في أوائل التسعينيات، كان هناك شيء واحد مؤكد إلى حد ما حول تمدد الكون. قد يكون لديه كثافة طاقة كافية لإيقاف تمدده وتراجعه، وقد يكون لديه كثافة طاقة قليلة جدًا لدرجة أنه لن تتوقف عن التوسع أبدًا، ولكن الجاذبية كانت من المؤكد أنها تبطئ التوسع مع مرور الوقت. ومن المؤكد أن التباطؤ لم يُلاحظ، ولكن من الناحية النظرية كان على الكون أن يتباطأ.
الكون مليء بالمادة وقوة الجاذبية التي تجمع كل المادة معًا. ثم جاء عام 1998 وأرصاد تلسكوب هابل الفضائي (HST) للمستعرات الأعظمية البعيدة جدًا والتي أظهرت أن الكون، منذ زمن بعيد، كان في الواقع يتوسع ببطء أكثر مما هو عليه اليوم. لذا فإن تمدد الكون لم يتباطأ بسبب الجاذبية، كما اعتقد الجميع، بل على العكس إنه يتسارع. لم يتوقع أحد هذا، ولم يعرف أحد كيف يفسر ذلك. لكن شيئا ما كان يسبب ذلك.
في النهاية توصل المنظرون إلى ثلاثة أنواع من التفسيرات. ربما كان ذلك نتيجة لنسخة تم تجاهلها منذ فترة طويلة من نظرية الجاذبية لأينشتاين والتي احتوت على ما كان يسمى “الثابت الكوني”. او ربما كان هناك نوع غريب من مائع الطاقة يملأ الفضاء.
او حتى هناك خطأ ما في نظرية الجاذبية لأينشتاين ويمكن أن تتضمن نظرية جديدة نوعًا من المجال الذي يخلق هذا التسارع الكوني. لا يزال المنظرون لا يعرفون ما هو التفسير الصحيح، ولكنهم أعطوا الحل اسمًا. إنها تسمى الطاقة المظلمة.
فما هي الطاقة المظلمة؟
هو شيء غير معروف اكثر مما هو معروف. ونحن نعلم مقدار الطاقة المظلمة الموجودة لأننا نعرف كيف تؤثر على تمدد الكون. بخلاف ذلك، إنه لغز كامل. لكنه لغز مهم. اتضح أن ما يقرب من 68٪ من الكون عبارة عن طاقة مظلمة. اما المادة المظلمة فتشكل حوالي 27٪. الباقي – كل شيء على الأرض.
وأحد تفسيرات الطاقة المظلمة هو أنها خاصية للفضاء. كان ألبرت أينشتاين أول شخص أدرك أن الفضاء الفارغ ليس شيئًا. للفضاء خصائص مذهلة، الكثير منها بدأ للتو في الفهم. الخاصية الأولى التي اكتشفها أينشتاين هي أنه من الممكن وجود مساحة أكبر.
فكان هناك نسخة واحدة من نظرية الجاذبية لأينشتاين، النسخة التي تحتوي على ثابت كوني، بالتنبؤ الثاني: “الفضاء الفارغ” يمكن أن يمتلك طاقته الخاصة. لأن الطاقة المظلمة هي خاصية للفضاء نفسه، فلن يتم تخفيفها مع توسع الفضاء.
ومع ظهور المزيد من الفضاء، سيظهر المزيد من طاقة الفضاء هذه ( الطاقة المظلمة ). نتيجة لذلك، قد يتسبب هذا النوع من الطاقة المظلمة في تمدد الكون بشكل أسرع وأسرع. لسوء الحظ، لا أحد يفهم سبب وجوب وجود الثابت الكوني هناك، ناهيك عن سبب امتلاكه للقيمة الصحيحة تمامًا للتسبب في التسارع المرصود للكون.
يأتي تفسير آخر لكيفية اكتساب الفضاء للطاقة المظلمة من نظرية الكم للمادة. في هذه النظرية، “الفضاء الفارغ” مليء في الواقع بجسيمات مؤقتة (“افتراضية”) تتشكل باستمرار ثم تختفي. ولكن عندما حاول الفيزيائيون حساب مقدار الطاقة الذي سيعطي مساحة فارغة، جاءت الإجابة خاطئة – خاطئة كثيرًا. جاء الرقم 10120 مرة أكبر من اللازم. ومن الصعب الحصول على إجابة بهذا السوء. لذلك يستمر اللغز.
