في وقت الانفجار العظيم ، كان الكون مليئًا بالمادة والإشعاع ، ولكن لم يكن هناك نجوم فيه. مع التوسع والتبريد ، تشكلت البروتونات والنيوترونات في الجزء الأول من النوى الذرية الثانية التي تشكلت في الدقائق 3-4 الأولى ، وتشكلت الذرات المحايدة في 380،000 سنة الأولى. بعد 50-100 مليون سنة أخرى ، تشكلت النجوم الأولى. لكن الكون ظل مظلمًا ، ولم يتمكن المراقبون ، إذا كان هناك ، من رؤية أي شيء حتى اللحظة التي جاءت بعد حوالي 550 مليون سنة من الانفجار الكبير. لماذا حدث هذا؟ القارئ مهتم بـ:
ما يهمني هو لماذا استمرت العصور المظلمة مئات الملايين من السنين؟ بدا لي أنه كان يجب أن يستمروا على الأقل أقل من ذلك.
يشكل تكوين النجوم والمجرات خطوة ضخمة لخلق الضوء ، لكن هذا لا يكفي لإنهاء العصور المظلمة. وها هو السبب.
كان الكون المبكر مليئًا بالمادة والإشعاع ، وكان حارًا وكثيفًا جدًا لدرجة أنه منع البروتونات والنيوترونات المستقرة من الظهور في الجزء الثاني من الثانية. بعد ظهورها وإبادة المادة المضادة ، وجدنا أنفسنا مع بحر من المادة والإشعاع على أيدينا ، نتجسس هنا وهناك بسرعات قريبة من الضوء.تخيل الكون كما كان بعد بضع دقائق فقط من الولادة: قبل تكوين الذرات المحايدة. المساحة مليئة بالبروتونات والنوى الخفيفة والإلكترونات والنيوترينوات والإشعاع. في هذه المرحلة المبكرة ، تحدث ثلاثة أشياء مهمة:
- الكون متجانس للغاية فيما يتعلق بكمية المادة في أي مكان ، وتختلف المناطق الأكثر كثافة ببضع مئات من أجزاء من الكثافة من الأقل كثافة.
- تعمل الجاذبية على تجميع المادة بنشاط ، وفي المناطق الأكثر كثافة توجد قوة جذابة إضافية.
- الإشعاع ، في معظمه في شكل فوتونات ، يدفع المادة بعيدًا ، ويقاوم الجاذبية.
طالما لدينا إشعاع نشط بما فيه الكفاية ، فإنه يمنع تكوين ذرات محايدة مستقرة. فقط عندما يبرّد تمدد الكون الإشعاع بقوة كافية ، تتوقف الذرات المحايدة عن إعادة التأين الفوري.
في الكون الحار المبكر ، قبل تكوين الذرات المحايدة ، تنتشر الفوتونات من الإلكترونات (وبدرجة أقل من البروتونات) بسرعة عالية جدًا ، تنقل نبضة في العملية. بعد تكوين الذرات المحايدة ، تتحرك الفوتونات ببساطة في خط مستقيم.بعد ذلك ، بعد 380،000 سنة من ظهور الكون ، ينتشر هذا الإشعاع (في الغالب الفوتونات) بكل حرية بحرية في نفس الاتجاه الذي ذهب فيه الأخير ، من خلال المادة المحايدة الآن. بعد 13.8 مليار سنة ، نلاحظ هذا التوهج المتبقي للانفجار الكبير في شكل إشعاع متراجع. اليوم ، هذا هو إشعاع الميكروويف الخلفية ، حيث يتم تمديد الأطوال الموجية بسبب توسع الكون. والأهم من ذلك ، هناك توزيع للتقلبات في شكل بقع ساخنة وباردة ، تقابل أجزاء أكثر وأقل كثافة من الكون.
