رسم خريطة الكون

رسم خريطة الكون^(*)

تمكن الفلكيون باستعمال التقنيات المطبقة في تحليل الموسيقا، من دراسة

كيفية انتظام المجرات في تجمعات متدرجة في الكبر.

<D.S.لاندي>

 

تمثل المجرة، حتى لمعظم الفلكيين، شيئا ضخما ـ هو تجمع لمئات البلايين من النجوم التي تغشاها غيوم عملاقة من الغاز والغبار، وينتشر هذا التجمع في منطقة قطرها مئات الآلاف من السنين الضوئية. بيد أن المجرة لا تمثل للكوسمولوجيين (علماء الكونيات)، الذين يدرسون الطبيعة في أكبر مقاييسها (نطاقاتها)، سوى الوحدة الأساسية للمادة. هذا وثمة بلايين من المجرات تملأ الكون المرصود، وهي تتجمع في حشود يبلغ قطرها ثلاثة ملايين، أو يزيد، من السنين الضوئية، وهذه الحشود تنتظم بدورها في تجمعات متدرجة في الكبر. ويبدو أن المجرات، في جميع النطاقات التي تمكن الفلكيون من رصدها حتى الآن، تتجمع وتكوّن بنى معقدة، ومن المفترض أن يكون هذا التجمع قد حدث عبر سيرورات فيزيائية كانت سائدة خلال التمدد المبكر للكون، وفي وقت لاحق خلال التآثرات التثاقلية.

 

بيد أن ثمة محيِّرة (تناقضا ظاهريا) paradox تعترض سبيل هذا الوصف، إذ إن تجمع المجرات في تكتلات يخالف أحد المعتقدات الأساسية التي تتبناها الكوسمولوجيا الحديثة، ألا وهو المبدأ الكوسمولوجي cosmological principleالذي ينص على أن الكون عموما متجانس ومتناحٍ (موحد الخواص اتجاهيا)isotropic، أي ليس له مكان أو اتجاه خاص يفضُلان غيرهما. وحينما يناقش الكوسمولوجيون الخاصيات الشاملة للكون، ككثافته المتوسطة ومعدل تمدده وشكله، فإنهم يفعلون ذلك من دون الخروج عن إطار هذا المبدأ. وعلى نطاق واسع ما، كنطاق الكون الكلي المرصود الذي نصف قطره 15 بليون سنة ضوئية، يتعين على توزع هذه المجرات أن يقارب التوزع المنتظم. ولكن كيف يمكن للانتظام في توزع المادة في النطاق الواسع أن ينسجم مع عدم الانتظام في توزعها في النطاقات الأصغر؟

 

لقد مكنت التطورات التقانية الفلكيين والكوسمولوجيين خلال السنوات الماضية من سبر توزع (تنظيم) المجرات الواقعة على مسافات بعيدة. وقد حل محل الفكرة الساذجة القائلة بأن الكون في نطاق معين يصبح منتظما فَهمٌ آخر يقضي بأن بنية الكون في نطاق واسع يجب أن تُفْهم على أساس العمليات العشوائية. ومع أن الكون مازال يعتبر متجانسا ومتناحيا، فإن هذا الاعتبار لا يصح إلا ضمن مفهوم إحصائي دقيق. وتساعد المكتشفات الحديثة على حل بعض أعقد المشكلات في الكوسمولوجيا وهي: كيف كان شكل الكون عند بدء الزمن؟ وكيف كبر وتطور إلى الكون الذي نعيش فيه الآن؟ وما هي أشكال المادة، الأرضية منها وغير الأرضية، التي يحويها؟

 

إن الجهد الحالي في هذا المجال يتلو اكتشافات مثيرة حدثت خلال عقدين من الزمن. فقد بدأ الكوسمولوجيون في أواخر السبعينات وأوائل الثمانينات برسم المجرات بطريقة منهجية [انظر: “Superclusters and Voids in the Distributionof Galaxies”, by S. A. Gregory – L. A. Thampson;Scientific American, March 19822].

 

في هذا الشكل تظهر ثلاثة ملايين مجرة، كل منها يحوي بلايين النجوم، وهي ممثلة في خريطة لجزء نسبته 15 في المئة من السماء متمركز في كوكبة المثَّال Sculptor. ومع أن المجرات تملأ السماء، الأمر الذي يجعلها تبدو متشابهة تقريبا في أي اتجاه، فإنها تسعى إلى التجمع في حشود مجرية وتكتلات وسلاسل. وهذه الخريطة، التي يتناسب فيها سطوع كل نقطة مع عدد المجرات التي تمثلها، جُمعت أجزاؤها من قبل Automated Plate Measuring Galaxy Survey ومن صور فوتوگرافية بالأبيض والأسود أُخِذت في مرصد شميت في المملكة المتحدة. وفي هذه الصورة، التي جرى تلوينها، تمثل النقاط الزرقاء والخضراء والحمراء مجراتٍ ساطعة ومتوسطة وباهتة على التوالي. والبقع السوداء هي مناطق حول النجوم الساطعة لم يتمكن المسح من سبرها.

