926، تم الحصول على دليل تجريبي على توسع الكون. اكتشف عالم الفلك الأمريكي إي. هابل، أثناء دراسته لأطياف المجرات البعيدة باستخدام التلسكوب، التحول الأحمر للخطوط الطيفية. وهذا يعني أن المجرات كانت تبتعد عن بعضها البعض، وبسرعة تزداد مع المسافة. أنشأ هابل علاقة خطية بين المسافة والسرعة المرتبطة بتأثير دوبلر ( قانون هابل):
(1) ، أين
ص- المسافة بين المجرات؛
الخامس -سرعة إزالة المجرات.
ن- ثابت هابل . معنى نيعتمد على الزمن المنقضي من بداية تمدد الكون إلى اللحظة الحالية، ويتراوح في نطاقه من 50 إلى 100 كيلومتر/ثانية·Mpc. في الفيزياء الفلكية، كقاعدة عامة، يتم استخدام H = 75 كم/ثانية·Mpc. دقة تحديد ثابت هابل هي
0.5 كم/ثانية MPc؛
مع- سرعة الضوء في الفراغ؛
ز- التحول الأحمر للطول الموجي، ما يسمى. العامل الكوني.
(2) ، أين
- الطول الموجي للإشعاع الذي يستقبله المستقبل؛
- الطول الموجي للإشعاع المنبعث من الجسم.
وبالتالي، من خلال قياس إزاحة الخطوط، على سبيل المثال، الهيدروجين المتأين (H+) في الجزء المرئي من الطيف، من الممكن لمجرة يتم ملاحظتها من الأرض تحديد تحولها الأحمر باستخدام الصيغة (2). زوباستخدام قانون هابل (1)، احسب المسافة إليه أو سرعة إزالته:
أمر العمل
1. قم باستدعاء برنامج "تحديد المسافات إلى المجرات" على سطح مكتب الكمبيوتر. ستظهر على شاشة العرض منطقة من الكون تحتوي على تسع مجرات مختلفة يمكن ملاحظتها من سطح الأرض. يظهر طيف الضوء المرئي وعلامة الطول الموجي للهيدروجين المتأين H+ في الجزء العلوي من الشاشة.
2. ضع المؤشر على المجرة التي أشار إليها المعلم وانقر فوق المفتاح.
3. سجل الطول الموجي و λ المنبعثة من هذه المجرة وهي تبتعد.
في القرب النسبي من مجرتنا درب التبانة، اكتشف علماء الفلك عدة مجرات صغيرة جعلتهم يتساءلون عن قوانين الجاذبية التي يعرفونها. وتشكل هذه المجرات حلقة كاملة يبلغ قطرها 10 ملايين سنة ضوئية، وتطير بعيدا عنا بسرعة كبيرة لدرجة أن العلماء لا يستطيعون العثور على تفسير واضح لمثل هذا التوسع السريع.
ومن خلال إيجاد تشابهات بين الهيكل المكتشف والانفجار الكبير، فإن العلماء واثقون من أنه تشكل واكتسب سرعة بسبب تقارب مجرة درب التبانة ومجرة المرأة المسلسلة في الماضي البعيد.
المشكلة واحدة: لا يستطيع العلماء أن يفهموا لماذا اكتسبت هذه المجرات الصغيرة مثل هذه السرعة العالية مع هذا التوسع.
وأوضح تشاو هونغ شنغ من جامعة سانت أندروز (اسكتلندا)، مؤلف الدراسة المنشورة في المجلة: "إذا كانت نظرية الجاذبية لأينشتاين صحيحة، فإن مجرتنا لا يمكن أن تقترب بما يكفي من مجرة المرأة المسلسلة لقذف شيء بهذه السرعة". MNRAS .
يدرس تشاو وزملاؤه تحركات هذه الحلقة من المجرات الصغيرة، والتي تشكل، مع مجرة درب التبانة ومجرة المرأة المسلسلة، جزءًا مما يسمى بالمجموعة المحلية، والتي تضم ما لا يقل عن 54 مجرة. تفصل بين مجرتنا الحلزونية، درب التبانة، ومجرة المرأة المسلسلة المجاورة 2.5 مليون سنة ضوئية، ولكن على عكس معظم المجرات المعروفة، فإن جارتنا لا تبتعد عنا، بل تطير نحونا بسرعة تزيد عن 400 كم/ س.
باستخدام النموذج الكوني القياسي (ما يسمى بنموذج ΛCDM) في حساباتهم، يقترح العلماء أنه خلال 3.75 مليار سنة يجب أن تتصادم المجرتان، وبعد عدة مليارات سنة أخرى سيؤدي هذا الاصطدام إلى تدمير شديد لكلا المجرتين وتكوينهما. واحدة جديدة. لكن إذا كانت هذه المجرات تقترب من بعضها البعض الآن، فهل كان من الممكن أن تقترب من بعضها البعض في الماضي؟
في عام 2013، فريق تشاو مقترح، أنه قبل 7 إلى 11 مليار سنة، كانت مجرة درب التبانة وأندروميدا تحلق بالقرب من بعضها البعض على مسافة قريبة جدًا.
وقد أدى ذلك إلى توليد موجات "تشبه التسونامي" فيها، والتي بفضلها تم طرد المجرات الأصغر حجمًا، والتي نلاحظها اليوم وهي تطير بعيدًا عنا.
يعرف علماء الفلك تقاربات مماثلة بين مجرتين (في الرسم التوضيحي للملاحظة - تقارب المجرات NGC 5426 و NGC 5427). ومع ذلك، فإنها تطير بعيدا بسرعة كبيرة. وخلصوا في ورقتهم البحثية إلى أن "السرعات الشعاعية العالية لمركزية المجرة لبعض مجرات المجموعة المحلية كانت ناجمة عن قوى تعمل عليها ولا يأخذها نموذجنا في الاعتبار". علاوة على ذلك، ليس هناك شك في الماضي المشترك لمجرة درب التبانة وأندروميدا وهذه المجرات المتناثرة، وذلك فقط لأنها تقع في نفس المستوى تقريبًا، كما يقول العلماء.
"التوزيع على شكل حلقة محدد للغاية. وأوضح المؤلف المشارك في الدراسة إندرانيل بانيك أن هذه المجرات الصغيرة تبدو مثل قطرات المطر المتناثرة من مظلة دوارة.
"وفقًا لتقديراتي، فإن احتمال اصطفاف المجرات الموزعة عشوائيًا بهذه الطريقة هو 1/640.
لقد تتبعت أصلها إلى حدث ديناميكي وقع عندما كان عمر الكون نصف عمره."
نموذج ΛCDM هو نموذج يأخذ في الاعتبار وجود المادة العادية (المادة الباريونية، والطاقة المظلمة، الموصوفة في معادلات أينشتاين بالثابت Λ) في الكون والمادة المظلمة الباردة.
المشكلة في السيناريو الموصوف لتوسع المجرات الصغيرة ليست فقط الانتهاك الافتراضي لنموذج ΛCDM. وتظهر الحسابات أن مثل هذا التقارب الوثيق بين مجرتي درب التبانة وأندروميدا في الماضي كان ينبغي أن يؤدي إلى اندماجهما، وهو ما لم يحدث كما هو معروف.
"مثل هذه السرعة العالية (لتوسع المجرة) تتطلب كتلة نجمية أكبر بـ 60 مرة مما نراه اليوم في درب التبانة والمرأة المسلسلة. وأوضح بانيك أن الاحتكاك الذي قد ينشأ بين هالة المادة المظلمة الضخمة الموجودة في مركز المجرات وهذه النجوم سيؤدي إلى اندماجهما، بدلا من انفصال 2.5 مليون سنة ضوئية الذي حدث.
يقول مارسيل باولوفسكي، عالِم الفيزياء الفلكية بجامعة كاليفورنيا في إيرفين: "يتطور العلم من خلال التحديات". "تشكل هذه الحلقة العملاقة تحديًا خطيرًا للنموذج القياسي."
إن السرعة الظاهرية التي تبتعد بها المجرة عنا تتناسب طرديا مع بعدها.
بعد عودته من الحرب العالمية الأولى، تولى إدوين هابل وظيفة في مرصد جبل ويلسون الفلكي عالي الارتفاع في جنوب كاليفورنيا، والذي كان في ذلك الوقت هو الأفضل تجهيزًا في العالم. وباستخدام أحدث تلسكوب عاكس بقطر مرآة أساسي يبلغ 2.5 متر، أجرى سلسلة من القياسات الغريبة التي غيرت فهمنا للكون إلى الأبد.
في الواقع، كان هابل ينوي استكشاف مشكلة فلكية طويلة الأمد، ألا وهي طبيعة السدم. هذه الأجسام الغامضة، ابتداءً من القرن الثامن عشر، أقلقت العلماء بغموض أصلها. وبحلول القرن العشرين، ولدت بعض هذه السدم نجومًا ثم تلاشت، لكن معظم السحب ظلت ضبابية - وبحكم طبيعتها على وجه الخصوص. هنا طرح العلماء السؤال: أين تقع هذه التكوينات الغامضة في الواقع - في مجرتنا؟ أم أن بعضها يمثل «جزر الكون» الأخرى، إذا استخدمنا لغة ذلك العصر المتطورة؟ قبل تشغيل التلسكوب على جبل ويلسون في عام 1917، كان هذا السؤال نظريًا بحتًا، حيث لم تكن هناك وسائل تقنية لقياس المسافات إلى هذه السدم.
بدأ هابل أبحاثه بسديم المرأة المسلسلة، والذي ربما كان الأكثر شهرة منذ زمن سحيق. وبحلول عام 1923، تمكن من رؤية أن أطراف هذا السديم كانت عبارة عن مجموعات من النجوم الفردية، ينتمي بعضها إلى فئة المتغيرات القيفاوية(حسب التصنيف الفلكي). من خلال مراقبة المتغير القيفاوي على مدى فترة زمنية طويلة بما فيه الكفاية، يقيس علماء الفلك فترة التغيير في لمعانه، ومن ثم، باستخدام العلاقة بين الفترة واللمعان، يحددون كمية الضوء المنبعثة منه.
لفهم ما هي الخطوة التالية بشكل أفضل، دعونا نعطي هذا التشبيه. تخيل أنك واقف في ليلة مظلمة للغاية، وبعد ذلك يقوم شخص ما على مسافة بتشغيل مصباح كهربائي. وبما أنك لا ترى أي شيء حولك سوى هذا المصباح البعيد، فإنه يكاد يكون من المستحيل عليك تحديد المسافة إليه. ربما يكون ساطعًا للغاية ويضيء بعيدًا، أو ربما يكون خافتًا ويتوهج بالقرب منه. كيفية تحديد هذا؟ تخيل الآن أنك تمكنت بطريقة ما من معرفة قوة المصباح - على سبيل المثال، 60 أو 100 أو 150 واط. يتم تبسيط المهمة على الفور، لأنه من اللمعان المرئي، يمكنك بالفعل تقدير المسافة الهندسية إليها تقريبًا. لذا: عند قياس فترة التغير في لمعان النجم القيفاوي، يكون عالم الفلك في نفس وضعك تقريبًا، حيث يحسب المسافة إلى مصباح بعيد، ويعرف لمعانه (قوة الإشعاع).
أول شيء فعله هابل هو حساب المسافة إلى النجوم القيفاوية على مشارف سديم المرأة المسلسلة، وبالتالي إلى السديم نفسه: 900 ألف سنة ضوئية (المسافة المحسوبة بشكل أكثر دقة إلى مجرة المرأة المسلسلة، كما يطلق عليها الآن، هي 2.3 مليون سنة ضوئية). سنة ضوئية. — ملحوظة مؤلف) - أي أن السديم يقع بعيدًا عن مجرة درب التبانة - مجرتنا. بعد مراقبة هذا السديم وغيره من السدم، توصل هابل إلى استنتاج أساسي حول بنية الكون: فهو يتكون من مجموعة من مجموعات النجوم الضخمة - المجرات. إنهم هم الذين يظهرون لنا على أنهم "غيوم" ضبابية بعيدة في السماء، لأننا ببساطة لا نستطيع رؤية النجوم الفردية على هذه المسافة الضخمة. في الواقع، كان هذا الاكتشاف وحده كافياً ليحظى هابل باعتراف عالمي بخدماته للعلوم.
لكن العالم لم يتوقف عند هذا الحد، ولاحظ جانبا مهما آخر في البيانات التي تم الحصول عليها، والتي لاحظها علماء الفلك من قبل، لكنهم وجدوا صعوبة في تفسيرها. وهي: أن الطول المرصود للموجات الضوئية الطيفية المنبعثة من ذرات المجرات البعيدة أقل إلى حد ما من طول الموجات الطيفية المنبعثة من نفس الذرات في المختبرات الأرضية. أي أنه في الطيف الإشعاعي للمجرات المجاورة، فإن كمية الضوء المنبعثة من الذرة عندما يقفز إلكترون من مدار إلى مدار تنزاح في التردد نحو الجزء الأحمر من الطيف مقارنة بكمية مماثلة منبعثة من نفس الذرة على الأرض . أخذ هابل الحرية في تفسير هذه الملاحظة على أنها مظهر من مظاهر تأثير دوبلر، مما يعني أن جميع المجرات المجاورة المرصودة يتم حذفهامن الأرض، نظرًا لأن جميع الأجسام المجرية تقريبًا خارج درب التبانة لديها بالضبط أحمرالتحول الطيفي يتناسب مع سرعة إزالتها.
والأهم من ذلك، أن هابل تمكن من مقارنة نتائج قياساته للمسافات إلى المجرات المجاورة (استنادًا إلى ملاحظات المتغيرات القيفاوية) مع قياسات معدلات ركودها (استنادًا إلى الانزياح الأحمر). ووجد هابل أنه كلما كانت المجرة بعيدة عنا، كلما كانت ابتعادها أسرع. هذه الظاهرة ذاتها المتمثلة في "التشتت" المركزي للكون المرئي بسرعة متزايدة أثناء تحركه بعيدًا عن نقطة المراقبة المحلية تسمى قانون هابل. رياضيا، يتم صياغتها ببساطة شديدة:
أين الخامس- السرعة التي تبتعد بها المجرة عنا، ص- المسافة إليها، و ح- ما يسمى ثابت هابل. تم تحديد الأخير تجريبيًا، ويقدر حاليًا بحوالي 70 كم/(ثانية Mpc) (كيلومتر في الثانية لكل ميجابارسيك؛ 1 Mpc يساوي تقريبًا 3.3 مليون سنة ضوئية). وهذا يعني أن مجرة على مسافة 10 ميغا فرسخ فلكي تهرب منا بسرعة 700 كم/ث، ومجرة على مسافة 100 ميغا فرسخ فلكي بسرعة 7000 كم/ث، وما إلى ذلك. وعلى الرغم من أن هابل جاء في البداية لهذا القانون نتيجة لرصد عدد قليل فقط من المجرات الأقرب إلينا، ولم تقع أي من المجرات العديدة الجديدة في الكون المرئي التي تم اكتشافها منذ ذلك الحين، والتي تبتعد بشكل متزايد عن درب التبانة، خارج نطاق هذا القانون.
