الانفجار الصغير

مادة عازلة بيضاء

في عام ١٩٦٤، كان عالِما الفلك الأمريكيان روبرت وودرو ويلسون وأرنو ألان بنزياس يتساءلان عما يجب فعله بشأن حمامتَين تعششان في هوائي بوقي مربع يبلغ طوله ٦ أمتار (٢٠ قدمًا). بُنيَّ الهوائي الموجود في مختبر «بل تليفون» في نيو جيرسي قبل خمس سنواتٍ ليكون بمثابة قناة اتصال بالأقمار الصناعية. وقد صمَّما شكل مخروط الآيس كريم الجانبي الغريب ليكون بمثابة حاجز أمام أي إشارة تنبعث من الأرض أو ترتد عنها، مما يضمن الحصول على قناة اتصال واضحة مع القمر الصناعي. وتتمتع موجات الراديو بالطول الموجي المناسب للانعكاس عن طبقة الأيونوسفير للأرض، وهي إحدى طبقات الغلاف الجوي العليا ومكوَّنة من جسيماتٍ مشحونة. وهذا يعني أننا نستطيع أن نجعلها ترتد عن عمد، ونوجهها نحو هوائي موجود على سطح الأرض. ويُعَدُّ هذا أمرًا رائعًا لأي شخص يستمع إلى محطة راديو ٤ في المرتفعات الاسكتلندية. ومع ذلك، فهو أمر غير مواتٍ لعلماء الفلك؛ لأن ما سيئُول إليه الأمر في نهاية المطاف أن أحدث حلقات المسلسل الدرامي «ذا أرتشيرز» (رماة الأسهم) ستغطي على الإشارة الفلكية المطلوبة وتحجبها. فالتركيز المحدود للهوائي على السماء جعل من الهوائي البوقي في بلدة هومديل جهازًا ممتازًا لإجراء عمليات الرصد الفلكية للسماء، دون أي تداخل أرضي.

إن دور هاتَين الحمامتَين في هذه القصة أسطوري جدًّا، حتى إنه يمكنك رؤية المصيدة التي استخدموها للإمساك بهما عند زيارة المتحف الوطني للطيران والفضاء في واشنطن العاصمة. كنت أعرف الجزء الأول من هذه القصة منذ أيام الدراسة الجامعية، وأثناء بحثي لتأليف هذا الكتاب أمضيتُ وقتًا في معرفة مصير الحمامتَين على أمل الحصول على نهاية سعيدة لهما. لكنها كانت على الأقل نهاية سريعة. نظَّف بنزياس وويلسون التلسكوب، وشغَّلاه، ومع أنه كان خاليًا من الحمام، فإن درجة حرارة الإشارة سجَّلت ٣,٥ كلفن مجددًا. وقد أكدا على مدى العام أن الإشارة ظلت كما هي خلال الدورات اليومية والموسمية. واستبعدا الإشارات المنبعثة من البشر والمعدات المُعطَّلة وبراز الحمام. إذن ما كان مصدر هذه الإشارة؟ اتضح أنه بينما كان بنزياس وويلسون يعتقدان أن الانفجار الصغير للبندقية سيحل مشاكلهما، فقد أدى في واقع الأمر إلى اكتشافهما بقايا إشعاع الانفجار العظيم.