 

وخلال عملهم هذا، حاولوا قياس توزع المادة، ومن ضمنها المادة الخفية (المعتمة) dark matter بين المجرِّيَّة التي لا تصدر ضوءا خلافا لما تفعله المجرات. (إن الفرضية القائلة بأن المجرات المنيرة تكشف كل المادة ليست سوى تقريب للواقع، لكنه تقريب بنّاء؛ وقد حاولت بحوث أخرى تقدير الانحياز bias الناجم  عنه.)

 

وقد اكتشف رسامو الخرائط الكونية أن المجرات، في نطاقات تصل إلى 100 مليون سنة ضوئية، تتوزع توزعا فركتليا (كسوريا) fractal ببعد يقع بين واحد واثنين. وسيمثل التنظيم الفركتلي للمادة مشكلة عويصة للمبدأ الكوسمولوجي إذا توسع ليشمل نطاقات أكبر، ذلك أن التوزع الفركتلي ليس متجانسا ولا متناحيا قط. وخلافا لما يحدث في حالة جمهرة من الناس، مثلا، فإن توزعا فركتليا لا يقترب من التجانس حين رؤيته من بعيد؛ إنه كخط الساحل، يبدو غير منتظم في أي نطاق. وفي كونٍ فركتليٍّ ذي بعدين، فإن الكتلة المتوقعة داخل حجم كروي متمركز في مجرة عشوائية تزداد كمربع نصف القطر بدلا من مكعبه. وفي مثل هذا الكون، تكون الكثافة المتوسطة دالة function للنطاق، كما أن وسطاء⁽¹⁾ كونية أخرى، مثل معدل التوسع الكوني، لا بد من أن تفقد معناها.  واختصارا نقول إن المكتشفات الفركتلية بدت وكأنها تسحب البساط من تحت أقدام الكوسمولوجيا الحديثة.

 

بيد أن عمليات المسح اللاحقة بيّنت أنه في نطاق مئات الملايين من السنين الضوئية انهارت الطبيعة الفركتلية. ومن الممكن وصف التوزع الأوسع للمجرات على أساس عملية إحصائية بسيطة ذات وسط وتغاير (تباين) mean andvariance محدَّدَين تماما ـ مثل عملية ضجيج (ضوضاء)؛ وهكذا أُنقِذ المبدأ الكوسمولوجي. بيد أن مشكلات جديدة برزت في أواخر الثمانينات هددت هذا المبدأ [انظر: “Very Large Structures in the Universe”, by J. O. Burns ;ScientificAmerican, July 19866].

 

عندما يخرج الناظر من مجرة درب التبانة إلى الكون المرصود بكامله يتناقص التكتل ويزداد التجانس وفي النهاية يحل التجانس محل التكتل. ويصبح قطر كل كرة يجتازها الناظر أكبر 10 مرات ـ ومن ثم يكون حجمها أكبر 1000 مرة ـ من حجم سابقتها. والمجرة تَجمّع من النجوم والغاز والغبار ومن «مادة خفية» لمّا تصنف بعد. وتتجمع المجرة مع مجرات أخرى لتكوّن حشودا مجرية، وهي أكبر الأجسام في الكون، وتعمل قوى الثقالة على بقائها معا. وهذه الحشود تتجمع بدورها معا لتكوِّن حشودا مجرية فائقة وأسوارا تفصل بينها فجوات من فضاء بين مجري خاو تقريبا. وحتى مقياس معين، يُظن أنه قرابة 100 مليون سنة ضوئية، تشكّل هذه البنى المتزايدة في الكبر نمطا فركتليا ـ أي إنها تتكتل بدرجة واحدة في أي مقياس. لكن بين هذا المقياس وحجم الكون القابل للرصد تتناقص درجة التكتل ويزداد التجانس.

 

فقد اكتشف مسح عالي الميز «سورا عظيما» من المجرات طوله 750 مليون سنة ضوئية، وعرضه أكثر من 250 مليون سنة ضوئية، وثخانته 20 مليون سنة ضوئية. ولا تستطيع عملية ضجيج أن تفسر بسهولة مثل هذه البنية المترابطة الهائلة. وقد حرّضت هذه الاكتشافات على القيام بمشاريع أكبر لرسم خرائط. وتتضمن هذه المشاريع مسح لاس كامپاناس للانزياح الأحمر Las CampanasRedshift Survey الذي أجريته بالتعاون مع زملائي من عام 1988 إلى عام 19944.

 

لتسريع عملية مسح أكثر من 26000 مجرّة، صمم< A.S. شيكتمان> آلة قادرة على قياس 112 مجرة في آن واحد. فقد فتح في لوح معدني (في اليمين) ثقوبا تقابل مواقع المجرات في السماء، كما حملت كوابل من الألياف البصرية (في أقصى اليمين) الضوء من كل مجرة نحو الأسفل إلى قناة منفصلة على راسم طيف في مقراب دوپون الذي قطره 2.5 متر والتابع لمراصد كارنيگي في سيرو لاس كامپاناس في تشيلي.

