نحن في نهاية المسار.. بقايا الشمس ستبتلعنا
فريق العلوم لوكالة ناسا
إن الكون اليوم ليس كما كان بالأمس. فمع كل لحظة تمر، تحدث مجموعة من التغيرات الدقيقة ولكن المهمة، حتى وإن كان الكثير منها غير محسوس على مقاييس زمنية قابلة للقياس. إن الكون يتوسع، مما يعني أن المسافات بين أكبر الهياكل الكونية تتزايد مع مرور الوقت.
إن الكون اليوم ليس كما كان بالأمس. فمع كل لحظة تمر، تحدث مجموعة من التغيرات الدقيقة ولكن المهمة، حتى وإن كان الكثير منها غير محسوس على مقاييس زمنية قابلة للقياس. إن الكون يتوسع، مما يعني أن المسافات بين أكبر الهياكل الكونية تتزايد مع مرور الوقت.
قبل ثانية واحدة، كان الكون أصغر قليلاً؛ وبعد ثانية من الآن، سيكون الكون أكبر قليلاً. لكن هذه التغييرات الدقيقة تتراكم على مدى فترات زمنية كونية كبيرة، وتؤثر على أكثر من مجرد المسافات. ومع توسع الكون، تتغير الأهمية النسبية للإشعاع والمادة والنيوترينوات والطاقة المظلمة. وتتغير درجة حرارة الكون. وما تراه في السماء سيتغير بشكل كبير أيضًا. في المجمل، هناك ستة عصور مختلفة يمكننا تقسيم الكون إليها، ونحن نعيش بالفعل في العصر الأخير.
في حين تصبح المادة (العادية والمظلمة) والإشعاع أقل كثافة مع تمدد الكون بسبب حجمه المتزايد، فإن الطاقة المظلمة، وكذلك طاقة المجال أثناء التضخم، هي شكل من أشكال الطاقة المتأصلة في الفضاء نفسه. مع إنشاء مساحة جديدة في الكون المتوسع، تظل كثافة الطاقة المظلمة ثابتة.
يمكن فهم سبب ذلك من خلال الرسم البياني أعلاه. كل شيء موجود في كوننا يحتوي على قدر معين من الطاقة: المادة والإشعاع والطاقة المظلمة وما إلى ذلك. ومع تمدد الكون، يتغير الحجم الذي تشغله هذه الأشكال من الطاقة، وسوف تتطور كثافة الطاقة لكل منها بشكل مختلف. على وجه الخصوص، إذا حددنا الأفق المرئي بالمتغير a ، فإن:
- ستتطور كثافة الطاقة للمادة على النحو التالي 1/ a 3 ، حيث أن الكثافة (بالنسبة للمادة) هي مجرد كتلة على حجم، ويمكن تحويل الكتلة بسهولة إلى طاقة عبر E = mc 2
- سوف تتطور كثافة الطاقة للإشعاع بمقدار 1/ a 4 ، حيث (بالنسبة للإشعاع) كثافة العدد هي عدد الجسيمات مقسومًا على الحجم، وتمتد طاقة كل فوتون فردي مع توسع الكون، مما يضيف عاملًا إضافيًا قدره 1/a بالنسبة للمادة.
- الطاقة المظلمة هي خاصية من خصائص الفضاء نفسه، لذا تظل كثافة طاقتها ثابتة (1/ a 0 )، بغض النظر عن توسع الكون أو حجمه
يتضمن التاريخ المرئي للكون المتوسع الحالة الساخنة الكثيفة المعروفة باسم الانفجار العظيم ونمو وتكوين البنية التي تلت ذلك. إن المجموعة الكاملة من البيانات، بما في ذلك ملاحظات العناصر الخفيفة والخلفية الكونية للموجات الميكروية، لا تترك سوى الانفجار العظيم كتفسير صالح لكل ما نراه. ومع توسع الكون، يبرد أيضًا، مما يتيح للأيونات والذرات المحايدة، وفي النهاية الجزيئات، وسحب الغاز، والنجوم، وأخيرًا المجرات أن تتشكل.
