فكرة الفنان عن أوقات الكون التي تشكلت فيها النجوم الأولى. بسبب الضوء والاندماجات ، سوف ينبعث منها إشعاعًا كهرومغناطيسيًا وجاذبية. ولكن هل تحويل المادة إلى طاقة قادر على خلق الجاذبية؟هناك ألغاز حول طريقة معرفتنا للكون ، والجواب لا يزال مجهولا لأي شخص. المادة المظلمة ، الطاقة المظلمة ، التضخم الكوني - كل هذه الأفكار غير مكتملة ، ولا نعرف أي نوع من الجسيمات أو الحقول المسؤولة عنها. من الممكن ، على الرغم من أن معظم المحترفين يعتقدون أنه من غير المحتمل أن يكون لواحدة أو أكثر من هذه الألغاز حل غير قياسي لا يتوقعه أي منا.
لأول مرة في تاريخ عمود "اسأل إيثان" ، تلقيت
سؤالاً من حائز على جائزة نوبل -
جون كرومويل ماثر - يريد أن يعرف ما إذا كانت النجوم ، التي تحول الكتلة إلى طاقة ، يمكن أن تكون مسؤولة عن التأثيرات المنسوبة إلى الطاقة المظلمة:
ماذا يحدث للجاذبية التي تمارسها الكتلة المتلاشية في عملية تحويلها إلى ضوء ونيوترينو عن طريق التفاعلات النووية التي تحدث في النجوم ، أو عندما تتجمع الكتلة في ثقب أسود ، أو عندما تتحول إلى موجات جاذبية؟ بعبارة أخرى ، هل الموجات التثاقلية والموجات الكهرومغناطيسية والنيوترينوات مصدر جاذبية تتطابق تمامًا مع الكتلة الموجودة سابقًا التي تحولت إليها أم لا؟
فكرة رائعة. دعونا نكتشف لماذا.
التوضيح الفني لدمج نجمين نيوترونيين. تمثل شبكة الزمكان التي تغطيها الموجات موجات الجاذبية المنبعثة أثناء التصادم ، والأشعة هي نفاثات أشعة غاما التي تطلق بضع ثوان بعد موجات الجاذبية (يكتشفها الفلكيون في شكل انفجارات أشعة غاما ). في مثل هذه الحالة ، تتحول الكتلة إلى نوعين من الإشعاع.في نظرية أينشتاين العامة للنسبية ، يمكن بناء نموذج للكون يعطي حلولًا دقيقة بعدة طرق فقط. يمكننا أن نصف بدقة الزمكان في عالم فارغ تماما. إذا وضعت كتلة واحدة في عالم فارغ ، ستصبح المهمة أكثر تعقيدًا ، ولكن لا يزال من الممكن كتابة الحل. وإذا وضعت الكتلة الثانية في مثل هذا الكون ، فلن يتم حل المهمة. يمكننا فقط عمل تقديرات ، ومحاولة التوصل إلى حل رقمي. هذه الخاصية المعقدة المزعجة للزمان ، والتي يصعب وصفها بدقة ، تجعلنا نستخدم مثل هذه القوة الضخمة من الكمبيوتر ، والجهد في البحث النظري ، ونقضي الكثير من الوقت لوضع نموذج صحيح لدمج الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية المسجلة بواسطة
LIGO .
لا يتم تحديد عمل الجاذبية فقط من خلال موقع وحجم الكتل ، ولكن أيضًا من خلال كيفية تحرك هذه الكتل بالنسبة لبعضها البعض وتسريعها في مجال الجاذبية الذي يتغير بمرور الوقت. في النسبية العامة ، لا يمكن تحديد نظام يحتوي على أكثر من كتلة بدقة.تصف إحدى الحالات القليلة التي يمكننا فيها إيجاد الحل الدقيق ، كونًا ممتلئًا بكمية متساوية من "المادة" في كل مكان وفي جميع الاتجاهات. لا يهم نوع "الجوهر". يمكن أن يكون مجموعة من الجسيمات ، سائل ، إشعاع ، خاصية الفضاء نفسه ، حقل بالخصائص المطلوبة. يمكن أن يكون مزيجًا من أشياء مختلفة ، على سبيل المثال ، المادة العادية ، المادة المضادة ، النيوترينوات ، الإشعاع ، وحتى المادة المظلمة الغامضة والطاقة المظلمة.
إذا كان هذا يصف كونك ، وتعلم في أي نسب لديك كل هذه المواد ، فأنت تحتاج فقط إلى قياس سرعة تمدد الكون. بعد ذلك ، ستتعلم على الفور كيف توسعت طوال حياتها ، وستتوسع في المستقبل. إذا كنت تعرف ما يتكون الكون ، وكيف يتمدد اليوم ، يمكنك معرفة مصير الكون كله.
تتوافق المتغيرات المتوقعة في تطور الكون (الثلاثة الأوائل) مع كون تتعارض فيه المادة والطاقة مع معدل التمدد الأولي. في كوننا الذي يمكن ملاحظته ، يرتبط التسارع الكوني بنوع من الطاقة المظلمة ، غير المبررة حاليًا. كل هذه الأكوان تحكمها معادلات فريدمان .عند إجراء هذه الحسابات على أساس الكون الذي لاحظناه اليوم ، نحصل على أنها تتكون من:
- 68٪ طاقة مظلمة
- 27٪ من المادة المظلمة
- 4.9٪ من المادة الطبيعية
- 0.1٪ نيوترينو
- 0.01٪ إشعاع
وكمية لا تذكر من المكونات الأخرى: الانحناء ، المادة المضادة ، الأوتار الكونية ، وكل شيء آخر يمكنك تخيله. عدم اليقين الكلي في كميات المكونات المدرجة لا يتجاوز 2٪. تعلمنا أيضًا مصير الكون - أنه سوف يتوسع إلى الأبد - وعمره: 13.8 مليار سنة من الانفجار الكبير. هذا إنجاز رائع لعلم الكون الحديث.
جدول زمني مصور لتاريخ الكون. إذا كانت كمية الطاقة المظلمة صغيرة بما يكفي للسماح للنجوم الأولى بالتشكل ، فإن ظهور المكونات الضرورية للحياة في الكون أمر لا مفر منه تقريبًا. ووجودنا يؤكد هذه الحقيقة.لكن كل هذه الحسابات تتم على أساس نموذج الكون الخاص بنا ، وتقريب التوزيع المنتظم للمواد في جميع أنحاء الكون في جميع الاتجاهات. في الكون الحقيقي ، كما لاحظت ، ينهار كل شيء. هناك كواكب ونجوم ومجموعات من الغاز والغبار والبلازما والمجرات ومجموعات من المجرات
والخيوط الكونية الكبيرة التي تربطها. هناك
فراغات كونية ضخمة تمتد أحيانًا إلى بلايين السنين الضوئية. يسمى الكون المنتظم رياضياً بشكل متجانس ، وكوننا غير متجانس بشكل مدهش. من الممكن أن تكون جميع أفكارنا ، والتي على أساسها توصلنا إلى الاستنتاجات المشار إليها ، غير صحيحة.
تظهر المحاكاة (الحمراء) والملاحظات المجرة (الأزرق / الأرجواني) نفس أنماط العنقود بمقاييس كبيرة. على نطاق صغير ، الكون ليس متجانسًا.ومع ذلك ، على نطاق واسع ، الكون متجانس. إذا نظرت إلى المقاييس الصغيرة ، بحجم النجم أو المجرة أو الكتلة المجرية ، فستجد وجود مناطق ذات كثافة أعلى أو أقل بكثير مقارنة بمتوسط القيمة. ولكن إذا درست مقياس حجم 10 مليار سنة ضوئية ، فإن الكون يبدو في المتوسط تقريبًا كما هو في جميع الأماكن. على أكبر المقاييس ، الكون متجانس بنسبة 99٪.