 

تقطيع الكون إلى شرائح

لما كان مسح لاس كامپاناس يهدف إلى دراسة توزع المجرات على نطاق يكبر عدة مرات النطاق الذي حُدِّدَ في دراسات سابقة، فقد واجه المشروع عددا من التحديات الرصدية، كان أولها أن أبعد المجرات كانت باهتة الضوء، ومن ثم كان تصويرُها الفوتوگرافي يتطلب زمنَ تعريض طويلا جدا. وقد زاد حجم المسح الكبير من عدد الأجسام التي كان من الواجب رصدها. ومن ثم فقد كان لزاما علينا رصد عدد أكبر من الأجسام بأزمنة تعريض أطول، ولكن باستعمال المقاريب مددا محدودة من الزمن. ولهذه الأسباب قررنا إجراء مسح يكون عميقا جدا (يصل إلى بليوني سنة ضوئية) وعريضا جدا (85 درجة عبر السماء) ولكن نحيفا (1.5 درجة) ـ وهذا يعني عمليا معاينة توزع المجرات في بعدين فقط. ومع أن النحافة قللت من دقة الإشارة، فإنها سمحت بإلقاء النظرة الأولى على تنظيم الكون في مقاييس تبلغ عدة بلايين من السنين الضوئية.

 

وقد تمخض المسح عن ست خرائط منفصلة، وسجل مواقع أكثر من 26000 مجرة. وقد جُمعت البيانات في مراصد كارنيگي المقامة على سيرّو لاس كامپاناس بصحراء أتاكاما في تشيلي. وقام بتحليل هذه المعلومات <A.S.شيكتمان> [من مراصد كارنيگي] و<P.R. كيرشنر> و<H.لين> [من مركز هارڤارد السميثسوني للفيزياء الفلكية] و<A.أوملر> و<L.D. تاكر> [من جامعة ييل] و<L.P.شِكْتر> [من معهد ماساتشوستس للتقانة] ومؤلف المقالة.

 

وقد تضمن المسح عدة خطوات. فقد قمنا أولا بإجراء أرصاد فوتومترية ـ وهذا يعني، جوهريا، الحصول على صور فوتوگرافية عالية الحساسية للسماء ـ باستعمال آلة تصوير ذات أداة قرن شحني charge-coupled device  CCD  مركّبة على مقراب سووپ Swope الذي قطره متر واحد والمقام في لاس كامپاناس.  وبغية الحصول على فعالية عظمى، استعملنا تقنية خاصة تعرف باسم قياس الضوء المسحي الانسياقي drift-scan photometry، حيث وجهنا المقراب إلى بداية حقل المسح ثم أوقفنا دفعه المؤتمت. وإذ ذاك كان المقراب متوقفا عن الحركة خلال حركة السماء، وكانت الحواسيب تقرأ المعلومات الواردة من مكشاف أداة القرن الشحني بنفس معدل دوران الأرض، وهذا مكّن من الحصول على صورة متواصلة طويلة على خط عرض سماوي ثابت. وقد استغرقت عملية قياس الضوء (الفوتومترية) نحو 450 ساعة.

 

وفي الخطوة الثانية قمنا بتحليل الشرائط strips لتحديد الأشياء التي يُحتمل أن تكون مجرات، ومن المناسب إدخالها في المسح. وقد استند اختيار المجرات إلى درجة سطوعها والشكل الزَّغِب الذي تتميز به. وأخيرا رصدنا هذه الأشياء باستعمال راسم للطيف في مقراب دوپون Du Pont الذي قطره 2.55 متر والمقام في لاس كامپاناس. وقد حلل راسم الطيف الضوء إلى طيف من الألوان استعملناه لحساب الانزياح الأحمر لكل مجرة، وهو مقياس لبعدها.

 

ولما كان تجميع قدر كاف من الضوء لقياس طيف مجرة في هذا المسح يستغرق قرابة ساعتين إذا رصدنا مجرة واحدة فقط في كل مرة، فإن مسحا بهذا الحجم كان من الممكن أن يستحيل إجراؤه. لكن شيكتمان صمم نظاما ليفيا ـ بصريا متعددا لقياس أطياف 112 مجرة في آن واحد. وكان هذا النظام يعمل على النحو التالي: بعد أن نكون قد اخترنا المجرات المنتظرة، كنا نحفر ثقوبا في لوح معدني لنركّبها فوق بؤرة المقراب؛ وكانت هذه الثقوب موافقة لمواقع المجرات في السماء. وفي هذه الثقوب، كنا نضع كوابل ليفية ـ بصرية تنقل الضوء من كل مجرة إلى قناة منفصلة على راسم الطيف. وحتى باستعمالنا هذه المعالجة المتوازية، فقد استغرق زمن الرصد 600 ساعة خلال 100 ليلة لقياس جميع الأطياف.