إن الكون الذي ظل موجودًا لفترة أطول، سوف يتوسع بشكل أكبر. وسوف يصبح أكثر برودة في المستقبل وكان أكثر حرارة في الماضي؛ وكان أكثر تجانسًا من حيث الجاذبية في الماضي وهو أكثر تكتلًا الآن؛ وكان أصغر في الماضي وسوف يصبح أكبر بكثير في المستقبل.
من خلال تطبيق قوانين الفيزياء على الكون، ومقارنة الحلول الممكنة بالملاحظات والقياسات التي حصلنا عليها، يمكننا تحديد من أين أتينا وإلى أين نتجه. يمكننا استقراء تاريخنا طوال الطريق إلى بداية الانفجار الكبير الساخن وحتى قبل ذلك، إلى فترة التضخم الكوني . يمكننا استقراء كوننا الحالي إلى المستقبل البعيد أيضًا، وتوقع المصير النهائي الذي ينتظر كل ما هو موجود.
إن تاريخنا الكوني بأكمله مفهوم نظريًا جيدًا، ولكن فقط لأننا نفهم نظرية الجاذبية التي تقوم عليها، ولأننا نعرف معدل توسع الكون الحالي وتكوين الطاقة. سيستمر الضوء دائمًا في الانتشار عبر هذا الكون المتوسع، وسنستمر في تلقي هذا الضوء بشكل عشوائي في المستقبل البعيد، لكنه سيكون محدودًا في الوقت بقدر ما يصل إلينا. سنحتاج إلى البحث عن سطوعات أضعف وأطوال موجية أطول لمواصلة رؤية الأشياء المرئية حاليًا، لكن هذه قيود تكنولوجية وليست مادية. ( حقوق النشر : نيكول راجر فولر / مؤسسة العلوم الوطنية)
عندما نرسم خطوط التقسيم بناءً على كيفية سلوك الكون، نجد أن هناك ستة عصور مختلفة ستحدث.
- العصر التضخمي : الذي سبق ومهد للانفجار الكبير الساخن.
- عصر الحساء البدائي : من بداية الانفجار الكبير الساخن حتى حدوث التفاعلات النووية والجزيئية التحويلية النهائية في الكون المبكر.
- عصر البلازما : من نهاية التفاعلات النووية والجزيئية غير المنتشرة حتى يبرد الكون بدرجة كافية لتشكيل المادة المحايدة بشكل مستقر.
- عصر العصور المظلمة : من تشكل المادة المحايدة حتى إعادة تأين النجوم والمجرات الأولى للوسط بين المجرات في الكون بشكل كامل.
- العصر النجمي : من نهاية إعادة التأين حتى توقف عملية تكوين ونمو البنية واسعة النطاق التي تحركها الجاذبية، عندما تهيمن كثافة الطاقة المظلمة على كثافة المادة.
- عصر الطاقة المظلمة : المرحلة النهائية من كوننا، حيث يتسارع التوسع وتبتعد الأجسام المنفصلة عن بعضها البعض بشكل لا رجعة فيه ولا رجوع فيه.
لقد دخلنا بالفعل هذه الحقبة الأخيرة منذ مليارات السنين. وقد حدثت بالفعل أغلب الأحداث المهمة التي ستحدد تاريخ كوننا.
إن التقلبات الكمية التي تحدث أثناء التضخم تمتد عبر الكون، وعندما ينتهي التضخم، تصبح تقلبات في الكثافة. وهذا يؤدي، بمرور الوقت، إلى البنية واسعة النطاق في الكون اليوم، فضلاً عن التقلبات في درجة الحرارة التي لوحظت في الخلفية الكونية الميكروية. إنه مثال مذهل لكيفية تأثير الطبيعة الكمية للواقع على الكون بأكمله واسع النطاق.