الانفجار العظيم

وبينما كنت أجلس في غرفة مكتبي على الأرض، محدِّقة في السماء، راودني سؤال منطقي يتوجب طرحه: هل كان هناك حقًّا نجم أول؟ فالكون يبدو من حولي منظَّمًا وغير متغيِّر. قد نستمتع بين الحين والآخر بكسوف الشمس، وستأتي أيام يظهر فيها كوكب الزهرة أكثر سطوعًا، وفي بعض الأحيان يعود مذنب هالي ليتابع آخر الأحداث. لكن على مدى عمر الإنسان، سيبدو الكون كما هو منذ بدايته وحتى نهايته. فهو يشبه إلى حَدٍّ ما ذلك الصيف الذي قضيته عندما كان عمرك ١٤ عامًا. هل تتذكره؟ ذلك الصيف الذي كنت تحضر فيه كل يوم كيسًا من الوجبات الخفيفة، وكتابًا، ونقودًا لشراء الحلويات، وكان أصدقاؤك ينتظرونك بدراجاتهم عند البوابة. وكنت تنثر فتات الخبز للحَمام، وتظن أن الوضع سيستمر هكذا إلى الأبد. ففي كون مليء بأطر زمنية لا يمكن تصورها، نجد — نحن البشر الضئيلين للغاية — أنفسنا نقضي إجازتنا الصيفية مرة أخرى. ولذا من الطبيعي أن نعتقد أن الكون اليوم هو نفسه الكون كما كان دائمًا وسيظل هكذا إلى الأبد — كون ساكن، غير متطوِّر. ومن هذا المنظور، لطالما كانت النجوم موجودة طوال الوقت، وبذلك أصبح السؤال عن متى انبثق النجم الأول إلى الوجود سؤالًا بلا معنى.

انزياح الضوء نحو الأحمر والأزرق

عندما تشاهد انفجارًا في أحد أفلام الحركة، يظهر الكثير من المؤثرات. ويتطاير الحطام إلى الخارج، وتشعر الشخصيات بالحرارة الناتجة عن الانفجار وتبتعد عن الضوء الساطع. في يوم هادئ على كوكب الأرض، لا تتوافق هذه المؤثرات مع الكون الآمن المتوقع الذي أعرفه، ولكن هذا لأنني أقارنه في ضوء أطر زمنية غير صحيحة. فأنا لا أشاهد الانفجار منذ بدايته وحتى نهايته، ولكنني أشاهد إطارًا واحدًا من هذا الفيلم خلال الإطار الزمني الخاص بحياتي. قد يبدو أن الأشياء لا تتغير؛ لأنه خلال حوالي ٨٠ عامًا لن يكون التمدد ملحوظًا. ولكنه موجود، ويمكننا قياسه. وإذا نظرنا إلى صورة لمجرة أندروميدا، بصرف النظر عن ذلك النجم العابر الذي أنهى حياته في انفجار ساطع، فستبدو في الغالب كما هي إذا التقطت الصورة بعد يومَين أو عامَين. يمكن لأي شخص أن يكون لديه تصوُّر مختلف لمدى سرعة تحرك شيءٍ ما اعتمادًا على البيئة المحيطة. فعند مشاهدة الطائرات وهي تقلع من المطار تبدو سريعة. لكن عند مشاهدة طائرة بعيدة في الأفق، تتراجع درجة ملاحظة هذه السرعة. ومن ثَمَّ، لا يمكننا تقدير حركات المجرات لأنها بعيدة جدًّا وكبيرة جدًّا، وإن كانت تتحرك.

يتميز كل نجم برمز شريطي مميز خاص به، أو ما يسمى بالطيف. يغطي الضوء الذي ينبعث من النجم نطاقًا واسعًا من الأطوال الموجية، وتوضح الفجوات الموجودة في ذلك الطيف، التي يُطلق عليها اسم خطوط الامتصاص، وجود عناصر كيميائية معينة في أغلفة النجم الجوية. وينطبق الشيء نفسه على المجرات ولكنها تحتوي كذلك على الكثير من الغبار والغاز بين النجمي، الذي يمتص أيضًا الأطوال الموجية للضوء. لنفترض أن هناك مجرة تحتوي في الغالب على نجوم الجمهرة الثالثة وعدد قليل من نجوم الجمهرة الأولى والثانية الأصغر سنًّا التي تحتوي على عناصر أثقل مثل الكربون. يكاد طيف تلك المجرة ألا يحتوي على أي خطوط خاصة بالمعادن، وإذا ظهرت أيٌّ من تلك الخطوط فستكون باهتة. أما المجرة الأصغر سنًّا، فستحتوي على الكثير من خطوط المعادن بسبب النسبة الأكبر من نجوم الجمهرتَين الأولى والثانية التي تحتوي على عناصر أثقل، وستتوافق خطوط الامتصاص مع الخطوط نفسها التي يمكننا اكتشافها من العناصر المشعة في مختبراتنا على الأرض.

