كيف يمكننا رؤية الشفق اللاحق للانفجار الكبير؟

في هذا الشهر، سنلقي نظرة فاحصة على إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (اختصاراً: الإشعاع CMB). يُعتبَر هذا التوهُّج الراديوي دقيق الموجة والخافتُ جداً أحدَ أكثر الأدلة إقناعاً لنظرية الانفجار الكبير Big Bang theory. لكن، تُرى، كيف لا يزال في وسعنا رصدُ هذا الضوء القديم؟

كما رأينا في الأجزاء السابقة من هذه السلسلة، الفضاء يتوسع. ونظراً إلى أن كمية المادة في الكون تظل ثابتةً إلى حدٍّ ما، فإن الحجم المتزايد للكون المرصود Universe يعني أن متوسط كثافة المادة الكونية يتناقص بمرور الوقت. وهذا يعني أن كثافة الكون يجب أن تكون أعلى بكثير في ماضيه البعيد.

بعد الانفجار الكبير مباشرةً، وقبل وجود أي مجرّات أو نجوم أو كواكب، كانت الجسيمات الأولية متراصةً، كتفاً إلى كتف تقريباً، وكانت الحرارة الموافقة عالية بما لا يمكن تصوُّره. أنتجت هذه البلازما الحارة والكثيفة إشعاعاً نشطاً. ومع ذلك فإن جسيمات الضوء الفردية الفوتونات قد واجهت صعوبة في عبور مثل هذه البيئات الغنية بالبلازما، حيث يجري امتصاصها (وإعادة بثها) باستمرارٍ بوساطة الجسيمات المشحونة، مثل الإلكترونات. بعبارة أخرى: كان الكون الحار القديم معتماً.

مع توسُّع الفضاء، برد الكون، وعندما انخفضت الحرارة إلى أقل من 2,700°س (أبرد كثيراً من سطح الشمس)، صار ممكناً للإلكترونات أن تتحد مع البروتونات لتكوين ذرات هيدروجين متعادلة كهربائياً. ومنذ ذلك الحين استطاعت الفوتونات أن تتدفق بحرية عبر الفضاء، في جميع الاتجاهات الممكنة. وصار الكون شفافاً. حدث هذا بعد نحو 380,000 سنة من الانفجار الكبير. (وبالمناسبة كان متوسط كثافة الكون في ذلك الوقت منخفضاً جداً بالفعل: فقط نحو 1,000 ذرة لكل سنتيمتر مكعب).

يُسمَّى الإشعاع الذي ”أُطلق“ أخيراً عندما كان الكون في عمر 380,000 سنة، إشعاعَ الخلفية الكونية الميكروي Cosmic microwave background (اختصاراً: الإشعاع CMB). وعلى الرغم من أن هذا الإشعاع قد صدر في الأصل بأطوال موجية بصرية، فإنه سافر عبر الفضاء المتوسع لما يقرب من 13.8 بليون سنة، ونتيجة لذلك فقد امتطت الأمواج وصولاً إلى جزء الموجات الدقيقة من الطيف الكهرومغناطيسي.

كل شيء في كل مكان.. دفعة واحدة
ولكن إذا كان هذا الإشعاع قد انبعث في لحظة واحدة في الزمن، أو أكثر من لحظة واحدة، فكيف لا نزال قادرين على رصده؟ ولماذا يراه علماء الفلك في جميع أنحاء السماء؟ ألا ينبغي أن يكون هذا الإشعاع CMB قد تجاوزَنا منذ فترة طويلة كومضة خاطفة من الضوء، آتياً من اتجاه معين؟

حسناً، لا. تذكَّرْ أن الانفجار الكبير لم يكن انفجار ألعاب نارية يحدث في مكان معين في فضاء فارغ. بدلاً من ذلك، كان الكون كله (بما في ذلك الجزء الذي نعيش فيه حالياً) في حالة من الكثافة والحرارة العاليتَين جداً. لقد اختفى الإشعاع البدائي المنبعث من الجزء الخاص بنا من الكون بعد نحو 380,000 سنة من الانفجار الكبير بعيداً في الفضاء. لكن الفوتونات المنبعثة من أجزاء أخرى بعيدة جداً من الكون تصل الآن فقط إلى الأرض.

تخيَّلْ أنك في ساحة مدينة كبيرة ممتلئة بالناس، ولنفترض (من أجل التيسير) أن سرعة الصوت لا تزيد على متر واحد في الثانية أي أقل بكثير من قيمتها الحقيقية. إذا طُلب إلى الجميع أن يهتفوا بصوت ”بوو!“ عند تمام الساعة 12:00:00، فسيخفي صوت هتافك بسرعة. ولكن بعد 10 ثوانٍ، أي عند الساعة 12:00:10، ستسمع صياح أشخاص على مسافة 10 أمتار. وعند الساعة 12:01:00، ستضرب صيحات الناس على مسافة 60 متراً طبلة أذنك. وحتى عند الساعة 12:10:00، أي بعد 10 دقائق من إصدار كل شخص صوته الفوري ”بوو!“ فأنت ستتلقى الصوت (الضعيف) من مسافة 600 متر.

ينطبق الأمر نفسه على إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. لقد ”انبعث“ من كل مكان في الفضاء في لحظة واحدة من الزمن تقريباً، ولكن نظراً إلى أنه ينطلق بسرعة ثابتة (هي سرعة الضوء)، فنحن نظل نتلقى الإشارة من مناطق أبعد فأبعد من الكون. وحالياً، بعد 13.8 بليون سنة من بدء رحلته، يصل إلى الأرض من أجزاء تبعد 45 بليون سنة ضوئية هي أفُقنا الكوني. ولذا فلا عجب أن تكون إشارتُه خافتة هكذا! 

غوفرت شيلينغ Govert Schilling:
صدر له كتاب بعنوان الفيل في الكون The Elephant in the Universe من منشورات جامعة هارفارد.

كنز كوني دفين

الإشعاع المتبقي من الانفجار الكبير هو مفتاح لكشف الكون من حولنا

اكتشف إشعاع الخلفية الكونية الدقيق في العام 1964، ودُرس بتفاصيل مذهلة من قبل مهمة مسبار بلانك الأوروبية. وقد اتضح أنه ليس متجانساً تماماً: فهناك اختلافات دقيقة في حرارة إشعاع الخلفية الكونية الذي نراه حالياً، نتجت عن تذبذبات صغيرة في الكثافة عندما كان الكون في عمر 380 ألف سنة تقريباً. وعلى مدار تاريخه البالغ 13.8 بليون سنة، أدت تقلبات الكثافة هذه إلى ظهور بنية متكتلة واسعة النطاق للكون الحالي، مع مجرّات وعناقيد وعناقيد فائقة. كانت عملية النمو هذه محكومة بالخصائص العالمية للكون، مثل وفرة المادة ”العادية“ والمادة المعتمة Dark matter، ومعدل التوسع، وكمية الطاقة المعتمة. وبمقارنة بيانات مسبار بلانك بدقة مع أرصاد كوننا الحالي، فقد تمكن العلماء من تحديد هذه العوامل Parameters الكونية بدقة عالية، مع أن الطبيعة الحقيقية للمادة المعتمة والطاقة المعتمة Dark energy ما زالت لغزاً.