لذا فإن النتيجة الرئيسية والتي تبدو مذهلة لقانون هابل هي أن الكون يتوسع! يتم عرض هذه الصورة بوضوح بالنسبة لي على النحو التالي: المجرات عبارة عن زبيب في عجينة خميرة سريعة الارتفاع. تخيل نفسك كائنًا مجهريًا على إحدى حبات الزبيب التي تبدو عجينتها شفافة: ماذا ترى؟ مع ارتفاع العجين، تبتعد عنك جميع أنواع الزبيب الأخرى، وكلما ابتعد الزبيب، زادت سرعة ابتعاده عنك (نظرًا لوجود عجين متمدد بينك وبين الزبيب البعيد أكثر من بينك وبين الزبيب القريب). في الوقت نفسه، يبدو لك أنك أنت في قلب الاختبار العالمي المتوسع، ولا يوجد شيء غريب في هذا - إذا كنت في زبيب آخر، فسيبدو كل شيء كما هو تمامًا بالنسبة لك. لذا فإن المجرات تتناثر لسبب واحد بسيط: وهو أن نسيج الفضاء العالمي يتوسع. جميع المراقبين (وأنا وأنت لسنا استثناءً) يعتبرون أنفسهم في مركز الكون. وقد صاغ هذا الأمر بشكل أفضل مفكر القرن الخامس عشر نيكولاس كوزا: "أي نقطة هي مركز الكون اللامحدود".
ومع ذلك، فإن قانون هابل يخبرنا أيضًا بشيء آخر عن طبيعة الكون - وهذا "الشيء" ببساطة غير عادي. كان للكون بداية في الزمن. وهذا استنتاج بسيط للغاية: يكفي أن نأخذ و"نرجع" عقليًا إلى الصورة السينمائية التقليدية لتوسع الكون الذي نلاحظه - وسنصل إلى النقطة التي يتم فيها ضغط كل مادة الكون في كتلة كثيفة من المادة الأولية، محاطة بحجم صغير جدًا مقارنة بالمقياس الحالي للكون. إن فكرة الكون، التي ولدت من كتلة فائقة الكثافة من مادة فائقة السخونة، ومنذ ذلك الحين تتوسع وتبرد، تسمى نظرية الانفجار الكبير، واليوم لا يوجد نموذج كوني أكثر نجاحا لأصل وتطور الكون. كون. بالمناسبة، يساعد قانون هابل أيضًا في تقدير عمر الكون (بالطبع، مبسط للغاية وتقريبي). لنفترض أن جميع المجرات كانت تبتعد عنا بنفس السرعة منذ البداية الخامسالتي نراها اليوم. يترك ر— الوقت المنقضي منذ بداية رحلتهم. سيكون هذا هو عمر الكون، ويتم تحديده من خلال العلاقات:
الخامسس ر = ص،أو ر = ص/الخامس
لكن من قانون هابل يتبع ذلك
ص/الخامس = 1/ح
أين ن- ثابت هابل . وهذا يعني أنه من خلال قياس سرعات الركود للمجرات الخارجية وتحديدها تجريبيا نوبذلك نحصل على تقدير للوقت الذي تتشتت فيه المجرات. هذا هو العمر المقدر للكون. حاول أن تتذكر: أحدث التقديرات تشير إلى أن عمر الكون يبلغ حوالي 15 مليار سنة، أي يزيد أو ينقص بضعة مليارات من السنين. (للمقارنة، يقدر عمر الأرض بـ 4.5 مليار سنة، وقد بدأت الحياة عليها منذ حوالي 4 مليارات سنة).
أنظر أيضا:
إدوين باول هابل، 1889-1953
عالم الفلك الأمريكي. ولد في مارشفيلد (ميسوري، الولايات المتحدة الأمريكية)، نشأ في ويتون (إلينوي) - ثم لم تكن جامعة، ولكن إحدى ضواحي شيكاغو الصناعية. تخرج بمرتبة الشرف من جامعة شيكاغو (حيث تميز أيضًا بإنجازاته الرياضية). أثناء وجوده في الكلية، عمل كمساعد في مختبر الحائز على جائزة نوبل روبرت ميليكان (انظر تجربة ميليكان)، وخلال العطلة الصيفية كمساح في بناء السكك الحديدية. بعد ذلك، أحب هابل أن يتذكر كيف تخلفوا، مع عامل آخر، عن آخر قطار كان يعيد فريق المسح الخاص بهم إلى فوائد الحضارة. تجولوا في الغابات لمدة ثلاثة أيام قبل أن يصلوا إلى منطقة مأهولة بالسكان. لم يكن معهم أي مؤن، ولكن، على حد تعبير هابل نفسه، “كان من الممكن بالطبع قتل قنفذ أو طائر، ولكن لماذا؟ الشيء الرئيسي هو أن هناك ما يكفي من المياه حولنا.