وتفسير آخر للطاقة المظلمة هو أنها نوع جديد مائع أو مجال الطاقة الديناميكي، شيء يملأ كل الفضاء ولكن تأثيره على تمدد الكون هو عكس تأثير المادة والطاقة العادية. وقد أطلق بعض المنظرين على هذا “الجوهر” على اسم العنصر الخامس للفلاسفة اليونانيين. ولكن، إذا كان الجوهر هو الجواب، فما زلنا لا نعرف ما هو شكله، وما الذي يتفاعل معه، أو سبب وجوده. لذلك يستمر اللغز ايضاً.
شاهد ايضاً الحضارات الذكية في مجرتنا: معادلة دريك
والاحتمال الأخير هو أن نظرية أينشتاين في الجاذبية ليست صحيحة. ولن يؤثر ذلك على تمدد الكون فحسب، بل سيؤثر أيضًا على الطريقة التي تتصرف بها المادة الطبيعية في المجرات وعناقيد المجرات. ستوفر هذه الحقيقة طريقة لتقرير ما إذا كان حل مشكلة الطاقة المظلمة هو نظرية جاذبية جديدة أم لا.
ومن خلال ملاءمة نموذج نظري لتكوين الكون مع المجموعة المشتركة من الملاحظات الكونية، توصل العلماء إلى التركيبة التالية من مجرتنا، ~ 68٪ من الطاقة المظلمة ، ~ 27٪ من المادة المظلمة ، ~ 5٪ مادة طبيعية. وقد سبق ذكر هذا اعلاه و الان سنسهب في شرح المادة المظلمة.
فما هي المادة المظلمة؟
نحن أكثر يقينًا بماهية المادة المظلمة من المجرة الان. والسبب، أولاً، إنه مظلم، بمعنى أنه ليس على شكل نجوم وكواكب التي نراها. تظهر الملاحظات أن هناك القليل جدًا من المادة المرئية في الكون لتشكل نسبة 27٪ التي تتطلبها الملاحظات. ثانيًا، إنها ليست على شكل غيوم مظلمة من مادة عادية، وهي مادة مكونة من جسيمات تسمى الباريونات. نحن نعلم هذا لأننا سنكون قادرين على اكتشاف الغيوم الباريونية عن طريق امتصاصها للإشعاع الذي يمر عبرها. ثالثًا، المادة المظلمة ليست مادة مضادة، لأننا لا نرى أشعة غاما الفريدة التي تنتج عندما تتلاشى المادة المضادة مع المادة. أخيرًا، يمكننا استبعاد وجود ثقوب سوداء كبيرة بحجم المجرة على أساس عدد عدسات الجاذبية التي نراها. تعمل التركيزات العالية للمادة على انحناء الضوء الذي يمر بالقرب منها من الأشياء البعيدة ، لكننا لا نرى أحداثًا كافية للعدسة تشير إلى أن مثل هذه الأجسام تشكل نسبة 25٪ المطلوبة من المادة المظلمة.
قال بيتر فان دوكوم، الباحث في جامعة ييل، في بيان: “تخبرك حركات النجوم بكمية المادة الموجودة”. و “إنهم لا يهتمون بشكل الأمر ، لكنهم فقط يقولون لك أنه موجود.” قاد فان دوكوم فريقًا تعرف على مجرة اليعسوب 44 ، والتي تتكون بالكامل تقريبًا من المادة المظلمة.
تتكون المادة المألوفة في الكون، والمعروفة باسم المادة الباريونية، من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وقد تكون المادة المظلمة مصنوعة من مادة باريونية أو غير باريونية.
وللحفاظ على عناصر الكون معًا، يجب أن تشكل المادة المظلمة حوالي 80٪ من الكون. وقد تكون المادة المفقودة أكثر صعوبة في الكشف عنها. ومن بين المرشحين المحتملين الأقزام البنية القاتمة والأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية.