1.) عصر التضخم . قبل الانفجار العظيم الساخن، لم يكن الكون مليئًا بالمادة أو المادة المضادة أو المادة المظلمة أو الإشعاع. ولم يكن مليئًا بجسيمات من أي نوع. بل كان مليئًا بنوع من الطاقة المتأصلة في الفضاء نفسه: وهو نوع من الطاقة تسبب في تمدد الكون بسرعة هائلة وبلا هوادة، وبصورة أسيّة.
- لقد امتد الكون، من هندسة كان عليها ذات يوم، إلى حالة لا يمكن تمييزها عن كونها مسطحة مكانيًا.
- لقد توسعت رقعة صغيرة من الكون متصلة سببيًا إلى رقعة أكبر بكثير من كوننا المرئي حاليًا: أكبر من الأفق السببي الحالي.
- لقد أخذت كل الجسيمات التي ربما كانت موجودة وقامت بتوسيع الكون بسرعة كبيرة بحيث لم يبق أي منها داخل منطقة بحجم كوننا المرئي.
- ولقد خلقت التقلبات الكمية التي حدثت أثناء التضخم بذور البنية التي أدت إلى ظهور شبكتنا الكونية الواسعة اليوم.
وبعد ذلك، وبشكل مفاجئ، منذ نحو 13.8 مليار سنة، انتهى التضخم. وتحولت كل تلك الطاقة، التي كانت متأصلة في الفضاء نفسه، إلى جسيمات وجسيمات مضادة وإشعاعات. ومع هذا التحول، انتهى عصر التضخم، وبدأ الانفجار العظيم الساخن.
2.) عصر الحساء البدائي . بمجرد أن يمتلئ الكون المتوسع بالمادة والمادة المضادة والإشعاع، فإنه سوف يبرد. كلما اصطدمت الجسيمات، فإنها ستنتج أي أزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة مسموح بها بموجب قوانين الفيزياء. يأتي القيد الأساسي فقط من طاقات الاصطدامات المعنية، حيث يتم التحكم في الإنتاج بواسطة E = mc 2
ومع برودة الكون تنخفض الطاقة ويصبح من الصعب أكثر فأكثر خلق أزواج جسيمات ومضادات جسيمات أكثر ضخامة، ولكن عمليات الفناء وتفاعلات الجسيمات الأخرى تستمر دون هوادة. فبعد ثانية إلى ثلاث ثوان من الانفجار العظيم، اختفت المادة المضادة بالكامل، ولم يتبق سوى المادة. وبعد ثلاث إلى أربع دقائق من الانفجار العظيم، يمكن أن يتشكل الديوتيريوم المستقر، وتحدث عملية التخليق النووي للعناصر الخفيفة. وبعد بعض التحلل الإشعاعي وبعض التفاعلات النووية النهائية، كل ما تبقى لدينا هو بلازما متأينة ساخنة (ولكن باردة) تتكون من الفوتونات والنيوترينوات والنوى الذرية والإلكترونات.
3.) عصر البلازما . بمجرد تشكل تلك النوى الخفيفة، تصبح الأجسام الوحيدة المشحونة إيجابياً (كهربائياً) في الكون، وهي موجودة في كل مكان. بالطبع، تتوازن هذه الأجسام بكمية متساوية من الشحنة السالبة في شكل إلكترونات. تشكل النوى والإلكترونات الذرات، لذا قد يبدو من الطبيعي أن يلتقي هذان النوعان من الجسيمات على الفور، لتكوين الذرات وتمهيد الطريق للنجوم.
