يجمع الفلكيون بين النماذج الرياضية والملاحظات لتطوير نظريات عملية عن كيفية ظهور الكون. تشمل الأسس الرياضية لنظرية الانفجار الكبير نظرية ألبرت أينشتاين العامة للنسبية إلى جانب النظريات القياسية للجسيمات الأساسية.

اليوم ، تواصل المركبات الفضائية التابعة لوكالة ناسا مثل تلسكوب هابل الفضائي وتلسكوب سبيتزر قياس توسع الكون. كان أحد الأهداف منذ فترة طويلة هو تقرير ما إذا كان الكون سوف يتوسع إلى الأبد ، أو ما إذا كان سيتوقف يومًا ما ، ويستدير ، وينهار في “أزمة كبيرة؟”

إشعاع الخلفية

وفقًا لنظريات الفيزياء ، إذا نظرنا إلى الكون بعد ثانية واحدة من الانفجار العظيم ، فإن ما سنراه هو بحر من النيوترونات والبروتونات والإلكترونات والمضادات الإلكترونية (البوزيترونات) والفوتونات. النيوترينوات. ثم ، مع مرور الوقت ، سنرى الكون باردًا ، إما أن تتحلل النيوترونات إلى بروتونات وإلكترونات أو تتحد مع البروتونات لصنع الديوتريوم (نظير للهيدروجين). ومع استمرارها في البرودة ، ستصل في النهاية إلى درجة الحرارة حيث تتحد الإلكترونات مع النوى لتكوين ذرات محايدة. قبل حدوث هذا (“إعادة التركيب”) ، كان الكون معتمًا لأن الإلكترونات الحرة كانت ستسبب الضوء (الفوتونات) لتشتت الطريقة التي ينتشر بها ضوء الشمس من قطرات الماء في السحب. ولكن عندما تم امتصاص الإلكترونات الحرة لتكوين ذرات محايدة ، أصبح الكون فجأة شفافًا.

دراسة البعثات لإشعاع الخلفية الكونية

أطلقت وكالة ناسا بعثتين لدراسة إشعاع الخلفية الكونية ، والتقاط “صورة طفل” للكون بعد 400000 سنة فقط من ولادته. كان أولها مستكشف الخلفية الكونية (COBE). في عام 1992 ، أعلن فريق COBE أنهم قاموا برسم البقع الساخنة والباردة البدائية في إشعاع الخلفية الكونية. ترتبط هذه البقع بمجال الجاذبية في أوائل الكون وتشكل بذور عناقيد المجرات العملاقة التي تمتد مئات ملايين السنين الضوئية عبر الكون. حصل هذا العمل على الدكتور جون سي ماثر وجورج ف. سموت من جامعة كاليفورنيا جائزة نوبل للفيزياء لعام 2006.

كانت المهمة الثانية لفحص إشعاع الخلفية الكونية هي مسبار ويلكينسون ميكرواريس متباين الخواص (WMAP). مع دقة محسنة بشكل كبير مقارنة بـ COBE ، قامت WMAP بمسح السماء بأكملها ، وقياس اختلافات درجة حرارة إشعاع الميكروويف التي يتم توزيعها بشكل موحد تقريبًا عبر الكون. تُظهر الصورة خريطة للسماء ، مع وجود مناطق ساخنة باللون الأحمر ومناطق أكثر برودة باللون الأزرق. من خلال الجمع بين هذا الدليل والنماذج النظرية للكون ، استنتج العلماء أن الكون “مسطح” ، مما يعني أنه في المقاييس الكونية ، فإن هندسة الفضاء تفي بقواعد الهندسة الإقليدية (على سبيل المثال ، الخطوط المتوازية لا تلتقي أبدًا ، نسبة محيط الدائرة لقطر بي ، الخ). كانت المهمة الثالثة ، بلانك ، بقيادة وكالة الفضاء الأوروبية بمشاركة كبيرة من وكالة ناسا. تم إطلاقه في عام 2009. يقوم Planck بعمل أكثر الخرائط دقة لإشعاع الخلفية في الميكروويف حتى الآن. مع أدوات حساسة لتغيرات درجة الحرارة لبضعة ملايين من الدرجات ، ورسم خريطة السماء الكاملة فوق 9 نطاقات طول موجة ، فإنه يقيس تقلبات درجة حرارة CMB بدقة تحددها الحدود الفيزيائية الفلكية الأساسية.

