🦊 🍶 🍾 اسأل إيثان رقم 99: كيف نعرف عمر الكون؟ ✉️ 👨🏻 🤷

الشباب هبة الطبيعة ، والشيخوخة عمل فني.
- ستانيسلاف جيرزي ليتس

كل أسبوع ، تسلط مدونتنا الضوء على عجائب الكون. لديك الفرصة لإرسال أسئلة واقتراحات إلى العمود الأسبوعي "اسأل إيثان" ، وأختار من وقت لآخر أحد الأسئلة للإجابة عليه. سؤال اليوم لن يحصل فقط على إجابة من إيثان - بل سيطرحه إيثان ، فقط باسم بربور ، الذي يسأل:

لدي سؤال عن علم الفلك ، في الواقع ، هذا: كم عدد الطرق المستقلة الموجودة لقياس عمر الكون؟

أود أن أبلغكم أن هناك العديد من هذه الطرق ، وكلها تشير إلى عمر 13.8 مليار سنة ، تمامًا كما يوجد الكثير من الأدلة على وجود المادة المظلمة. ولكن على الجسم هناك اثنان فقط ، واحد أفضل بكثير من الآخر.

تقترح الطريقة "الجيدة" التفكير في أن الكون يتوسع ويبرد في عصرنا ، وأن نفهم أنه يتبع من ذلك أنه كان في الماضي أكثر حرارة وكثافة. إذا عدنا إلى الماضي ، في أي وقت سابق ، سنجد أنه مع حجم أصغر من الكون ، فإن جزيئات المادة فيه لم تكن أقرب إلى بعضها البعض فحسب ، بل كانت أيضًا أطوال موجات الفوتونات أقصر ، لأن تمدد الكون امتدها إلى مثل هذه الحالة ، حيث نراهم اليوم.

بما أن الطول الموجي للفوتون يحدد طاقته ودرجة حرارته ، فإن الفوتون ذي الطول الموجي الأقصر يكون أكثر نشاطًا وساخنًا. بالعودة إلى الزمن ، نرى ارتفاعًا في درجة الحرارة ، وفي مرحلة ما نصل إلى المراحل المبكرة من الانفجار الكبير.

هذا مهم: هناك المرحلة "الأولى" من الإنفجار الكبير!

إذا استقررنا إلى ما لا نهاية ، فإننا نصل إلى التفرد حيث تتوقف الفيزياء عن العمل. إن فهمنا الحديث للمراحل المبكرة للكون يجعلنا نفهم أن الانفجار العظيم سبقته مرحلة من التضخم ، ولم يتم تحديد مدة هذه الحالة.

بالحديث عن عمر الكون ، نحن نتحدث عن الوقت المنقضي منذ أن كان الكون أول ما يمكن وصفه من خلال الانفجار العظيم الساخن ، وحتى يومنا هذا.

وفقًا لقوانين النظرية النسبية العامة ، في عالمنا ، حيث:
• الكثافة موحدة على أكبر المقاييس ،
• نفس القوانين والخصائص العامة تنطبق في كل مكان ،
• بغض النظر عن الاتجاه المختار ، كل شيء هو نفسه في كل مكان ،
• حدث الانفجار الكبير في كل مكان في وقت واحد ،

هناك علاقة فريدة بين عمرها والتوسع طوال حياتها.

بعبارة أخرى ، بعد أن تمكننا من قياس كيفية تمدد الكون الآن ، وكيف تمدد خلال حياته ، سوف نتعلم ما يتكون منه. يمكننا معرفة ذلك من خلال العديد من الملاحظات ، بما في ذلك:

• القياسات المباشرة للسطوع والمسافة إلى أجسام الكون ، مثل النجوم والمجرات والمستعرات الأعظمية ، مما يسمح لنا ببناء درج من المسافات الكونية.

• قياس الهياكل واسعة النطاق ، وعناوين المجرات ، والتذبذبات الصوتية الباريونية.

• قياس تقلبات CMB ، "صورة" الكون التي تم التقاطها في عمر 380،000 سنة.

عند وضع كل ذلك معًا ، نحصل على الكون ، والذي يتكون اليوم من 68٪ من الطاقة المظلمة ، و 27٪ من المادة المظلمة ، و 4.9٪ من المادة الطبيعية ، و 0.1٪ من النيوترينوات ، و 0.01٪ من الإشعاع ، وبشكل عام ، هذا كل شيء.

بعد النظر في توسع الكون اليوم ، سوف نكون قادرين على الاستقراء في الوقت المناسب ، ومعرفة تاريخ توسعه ، وبالتالي العمر.