بعد حصوله على درجة البكالوريوس في عام 1910، ذهب هابل إلى أكسفورد بفضل منحة رودس. هناك بدأ بدراسة القانون الروماني والبريطاني، لكنه، على حد تعبيره، "استبدل القانون بعلم الفلك" وعاد إلى شيكاغو، حيث بدأ الاستعداد للدفاع عن أطروحته. أجرى العالم معظم ملاحظاته في مرصد يركس الواقع شمال شيكاغو. هناك لاحظه جورج إليري هيل (1868-1938) وفي عام 1917 دعا الشاب إلى مرصد جبل ويلسون الجديد.
ولكن هنا تدخلت الأحداث التاريخية. دخلت الولايات المتحدة الحرب العالمية الأولى، وأكمل هابل أطروحته للدكتوراه بين عشية وضحاها. د. دافع عنها في صباح اليوم التالي - وتطوع على الفور للجيش. تلقى مشرفه هيل برقية من هابل بالمحتوى التالي: "يؤسفني أنني اضطررت إلى رفض الدعوة للاحتفال بالدفاع. لقد ذهب إلى الحرب". وصلت الوحدة التطوعية إلى فرنسا في نهاية الحرب ولم تشارك حتى في الأعمال العدائية، لكن هابل تمكن من الحصول على جرح شظية من قذيفة طائشة. تم تسريحه في صيف عام 1919، وعاد العالم على الفور إلى مرصد جبل ويلسون في كاليفورنيا، حيث اكتشف قريبًا أن الكون يتكون من مجرات متطايرة، وهو ما كان يسمى قانون هابل.
في ثلاثينيات القرن العشرين، واصل هابل دراسة العالم خارج مجرة درب التبانة، وسرعان ما اكتسب شهرة ليس فقط في الأوساط العلمية، ولكن أيضًا بين عامة الناس. لقد استمتع بالشهرة، وفي صور تلك السنوات يمكن رؤية العالم في كثير من الأحيان وهو يتظاهر بصحبة نجوم السينما المشهورين في تلك الحقبة.
كتاب هابل العلمي الشهير "مملكة السدم" (عالم السدم)،والذي نُشر عام 1936، زاد من شعبية العالم. ومن باب الإنصاف، تجدر الإشارة إلى أنه خلال الحرب العالمية الثانية، ترك العالم أبحاثه في الفيزياء الفلكية وعمل بأمانة في مجال المقذوفات التطبيقية كرئيس تنفيذي لموقع اختبار نفق الرياح الأسرع من الصوت في أبردين (ميريلاند)، وبعد ذلك عاد إلى الفيزياء الفلكية شغل حتى نهاية أيامه منصب رئيس المجلس العلمي المشترك لمرصد جبل ويلسون ومرصد بالومار. وعلى وجه الخصوص، كان مسؤولاً عن فكرة القيادة والتطوير الفني للتصميم الأساسي لتلسكوب هيل الشهير الذي يبلغ قطره مائتي بوصة (خمسة أمتار)، والذي تم تشغيله في عام 1949 في مرصد بالومار. ويظل هذا التلسكوب حتى يومنا هذا قمة علم الفلك المتجسد في المادة. وربما يكون من العدل أن يكون هابل هو أول علماء الفيزياء الفلكية المعاصرين الذين نظروا إلى أعماق الكون من خلال عدسة هذه الأداة الرائعة.
إذا تجاهلنا علم الفلك، فإن إدوين هابل كان عمومًا رجلاً ذا اهتمامات واسعة وفريدة. وهكذا، في عام 1938، تم انتخابه عضوًا في مجلس أمناء مكتبة هنتنغتون بجنوب كاليفورنيا ومعرضها الفني (لوس أنجلوس، الولايات المتحدة الأمريكية). تبرع العالم لهذه المكتبة بمجموعته الفريدة من الكتب القديمة عن تاريخ العلوم. كان الشكل المفضل للاستجمام لدى هابل هو الصيد باستخدام قضيب الغزل - وقد حقق التميز في هذا أيضًا، ولا يزال رقمه القياسي الذي تم اصطياده في الجداول الجبلية لجبال روكي (الولايات المتحدة الأمريكية) وفي نهر تيست (إنجلترا) يعتبر غير مسبوق... إدوين توفي هابل فجأة في 28 سبتمبر 1953 نتيجة لنزيف دماغي.
وفي هذه الأثناء، تتسابق مجموعتنا المحلية نحو مركز عنقود العذراء بسرعة 150 مليون كيلومتر في الساعة.
إن مجرة درب التبانة وجارتها المرأة المسلسلة، إلى جانب 30 مجرة أصغر حجما، فضلا عن الآلاف من مجرات العذراء، كلها تنجذب إلى الجاذب العظيم. ونظرًا للسرعات عند هذه المقاييس، فإن الكتلة غير المرئية التي تشغل الفراغات بين المجرات وعناقيد المجرات يجب أن تكون على الأقل عشرة أضعاف المادة المرئية.