المناطق الأكثر كثافة ومتوسط الكثافة والمناطق الأقل كثافة التي كانت موجودة عندما كان عمر الكون 380.000 سنة ، تتوافق مع البقع الباردة والمتوسطة والساخنة من CMB.بعد تكوين الذرات المحايدة ، يصبح انهيار الجاذبية أسهل بكثير ، لأن الفوتونات تتفاعل بسهولة مع الإلكترونات الحرة ، ولكن ضعيفًا مع الذرات المحايدة. وبينما يتم تبريد الفوتونات إلى طاقات أقل من أي وقت مضى ، تزداد أهمية المادة للكون ، لذلك يبدأ نمو الجاذبية. تستغرق الجاذبية حوالي 50-100 مللي أمبير لتجميع الكثير من المادة معًا ، ويأخذ الغاز ما يكفي لتبرد للسماح ببدء الانهيار عندما تتكون النجوم الأولى. بعد ذلك ، يتم إطلاق الاندماج النووي ، وتظهر أول العناصر الثقيلة في الكون.
تظهر هياكل الكون واسعة النطاق بمرور الوقت ؛ تنمو عيوب صغيرة وتتحول إلى أول النجوم والمجرات ، ثم تندمج معًا ، لتشكل مجرات كبيرة وحديثة نلاحظها اليوم. عندما ننظر لمسافات طويلة ، نرى كونًا أصغر سنًا ، مشابهًا لماضي موقعنا المحلي.ولكن حتى مع هذه النجوم ، يقع الكون في العصور المظلمة. خطأ من هذا؟ بسبب كل هذه الذرات المحايدة المنتشرة في جميع أنحاء الكون. هم من رتبة 10
80 ، وعلى الرغم من الفوتونات منخفضة الطاقة التي تركت بعد الانفجار الكبير ، فإن هذه المادة شفافة ، للفوتونات عالية الطاقة المنبعثة من النجوم ، غير شفافة. هذا هو السبب في أنه من المستحيل رؤية النجوم في مركز المجرة في الضوء المرئي ، ولكن في الموجات الأطول (مثل الأشعة تحت الحمراء) ، يمكنك الرؤية مباشرة من خلال الغاز والغبار المحايد.
أربعة أنواع مختلفة من درب التبانة بأربعة أطوال موجية مختلفة ؛ في الأعلى طويلة (ما دون الملليمتر) ، ثم تحت الحمراء البعيدة ، بالقرب من الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي. النجوم ومسارات الغبار في المقدمة تحجب مركز المجرة عنا في الضوء المرئي.لكي يصبح الكون شفافًا تجاه ضوء النجوم ، يجب أن تكون هذه الذرات المحايدة متأينة. لقد تأينوا بالفعل ذات مرة: قبل أن يبلغ عمر الكون 380.000 سنة ، لذلك نسمي عملية إعادة
تأينهم . وفقط عندما يتم تكوين الكثير من النجوم وانبعاث الكثير من الفوتونات فوق البنفسجية عالية الطاقة ، يمكن إكمال عملية إعادة التأين هذه وإنهاء العصور المظلمة. وعلى الرغم من أن النجوم الأولى قد تظهر بالفعل بعد 50-100 مليون سنة بعد الانفجار الكبير ، إلا أن ملاحظاتنا التفصيلية تظهر لنا أن إعادة التأين لا تنتهي حتى يبلغ عمر الكون 550 مليون سنة.
رسم تخطيطي لتاريخ الكون ، يؤكد على إعادة التأين ، التي حدثت بالفعل فقط بعد تكوين النجوم والمجرات الأولى. قبل ذلك ، كان الكون مليئًا بالذرات المحايدة التي تمنع الضوء. على الرغم من أن معظم الكون لم يخضع لإعادة التأيين حتى بلغ عمره 550 مليون سنة ، إلا أن بعض المواقع الأكثر حظًا تم إعادة تأهيلها قبلكيف حدث أن ظهرت المجرات الأولى التي نراها عندما كان عمر الكون 400 مليون سنة فقط؟ وكيف يمكن لتلسكوب جيمس ويب أن ينظر إلى أبعد من ذلك في الماضي؟ هناك عاملان يلعبان دورًا هنا:
1) التأين ليس متجانسا. الكون مليء بالكتل والعيوب وعدم التجانس. هذا أمر جيد ، فهو يسمح للنجوم والمجرات والكواكب ، وكذلك الناس بالتشكيل. ولكنه يعني أيضًا أن بعض أقسام الفضاء والاتجاه في السماء أعيد تأيينها تمامًا قبل أجزاء أخرى. أبعد مجرة معروفة لنا ،
GN-z11 ، هي مجرة مشرقة وجميلة لمثل هذا العمر الصغير ، ولكنها تقع أيضًا في الاتجاه الذي تأين فيه الكون تمامًا تقريبًا. لقد تزامن بنجاح كبير مع حدوث ذلك قبل 150 مليون سنة من إعادة التوطين "المتوسطة".