لحسن الحظ ، يمكننا أن نقيم عدديًا (أو سيئًا) افتراضاتنا عن طريق حساب نتيجة التعرض لاضطرابات غير متجانسة بسبب التجانس على نطاق واسع. أنا شخصياً قمت
بهذه الحسابات في عام 2005 ، ووجدت أن مساهمة عدم التجانس في معدل التوسع لا تتجاوز 0.1 ٪ ، وأنها لا تتصرف مثل المادة المظلمة.
المساهمات الجزئية للطاقة الكامنة الجاذبية W (خط بشرطة طويلة) والطاقة الحركية K (خط صلب) لكثافة الطاقة الإجمالية للكون ، التي تم إنشاؤها كدالة للتوسع الماضي والمستقبلي للكون ، حيث توجد مادة ولكن لا توجد طاقة مظلمة. يشير خط شرطة قصير إلى مجموع مساهمات العوامل غير المتجانسة. تظهر الخطوط المتقطعة النتائج التي تم الحصول عليها من نظرية الاضطرابات الخطية.ولكن هناك احتمال آخر مرتبط بهذه الحسابات - يمكن أن تتغير أنواع معينة من الطاقة من شكل إلى آخر بمرور الوقت. على وجه الخصوص ، بفضل:
- حرق الوقود النووي داخل النجوم ،
- انهيار الجاذبية للسحب يتحول إلى أشياء كثيفة ،
- اندماج النجوم النيوترونية والثقوب السوداء ،
- نهج حلزوني للعديد من أنظمة الجاذبية ،
يمكن أن تتحول المادة أو الكتلة إلى إشعاع أو طاقة. بعبارة أخرى ، من الممكن تغيير سلوك الجاذبية في الكون والتأثير على توسعه (أو انضغاطه) بمرور الوقت.
على الرغم من أننا لاحظنا اندماج الثقوب السوداء في الكون عدة مرات ، فإننا نعلم أن هناك المزيد منها. سوف تسمح لنا ليزا بالتنبؤ ، أحيانًا في غضون بضع سنوات ، بالوقت الذي سيحدث فيه بالضبط اندماج الثقوب السوداء الهائلة.عندما يندمج اثنان من الثقوب السوداء معًا ، يمكن أن يتحول جزء مهم إلى حد ما من الكتلة إلى طاقة: لحم يصل إلى 5 ٪. في الدمج الأول لاثنين من الثقوب السوداء التي اكتشفها LIGO ، تم دمج BHs في 36 كتلة شمسية و BHs في 29 كتلة شمسية ، وشكل BH واحد مع كتلة من 62 كتلة شمسية. ماذا حدث لثلاث كتل شمسية؟ لقد تحولوا إلى طاقة على شكل موجات جاذبية ، وفقًا لـ E = mc
2 من أينشتاين.
لذلك ، يتلخص السؤال في ما يلي: كيف يؤثر الانتقال من الكتلة إلى الإشعاع على تمدد الكون؟ في
عمل حديث ، يدعي نيك غوركافي وألكسندر فاسيلكوف أنه يمكن أن يخلق قوة تنفر من الجاذبية.
محاكاة الكمبيوتر لدمج اثنين من الثقوب السوداء ، وتوليد موجات الجاذبية. عندما تتحول الكتلة إلى إشعاع ، هل تكون القوة الطاردة ممكنة؟لسوء الحظ ، يستند هذا البيان على ما يبدو أنه مضاد للجاذبية فقط. عندما يكون لدينا كمية معينة من الكتلة ، فإننا نختبر جاذبية جاذبية معينة لها: هذا صحيح في كل من نظرية آينشتاين وفي نظرية نيوتن عن الجاذبية. إذا قمت بتحويل الكتلة إلى طاقة وقمت بإشعاعها للخارج بسرعة الضوء ، والتي يتحرك بها كل الإشعاع بلا كتلة ، فعندما يمر هذا الإشعاع أمامنا ، سنجد أن قوة الجذب للكتلة تضعف فجأة.