ومع ذلك، فمن خلال إضافة هذه المادة غير المرئية إلى المادة المرئية والحصول على متوسط كتلة الكون، نحصل على 10-30% فقط من الكثافة الحرجة اللازمة "لإغلاق" الكون. وتشير هذه الظاهرة إلى أن الكون "مفتوح". يواصل علماء الكونيات الجدال حول هذا الموضوع بنفس الطريقة التي يحاولون بها "المادة المظلمة".
ويعتقد أنه يحدد بنية الكون على نطاقات هائلة. تتفاعل المادة المظلمة جاذبيًا مع المادة الطبيعية، وهو ما يسمح لعلماء الفلك بمراقبة تكوين جدران طويلة ورقيقة من العناقيد المجرية الفائقة.
أدت القياسات الحديثة (باستخدام التلسكوبات والمسابير الفضائية) لتوزيع الكتلة في M31، وهي أكبر مجرة في محيط درب التبانة، والمجرات الأخرى، إلى التعرف على أن المجرات مليئة بالمادة المظلمة، وأظهرت أن قوة غامضة يملأ فراغ الفضاء الفارغ ويسرع توسع الكون.
يدرك علماء الفلك الآن أن المصير النهائي للكون يرتبط ارتباطًا وثيقًا بوجود الطاقة المظلمة والمادة المظلمة. يشير النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات إلى أن الكون يتكون من 70% طاقة مظلمة، و25% مادة مظلمة، و5% فقط مادة عادية.
نحن لا نعرف ما هي الطاقة المظلمة أو سبب وجودها. من ناحية أخرى، تشير نظرية الجسيمات إلى أنه على المستوى المجهري، حتى الفراغ المثالي مليء بالجسيمات الكمومية، والتي تعد مصدرًا طبيعيًا للطاقة المظلمة. لكن الحسابات الأساسية تظهر أن الطاقة المظلمة التي يتم إنتاجها من الفراغ أكبر بـ 10120 مرة مما نلاحظه. من المفترض أن تؤدي بعض العمليات الفيزيائية غير المعروفة إلى إزالة معظم طاقة الفراغ، وليس كلها، مما يترك ما يكفي لتسريع توسع الكون.
سيتعين على نظرية جديدة للجسيمات الأولية أن تشرح هذه العملية الفيزيائية. وتختبئ نظريات جديدة عن "الجاذبات المظلمة" وراء ما يسمى بالمبدأ الكوبرنيكي، الذي يقول إنه ليس من المستغرب أن نفترض نحن المراقبين أن الكون غير متجانس. تشرح مثل هذه النظريات البديلة التوسع المتسارع الملحوظ للكون دون تدخل الطاقة المظلمة، وبدلاً من ذلك تشير إلى أننا قريبون من مركز الفراغ، حيث يجذبنا جاذب "مظلم" أكثر كثافة نحوه.
في مقال نشر في رسائل المراجعة البدنيةأظهر بينجزي تشانغ من مرصد شنغهاي الفلكي وألبرت ستيبينز في معرض فيرميلاب أن نموذج الفراغ الشهير والعديد من النماذج الأخرى يمكن أن تحل محل الطاقة المظلمة دون التعارض مع ملاحظات التلسكوب.
تظهر الدراسات الاستقصائية أن الكون متجانس، على الأقل بمقاييس تصل إلى جيجا فرسخ فلكي. يرى تشانج وستيبنز أنه في حالة وجود مخالفات واسعة النطاق، فيجب اكتشافها على أنها تغير في درجة الحرارة في الخلفية الكونية الميكروية للفوتونات المتبقية التي تم إنتاجها بعد 400 ألف سنة من الانفجار الكبير. يحدث هذا بسبب تشتت الإلكترون والفوتون (عكس تشتت كومبتون).
ومن خلال التركيز على نموذج فقاعة هابل للفراغ، أظهر العلماء أنه في مثل هذا السيناريو، ستتوسع بعض مناطق الكون بشكل أسرع من غيرها، مما يؤدي إلى تغير في درجة الحرارة أكبر من المتوقع. لكن التلسكوبات التي تدرس الإشعاع CMB لا ترى مثل هذا التحول الكبير.
حسنًا، كما قال كارل ساجان: "الادعاءات غير العادية تتطلب أدلة غير عادية".