يوجد في طيف مجرة أندروميدا خطوط امتصاص مميزة تتطابق مع عنصر الكالسيوم. وتشير الفجوات في طيف مجرة أندروميدا إلى وجود الكالسيوم بكمياتٍ كبيرة في التريليون نجم الموجودة بمجرة أندروميدا، وهو أمر غير مثير للاهتمام في حد ذاته. فلا بد أن يحتوي الطيف القادم من مجرة أندروميدا على خطوط امتصاص الكالسيوم بالأطوال الموجية نفسها التي ينتجها الكالسيوم المشع على الأرض. فالكالسيوم الموجود في إحدى المجرات هو الكالسيوم نفسه الموجود في أي مجرة أخرى. ولا تختلف مستويات الطاقة الموجودة في ذرات الكالسيوم اعتمادًا على موقع الذرة، ومن ثَمَّ ينبغي أيضًا ألا تختلف الأطوال الموجية للضوء الممتص. ومع ذلك، عندما ننظر إلى طيف مجرة أندروميدا، نجد أن خطوط الكالسيوم قد انحرفت عن مكانها المتوقع بمقدار بضعة أجزاء من المليار متر في الطول الموجي. ونظرًا إلى أن خطوط الامتصاص قد انحرفت إلى أطوال موجية أقصر مقارنةً بأطوالها الموجية على كوكب الأرض؛ أي انحرفت نحو الطرف الأزرق من الطيف الكهرومغناطيسي، فإننا نقول إنها قد تعرضت إلى انزياح أزرق. يبدو الأمر كما لو أن الكالسيوم الموجود في مجرة أندروميدا يمتص فوتونات ذات أطوال موجية مختلفة بعض الشيء، وأن الإلكترونات الموجودة في ذرة الكالسيوم مرتبة على نحو مختلف هناك، ولكن لماذا تختلف العناصر الكيميائية بهذا الشكل؟ حسنًا، إن قوانين الكيمياء لا تتغير، وإنما ما يتغير هو الكيفية التي نرى بها الضوء القادم من المجرة.

تخيَّل أننا أشعلنا نارًا. ألقِ فيها كلَّ ما تريد، تلك الكنزة المطرزة التي اعتقدت أنها ستبدو رائعة، صندوقًا عاديًّا يحتوي على مخلفات رفقاء سابقين، المسودات الخمس الأولى من كتابك … يا إلهي، لقد فقدت السيطرة على الحريق! بينما تشق سيارة الإطفاء طريقها إلى كومة الذكريات المريرة المشتعلة، أنصت جيدًا. عندما تقترب سيارة الإطفاء منا، تنبعث كلُّ موجة صوتية متعاقبة من مكان أقرب قليلًا إلينا. ونظرًا إلى تحرك سيارة الإطفاء نحونا، فإن الموجات الصوتية المنبعثة تستغرق وقتًا أقل للوصول إلى آذاننا، مما يزيد التردد الذي تصل به إلينا، ومن ثَمَّ نسمع صوتًا أعلى حِدَّة. ثم تتركنا سيارة الإسعاف بوجوه شاحبة وإحساس بالإحراج، ويزداد الوقت بين وصول الموجات الصوتية المتعاقبة إلى آذاننا. وينخفض التردد الملاحظ للموجات الصوتية وتقل حدة صفارة الإنذار. نطلق على هذه الظاهرة اسم تأثير دوبلر. فعندما تقترب سيارة الإطفاء أو تبتعد، لا يتغير أبدًا صوت صفارة الإنذار التي تصدره، ولكن طريقة إدراكنا له تتغير. تنتهج مجرة أندروميدا نهج سيارة الإطفاء، ولكنها تستخدم الضوء بدلًا من الصوت. فإذا كان مصدر الضوء يتحرك نحونا، فإن مقدمات الموجات تتراكم بعضها بجانب بعض ونقيس طولًا موجيًّا أصغر، ونحصل على ضوء أكثر زُرقة، ناجم عن انزياح الضوء نحو الأزرق. وعلى العكس من ذلك، إذا كان مصدر الضوء يتحرك بعيدًا عنا، فحينها تكون مقدمات الموجة أكثر تشتتًا، ونقيس ترددًا أقل، ونحصل على ضوء أحمر، ناجم عن انزياح الضوء نحو الأحمر. في حالة أندروميدا، تظهر خطوط امتصاص الكالسيوم عند أطوال موجية أكثر زُرقة من تلك التي نعرفها والتي ينتجها العنصر، مما يشير إلى أن مجرة أندروميدا تتحرك نحونا.

