بنية الكون

مشروع إطلاق مركبة مكونة من 3 أجزاء ترتبط بشعاع ليزر

لتكوين مثلث عظيم يغطي حيز كبير من حجم المجموعة الشمسية

يتم التخطيط من قبل ناسا لمشروع إطلاق مركبة مكونة من 3 أجزاء ترتبط بشعاع ليزر لتكوين مثلث عظيم يغطي حيز كبير من حجم المجموعة الشمسية لإكتشاف بنية الكون وهل يتداخل مع أكوان أخرى ولإختبار نظرية الجاذبية في نسبية آينشتاين التي تقول بأن الجاذبية ناتجة عن تحدب الزمكان بفعل كتل النجوم والكواكب وقد يستطيع العلماء قريباً إلقاء نظرة خاطفة على بدايات الكون وذلك بدراسة التموجات الدقيقة التي تحدثها موجات تثاقلية .

LIZA

كان كالدويل وكاميونكوڤسكي طالبين في قسم الفيزياء بجامعة واشنطن عام 1987. حصل كالدويل على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة وسكونسن ـ ملووكي عام 1992. وهو واحد من العلماء الرئيسيين الذين صاغوا نظرية الطاقة القاتمة ويعمل حاليا مدرسا للفيزياء وعلم الفلك في كلية دارتموث. أمّا كاميونكوڤسكي فحصل على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة شيكاگو عام 1991. وهو حاليا أستاذ الفيزياء النظرية والفيزياء الفلكية في معهد كاليفورنيا للتقانة CIT. وقد حصل على جائزة وارنر عام 1998 لإسهاماته في علم الفلك النظري.

قد يستطيع العلماء قريبا إلقاء نظرة خاطفة على بدايات الكون وذلك بدراسة التموجات الدقيقة التي تحدثها موجات تثاقلية :

مازال علماء الكون يطرحون الأسئلة نفسها التي طرحها راصدو النجوم الأوائل عندما كانوا يمسحون السماوات. من أين جاء الكون؟ وهل سبقه شيء؟ وما هو هذا الشيء؟ كيف وصل الكون إلى حالته الراهنة، وماذا سيكون مستقبله؟ ومع أن المنظِّرين تفكروا طويلا في أصل هذا الكون، فلم يكن لديهم أية طريقة لسبر لحظات الكون الأولى لاختبار فرضياتهم، إلا منذ عهد قريب جدا. لكنْ في السنوات الأخيرة، توصل الباحثون إلى طريقة لرصد الكون كما كان في بداية ذلك الجزء من الثانية الأولى بعد الانفجار الأعظم. وتتضمن هذه الطريقة النظر في آثار الموجات التثاقلية في الخلفية الكونية للموجات الميكروية (CMB)، أي الإشعاعات الباردة التي تخللت الكون طوال نحو 15 بليون سنة.

كون أملس

في كون ليس فيه تغيرات في الكثافة ولا موجات تثاقلية، تكون الخلفية الكونية للموجات الميكروية (الصِغْرية) متسقة تماما.

لقد أُطلقت الإشعاعات CMB بعد نحو 000 500 سنة من الانفجار الأعظم، عندما اتحدت لأول مرة الإلكترونات والپروتونات في الپلازما الكونية البدائية ـ وهي الحساء الحار والكثيف المكوّن من الجسيمات دون الذرية التي كانت تملأ الكون، وذلك لتكوّن ذرات الهدروجين. ولأن هذه الإشعاعات توفر لقطة سريعة للكون في ذلك الوقت، فقد أصبحت الوسيلة لفك رموز علم الكون (الكوسمولوجيا). وبعد أن اكتُشِفت الإشعاعات CMB عام 1965، وجد الباحثون أن درجة حرارتها ـ وهي مقياس لشدة إشعاعات الجسم الأسود ـ قريبة جدا من 2.7 درجة كلڤن، وذلك مهما كان الاتجاه الذي ينظرون فيه إلى السماء. وبكلمات أخرى، ظهرت هذه الإشعاعات وكأنها متناحية isotropic، وهذا يشير إلى أن الكون كان متسقا (منتظما) جدا في مراحله الأولى. ولكن في مطلع التسعينات، كشف ساتل سمي «مستكشف الخلفية الكونية» Cosmic Background Explorer COBE تغيرات ميكروية ـ جزء واحد فقط من 000 100 ـ في درجة حرارة هذه الإشعاعات. وقد وفرت هذه التغيرات دلالة على وجود تكتلات ونتوءات صغيرة في الپلازما الكونية البدائية. وتطورت هذه التشوهات في نسق توزع كتلة المادة فيما بعد، متحولة إلى بُنى كبيرة الحجوم في الكون: المجرات، وحشود المجرات التي توجد حاليا.