 

استطلاع ضجيج الكون

لدى النظر إلى الخرائط الناتجة من عملية المسح، فإن العين تفاجأ بكون المجرات ليست موزعة عشوائيا، وإنما تميل إلى التجمع معا [انظر الشكل في الصفحة 31]. بيد أنه يتعين على المرء توخي الحذر من الانطباعات البصرية، إذ إن أدمغتنا غالبا ما تفتش عن أنماط لا وجود لها. لكن التقنيات الإحصائية تؤيد وجود التجمعات في هذه الحالة.

 

إن أبسط طريقة لقياس التجمع هي استعمال دوال الارتباط correlationfunctions التي تمثل عدد أزواج الأشياء كدالة لانفصال بعضها عن بعض. وعلى  سبيل المثال، فإن توزع الغزلان في غابة يتسم بتجمع عال في المقاييس الصغيرة، في بضع عشرات من الياردات مثلا. وباختيار غزال اختيارا عشوائيا في الغابة، فإنك ستلاحظ أن احتمال العثور على غزال آخر على مسافة بضع ياردات منه أكبر من احتمال العثور على غزال آخر على مسافة عدة مئات من الياردات. وتعطي دالة الارتباط إشارة إيجابية قوية في نطاق بضع عشرات من الياردات، وإشارة ضعيفة أو سلبية في نطاق بضع مئات من الياردات. وهي تصف بأسلوب رياضياتي الحقيقة المعروفة جيدا التي مفادها أن الغزلان تسعى إلى التجوال في قطعان صغيرة.

 

من الممكن إجراء تحليل مشابه على المجرات، وهذا التحليل ينجح جيدا في نطاقات أصغر بكثير من حجم (حيز) مسح ما، بيد أنه لا يزودنا إلا بمعلومات طفيفة في النطاقات الأوسع. والمشكلة هي أن عدد المجرات ـ ومن ثم عدد أزواج المجرات ـ محدد. ولو كان ثمة فرط في الأزواج التي تفصلها مسافات صغيرة، فلا بد عندئذ من وجود عجز في الأزواج التي تفصلها مسافات أكبر، ذلك أن العدد الكلي للأزواج ثابت. إن لعبة المجموع الصفري تفسد إشارة التجمع في النطاقات الكبيرة.

 

ولحسن الحظ فثمة تقنية متممة يمكنها قياس درجة التجمع في النطاقات الواسعة، وهي التحليل التوافقي harmonic analysis، الذي يسمى أيضا تحليل طيف الطاقة power spectrum analysis. والتحليل التوافقي، كما يدل اسمه عليه، يرتبط ارتباطا وثيقا بدراسة الصوت. وفي الحقيقة، فإن التحليل الرياضياتي لتوزع المجرات وللضجيج العشوائي واحد لكلا الموضوعين. (إن طيف الطاقة مرتبط مفاهيميا، لكنه غير مرتبط فيزيائيا، بنوع الطيف الذي يدرسه الفلكيون عادة، ألا وهو طيف الضوء.)

 

إن كثيرا من الظواهر الطبيعية الشائعة، كالأمواج التي تعلو سطح البحر وتقلبات ضغط الهواء في غرفة، يمكن وصفها وصفا طبيعيا جدا بدلالة أطياف الطاقة. وفي الحقيقة، فإن الأذن البشرية تقوم بتحليل مشابه لتقلبات الضغط ـ أي الصوت. ومن الممكن اعتبارُ التقلبات مجموعة من النغمات الصرفة، لكل منها شدة معينة. وتقوم قواقع آذاننا بتحليل التقلبات إلى النغمات المركبة لها (أو الترددات). وتصف الإشارة المرسلة إلى الدماغ شدة (أو سعة) كل نغمة.

 

إن الضجيجين الأبيض والوردي يحيطان بنا. فالضجيج الأبيض، وهو صوت الشواش المزعج الصادر عن جهاز للراديو أو تلفاز أسيء ضبطه (توليفه)، عشوائي تماما، إذ إن الصوت يتقلّب بين لحظة وأخرى من دون أن يتبع أي نمط معين (في الأعلى). أما الضجيج الوردي، وهو صوت شلال أو صوت أمواج متكسرة على شاطئ، فهو فركتلي (في الأسفل). ويتضح الفرق بينهما في طيفي الطاقة (الخطان البيانيان في اليمين): فللضجيج الأبيض طاقة متساوية في جميع الترددات، بيد أن طاقة الضجيج الوردي في الطبقة المنخفضة (الباص) أكبر من طاقته في الطبقة العالية، فالطاقة تتناسب عكسيا مع التردد.

 

إن طيف الطاقة مقياس لشدة تقلبات الضغط كدالة للتردد؛ إنه ما يعرضه المعادل البياني graphic equalizer في جهاز ستيريو. فالآلات الموسيقية الكبيرة، مثل الباص bass أو بوق التوبا tuba، تصدر جزءا كبيرا من طاقتها بأطوال موجية كبيرة موافقة لترددات منخفضة. أما صوت تكسُّر الزجاج فيتألف في المقام الأول من ترددات عالية.