شكل ٣-١: تأثير دوبلر في موجات الضوء. يعرض الصف الأوسط طيفًا مبسطًا يحتوي على خطوط امتصاص وفقًا لما جرى رصده في المختبر. ينزاح طيف مجرة أندروميدا نحو الأزرق؛ لأنها تتحرك نحونا (الصف السفلي). معظم المجرات الأخرى تبتعد عنا، ولذا فإن أطيافها تنزاح نحو الأحمر (الصف العلوي).

تمدُّد الكون

عندما نعلم لأول وهلة أن كل شيءٍ يتحرك بعيدًا عنا، فمن السهل أن نستنتج أن ذلك معناه أننا في مركز الكون. ولإدراك السبب وراء عدم صحة هذه الفكرة، يمكننا أن نتخيل تغطية بالون مفرغ من الهواء بالملصقات. أثناء نفخ البالون، ستتحرك الملصقات بعيدًا. وأيًّا كان الملصق الذي تتَّبعه بعينَيك، فستبدو جميع الملصقات الأخرى كأنها تبتعد عنه، تمامًا مثل المجرات التي نرصدها. وستلاحظ كل مجرة في الكون أن غالبية المجرات الأخرى تبتعد عنها. ولذلك، فإن وهم المركزية هذا مشترك بين جميع المجرات، وبالطبع لا يمكن أن ينطبق عليها جميعًا. فإذا اتبعت أي ملصق، فستلاحظ أن الملصقات القريبة تبدو كأنها تتحرك إلى مسافة قصيرة. أما الملصقات البعيدة منذ البداية، فقد انتقلت إلى مسافة أبعد بكثير بسبب تمدُّد البالون فيما بينها. تقطع الملصقات القريبة والبعيدة هذه المسافة القصيرة أو الطويلة في الوقت نفسه، وبالتالي عند النظر إليها من الملصق الذي نتبعه فستبدو كأنها تتحرك بسرعاتٍ مختلفة. وتعتبر زيادة السرعة طرديًّا مع زيادة المسافة هي السمة المميزة لكيفية تصرف الأجسام أثناء التمدد. وقد كان تدفق المجرات بعيدًا عن الأرض، حسبما رصده تلسكوب هابل، أحد الأدلة الأولى على أن كوننا يتمدَّد. إذا رجعنا بالأحداث إلى الوراء، فإن الاستنتاج الطبيعي لتحرك كل شيءٍ بعيدًا هو أنه في الماضي كان كل شيء قريبًا جدًّا من بعضه. وقد أشارت الأدلة إلى حدوث انفجار عظيم. ولكن كان هناك فريق آخر من علماء الفلك لم يقتنعوا بذلك. ووجدوا أن نظرية تطوُّر الكون أمر مقيت، حتى لو كان بإمكانهم قبول حقيقة أنه يتمدَّد. وقد اعتقد علماء الفلك المؤيدون لنظرية الحالة الثابتة للكون أنه مع تمدُّد الكون، تملأ مادة جديدة الفجوات. وقد أدى هذا الاعتقاد إلى الاستغناء عن فكرة أن المادة التي تتطاير الآن في كل اتجاه كانت قريبة جدًّا من بعضها وتشكِّل نقطة ذات كثافة لا متناهية. لم يتمكن علماء الفلك المؤيدون لنظرية الحالة الثابتة من تحديد مصدر هذه المادة الإضافية، ولم يتمكن علماء الفلك المؤيدون لنظرية الانفجار العظيم من معرفة سبب بدء كوننا كنقطة ذات كثافة لا متناهية. وكانت آراء كلا الفريقَين مقبولة في ذلك الوقت.