وفي أواخر التسعينات قامت عدة مكاشيف detectors، محمولة بالمناطيد ومقامة على قواعد أرضية، برصد الإشعاعات CMB بميز (فصل) resolution زاوي أدق من ميز المستكشف COBE، وكشفت بنى في الپلازما الكونية البدائية تمتد عبر السماء ضمن زوايا قياساتها تقل عن درجة واحدة. (وبغية المقارنة، فإن القمر يقع ضمن زاوية قياسها أقل من نصف درجة). وقد أشار حجم هذه البنى البدائية إلى أن هندسة الكون مسطحة ، وتنسجم هذه الأرصاد مع نظرية التضخم الكوني، التي تفترض وجود حقبة زمنية جرت في اللحظات القليلة الأولى بعد الانفجار الأعظم كان فيها التمدد الكوني سريعا على نحو لافت للنظر. وفي هذا العام، تخطط الوكالة (ناسا) لإطلاق مسبار اللاتناحي الميكروي الموجة Micrwave Anisotropy Probe MAP الذي سيوسّع أرصاد CMB الدقيقة لتشمل السماء كلها. كذلك فإن مركبة الفضاء پلانك Planck، التابعة لهيئة الفضاء الأوروبية، والمخطط لإطلاقها عام 2007 ستعد خرائط أكثر تفصيلا. ويتوقع علماء الكون أن تكشف هذه الأرصاد كنز معلومات نفيسا عن الكون المبكر.

ويأمل الباحثون، بوجه خاص، أن يجدوا برهاناً مباشراً على حقبة التضخم الكوني. والدليل الأقوى «المدفع ذو الدخان» ـ يمكن أن يكون رصد الموجات التثاقلية التضخمية. ففي عام 1918 تنبأ آينشتاين بوجود الموجات التثاقلية كنتيجة لنظريته في النسبية العامة. وهذه الموجات تشبه الموجات الكهرمغنطيسية، كالأشعة السينية والموجات الراديوية والضوء المرئي، وهي اضطرابات متنقلة للحقل الكهرمغنطيسي. ومثلما هي الحال في الموجات الضوئية أو الراديوية، يمكن للموجات التثاقلية أن تنقل معلومات وطاقة من المصادر التي تنتجها. إضافة إلى ذلك يمكن للموجات التثاقلية أن تتنقل من دون عوائق عبر المادة التي تمتص جميع أشكال الإشعاعات الكهرمغنطيسية. وكما تسمح الأشعة السينية للأطباء بالتحديق عبر المادة التي لا يستطيع الضوء اختراقها، فإن الموجات التثاقلية يجب أن تسمح للباحثين بأن يروا ظواهر فيزيائية فلكية لا يمكن رؤيتها بطريقة أخرى. ومع أن الموجات التثاقلية لم تُرصد مباشرة حتى الآن، إلا أن الأرصاد الفلكية أكدت أن أزواجا من أجسام عالية الكثافة، كالنجوم النيوترونية والثقوب السوداء، تولِّد هذه الموجات عندما تتخذ سبيلا لولبيا بعضها باتجاه البعض الآخر.