 

يتسم الضجيج العشوائي بخصوصية معينة؛ لأنه يمكن أن يوصف تماما بدلالة طيف طاقته، [انظر: “Mathematical Games,” by Martin

 Gardner;Scientific American, April 1978]

 

لنفترض أن شخصين يذهبان لزيارة الشلال نفسه بفاصل زمني قدره عدة دقائق، وأن كلا منهما يسجل الصوت على امتداد بضع دقائق. فمع أن سجليهما لن يكونا متطابقين ـ إذ إن الصوت الصادر عن الشلال دائم التغير ـ فإن كليهما سيسجلان الصوت المميز للشلال. وإذا أخذ المراقبان سجليهما وأجريا عليهما تحليلا توافقيا، فإن كلا منهما سيجد طيف الطاقة نفسه، وستكون الصفات الإحصائية لسجليهما متطابقة.

 

اللون والصوت

يسمى الضجيج ذو طيف الطاقة المنبسط، الذي يوافق طاقة متساوية في جميع الترددات، ضجيجا أبيض. وتُشتق هذه التسمية من تشابه مع ما يحدث في عالم الألوان. ويوجد لكل لون تردد خاص به؛ فإذا جمعتَ كل الألوان معا بقدر متساو حصلت على اللون الأبيض. وبالمصطلحات الصوتية، فإن الضجيج الأبيض هو الشواش static بين محطات الراديو. صوت هذا الضجيج عشوائي  تماما؛ وفي كل لحظة يكون الصوت غير متعلق، أو غير مرتبط بالصوت الذي صدر قبله. وثمة طيف طاقة خاص آخر هو طيف الضجيج الوردي الذي يولِّد فيه كل ثُماني جواب octave الطاقة نفسها [انظر الشكل في هذه الصفحة]. ويولّد  الشلال ضجيجا ورديا.

 

ويمكن للتحليل التوافقي أن يوفق بين المبدأ الكوسمولوجي وتوزع المادة على تكتلات. ولو كان الكون متجانسا ومتناحيا لوجب على راصديْن موجوديْن على كوكبين في مجرتين مختلفتين أن يقيسا الخاصيات نفسها للكون في أكبر مقاييسه. وبالطبع فإنهما سيريان توزعيْن مختلفيْن للمجرات، تماما كما تختلف أي شريحتين في مسح لاس كامپاناس. بيد أنه إذا أُجري قدر كاف من عمليات المسح، أو عملية مسح واحدة كبيرة بدرجة كافية، فإنه يتعين على الراصديْن أن يقيسا التقلبات الإحصائية نفسها. وهذه التقلبات، مثلُها مثلَ تقلبات صوت شلال، يمكن وصفها بدلالة طيف الطاقة.

 

ومع توسع الكون وتطوره، تقوم سيرورات فيزيائية متنوعة بتعديل طيف طاقة بُنيته الواسعة النطاق. ويعتقد الكوسمولوجيون عموما بأن التقلبات الكمومية ـ الميكانيكية ولّدت طيف الطاقة الأوّلي بعد زمن قصير من بدء الانفجار الأعظم. وفي أواخر الستينات اشتق الفيزيائي الإنكليزي <R.E.هاريسون> والفيزيائي الروسي <B.Y.زيلدوڤتش> شكلا لطيف الطاقة البدائي هذا ـ إذ توصلا إلى قانون أسي يكون التردد فيه مرفوعا إلى القوة الثالثة السالبة ـ وهو طيف ضجيج وردي بثلاثة أبعاد.

 

وقد قدّر كل من هاريسون وزيلدوڤتش أن معظم القوى الطبيعية، بما فيها الثقالة، ليس لها مقياس طول ذاتي؛ إنها قوانين أسية. ومن ثم فإن طيف الطاقة الأوّلي يجب أن يكون صيغة ما لقانونٍ يكون الترددُ فيه مرفوعًا لقوة ما، ومن ثم فإنه لا يميز أي مقياسِ طول خاصٍ. كذلك، فقد فهم هذان الباحثان دور حجم الأفق في تطور الكون. إن حجم الأفق هو، ببساطة، المسافة التي تستطيع حزمة من الضوء قطعها في الكون منذ الانفجار الأعظم حتى أي لحظة معينة. ولما كان تأثير الثقالة ينتقل أيضا بسرعة الضوء، فإن نقطتين ما في الكون لا يمكن أن تتآثرا تثاقليا إلا إذا كانت تفصل إحداهما عن الأخرى مسافة تقل عن حجم الأفق أو تساويه. ومع تقدّم الكون في السن ينمو حجم الأفق، ومن ثم فإن حجم الأفق يحدد مقياس طول طبيعي يمكن للثقالة أن تعمل فيه.