لمجرد أن هذه المجرة البعيدة GN-z11 تقع في منطقة يتم فيها إعادة تأين البيئة بين المجرات في الغالب ، تمكن هابل من إظهارنا اليوم. سوف يذهب جيمس ويب إلى أبعد من ذلك بكثير.2) هذه الذرات المحايدة شفافة لأطوال الموجات الطويلة. على الرغم من أن الكون في تلك الأيام المبكرة كان معتمًا للضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية ، إلا أنه كان شفافًا للموجات الأطول. على سبيل المثال ، من المعروف أن "
أركان الخلق " غير شفافة للضوء المرئي ، ولكن إذا نظرت إليها بالأشعة تحت الحمراء ، يمكنك بسهولة رؤية النجوم داخلها.
على اليسار - منظر بالضوء المرئي ، على اليمين - بالأشعة تحت الحمراء ، على نفس الشيء: أركان الخلق. لاحظ كمية الغاز والغبار الأكثر شفافية تجاه الأشعة تحت الحمراء ، وكيف يؤثر ذلك على الخلفية والنجوم الداخلية.لم يصبح تلسكوب جيمس ويب المرصد الرئيسي للأشعة تحت الحمراء فحسب ، بل تم تصميمه خصيصًا لمراقبة الضوء الذي كان يعمل بالأشعة تحت الحمراء عندما انبعثته النجوم المبكرة. يمتد أبعد من ذلك ، إلى أطوال موجية 30 ميكرون ، في منتصف نطاق الأشعة تحت الحمراء ، سيكون قادرًا على مراقبة الأشياء الموجودة في العصور المظلمة نفسها.
من خلال دراسة مساحات الكون المتزايدة باستمرار ، نحصل على الحساسية ليس فقط للأشياء الخافتة ، ولكن أيضًا لتلك التي "تحجبها" الذرات المحايدة. ولكن مع مراصد الأشعة تحت الحمراء يمكننا رؤيتها أيضًا.ظل الكون معتمًا لفترة طويلة ، حيث كانت الذرات الموجودة بداخله محايدة لفترة طويلة. حتى 98٪ من الكون المتأين يبقى معتمًا للضوء المرئي ، واستغرق الأمر حوالي 500 مليون سنة ليؤثر ضوء النجوم تمامًا على جميع الذرات ويجعل الكون شفافًا. في نهاية العصور المظلمة ، يمكننا رؤية كل شيء في جميع أطوال موجات الضوء ، ولكن قبل ذلك إما أن نكون محظوظين ، أو نحتاج إلى النظر إلى موجات أطول وأقل امتصاصًا.
قول "يجب أن يكون هناك ضوء" ، بعد أن شكلوا النجوم والمجرات ، لا يكفي لإنهاء العصور المظلمة للكون. خلق الضوء هو نصف المعركة فقط. إن خلق بيئة يمكن أن تنتشر فيها إلى أعينك لا يقل أهمية. لهذا نحتاج إلى الكثير من الأشعة فوق البنفسجية والوقت. ولكن إذا نظرت بشكل صحيح ، يمكننا أن ننظر إلى الظلام ونرى ما لم نره من قبل. وفي أقل من عامين ، ستبدأ هذه القصة.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].