الرقم الناتج - بشكل أكثر دقة من تلسكوب بلانك ، ولكن يتم استكماله بمصادر أخرى ، على سبيل المثال ، قياس المستعرات الأعظمية ، وهو مشروع رئيسي للتلسكوب سمي بعد هابل لقياس المسافات بين المجرات والمسح السماوي الرقمي لسلون - نحصل على أن عمر الكون اليوم هو 13.81 مليار سنة مع خطأ 120 مليون سنة فقط. وهذا يعني أننا واثقون من عمر 99.1٪ وهو أمر مثير للدهشة!

نعم ، لدينا مجموعات بيانات مختلفة تؤدي إلى هذا الاستنتاج ، ولكن في الواقع ، فإن الطريقة هي نفسها. لقد كنا محظوظين فقط لأن هناك صورة متماسكة يشيرون إليها جميعًا ، ولكن في الواقع ، ليست واحدة من هذه القيود وحدها كافية لقول "هذا هو كوننا". تقدم جميعها مجموعة من الخيارات ، ويخبرنا فقط تقاطعها بمكان إقامتنا.

إذا كان للكون نفس الخصائص التي هي عليها اليوم ، إلا أنها ستكون مادة طبيعية 100٪ ، بدون أي مادة مظلمة وطاقة مظلمة ، فعندئذ يجب أن يكون عمره 10 مليار سنة فقط. إذا كان الكون يحتوي على 5٪ من المادة الطبيعية (بدون أي مادة مظلمة وطاقة مظلمة) ، وسيكون ثابت هابل 50 (كم / ث) / MPC ، وليس 70 (كم / ث) / MPC ، فإن الكون سيكون 16 مليار سنة. لكن مزيجًا من جميع الخصائص الدقيقة يخبرنا عن عمر 13.81 مليار سنة ، بهامش خطأ صغير. وهذا إنجاز مذهل للعلم.

لكن هذه طريقة واحدة. إنه رئيس ، والأفضل ، والأكثر اكتمالا ، وجبال الأدلة تشير إليه. هناك واحد آخر ، وهو مفيد للغاية للتحقق من النتائج.

نحن نعرف خصوصيات حياة النجوم وحرق وقودها وموتها. بتعبير أدق ، نحن نعلم أن جميع النجوم ، عندما تكون حية وتحرق الوقود الرئيسي (تنفيذ توليف الهليوم من الهيدروجين) ، لها سطوع ولون معين ، وتحمل هذا السطوع واللون لفترة معينة: حتى يبدأ الوقود في النفاد في نوىها.

في هذه اللحظة ، تبدأ النجوم الأكثر سطوعًا والأزرق والأكثر ضخامة في "الإيقاف" من التسلسل الرئيسي (خط منحني في الرسم البياني لحجم اللون أدناه) ، وتتحول إلى عمالقة وعملاقين فائقين.

إذا وجدنا نقطة الإيقاف هذه في مجموعة من النجوم التي تشكلت في نفس الوقت ، يمكننا معرفة - معرفة كيفية عمل النجوم - عمر النجوم في المجموعة. بالنظر إلى أقدم التجمعات الكروية التي تكون فيها أصغر العناصر هي الأصغر ، والتي يحدث إغلاقها للنجوم الأقل كتلة ، نجد أن عمرها يساوي على التوالي حوالي 13.2 مليار سنة ، ولا شيء أكثر من ذلك. (ولكن هناك خطأ فادح من مليار سنة).

النجوم التي يبلغ عمرها 12 مليار سنة أو أقل شائعة جدًا ، ولكن لم يشاهد أحد النجوم التي يبلغ عمرها 14 مليار سنة أو أكثر ، على الرغم من أنهم ذكروا غالبًا في سن التسعينيات ما بين 14 و 16 مليار عام (تحسن فهم النجوم وتطورها قلل من هذه التقديرات) .

لذا ، لدينا طريقتان - واحدة من التاريخ الكوني والأخرى من قياس النجوم القريبة - تظهر أن عمر كوننا يتراوح بين 13 و 14 مليار سنة. لن يفاجأ أحد إذا كنا في سن 13.6 أو 14.0 مليار سنة ، ولكن بالنسبة لنا بدقة كبيرة جدًا ، وليس 13.0 أو 15.0 مليار سنة. يمكنك أن تقول بأمان سن 13.8 مليار سنة - والآن تعرف لماذا!

اسأل إيثان رقم 99: كيف نعرف عمر الكون؟

More articles: