جزء من صورة Hubble eXtreme Deep Field للمراقبة بالأشعة فوق البنفسجية مجتمعة والضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء هي أعمق نظرة في الكون أخذناها. تختلف المجرات المختلفة المرئية هنا على مسافات مختلفة ولديها انزياحات حمراء مختلفة ، مما يسمح لنا باشتقاق قانون هابل.الكون ضخم ، وللمليارات من السنوات الضوئية في جميع الاتجاهات مليئة بالنجوم والمجرات. من الإنفجار الكبير ، يسافر الضوء ، بعيدًا عن كل مصدر خلقه ، ويصل جزء صغير جدًا من هذا الضوء إلى أعيننا. لكن الضوء لا ينتقل فقط عبر الفضاء من نقطة الانبعاث إلى المكان الذي نحن فيه اليوم ؛ إلى جانب ذلك ، يتوسع نسيج الفضاء.
كلما ابتعدت المجرة عنا ، كلما امتدت المساحة بيننا - وتحولت إلى الجزء الأحمر من الطيف - الضوء الذي سيصل في نهاية المطاف إلى أعيننا. بالنظر إلى مسافات أكبر من أي وقت مضى ، نرى زيادة في الانزياح الأحمر. إذا رسمنا كيف تعتمد سرعة الإزالة الواضحة على المسافة ، نحصل على علاقة جميلة ومباشرة:
قانون هابل . لكن منحدر هذا الخط ، ثابت هابل ، ليس في الواقع ثابتًا على الإطلاق. وهذا واحد من أقوى المفاهيم الخاطئة في علم الفلك.
اعتماد الانزياح الأحمر على المسافة للمجرات البعيدة. يتم تحيز النقاط التي لا تقع على الخط بسبب الاختلاف في السرعات الغريبة ، ولكنها تنحرف قليلاً عن الصورة الإجمالية المرصودة. البيانات الأولية ، التي حصل عليها إدوين هابل نفسه ، واستخدمت أولاً لتوضيح توسع الكون ، تتناسب مع مستطيل أحمر صغير في الزاوية اليسرى السفلى.نحن نفهم توسع الكون بطريقتين: نظريًا ومن خلال الملاحظة. بمراقبة الكون ، نرى عدة حقائق مهمة تتعلق بالتوسع:
- الكون يتوسع بسرعة واحدة في جميع الاتجاهات.
- كلما كانت المجرة أبعد ، كلما ابتعدت عنا.
- كل هذا صحيح فقط في المتوسط.
في المجرات الفردية ، هناك مبعثر كبير في السرعات الحقيقية ، موجود بسبب تفاعلات الجاذبية مع كل مادة الكون.
مقطع ثنائي الأبعاد من أجزاء الكون الأقرب إلينا التي تكون كثافتها أعلى (أحمر) وأقل (أزرق / أسود) من متوسط القيمة. تُظهر الخطوط والأسهم اتجاهات السرعات الغريبة ، ولكن هذه الصورة بأكملها مضمنة في نسيج المساحة المتوسعة.لكن هذه المشكلة ليست مستعصية على الحل. هناك أكثر من عدد قليل من المجرات في الكون التي يمكننا قياس المسافة والانزياح الأحمر إليها ؛ أخذنا مثل هذه القياسات حرفيا لملايين المجرات. يمكننا تجميع عدد كبير من المجرات بحيث تكون كل مجموعة على مسافة متوسطة معينة منا ، ويمكننا حساب متوسط انزياحها الأحمر. بعد هذا الإجراء ، نجد علاقة مباشرة تحدد قانون هابل.
لكن هنا المفاجأة. إذا نظرت إلى مسافات كبيرة بما فيه الكفاية ، يصبح من الواضح أن معدل التوسع لم يعد يخضع لقانون مباشر ، ويبدأ في التقريب.
يتوافق اعتماد معدل التمدد المرئي (المحور ص) على المسافة (المحور س) مع حقيقة أن الكون قد تمدد بشكل أسرع في الماضي ، لكنه يتوسع اليوم. هذه نسخة حديثة (2014) من عمل هابل ، تنتشر على مسافات أكبر آلاف المرات. لاحظ أن النقاط لا تشكل خطًا مستقيمًا ، مما يعني أن معدل التوسع يتغير بمرور الوقت.باستخدام مصطلح "ثابت هابل" ، نعني ميل هذا الخط. إذا لم يكن هذا خطًا - أي إذا تغير ميله - فهذا يشير إلى أن معدل توسع هابل للكون ليس ثابتًا! نسميها ثابت هابل لأن الكون يتوسع بنفس السرعة في أي وقت: ثابت هابل ثابت في الفضاء.
لكن معدل التوسع وقيمة ثابت هابل تتغير بمرور الوقت. هذا ليس لغزا ، ولكن ما كان متوقعا. لفهم هذا ، دعونا ننظر إليه من منظور مختلف: نظري.
إيثان سيجل على خلفية السلسلة الزائدة للجمعية الفلكية الأمريكية في عام 2017 ، مع معادلة فريدمان الأولى ، على اليمين.
# مفضلتي
تتنبأ معادلة فريدمان الأولى بمعدل تمدد الكون بناءً على محتوياتهيتم الحصول على
معادلة فريدمان الأولى إذا بدأنا بكون مملوء بشكل موحد بالمادة والإشعاع وجميع أشكال الطاقة الأخرى. الافتراضات الوحيدة المستخدمة هنا هي أن الكون متناحي (نفس الشيء في جميع الاتجاهات) ، متجانس (له نفس الكثافة في كل مكان) ويطيع النظرية النسبية العامة. بقبول ذلك ، تحصل على العلاقة بين حجم H وسرعة هابل (يسار) وأشكال مختلفة من مادة وطاقة الكون (يمين):
معادلة فريدمان الأولى ، كما تُكتب عادةً اليوم. يحدد الجزء الأيسر سرعة التوسع وتطور الزمكان ، ويشتمل الجزء الأيمن على جميع أشكال المادة والطاقة المختلفة ، بالإضافة إلى الانحناء المكانيمن المثير للاهتمام ، مع توسع الكون ، يمكن أن تتغير كثافة المادة والإشعاع والطاقة. على سبيل المثال ، مع توسع الكون ، يزداد حجمه ، لكن العدد الإجمالي للجسيمات يبقى دون تغيير. هذا يعني أنه في الكون الآخذ في الاتساع:
- تنخفض كثافة المادة بمقدار -3 ،
- تنخفض كثافة الإشعاع ، مثل -4 ،
- تظل كثافة الطاقة المظلمة ثابتة وتتطور على شكل صفر ،
حيث
a هو عامل المقياس (المسافة أو نصف القطر) للكون. مع مرور الوقت ، ينمو ، وتصبح المكونات المختلفة للكون أكثر أو أقل أهمية بالنسبة لبعضها البعض.
مثل المادة (أعلاه) ، يتطور الإشعاع (في الوسط) والثابت الكوني (أدناه) بمرور الوقت في الكون الآخذ في الاتساعالكون ذو كثافة طاقة أعلى يتمدد بشكل أسرع. على العكس من ذلك ، الكون ذو كثافة طاقة أقل يتمدد ببطء أكثر. مع تقدم العمر ، يتوسع الكون: مع التمدد ، تصبح المادة والإشعاع أقل كثافة. مع انخفاض الكثافة ، ينخفض معدل التوسع أيضًا. في أي وقت ، يحدد معدل التمدد قيمة ثابت هابل. في الماضي البعيد ، كان معدل التوسع أكبر بكثير ، ولكنه اليوم أبطأ.
مكونات ومساهمات مختلفة في كثافة الطاقة في الكون ، وفترات هيمنتها. إذا كانت السلاسل الكونية أو جدران النطاق موجودة بأي كمية كبيرة ، فستساهم مساهمة كبيرة في توسع الكون. قد يكون هناك بعض المكونات الأخرى للكون التي لم نعد نراها ، أو أنها على وشك إثبات نفسها! حتى يومنا هذا ، تهيمن الطاقة المظلمة ، والمادة مهمة جدًا ، ويمكن إهمال الإشعاع.فلماذا تخضع المجرات البعيدة لهذه العلاقة المباشرة؟ لأن كل الضوء القادم إلى أعيننا ، من الضوء المنبعث من مجرة مجاورة إلى الضوء المنبعث من مجرة تقع على بعد مليارات السنين الضوئية منا ، يصل إلى 13.8 مليار سنة مع اقترابنا منها. بحلول الوقت الذي جاء فيه الضوء ، كان كل شيء في الكون قد عاش نفس الكون المتغير باستمرار كما نحن. كان ثابت هابل في الماضي ، عندما انبعث معظم الضوء ، أعلى ، لكن الأمر استغرق مليارات السنين لإحضار هذا الضوء إلى أعيننا.