ويمكن أن تكون الثقوب السوداء الهائلة جزءًا من الاختلاف أيضًا. لكن يجب أن تلعب هذه الأجسام التي يصعب تحديدها دورًا مهيمنًا أكثر مما لاحظه العلماء لتكوين الكتلة المفقودة، بينما تشير العناصر الأخرى إلى أن المادة المظلمة أكثر غرابة.
شاهد ايضاً : الفضاء و الفلك
ومع ذلك، في هذه المرحلة، لا يزال هناك عدد قليل من احتمالات المادة المظلمة القابلة للتطبيق. لا تزال المادة الباريونية قادرة على تكوين المادة المظلمة إذا كانت جميعها مقيدة بأقزام بنية أو في أجزاء صغيرة كثيفة من العناصر الثقيلة. تُعرف هذه الاحتمالات باسم أجسام الهالة المدمجة الضخمة، أو “MACHOs”.
لكن الرأي الأكثر شيوعًا هو أن المادة المظلمة ليست باريونية على الإطلاق، ولكنها تتكون من جسيمات أخرى أكثر غرابة مثل الأكسيونات أو WIMPS (الجسيمات الضخمة ضعيفة التفاعل).
فالنيوترالينوس، وهي جسيمات افتراضية ضخمة أثقل وأبطأ من النيوترينوات، هي المرشح الأول، وعلى الرغم من أنه لم يتم رصدها بعد. والنيوترينوات المعقمة مرشح آخر. النيوترينوات هي جزيئات لا تشكل مادة عادية.
ويتدفق نهر من النيوترينوات من الشمس، ولكن لأنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة الطبيعية، فإنها تمر عبر الأرض وسكانها. وهناك ثلاثة أنواع معروفة من النيوترينوات؛ والرابع، هو النيوترينو المعقم، يُقترح كمرشح للمادة المظلمة. ولن يتفاعل النيوترينو المعقم إلا مع المادة العادية من خلال الجاذبية.
وأحد الأسئلة المعلقة هو ما إذا كان هناك نمط للكسور التي تدخل في كل نوع من النيوترينو، “قال تايس ديونغ، الأستاذ المشارك في الفيزياء وعلم الفلك في جامعة ولاية ميتشيغان والمتعاون في تجربة IceCube ، لموقع ProfoundSpace.org. ان المحايد الأصغر حجما والفوتينات غير المشحونة – كلا الجسيمات النظرية – هي أيضًا عناصر نائبة محتملة للمادة المظلمة.
وفقًا لبيان صادر عن مختبر Gran Sasso الوطني في إيطاليا (LNGS)، “أكدت العديد من القياسات الفلكية وجود المادة المظلمة، مما أدى إلى جهد عالمي لمراقبة تفاعلات جسيمات المادة المظلمة مباشرةً مع المادة العادية في أجهزة الكشف شديدة الحساسية، التي من شأنها أن تؤكد وجودها وتلقي الضوء على خصائصها، ولكن هذه التفاعلات ضعيفة للغاية لدرجة أنها أفلتت من الكشف المباشر حتى هذه النقطة، مما أجبر العلماء على بناء أجهزة كشف أكثر وأكثر حساسية. أو ربما تتطلب قوانين الجاذبية التي وصفت حتى الآن بنجاح حركة الأجسام داخل النظام الشمسي مراجعة جديدة.
كيف نعرف وجود المادة المظلمة؟
إذا لم يتمكن العلماء من رؤية المادة المظلمة، فكيف يعرفون أنها موجودة؟
يحسب العلماء كتلة الأجسام الكبيرة في الفضاء من خلال دراسة حركتها. توقع علماء الفلك الذين درسوا المجرات الحلزونية في السبعينيات أن يروا مادة في المركز تتحرك أسرع من الحواف الخارجية.
وبدلاً من ذلك، وجدوا أن النجوم في كلا الموقعين تتحرك بالسرعة نفسها، مما يشير إلى احتواء المجرات على كتلة أكبر مما يمكن رؤيته. كما أشارت الدراسات التي أجريت على الغاز داخل المجرات الإهليلجية إلى الحاجة إلى كتلة أكبر من تلك الموجودة في الأجسام المرئية. سوف تتباعد عناقيد المجرات إذا كانت الكتلة الوحيدة التي تحتويها مرئية للقياسات الفلكية التقليدية.