إن الپلازما، التي كانت تملأ الكون خلال مدة الـ000 500 سنة الأولى من وجوده، كانت عاتمة للإشعاع الكهرمغنطيسي، لأن أي فوتونات منطلقة كانت تتشتت فورا في حساء الجسيمات دون الذرية. لهذا لا يستطيع الفلكيون رصد الإشارات الكهرمغنطيسية التي سبقت تاريخ انطلاق الإشعاعات CMB. وبالمقابل، فإن الموجات التثاقلية كانت قادرة على اختراق الپلازما الكونية. إضافة إلى ذلك، فإن نظرية التضخم الكوني تتنبأ بأن التمدد الانفجاري للكون خلال 38-10 ثانية بعد الانفجار الأعظم كان يجب أن يولّد موجات تثاقلية. وإذا كانت النظرية صحيحة، فإن هذه الموجات كان يجب أن تترك أصداء عبر الكون المبكر، وأن تترك تموجات دقيقة جدا في الإشعاعات CMB بعد 000 500 سنة من ذلك، بحيث يمكن رصدها حاليا.لكن المهمة ليست بهذه البساطة. فكما أوردنا في بداية هذه المقالة، فإن عدم تجانس الكتلة في بداية الكون أحدث أيضا تغيرات في درجة حرارة الإشعاعات CMB. (فمثلا، الحقل التثاقلي لمناطق الپلازما الأكثر كثافة كان سيولد انزياحا نحو الأحمر للفوتونات التي انطلقت من تلك المناطق، مسببا بعض الاختلافات في درجات الحرارة التي رصدها المستكشف COBE). فلو نظر علماء الكون إلى درجة حرارة الإشعاع فقط، لما استطاعوا معرفة أي جزء (إذا كان ثمة من جزء) من هذه التغيرات يجب أن يُعْزَى إلى الموجات التثاقلية. ومع ذلك، فإن العلماء يعرفون، على الأقل، أن الموجات التثاقلية لم تكن لتستطيع توليد أكثر من واحد من مئة ألف من الاختلافات في درجات الحرارة التي رصدها المستكشف COBE وغيره من مكاشيف الإشعاعات CMB. وهذه الحقيقة تضع قيودا طريفة على الظواهر الفيزيائية التي أدت إلى حدوث التضخم الكوني: فطاقة التضخم الكوني يجب أن تكون أقل من نحو 1016 Gev، ومن ثم فإن هذا الحادث لا يمكن أن يكون قد جرى قبل 38-10 ثانية من حدوث الانفجار الأعظم.

صيادو الموجات ، مكاشيف جديدة ستصبح جاهزة قريباً

إن الموجات التثاقلية الناتجة من السيرورات الكمومية خلال حقبة التضخم الكوني ليست على الإطلاق الموجات الوحيدة التي يُعتقد بأنها ترتحل عبر الكون. فالعديد من النظم الفيزيائية الفلكية، مثل النجوم الثنائية التي يدور كل منها حول الآخر، والنجوم النيوترونية المندمجة، والثقوب السوداء المتصادمة، يجب أن تبث أيضا موجات تثاقلية قوية. فتبعا لنظرية النسبية العامة، تتولد الموجات من أي نظام فيزيائي ذي حركات داخلية غير متناظرة كرويا. ومن ثم فإن أي زوج من النجوم التي يدور كل منها حول الآخر يولّد موجات، إلا أن النجم المنفرد لا يفعل ذلك. والمشكلة في كشف الموجات هي أن قواها تذوي عندما تنتشر إلى الخارج. ومع أن اندماج النجوم النيوترونية، وتصادم الثقوب السوداء هما من الأحداث المزلزلة الأكثر عنفا في الكون، إلا أن ما ينتج من ذلك من موجات تثاقلية يُصبح في منتهى الضعف بعد قطعها مئات ملايين السنين الضوئية إلى الأرض. فمثلا، إن الموجات الناتجة من تصادم ثقب أسود يبعد بليون سنة ضوئية تحدث تأرجحا في المسافة بين كتلتي اختبار معلقتين تعليقا حرا، مطا وعصرا على التوالي، بنسبة 21-10 فقط، أي واحد من بليون من التريليون. ولقياس مثل هذا الاهتزاز الضئيل، يُحضِّر الباحثون «مرصد مقياس التداخل الليزري للموجات التثاقلية» (LIGO)، الذي يتألف من مَرافقَ في مدينة ليڤنگستون بولاية لويزيانا، وفي مدينة هانفورد بولاية واشنطن في كل موقع وُصل أنبوبان متعامدان طول كل منهما أربعة كيلومترات على شكل حرف L عملاق. وتنطلق حزم أشعة الليزر داخل كل أنبوب إلى الأمام وإلى الوراء بين مرايا مصقولة صقلا شديدا. وبتعديل حزم الليزر بحيث تتداخل فيما بينها، سيتمكن العلماء من تسجيل التغيرات الدقيقة في المسافات بين المرايا، وبهذا يقيسون اهتزازات صغيرة جدا سعتها 17-10 سنتيمتر (أي قرابة واحد من بليون من قطر ذرة الهدروجين). وستقارن النتائج الواردة من مدينتي ليڤنگستون وهانفورد لإزالة أية تأثيرات محلية قد تحاكي الموجات التثاقلية، مثل أنشطة الاهتزازات الأرضية، والضوضاء الصوتية، وعدم الاستقرارات الليزرية. ويبني العلماء أيضا مكاشيف أصغر ستعمل بالترادف مع المرصد LIGO، وهذا يسمح للباحثين بتثليث مصادر الموجات التثاقلية. ومن الأمثلة على هذه المراصد: تاما TAMA (قرب طوكيو)، وڤيرگو Virgo (قرب پيزا في إيطاليا)، وجيو GEO (قرب هانوڤر في ألمانيا). ولمراقبة الموجات التثاقلية التي لها أطوال موجية أكبر، تخطط ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية لإطلاق الهوائي الفضائي لمقياس التداخل الليزري Laser Interferometer Space Antenna عام 2010.