يمكن انبعاث الضوء بأطوال موجية مختلفة ، لكن تمدد الكون سيمتد على طول الطريق. سيتم تحويل الضوء المنبعث من المجرة قبل 13.4 مليار سنة في ضوء الأشعة فوق البنفسجية إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء.مع مرور الوقت ، توسع الكون ، مما يعني أن الطول الموجي للضوء زاد. أصبحت الطاقة المظلمة مهمة للغاية فقط في الـ 6 مليار سنة الماضية ، وقد وصلنا إلى النقطة التي تصبح فيها بسرعة العنصر الوحيد في الكون الذي يؤثر على سرعة توسعه. إذا أردنا العودة في وقت كان فيه الكون أصغر بمرتين ، فسيكون معدل التوسع أعلى بنسبة 80٪ مما هو عليه اليوم. وعندما كان الكون 10٪ من العصر الحالي ، كان معدل التمدد أكبر 17 مرة من اليوم.
عندما يصبح الكون أكبر بعشر مرات من اليوم ، سيكون معدل توسعه 18٪ من اليوم.
ظل اللون الأزرق مظللاً لمجموعة من الشكوك المحتملة حول كيفية انحراف كثافة الطاقة المظلمة في الماضي والمستقبل. تشير البيانات إلى وجود "ثابت" كوني حقيقي ، ولكن حتى الآن لم يرفض أحد الاحتمالات الأخرى. لسوء الحظ ، لا يمكن أن يكون تحويل المادة إلى إشعاع مرشحًا للطاقة المظلمة ؛ ونتيجة لذلك ، فإن ما تصرف سابقًا مثل المادة يتصرف ببساطة مثل الإشعاع.كل ذلك بسبب وجود طاقة مظلمة ، تتصرف مثل ثابت كوني. في المستقبل البعيد ، ستصبح المادة والإشعاع غير مهمين نسبيًا مقارنة بالطاقة المظلمة ، مما يعني أن كثافة الطاقة في الكون ستظل ثابتة. في ظل هذه الظروف ، سيصل معدل التوسع إلى قيمة مستقرة ومحدودة ، وسيظل كذلك. في المستقبل البعيد ، سيصبح ثابت هابل ثابتًا ليس فقط في الفضاء ، ولكن أيضًا في الوقت المناسب.
في المستقبل البعيد ، من خلال قياس السرعة والمسافة لجميع الأشياء المرئية ، نحصل على نفس المنحدر لهذا الخط في كل مكان. سيصبح ثابت هابل ثابتًا حقًا.
الأهمية النسبية لمختلف مكونات طاقة الكون في أوقات مختلفة في الماضي. عندما تقترب الطاقة المظلمة من 100٪ في المستقبل ، ستظل كثافة الطاقة في الكون ثابتة خلال فترة زمنية تعسفية كبيرة.إذا عالج الفلكيون الكلمات بشكل أكثر دقة ، فسوف يطلقون على H معلمة هابل وليس ثابت هابل ، لأنه يتغير بمرور الوقت. ولكن لعدة أجيال متتالية ، يمكننا قياس مسافات قصيرة نسبيًا ، وبدا أن H ثابتًا ، لذلك لم نقم بإعادة تسميته. علينا فقط توضيح أن H هي دالة للوقت ، واليوم فقط - عندما نسميها H
0 - هي ثابتة. في الواقع ، تتغير معلمة هابل مع الوقت ، وتبقى ثابتة فقط في جميع أنحاء الفضاء. ولكن إذا عشنا لمستقبل بعيد ، فسوف نرى أن H يتوقف في وقت ما عن التغيير. يمكننا اليوم أن نفصل بعناية القيم الثابتة الحقيقية وتلك التي تتغير بمرور الوقت ، ولكن في المستقبل البعيد ، بفضل الطاقة المظلمة ، لن يكون هذا الاختلاف.