أظهر ألبرت أينشتاين أن الأجسام الضخمة في الكون تنحني وتشوه الضوء، مما يسمح باستخدامها كعدسات. من خلال دراسة كيفية تشويه الضوء بواسطة مجموعات المجرات، تمكن علماء الفلك من إنشاء خريطة للمادة المظلمة في الكون. توفر كل هذه الأساليب مؤشرًا قويًا على أن معظم المادة في الكون هي شيء غير مرئي بعد.
ابحاث المادة المظلمة :
على الرغم من اختلاف المادة المظلمة عن المادة العادية ، إلا أن هناك عددًا من التجارب التي تعمل على اكتشاف المادة غير المعتادة. فيعمل مطياف ألفا المغناطيسي (AMS)، وهو كاشف للجسيمات الحساسة في محطة الفضاء الدولية، منذ تركيبه في عام 2011.
حتى الآن، تتبعت AMS أكثر من 100 مليار إصابة من الأشعة الكونية في أجهزة الكشف الخاصة بها، وفقًا لما قاله عالم AMS صامويل تينج، الحائز على جائزة نوبل في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، لموقع ProfoundSpace.org.
“لقد قمنا بقياس فائض من البوزيترونات [نظير المادة المضادة للإلكترون]، ويمكن أن يأتي هذا الفائض من المادة المظلمة. ولكن في هذه اللحظة، ما زلنا بحاجة إلى مزيد من البيانات للتأكد من أنها من المادة المظلمة وليس من بعض الفيزياء الفلكية الغريبةالمصادر.
وبالعودة إلى الأرض، تحت جبل في إيطاليا، تبحث XENON1T من LNGS عن علامات التفاعلات بعد اصطدام WIMPs مع ذرات الزينون. أصدر المختبر مؤخرًا النتائج الأولى للتجربة.
قالت المتحدثة باسم المشروع إيلينا أبريل، الأستاذة في جامعة كولومبيا ، في بيان: “بدأت للتو مرحلة جديدة في السباق لاكتشاف المادة المظلمة باستخدام أجهزة الكشف الضخمة ذات الخلفية المنخفضة للغاية على الأرض مع XENON1T”. “نحن فخورون بأن نكون في طليعة السباق مع هذا الكاشف المذهل، الأول من نوعه.”
كانت تجربة المادة المظلمة الكبيرة تحت الأرض Xenon (LUX) ، التي تم وضعها في منجم ذهب في ولاية ساوث داكوتا، تبحث أيضًا عن علامات على تفاعلات WIMP و xenon. لكن حتى الآن، لم تكشف الآلة عن الأمر الغامض.
“على الرغم من الترحيب بإشارة إيجابية ، إلا أن الطبيعة لم تكن لطيفة!” قال شام غاغ، الفيزيائي بجامعة كوليدج لندن والمتعاون في LUX، في بيان. “ومع ذلك، فإن النتيجة الفارغة مهمة لأنها تغير منظر المجال من خلال تقييد النماذج لما يمكن أن تكون المادة المظلمة أبعد من أي شيء كان موجودًا من قبل.
وعلى الرغم من أن المادة المظلمة تشكل معظم مادة الكون ، إلا أنها لا تشكل سوى ربع التركيب الكلي للكون. وتهيمن الطاقة المظلمة على طاقة الكون.
بعد الانفجار العظيم، بدأ الكون بالتمدد إلى الخارج. اعتقد العلماء ذات مرة أن الطاقة ستنفد في النهاية، وتتباطأ عندما تجذب الجاذبية الأجسام الموجودة بداخلها معًا. لكن الدراسات التي أجريت على المستعرات الأعظمية البعيدة كشفت أن الكون اليوم يتمدد بشكل أسرع مما كان عليه في الماضي، وليس أبطأ، وهذا ما اشرنا له في البداية إلى أن التوسع يتسارع. ولن يكون هذا ممكنًا إلا إذا احتوى الكون على طاقة كافية للتغلب على الجاذبية بواسطة الطاقة المظلمة.
______________________________________________
اعداد : تمارا الباشا