وهذا المكشاف سوف يتألف من ثلاث مركبات فضائية متطابقة تطير في تشكيلة مثلث، ويطلق كل منها على الأخرى حزما ليزرية بطول خمسة ملايين كيلومتر. ولسوء الحظ، لن يكون أي من هذه المراصد المقترحة حساسا بما يكفي لكشف الموجات التثاقلية التضخمية. وإشعاعات الخلفية الكونية للموجات الميكروية هي وحدها التي تستطيع كشف وجود هذه الموجات.

لكن كيف يمكن لعلماء الكون أن يمضوا إلى أبعد من هذا؟ كيف يمكن لهم أن يتجنبوا عدم التيقن في أصل التقلبات في درجة الحرارة؟ يكمن الجواب في استقطاب الإشعاعات CMB. فعندما يصدم الضوء سطحا بحيث يتبعثر الضوء منحرفا بزاوية قائمة تقريبا عن حزمة الضوء الأصلية، يصبح مستقطباً خطياً ـ أي أن موجات الضوء تصبح متجهة بإتجاه محدد. وهذا هو التأثير الذي تستغله النظارات الشمسية المستقطبة: فلما كان ضوءُ الشمس الذي يتبعثر من سطح الأرض مستقطبا عادة بالاتجاه الأفقي، فإن المرشحات في النظارات تخفف الوهج بصد موجات الضوء في هذا الاتجاه. والإشعاعات CMB مستقطبة أيضا. وقبل أن يوشك الكون المبكر أن يصبح شفافا للإشعاعات، تبعثرت فوتونات الإشعاعات CMB بعيدا عن الإلكترونات في الپلازما للمرة الأخيرة. وبعض هذه الفوتونات صدمت الجسيمات بزوايا كبيرة، وهذا أدى إلى استقطاب هذه الإشعاعات.

إن كشف الموجات التثاقلية التضخمية ينطلق من حقيقة أن حركات الپلازما الناجمة عن هذه الموجات ولّدت نمطا من الاستقطاب مختلفا عن ذلك الذي ولّده عدم تجانس الكتلة. والفكرة بسيطة نسبيا؛ فالاستقطاب الخطي للإشعاعات CMB يمكن وصفه بقطع خطوط مستقيمة تُظهر زاوية توجيه الاستقطاب في كل منطقة من السماء ويمكن أن تظهر هذه القطع المستقيمة أيضا في الدوّامات الدوّارة إما باتجاه دوران عقارب الساعة، أو بعكس ذلك الاتجاه .

إن تحديد اتجاه الدوران في هذين النمطين الأخيرين هو مفتاح الحل لمعرفة أصلهما. فعدم تجانس الكتلة في الپلازما الكونية البدائية لا يمكن أن يولّد أنماط استقطاب مثل هذين النمطين، لأن مناطق الكثافة أو التخلخل في الپلازما لا تدور باتجاه دوران عقارب الساعة أو بعكس ذلك الاتجاه. وبالمقابل، فإن الموجات التثاقلية تتسم بهذا الدوران أو عكسه: فهي تنتشر إما باتجاه دوران حركة فتّاحة سدادات القناني أو بعكس ذلك الاتجاه. ونمط الاستقطاب الناتج من الموجات التثاقلية سيبدو مثل تراكب عشوائي لعدة دوّامات دوّارة لها حجوم مختلفة بعضها يقع فوق بعض. ويصف الباحثون هذه الأنماط بأنها تمتلك دوّارا curl، في حين أن الأنماط الشعاعية، والتي لها شكل الحلقة الناتجة من عدم تجانس الكتلة، لا تمتلك دوّارات. وحتى الراصد ذو العين الثاقبة لا يستطيع النظر إلى مخطط إستقطاب، ثم يحكم بعينه المجردة ما إذا كان المخطط يحوي أي أنماط لها دوّارات. إن هناك امتدادا لتحليل فورييه Fourrier ـ وهذه تقنية رياضياتية يمكنها أن تقسم الصور إلى سلاسل من أشكال الموجات ـ يمكن استخدامه لتقسيم نمط استقطاب إلى مكوناته من الأنماط التي لها دوّارات والأنماط التي ليس لها دوّارات. وهكذا فإذا استطاع علماء الكون قياس استقطاب الإشعاعات CMB وتحديد النسبة التي تأتي من الأنماط التي لها دوّارات، فإنهم يستطيعون عندئذ حساب سعة الموجات التثاقلية التضخمية ذات الأطوال الموجية المفرطة في الطول. ولأن سعة الموجات كانت قد تحددت بطاقة التضخم، فإن الباحثين سيتمكنون من إجراء قياس مباشر لمستوى هذه الطاقة. وستساعد هذه النتيجة بدورها على الإجابة عن السؤال عمّا إذا كان توحد القوى الأساسية هو الذي قدح زناد التضخم الكوني. تُرى، ما هي احتمالات كشف أنماط الدوّارات هذه؟ إن مركبة ناسا الفضائية MAP، والعديد من التجارب التي أجريت من قواعد أرضية أو محمولة على المناطيد، أصبحت جاهزة لقياس الاستقطاب في الإشعاعات CMB للمرة الأولى، غير أن الآلات المستعملة لن تكون على الأرجح حساسة بالقدر الكافي لكشف مكوِّن الدوّارات الناتج من الموجات التثاقلية التضخمية؛ لكن قد يكون للتجارب اللاحقة حظ أفضل. وإذا كان التضخم الكوني قد نتج فعلا من توحد القوى، فإن إشارة الموجات التثاقلية التي ولّدها قد تكون من القوة بحيث يمكن أن تكشفها مركبة پلانك الفضائية، مع أن جيلا لاحقا وأكثر حساسية من مركبات الفضاء قد يكون ضروريا. لكن إذا كان ما قدح زناد التضخم الكوني ظواهر فيزيائية أخرى حدثت في أوقات لاحقة بطاقات أدنى، عندها تكون الإشارة الآتية من الموجات التثاقلية أضعف بكثير من أن تُكشف في المستقبل المنظور.

ولما كان علماء الكون غير متيقنين من أصل التضخم الكوني، فإنهم غير قادرين على التنبؤ بقوة إشارة الاستقطاب الناتجة من الموجات التثاقلية التضخمية. لكن إذا كانت هنالك فرصة، ولو صغيرة، لكشف هذه الإشارة فإنها تستحق أن تتابع. إن كشف هذه الإشارة لن يوفر برهانا قاطعا على التضخم الكوني فحسب، لكنه سيتيح لنا أيضا فرصة غير عادية للنظر إلى الوراء، إلى أبكر الأوقات، أي إلى الوقت الذي حل بعد الانفجار الأعظم بمدة 38-10 ثانية فقط. عندها نستطيع أن نأمل معالجة واحد من أكثر الأسئلة إلحاحا على مدى العصور، ألا وهو: من أين أتى هذا الكون ، وماهي بنيته ، ماهي الجاذبية ، وكيف يتشوه الزمكان ، وهل يتداخل كوننا مع أكوان أخرى ، عبر ثقوب سوداء عن طريق ممرات دودية مثلاً ؟!

الكرة الكونية