لسوء الحظ، فإن عدد الفوتونات يفوق عددهم بشكل كبير – بأكثر من مليار إلى واحد -. في كل مرة يرتبط فيها إلكترون ونواة معًا، يأتي فوتون ذو طاقة عالية بما يكفي ويفجرهما. لا يمكن للذرات المحايدة أن تتشكل أخيرًا إلا بعد أن يبرد الكون بشكل كبير، من مليارات الدرجات إلى آلاف الدرجات فقط. (وحتى في هذه الحالة، لا يمكن أن يحدث هذا إلا بسبب انتقال ذري خاص ).
في بداية عصر البلازما، كان محتوى الطاقة في الكون يهيمن عليه الإشعاع. وفي النهاية، يهيمن عليه المادة العادية والمادة المظلمة. وتأخذنا هذه المرحلة الثالثة إلى 380 ألف سنة بعد الانفجار العظيم.
4.) عصر العصور المظلمة . في النهاية، أصبح الكون مليئًا بالذرات المحايدة، ويمكن للجاذبية أن تبدأ عملية تشكيل البنية في الكون. ولكن مع وجود كل هذه الذرات المحايدة حولنا، فإن ما نعرفه حاليًا بالضوء المرئي سيكون غير مرئي في جميع أنحاء السماء.
لماذا؟ لأن الذرات المحايدة، وخاصة في شكل الغبار الكوني، تتميز بقدرتها الفائقة على حجب الضوء المرئي.
ولكي ننهي هذه العصور المظلمة، فلابد من إعادة تأين الوسط بين المجرات. وهذا يتطلب كميات هائلة من تكوّن النجوم وأعداداً هائلة من فوتونات الأشعة فوق البنفسجية، وهذا يتطلب الوقت والجاذبية وبداية الشبكة الكونية. وتحدث أولى مناطق إعادة التأين الرئيسية بعد 200 إلى 250 مليون سنة من الانفجار العظيم، ولكن إعادة التأين لا تكتمل، في المتوسط، إلا بعد بلوغ الكون 550 مليون سنة. وعند هذه النقطة، لا يزال معدل تكوّن النجوم في ازدياد، وتبدأ مجموعات المجرات الضخمة الأولى في التشكل.
5.) عصر النجوم . بمجرد انتهاء العصور المظلمة، أصبح الكون شفافًا لضوء النجوم. أصبحت أعماق الكون العظيمة الآن في متناول اليد، حيث تنتظر النجوم وعناقيد النجوم والمجرات وعناقيد المجرات والشبكة الكونية العظيمة المتنامية اكتشافها. يهيمن على الكون، من حيث الطاقة، المادة المظلمة والمادة العادية، وتستمر الهياكل المرتبطة بالجاذبية في النمو بشكل أكبر وأكبر.
ترتفع معدلات تكوّن النجوم وترتفع، حتى تبلغ ذروتها بعد حوالي 3 مليارات سنة من الانفجار العظيم. وفي هذه المرحلة، تستمر المجرات الجديدة في التكون، وتستمر المجرات الموجودة في النمو والاندماج، وتجذب مجموعات المجرات المزيد والمزيد من المادة إليها. ولكن كمية الغاز الحر داخل المجرات تبدأ في الانخفاض، حيث استهلكت كميات هائلة من تكوّن النجوم كمية كبيرة منه. وينخفض معدل تكوّن النجوم ببطء ولكن بثبات.
مع مرور الوقت، سوف يفوق معدل وفيات النجوم معدل المواليد، وهي حقيقة تزداد سوءًا بسبب المفاجأة التالية: مع انخفاض كثافة المادة مع توسع الكون، يبدأ شكل جديد من أشكال الطاقة – الطاقة المظلمة – في الظهور والهيمنة. بعد حوالي 7.8 مليار سنة من الانفجار العظيم، تتوقف المجرات البعيدة عن التباطؤ في تراجعها عن بعضها البعض وتبدأ في التسارع مرة أخرى. الكون المتسارع على وشك أن يأتي إلينا. بعد ذلك بقليل، بعد 9.2 مليار سنة من الانفجار العظيم، أصبحت الطاقة المظلمة المكون المهيمن للطاقة في الكون. عند هذه النقطة، ندخل العصر الأخير.