 

وقد أدرك هاريسون وزيلدوڤتش أنه لو لم يكن القانون الأسي لطيف الطاقة هو بالضبط: التردد مرفوعا إلى القوة الثالثة السالبة، لحدث عندئذ أحد أمرين. فلو كان قانون القوة أكثر انحدارا ـ وليكن التردد فيه مرفوعا للقوة الرابعة السالبة، مثلا ـ لكانت التقلبات في المقاييس الصغيرة جدا أكبر. وبحساب تقلبات الكثافة في بدايات تاريخ الكون، حين كان حجم الأفق صغيرا، فقد وَجَدا أن كثيرا من بقاع الكون لا بد وأن تكون احتوت على مثل هذه الكثافة العالية من المادة، وهذا يجعلها تنهار بسرعة مالئةً الكون بثقوب سوداء. ولحسن الحظ فإن هذا لم يحدث؛ إن مجرد وجودنا في هذا الكون يستبعد مثل طيف الطاقة هذا. ومن ناحية أخرى، فلو كان القانون الأسي أقل انحدارا، لتقلبت الكثافة في المقاييس الكبيرة على نحو شديد في الأزمنة المتأخرة؛ لكن لا وجود لمثل هذه التقلبات.

 

ومع أن هذا الرأي مقنع تماما للكوسمولوجيين، فهو لا يفسر كيف يمكن لمثل هذا الطيف أن ينشأ. ويوفر التضخم الكوسمولوجي تفسيرا مثّل نجاحا مبكرا للنظرية، كما أنه إحدى نتائجها القليلة القابلة للاختبار. [انظر: “TheInflationary Universe”, by A. H. Guth – P. J.

 Steinhardt;Scientific American, May 1984].

 

عدد هائل من الأسوار العظيمة

إن طيف طاقة الكون في أيامنا هذه مختلف جدا عن طيف هاريسون ـ زيلدوڤتش البدائي. فقد ضخمت الثقالة التقلبات الابتدائية وأدت إلى نمو بنى مثل حشود المجرات. وفي الأزمنة الغابرة كان نمو التقلبات في نطاقات محددة ينشط أو يضعف تبعا لما يسود الكون، المادة أو الإشعاع، وتبعا لكون الجسيمات الأولية خفيفة وسريعة الحركة، أو ثقيلة وبطيئة الحركة. إن أحد التحديات الكبيرة التي تواجه الكوسمولوجيا الحديثة هو تحديد كيفية تطور طيف الطاقة الأوّلي إلى الطيف الذي نراه في هذه الأيام. وجدير بالذكر أن الأرصاد، كتلك التي أجريت لرصد توزع المجرات وأرصاد إشعاع الخلفية الكونية المكروي الموجة، لم تجمع قدرا كافيا من البيانات لاختبار صحة النظريات إلا في السنوات القليلة الماضية.

 

يمثل ما يسمى نماذج المادة الخفية الباردة cold dark matter أكثر التفسيرات السائدة لنمو بنية الكون. ومؤداها أن معظم المادة في الكون موجودة على شكل جسيمات غير مرئية (ومن ثم «خفية») وضخمة نسبيا. إن وصف المادة بأنها «باردة» يعود إلى أنها ثقيلة ومن ثم فهي تتحرك ببطء. إن الجسيم، الذي يتفاعل مع مادة عادية بفعل قوة الثقالة وحدها، يمكن أيضا أن يكون المسؤول عن المادة المفقودة في المجرات والحشود المجرية [انظر: «المادة الخفية في الكون»، مجلة العلوم، العدد 4 (1990) ، الصفحة 50].

 

إن إحدى النتائج المفاجئة التي تمخضت عن مسحنا هي انحرافه عن نموذج المادة الخفية الباردة في نطاقات تعادل نحو 600 مليون سنة ضوئية. أما في النطاقات الأصغر، فقد كانت تنبؤات النموذج توافق اكتشافاتنا، بيد أن شيئا غريبا يميز النطاقات الكبيرة [انظر الشكل في هذه الصفحة]. لقد أوحت عمليات مسح سابقة بمثل هذا الانحراف، وكانت إحدى النتائج الرئيسية لمسح لاس كامپاناس هي إثبات وجود الانحراف. وانطلاقا من شدة الانحراف وحجم المسح، حسبنا احتمال رؤية مثل هذا الانحراف بمحض المصادفة، فكان واحدا في عدة آلاف.

 

والمثير جدا للاهتمام في هذا الانحراف هو أنه يمكن تعقبه إلى البنى الهائلة التي تُرَى في توزع المجرات [انظر الشكل في الصفحة المقابلة]. وتُعرّف هذه البنى بالحدود الحادة والخيوط والفجوات في خرائط المجرات، ولأكبر هذه البنى قطر يقارب ثلاثة بلايين سنة ضوئية، وهذا يكبُر حجم السور العظيمGreat Wall  عدة مرات. وتمثل هذه الأسوار والفجوات، إضافة إلى الانحراف في طيف الطاقة، اكتشافا جوهريا لمسح لاس كامپاناس. وهو يعني أن توزع المجرات، في هذا المقياس، لا يمكن أن يميّز تماما باستعمال رياضيات الضجيج العشوائي. ولا بد من أن تكون بعض العمليات الفيزيائية قد أدت دورها في وضع بصمات هذا المقياس المميز على تقلبات الكثافة.