“صورة الطفل” للكون. تظهر خريطة WMAP لدرجة حرارة إشعاع خلفية الميكروويف اختلافات طفيفة (عدد قليل من المجهرية) في خلفية 3K. تظهر البقع الساخنة كبقع حمراء والباردة أزرق الداكن.

التضخم

إحدى المشكلات التي نشأت عن نتائج COBE الأصلية ، والتي استمرت مع بيانات WMAP عالية الدقة ، هي أن الكون كان متجانسًا للغاية. كيف يمكن لأجزاء الكون التي لم تتلامس مع بعضها قط أن تتوازن عند نفس درجة الحرارة؟ ومع ذلك ، يمكن حل هذه المشكلة الكونية وغيرها إذا كانت هناك فترة قصيرة جدًا بعد الانفجار العظيم مباشرة حيث شهد الكون انفجارًا هائلاً في التوسع يسمى “التضخم”. ولكي يحدث هذا التضخم ، لا بد أن الكون في وقت الانفجار العظيم  مليئًا بشكل غير مستقر من الطاقة لم تعرف طبيعتها بعد. مهما كانت طبيعتها ، يتنبأ النموذج التضخمي بأن هذه الطاقة البدائية كانت ستوزع بشكل غير متساو في الفضاء بسبب نوع من الضوضاء الكمية التي نشأت عندما كان الكون صغيرًا للغاية. كان هذا النمط قد تم نقله إلى مسألة الكون وسيظهر في الفوتونات التي بدأت تتدفق بحرية في لحظة إعادة التركيب. نتيجة لذلك ، نتوقع أن نرى ، ونرى هذا النوع من الأنماط في صور COBE و WMAP للكون. لكن كل هذا يترك دون إجابة سؤال حول ما الذي دفع التضخم. تتمثل إحدى الصعوبات في الإجابة عن هذا السؤال في أن التضخم قد انتهى قبل إعادة التركيب بوقت طويل ، وبالتالي فإن عتامة الكون قبل إعادة التركيب هي في الواقع ستارة مرسومة على تلك الأحداث المبكرة المثيرة للاهتمام. لحسن الحظ ، هناك طريقة لمراقبة الكون لا تتضمن فوتونات على الإطلاق. يمكن لموجات الجاذبية ، وهي الشكل الوحيد المعروف للمعلومات التي يمكن أن تصل إلينا دون تشويه من لحظة الانفجار العظيم ، أن تحمل معلومات لا يمكننا الحصول عليها بأي طريقة أخرى. يتم النظر في العديد من المهام من قبل وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية التي ستبحث عن موجات الجاذبية من عصر التضخم.

الطاقة المظلمة

خلال السنوات التي تلت هابل وكوبي ، أصبحت صورة الانفجار الكبير أوضح تدريجيًا. ولكن في عام 1996 ، تطلبت ملاحظات المستعرات الأعظمية البعيدة تغييرًا جذريًا في الصورة. كان من المفترض دائمًا أن مسألة الكون ستبطئ معدل توسعها. الكتلة تخلق الجاذبية ، الجاذبية تخلق السحب ، يجب أن يبطئ السحب التوسع. لكن ملاحظات المستعرات الأعظمية أظهرت أن توسع الكون ، بدلاً من التباطؤ ، يتسارع. شيء ما ، ليس مثل المادة وليس مثل الطاقة العادية ، يدفع المجرات إلى التباعد. هذه “الأشياء” أطلق عليها اسم “الطاقة المظلمة” ، ولكن إعطائها اسمًا لا يعني فهمها. سواء كانت الطاقة المظلمة نوعًا من السوائل الديناميكية ، غير معروفة حتى الآن للفيزياء ، أو ما إذا كانت خاصية فراغ الفراغ ، أو ما إذا كانت بعض التعديلات على النسبية العامة غير معروفة حتى الآن.

المراجع: https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-powered-the-big-bang

              https://www.space.com/25126-big-bang-theory.html

ترجمة و تحرير:البشير الحيزم