المصائر المختلفة المحتملة للكون، مع مصيرنا الفعلي المتسارع الموضح على اليمين. بعد مرور وقت كافٍ، سيترك التسارع كل بنية مجرية أو فائقة المجرة معزولة تمامًا في الكون، حيث تتسارع جميع الهياكل الأخرى بشكل لا رجعة فيه. لا يمكننا إلا أن ننظر إلى الماضي لاستنتاج وجود الطاقة المظلمة وخصائصها، والتي تتطلب ثابتًا واحدًا على الأقل، لكن آثارها أكبر على المستقبل.
6.) عصر الطاقة المظلمة . بمجرد أن تتولى الطاقة المظلمة زمام الأمور، يحدث شيء غريب: يتوقف الهيكل الضخم في الكون عن النمو. ستظل الأجسام التي كانت مرتبطة ببعضها البعض جاذبيًا قبل استيلاء الطاقة المظلمة مقيدة، لكن الأجسام التي لم تكن مرتبطة بعد ببداية عصر الطاقة المظلمة لن تصبح مقيدة أبدًا. بدلاً من ذلك، ستتسارع ببساطة بعيدًا عن بعضها البعض، مما يؤدي إلى وجود وحيد في مساحة كبيرة من العدم.
إن البنى الفردية المرتبطة ببعضها، مثل المجرات ومجموعات المجرات، سوف تندمج في نهاية المطاف لتشكل مجرة إهليلجية عملاقة. وسوف تموت النجوم الموجودة؛ وسوف يتباطأ تكوين النجوم الجديدة إلى حد كبير ثم يتوقف؛ وسوف تطرد التفاعلات الجاذبية معظم النجوم إلى الهاوية بين المجرات. وسوف تدور الكواكب في دوامة حول نجومها الأم أو بقايا النجوم، بسبب التحلل بفعل الإشعاع الجاذبي. وحتى الثقوب السوداء، ذات الأعمار الطويلة بشكل غير عادي، سوف تتحلل في نهاية المطاف بسبب إشعاع هوكينج.
بعد أن تتحول الشمس إلى قزم أسود، إذا لم يقذف أي شيء أو يصطدم ببقايا الأرض، فإن الإشعاع الجاذبي في نهاية المطاف سوف يتسبب في دخولنا في دوامة، وتمزقنا، وفي النهاية ابتلاعنا بواسطة بقايا شمسنا.
في النهاية، لن يبقى سوى النجوم القزمة السوداء والكتل المعزولة التي لا تستطيع إشعال الاندماج النووي، والتي يسكنها عدد قليل من النجوم ومنفصلة عن بعضها البعض في هذا الكون الفارغ المتوسع باستمرار. وستظل هذه الجثث في حالتها النهائية موجودة حتى بعد مرور سنوات طويلة، حيث تظل الطاقة المظلمة العامل المهيمن في كوننا. وما دامت النوى الذرية المستقرة ونسيج الفضاء نفسه لا يخضعان لنوع من التحلل غير المتوقع، وما دامت الطاقة المظلمة تتصرف على نحو مماثل للثابت الكوني الذي تبدو عليه، فإن هذا المصير حتمي.
لقد بدأ بالفعل هذا العصر الأخير من هيمنة الطاقة المظلمة. فقد أصبحت الطاقة المظلمة مهمة لتوسع الكون منذ 6 مليارات سنة، وبدأت تهيمن على محتوى الكون من الطاقة في الوقت الذي كانت فيه شمسنا ونظامنا الشمسي في طور الولادة. قد يكون للكون ست مراحل فريدة، ولكن طوال تاريخ الأرض، كنا بالفعل في المرحلة الأخيرة. ألق نظرة جيدة على الكون من حولنا. لن يكون غنيًا إلى هذا الحد – أو سهل الوصول إليه – مرة أخرى.