 

وفي الحقيقة، فإن عدم التوافق هذا هو الذي يسمح لنا بتسمية هذه الأسوار والفجوات بنىً. وبعملية ضجيج صرف، يمكن لهذه الأسوار والفجوات أن تظهر مصادفة. بيد أن ظهورها سيكون أندر كثيرا، وفقا لأسس إحصاء الضجيج، إذ إنها ستكون تقلبات إحصائية أو تراكبات تصادفية، بدلا من بنى حقيقية.

 

تُرَى، ما الذي يمكن أن يكون مسؤولا عن هذه الأسوار والفجوات الضخمة؟ قد تقدم الثقالة تفسيرا جيدا لها باستثناء أنها تجعل التقلبات الصغيرة المقياس تنهار على نحو أسرع، ذلك أن الثقالة تستغرق زمنا أقصر كي تُجمّع المادة في المقاييس الصغيرة. فإذا كانت الثقالة هي المتهمة، فلا بد من أن يكون تحشد المجرات قد بدأ في مقاييس صغيرة ثم شق طريقه إلى مقاييس كبيرة. وخلال العقدين المنصرمين كان مثل هذا السيناريو الذي بدأ من القاعدة وانطلق إلى الأعلى، والذي أُطلق عليه اسم التحشد الهرمي hierarchical clustering، هو النموذج المعتمد في تفسير البنى التي يقل مقياسها عن 150 مليون سنة ضوئية. بيد أن الانحرافات في مسحنا تبدأ بالظهور في مقاييس أكبر بكثير. وربما كان التحشد الهرمي مازال يطبق في المقاييس الأصغر، إلا أنه لا يتمكن من تفسير الأسوار والفجوات في مقاييس أكبر.

 

الموسيقا الجديدة للكرات

لقد برز العديد من الفرضيات، لكن لم يتفق أي منها بعد مع جميع البيانات. أولى هذه الفرضيات سيناريو المادة الخفية الساخنة الذي يقول بأن الضوء يسود الكون، والضوء هنا هو جسيمات سريعة الحركة كالنيوترينوهات. وستكون النتيجة متوالية من الأعلى إلى الأسفل في تكوّن البنية الكونية، تبدأ بمقاييس كبيرة. ولسوء الحظ، فإن لهذه النظرية آثارا جانبية تتجلى في استبعاد البنية في المقاييس الصغيرة، ومن ثم فإنها تفشل في تفسير التحشد المجري في المقاييس الصغيرة.

 

إن طيف طاقة الكون، كما قيس في مسح لاس كامپاناس (الخط الأزرق) يتبع عموما تنبؤات نموذج المادة الخفية الباردة (اللون الوردي). لكن الطاقة تزداد ازديادا كبيرا في مقاييس تمتد من 600 مليون إلى 900 مليون سنة ضوئية. ويعني هذا التناقض أن الكون يكون أكثر تكتلية في تلك المقاييس مما تقرره النظريات السائدة حاليا.

 

وتذهب فرضية ثانية إلى أن الكون أقل كثافة مما يظنه الكوسمولوجيون. ويحدث معظم هذا النقصان في الكثافة على حساب المادة الخفية الدخيلة. ومن ثم فإن للجسيمات العادية، من مثل البروتونات والإلكترونات، أثرا أكبر نسبيا، ولا بد من أنها كانت ستكوّن مائعا لزجا في الكون المبكر. كانت الموجات الصوتية تدوي عبر هذا المائع قبل أن كان الكون يتسم بقدر كاف من البرودة جعلت البروتونات والإلكترونات تتحد لتكوين الذرات. وحين اتحدت البروتونات والإلكترونات ثانية، قامت الموجات الصوتية بدعم الانهيار التثاقلي في مقاييس معينة. ومن المثير للاهتمام أن فرض وجود كونٍ قليل الكثافة يمكنه أيضا أن يحل أحجيات كوسمولوجية أخرى [انظر: “Inflation in a Low-DensityUniverse,” by M. A. Bucher – D. N.

 Spergel;Scientific American, January 1999].

 

وتشير فرضية ثالثة إلى أن بُعد الأفق في الوقت الذي تجاوز فيه متوسط كثافة المادة في الكون متوسط كثافة الإشعاع كان 600 مليون سنة ضوئية تقريبا. ويُفترض أن يكون مثل هذا التغير الشديد قد أثر في طيف الطاقة على نحو ما. وبصرف النظر عن التفسير النهائي، فقد يكون الفلكيون في طريقهم إلى كشف أكبر مقياس للطول مرتبط بأي عملية فيزيائية في الطبيعة.