انحناء التغيرات في الزمكان ، وحيث عانينا من جاذبية جاذبية لأول مرة بحجم معين ، سنبدأ في تجربة جاذبية أقل بنسبة 5٪. رياضيا ، هذا يعادل ظهور قوة قاتلة ومضادة للجاذبية على النظام. لكن في الواقع ، ستختبر هذا الانجذاب المنخفض بسبب تحويل الكتلة إلى طاقة ، وخطورة الإشعاع تعمل بشكل مختلف (خاصة عندما تمر عليك). وقد تم
وصف ذلك بوضوح تام [استجابة للعمل أعلاه].
أي جسم أو شكل مادي أو غير مادي سوف يتشوه عندما تمر عبره موجات الجاذبية. في كل مرة ، عندما تتحرك كتلة واحدة كبيرة مع التسارع من خلال قسم من الزمكان المنحني ، تصبح موجات الجاذبية نتيجة حتمية لهذه الحركة. ومع ذلك ، يمكننا حساب تأثير هذا الإشعاع على الفضاء ، ولا يؤدي إلى أي تنافر أو توسع متسارع.يمكننا أن نذهب إلى أبعد من ذلك ونحسب كيف يؤثر هذا التحول على الكون بأكمله! يمكننا تقييم مساهمة موجات الجاذبية عدديًا في كثافة طاقة الكون ، وأي
جزء من طاقة الكون هو الإشعاع بجميع أنواعه . يتم قياس الإشعاع ، مثل الكتلة ، لذلك مع زيادة حجم الكون (مثل المسافة في المكعب) ، تنخفض كثافة الجسيمات (تتناسب عكسًا مع مكعب المسافة). ولكن ، على عكس الكتلة ، للإشعاع طول موجي ، ومع توسع الفضاء ، يزداد هذا الطول ، وينخفض التردد عكسًا مع المسافة. يصبح الإشعاع أقل أهمية من الجاذبية بشكل أسرع من المادة.
نحتاج أيضًا إلى الحصول على معادلة الحالة الصحيحة. تتغير المادة والإشعاع بمرور الوقت ، لكن الطاقة المظلمة تحافظ على كثافة ثابتة في جميع أنحاء الفضاء مع توسع الكون. بالمضي قدمًا ، نرى أن المشكلة تزداد سوءًا فقط. تهيمن الطاقة المظلمة أكثر فأكثر ، تصبح المادة والإشعاع أقل وأقل أهمية.
تحمل المادة والإشعاع قوة جذابة وتبطئ الكون ، ولكن لا يمكن لأي من هذه الظواهر أن تظل مهيمنة في كثافة الطاقة بينما الكون يتوسع.
منطقة مظللة باللون الأزرق - عدم اليقين المحتمل في كثافة الطاقة المظلمة في الماضي والمستقبل. تشير البيانات إلى أن هذا ثابت كوني حقيقي ، بينما لا نتخلى عن إمكانيات أخرى. لسوء الحظ ، فإن تحويل المادة إلى طاقة غير قادر على لعب دور الطاقة المظلمة ؛ ما تصرف سابقًا مثل المادة يتصرف الآن مثل الإشعاع.إذا أردنا إنشاء كون بتوسع متسارع ، إذا حكمنا وفقًا لأفضل معرفتنا ، فسوف نحتاج إلى شكل جديد من الطاقة ، يختلف عن المعروف بالفعل. أطلقنا على هذا الشكل الطاقة المظلمة ، على الرغم من أننا لسنا متأكدين 100 ٪ من طبيعتها.
ومع ذلك ، على الرغم من جهلنا في هذا المجال ، يمكننا أن نحدد بوضوح ما هي الطاقة المظلمة. هذه ليست نجوم تحرق وقودها. لا يهم انبعاث موجات الجاذبية ؛ هذه ليست عواقب انهيار الجاذبية. وهي ليست نتيجة عمليات اندماج أو تقارب في دوامة. من الممكن أن يحل بعض قانون الجاذبية الجديد محل قوانين آينشتاين في نهاية المطاف ، ولكن في سياق النسبية العامة ، من المستحيل شرح ملاحظاتنا الحالية بمساعدة الفيزياء المعروفة. علينا أن نكتشف شيئًا جديدًا حقًا.