لماذا تُظهر المجرّات انزياحاً نحو الأحمر؟

دورة مكثفة في علوم الكونيات

منذ إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي JWST، كان هناك اهتمام متجدد بالمجرّات البعيدة في الكون، تلك التي تظهر طيوفها انزياحاً أكثر نحو اللون الأحمر. الانزياح الأحمر Redshift هو مصطلح عرفه قراء مجلة سماء الليل BBC Sky at Night Magazine من قبل، ولكن ما هو بالضبط؟ لماذا تُظهر المجرّات انزياحاً نحو الأحمر؟ وكيف يكون الانزياح الأحمر مقياساً للمسافة؟

الانزياح الأحمر هو تماماً ما يوحي به الاسم. يتكون الضوء من موجات يحدد طولُها الموجي لونَها. لضوء المجرّات البعيدة التي نرصدها بتلسكوباتنا لونٌ أكثر حمرة بقليل من الضوء المنبعث من تلك المجرّة منذ فترة طويلة لقد تحولت الأطوال الموجية نحو الطرف الأحمر من الطيف. لكن لماذا يحدث هذا؟

في كثير من الأحيان يفسَّر هذا الانزياح نحو الأحمر خطأً على أنه تأثير دوبلر Doppler effect، حيث تغير حركة الجرم طول الموجات التي تنبعث منه. إذا كانت تلك الأجرام تتحرك مبتعدة، فإن قمة كل موجة جديدة تصدر عند مسافة أبعد قليلاً عن المراقب من سابقتها، لذلك تستغرق قمة كل موجة تالية وقتاً أطول للوصول، وهو ما يتوافق مع رصد موجة أطول. في مثال الموجات الصوتية، يعني هذا درجة صوت منخفضة؛ أما في حالة الضوء، فهو يعني لوناً أكثر حمرة. وإذا كان مصدر الضوء يتحرك مقترباً، فسنلاحظ موجةً أقصر (نغمة صوتية أعلى، أو ”انزياحاً أزرق“ E). وكلما كان الجسم يتحرك بسرعة أعلى نحو المراقب، أو بعيداً عنه، كان التحول أكبر.

كان الفيزيائي النمساوي كريستيان دوبلر Christian Doppler قد تنبأ بهذه الظاهرة في العام 1842. وفي العام 1845، أُظهِرَ تأثير دوبلر Doppler effect أول مرة على الصوت، في تجربة شهيرة أجراها عالم الأرصاد الجوية الهولندي كريستوفوروس بايز بالوت Christophorus Buys Ballot عندما وضع عازفي بوق على قطار متحرك. سمع المراقبون على المنصة نغمة صوت البوق المتغيرة فكانت أعلى مع اقتراب القطار، وأضعف مع ابتعاده. 

صناعة الموجات
بعد ثلاث سنوات رصد الفيزيائي الفرنسي أرماند هيبوليت فيزو Armand Hippolyte Fizeau وجود انزياح دوبلر Doppler shift في ضوء النجوم. وباستخدام المعالم الطيفية Spectral features الخطوط الساطعة التي تظهر عند أطوال موجية محددة فقد أمكنه معرفة مدى الانزياح المرصود لطول موجاتها، والكشف عن سرعة النجم على طول خط البصر: سرعته الشعاعية Radial velocity.

ومع ذلك، فإن رصد الانزياح الأحمر على مسافات أكبر لم يحدث حتى العام 1912، عندما وجد العالم الفلكي فيستو سليفر Vesto Slipher أن معظم المجرّات قد أظهرت انزياحاً كبيراً نحو الأحمر، مما يعني أنها كانت تبتعد بمئات أو حتى آلاف الكيلومترات في الثانية. لكن اكتشاف توسع الكون، بواسطة عالم الكونيات البلجيكي جورج لوميتر Georges Lemaître وزميله الأمريكي إدوين هابل Edwin Hubble في عشرينات القرن العشرين، قلب كل شيء رأساً على عقب.

الأمر هو التالي: المجرّات لا تتسابق عبر فضاء ثابت، كما يعتقد كثير من الناس. بدلاً من ذلك، إن الفضاء الفارغ ذاته هو الذي يتوسع، ويدفع بالمجرّات للتباعد بعضها عن بعض أكثر وأكثر. ولو لم تكن هناك حركة فضائية حقيقية، فلن يمكن حدوث تأثير دوبلر.

وإذن لماذا ينحرف ضوء المجرّات إلى اللون الأحمر؟ حسناً، فكِّرْ في موجات ضوء ذات طول موجي معين يصدر من مجرّة بعيدة. قد يستغرق وصول هذه الموجات الضوئية إلى الأرض ملايين السنين. في أثناء هذا الوقت يتوسع الفضاء الفارغ، مما يؤدي إلى تمديد موجات الضوء معه، بحيث تصل إلى الأرض بطول أكبر وأكثر احمراراً. يسمى هذا النوع من الانزياح نحو الأحمر بالانزياح الأحمر الكوني Cosmological redshift.

وإليك العلاقة بين المسافة والانزياح نحو الأحمر: كلما ابتعدت المجرّة، استغرق ضوؤها وقتاً أطول للوصول إلينا. يعني وقت السفر الأطول للضوء مزيداً من التوسع الكوني، والمزيد من تمدد الطول الموجي، ومن ثم زيادة الانزياح الأحمر. قد يؤدي انزياح دوبلر من حركة المجرّة عبر الفضاء إلى تعديل طفيف لهذا الانزياح الأحمر الكوني، ولكن هذا تأثير ضئيل للأجرام البعيدة، لذا فإن الانزياح الأحمر المرصود للمجرّة عادة ما يكون مؤشراً موثوقاً به على بعدها. لذا انسَ فكرة المجرّات التي تبتعد بعضها عن بعض عبر الفضاء، وبدلاً من ذلك تذكَّرْ أن الفضاء ذاته يتوسع، ويمط باستمرار موجات الضوء التي تنتشر عبره. 

---

مشهد الأشعة تحت الحمراء بالتلسكوب جيمس ويب

يمكن استخدام التلسكوبات القوية كآلات زمن تدل على الكون المبكر

كلما تعمقت بعيداً في الفضاء، كنت تنظر وراءً بالزمن الذي تراه. أبعد المجرّات التي رصدت على الإطلاق هي بعيدة جداً إلى درجة أن ضوءَها مع أنه يتحرك بسرعة مذهلة تبلغ 300,000 كم/الثانية قد استغرق أكثر من 13 بليون سنة للوصول إلى الأرض، مما يعني أننا نراها كما كانت في أيام طفولة الكون.

في ذلك الوقت أطلقت النجوم الأولى كميات هائلة من الضوء فوق البنفسجي النشط، بأطوال موجية نموذجية تبلغ بضع مئات من النانومتر. ولكن بفعل وقت السفر الطويل للضوء والانزياح الكوني الكبير نحو الأحمر، فإن هذه الموجات الضوئية عالية الطاقة تتعرض لانزياح أحمر على امتداد طريقها إلى جزء الأشعة تحت الحمراء من الطيف، بأطوال موجية تبلغ عدة ميكرومترات. وكان هذا هو أحد أسباب تجهيز التلسكوب جيمس ويب الفضائي بكاميرات الأشعة تحت الحمراء ومقاييس الطيف Spectrometers إنها الطريقة الوحيدة لدراسة المجرّات الأبعد والأقدم في الكون.