 

إن مسحا بحجم مسح لاس كامپاناس يتضمن نحو 50 عملية قياس مستقلة لطيف الطاقة في هذه المقاييس الكبيرة. ونحن بحاجة إلى عمليات مسح أكبر، والكثير منها يوجد الآن إمّا في مراحل التطوير أو الانطلاق. وثمة اتحاد إنكليزي ـ أسترالي، يسمى 3DF Survey يقوم برسم خرائط لأكثر من ربع مليون مجرة. وفي القريب العاجل، سيبدأ مشروع مسح للسماء، يطلق عليه اسمAmerican-Japanese Sloan Digital Sky Survey، بقياس المسافات التي تفصلنا عن قرابة مليون مجرة تنتشر في نصف السماء، وهذا المشروع يعالج حجما أكبر 20 مرة من الحجم الذي عالجه مشروع مسح لاس كامپاناس.

 

إن هاتين الشريحتين الكونيتين (في اليمين)، اللتين رُصدتا خلال مسح لاس كامپاناس، تُظهران بيانيا البنية التكتلية للكون في المقاييس الكبيرة. والنقاط التي تمثل الآلاف العديدة من المجرات التي تحويها كل شريحة، ليست موزعة بانتظام، وإنما تتجمع وفق أسوار (الخطوط المنقّطة في داخل الإطار) يفصل بين كل اثنين متجاورين منها مسافة قدرها نحو 600 مليون سنة ضوئية.

 

لا تمثل هذه الدراسات أول استعمال للتحليل التوافقي في تاريخ علم الفلك، ذلك أن فيثاغورس ـ في القرن السادس قبل الميلاد ـ طبق التحليل الموسيقي على حركات الشمس والقمر والنجوم والكواكب. وكان يعتقد أن الأجرام السماوية هي ثقوب في مجموعة من الكرات البلورية يتلألأ خلالها الضوء السماوي. وكان يرى أن حركات هذه الكرات يجب أن تُصْدِرَ أصواتا، كما أن مسافاتها وسرعاتها ينبغي أن تكون بنسب التوافقيات harmonics الموسيقية نفسها. لقد كانت هذه  «موسيقا الكرات» الأولى.

 

وقبل أن يصوغ <J.كپلر> في القرن السابع عشر قوانينه الشهيرة للحركة الكوكبية في السماء، كان يعتقد بأنه يمكن وصف مدارات الكواكب باعتبارها كرات سماوية محصورة بين مجسمات فيثاغورس الكاملة الخمسة. وكان يعتقد بأن النسب التوافقية (الهارمونية) للموسيقا يمكن أن تُشتق من هذه المجسمات، ومن ثم كان يجادل في وجود علاقة أساسية بين أفلاك الكواكب السيارة وهذه التوافقيات، وكانت هذه هي «موسيقا الكرات» الثانية.

 

إن فكرتنا عن التحليل التوافقي مختلفة تماما في أيامنا هذه عما كانت عليه في الماضي. إنها مبنية على تحليل المركِّبات التوافقية للتوزعات العشوائية. والصوت أشبه بخرير شلال منه بصدح آلات رائعة. ومع أن هذه المحاولة الحديثة قد تبدو أقل مدعاة للسرور وأقل مجلبة للسعادة الروحية من الأفكار القديمة، فإن مفهوم كونٍ متناح مقرون بفهم للحقول العشوائية يسمح لنا الآن بسماع موسيقا الكرات مرة أخرى.

 

 المؤلف

Stephen D. Landy

بدأ اهتمامه بالكوسمولوجيا أول مرة حين تاه في الغابات ذات ليلة ولم يكن لديه ما يفعله سوى التحديق بالنجوم. وبعد حصوله على الدكتوراه في الفيزياء من جامعة جونز هوپكنز عام 1994، أجرى بحوث ما بعد الدكتوراه في مرصد كارنيگي بپاسادينا في كاليفورنيا وبجامعة كاليفورنيا في بركلي. وهو حاليا عالم زائر في كلية وليام وماري.

مراجع للاستزادة 

PRINCIPLES OF PHYSICAL COSMOLOGY. P J. E. Peebles. Princeton University Press, 1993.

THE TWO-DIMENSIONAL POWER SPECTRUM OF THE LAS CAMPANAS REDSHIFT SURVEY: DETECTION OF EXCESS POWER ON 100H-1 MPC SCALES. Stephen D. Landy et al. in Astrophysical Journal Letters, Vol. 456, pages Ll-L4; January 1, 1996. Preprint available at xlac.lanl.gov/abs/astro-ph/9510146 on the World Wide Web.

THE LAS CAMPANAS REDSHIFT SURVEY. Stephen A. Shectman et al. in Astrophysical Journal, Vol. 470, pages 172-188; October 10, 1996. Preprint available at xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9604167 on the World Wide Web.

THE LARGE-SCALE SMOOTHNESS OF THE UNIVERSE. Kelvin K. S. Wu, Ofer Lahav and Martin J. Rees in Nature, Vol. 397, pages 225-230; January 21, 1999.

The Las Campanas Redshift Survey site is available at manaslu.astro.utoronto.ca/-lin/Icrs.html on the World Wide Web.
The Sloan Digital Sky Survey site is available at www.sdss.org  on the World Wide Web.

Scientific American, June 1999

 

(*) Mapping the Universe

 

(1) ج: وسيط (پاراميتر) parameter