النظر في مجرتين تقع على مسافة لمن بعضها البعض والابتعاد عن بعضها البعض بسرعة الخامس. ما قيمة الانزياح نحو الأحمر في طيف المجرة الأولى، مقاسًا بواسطة راصد موجود في الثانية؟
يبدو أن الجواب واضح. قيمة الانزياح الأحمر ضمساوي ل:
ومع ذلك، من المتوقع حدوث هذا القدر من الانزياح نحو الأحمر في الكون الثابت. لكن كوننا يتوسع! هل يمكن لحقيقة توسع الكون أن تؤثر على قيمة الانزياح نحو الأحمر؟
دعونا نغير حالة المشكلة. لنفترض الآن أن المجرات تقع على مسافة ثابتة لمن بعضها البعض (على سبيل المثال، تدور ببطء حول مركز مشترك للكتلة). هل سيكتشف الراصد الموجود في إحدى المجرات انزياحًا أحمر في طيف مجرة أخرى بسبب حقيقة أن الكون يتوسع؟
عندما يتوسع الكون فإنه يتغلب على الجاذبية بين أجزائه. ولذلك، مع توسع الكون، ينخفض معدل توسعه. ينتقل الفوتون من مجرة إلى أخرى، تمامًا مثل أي كائن داخل الكون، ويتفاعل مع الجاذبية مع المادة المتوسعة، وبالتالي "يبطئ" توسع الكون. ولذلك، فإن طاقة الفوتون المتحرك في الكون المتوسع يجب أن تنخفض. دعونا نجري تقديرات كمية.
عندما غادر الفوتون مجرة واحدة، كانت قوة الجاذبية داخل الكون، الناتجة عن كل المادة الموجودة في الكون، تساوي F 1. وعندما وصل الفوتون إلى المجرة الثانية زادت قوة الجاذبية داخل الكون بسبب تمدد الكون وأصبحت تساوي Ф 2 > Ф 1 (في نفس الوقت | Ф 2 |< | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.
وبالتالي، فإن قيمة الانزياح نحو الأحمر في طيف الانبعاث للمجرة التي تبتعد عنا ستتكون من جزأين. الجزء الأول، الناتج مباشرة عن السرعة التي تبتعد بها المجرات، هو ما يسمى بتأثير دوبلر. قيمته هي:
أما الجزء الثاني فهو ناتج عن حقيقة أن الكون يتوسع، وبالتالي تزداد قوة الجاذبية داخله. وهذا ما يسمى بالتحول الأحمر الجاذبية. قيمته هي:
(8.9)
هنا F 1 هي قوة جاذبية الكون عند مكان خروج الفوتون، في لحظة خروجه؛ Ф 2 – إمكانات الجاذبية للكون في مكان تسجيل الفوتون، في لحظة تسجيله.
ونتيجة لذلك فإن قيمة الانزياح نحو الأحمر في طيف انبعاث المجرة التي تبتعد عنا ستكون مساوية لـ:
(8.10)
ونصل إلى نتيجة مهمة جدًا. فقط جزء من الانزياح الأحمر الكوني الملاحظ في أطياف الانبعاث للمجرات البعيدة ينجم مباشرة عن بعد هذه المجرات عنا. أما الجزء الآخر من التحول الأحمر فهو ناتج عن زيادة في إمكانات الجاذبية للكون. وبالتالي فإن السرعة التي تبتعد بها المجرات عنا هي أقلمما يفترض في علم الكونيات الحديث، وعمر الكون، وفقًا لذلك، أكثر.
تظهر الحسابات التي تم إجراؤها أنه إذا كانت كثافة الكون قريبة من المستوى الحرج (تم التوصل إلى هذا الاستنتاج بناءً على دراسة التوزيع واسع النطاق للمجرات)، فإن:
أي فقط 2/3 من قيمة الانزياح الأحمر الكوني ض 0 في أطياف المجرات البعيدة (8.10) ناتج عن السرعة التي تتحرك بها المجرات بعيدًا. وبناء على ذلك، فإن ثابت هابل أقل بـ 1.5 مرة مما يفترض في علم الكونيات الحديث، وعمر الكون، على العكس من ذلك، أكبر بـ 1.5 مرة.
كيف يتم حل مسألة أصل التحول الأحمر الكوني في النظرية النسبية العامة؟ دعونا نفكر في مجرتين تشاركان في التوسع الكوني للكون، وتكون سرعتهما الخاصة صغيرة جدًا بحيث يمكن إهمالهما. ولتكن المسافة بين المجرات لحظة خروج الفوتون من المجرة الأولى مساوية ل. وعندما يصل الفوتون إلى المجرة الثانية فإن المسافة بين المجرات ستزداد وتتساوى ل + لد. في النظرية النسبية العامة، يتم اختزال تفاعل الجاذبية بالكامل في الهندسة. ووفقا لهذه النظرية، فإن الكمية الأكثر أهمية التي تميز الكون المتوسع هي ما يسمى بعامل المقياس. إذا أمكن إهمال السرعات الخاصة لمجرتين بعيدتين عن بعضهما البعض، فإن عامل القياس سيتغير بما يتناسب مع التغير في المسافة بين هذه المجرات.
وفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن الطول الموجي l للفوتون الذي يتحرك في الكون المتوسع يتغير بشكل متناسب مع التغير في عامل المقياس، وبالتالي فإن التحول الأحمر يساوي:
(8.12)
لو الخامس– سرعة ابتعاد المجرات عن بعضها البعض رهو زمن طيران الفوتون، ثم:
ونتيجة لذلك نحصل على:
وهكذا، وفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن التحول الأحمر الكوني لا يعتمد على كثافة الكون أو على السرعة التي تتغير بها إمكانات الجاذبية للكون، ولكنه يعتمد على فقطعلى السرعة النسبية لركود المجرات. وإذا، على سبيل المثال، كان كوننا يتوسع بنفس السرعة التي هو عليها الآن، ولكن في نفس الوقت كانت كثافته أقل بعدة مرات، فوفقًا للنظرية النسبية العامة، فإن قيمة التحول الأحمر الكوني في الانبعاث أطياف المجرات سيكون نفس الشيء. اتضح أن وجود كتل ضخمة داخل الكون، مما يحد من توسع الكون، لا يؤثر بأي شكل من الأشكال على طاقة الفوتونات المتحركة! هذا يبدو غير محتمل.
ولعل هذا هو السبب وراء ظهور مشاكل خطيرة عند محاولة تفسير، في إطار النظرية النسبية العامة، اعتماد الانزياحات الحمراء في أطياف المستعرات الأعظم البعيدة جدًا على المسافة إليها. ومن أجل "إنقاذ" النظرية النسبية العامة، في نهاية القرن العشرين، طرح علماء الكونيات افتراضًا مفاده أن كوننا يتوسع ليس بتباطؤ، بل على العكس من ذلك، بتسارع، وهو ما يتعارض مع قانون الكون الكوني. الجاذبية (تمت مناقشة هذا الموضوع في).
لن نناقش هنا فرضية التوسع المتسارع للكون (على الرغم من قناعتي العميقة أنه ليس فقط النظرية النسبية العامة، ولكن لا توجد نظرية أخرى تستحق الإنقاذ بمساعدة مثل هذه الفرضيات)، ولكن بدلاً من ذلك سنحاول لنقل هذه المشكلة من مجال الفيزياء النظرية إلى مجال التجربة. في الواقع، لماذا نجري مناقشات نظرية حول أصل الانزياح الكوني نحو الأحمر إذا كان بإمكانك الحصول على إجابة لهذا السؤال في المختبر الفيزيائي؟
دعونا نصيغ هذا السؤال المهم مرة أخرى. هل هناك انزياح أحمر كوني ليس بسبب تأثير دوبلر للمجرات التي تبتعد، ولكن بسبب حقيقة أنه عندما يتحرك الفوتون، تزداد إمكانات الجاذبية للكون؟
للإجابة على هذا السؤال يكفي إجراء التجربة التالية (انظر الشكل 33).
يتم تقسيم شعاع الليزر إلى شعاعين بحيث يضرب أحدهما الكاشف على الفور، ويتحرك الشعاع الثاني أولاً لبعض الوقت بين مرآتين متوازيتين ثم يضرب الكاشف فقط. وهكذا، فإن الشعاع الثاني يضرب الكاشف بتأخير زمني ر (عدة دقائق). ويقوم الكاشف بمقارنة الأطوال الموجية لشعاعين منبعثين في لحظات زمنية ر-ti ر. وينبغي توقع حدوث تغيير في الطول الموجي للحزمة الثانية مقارنة بالأول بسبب زيادة إمكانات جاذبية الكون الناجمة عن توسعه.
تمت مناقشة هذه التجربة بالتفصيل، لذا سننظر الآن فقط في الاستنتاجات الرئيسية التي يمكن استخلاصها بعد تنفيذها.
 |
أرز. 33. رسم تخطيطي لتجربة لقياس الانزياح الأحمر الكوني الناتج ليس عن تأثير دوبلر، ولكن التغير في إمكانات الجاذبيةداخل الكون.
يتم توجيه شعاع الليزر إلى مرآة شفافة. في هذه الحالة، يمر جزء واحد من الشعاع عبر المرآة ويضرب الكاشف على طول أقصر مسار. والجزء الثاني من الشعاع المنعكس من المرآة ويمر عبر نظام المرايا 1، 2، 3، يضرب الكاشف بتأخير زمني معين. ونتيجة لذلك، يقوم الكاشف بمقارنة الأطوال الموجية لشعاعين منبعثين في أوقات مختلفة.
أولاً، سنكون قادرين على معرفة ما إذا كان هناك انزياح أحمر كوني أم لا، لا يحدث بسبب سرعة إزالة المصدر، ولكن بسبب حقيقة توسع الكون، أي زيادة إمكانات الجاذبية في الداخل. الكون.
ثانياً، إذا تم اكتشاف مثل هذا التحول (وهناك كل الأسباب لذلك)، فعندئذٍ، نحن، من خلال تجربة معملية، سنثبت حقيقة توسع الكون. علاوة على ذلك، سنكون قادرين على قياس المعدل الذي تزداد به إمكانات الجاذبية الناتجة عن جميع المواد في الكون.
ثالثا، بطرح من قيمة الانزياح الأحمر في أطياف المجرات البعيدة ذلك الجزء الذي لا ينجم عن سرعة ابتعادها، بل عن تغير في جهد الجاذبية، نكتشف حقيقيالمعدل الذي تبتعد به المجرات، وبالتالي تكون قادرة على تصحيح التقدير الحالي لعمر الكون.