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي

يمثل قياس بنزياس وويلسون واحدة من نقاط البيانات على طيف الجسم الأسود المتوقع لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي. وقد تحوَّل الاهتمام إلى استكمال بقية الأطوال الموجية. وفي النهاية، تتسم تجربة بنزياس وويلسون بالمحدودية؛ لأنها كانت مَبنية على الأرض. ولم يتمكنا من إجراء قياساتها إلا عند ترددات منخفضة جدًّا، غير كافية للكشف عن طيف الجسم الأسود. وعلى الرغم من قدرة الفوتونات على التنقل عبر الغاز وبين المجرات دون أن يعوقها شيء عن المضي قدمًا في طريقها، فإنها تتوقف تمامًا عندما تصل إلى الأرض. وذلك لأن طاقة فوتون إشعاع الخلفية الكونية الميكروي أصبحت الآن منخفضة جدًّا بالقدر الذي يجعل الماء يمتصها بسهولة في الغلاف الجوي للأرض. ولكي ندرس إشعاع الخلفية الكونية الميكروي دراسةً وافية، علينا تجاوز الغلاف الجوي للأرض والتوجُّه إلى الفضاء. هناك ثلاث بعثات قامت بذلك حتى الآن: بعثة مستكشِف الخلفية الكونية (أُطلقت عام ١٩٨٩)، ومسبار ويلكنسون لقياس التباين الميكروي (٢٠٠١) وتلكسوب بلانك (٢٠٠٩)، حيث أخذت قياساتٍ عند ترددات متعددة وتأكدت من أن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي هو بالفعل طيف جسم أسود بدقة تصل إلى جزء واحد على الأقل من ١٠ آلاف. وأدت الانحرافات الصغيرة عن الطيف إلى تقلبات صغيرة في درجات الحرارة عبر السماء التقط تفاصيلها الدقيقة مسبارُ ويلكنسون لقياس التباين الميكروي وتلسكوبُ بلانك. تقدِّم هذه التقلبات معلوماتٍ بشأن بنية الكون عند النقطة التي انبعث عندها الإشعاع، بعد ٣٨٠ ألف سنة من الانفجار العظيم. وتحتوي البيانات أيضًا على أدلة حول حالة الكون منذ ذلك الحين، التي ستكون أساسية لبحثنا اللاحق عن تتبع آثار النجوم الأولى في الفصل العاشر.

المراحل الأولى للكون: التضخم

المراحل الأولى للكون: التخليق النووي

سأبدأ هذا الجزء بسؤال: «هل هناك نجم أول؟» تخبرنا نظرية الانفجار العظيم أن لكل شيء بداية؛ لأن الكون نفسه له بداية. وقد تطرقنا إلى موضوعاتٍ مثل تضخم الكون والنقاط اللامتناهية الكثافة، ولذا يبدو أن أي سؤال في هذه المرحلة بديهي وغير مستبعد. ومن ثَم يمكننا التساؤل عما يلي: هل انبثق أول نجم بعد الانفجار العظيم بهيئته الكاملة؟ وهل تعتبر المجرات حطامًا حقيقيًّا ناجمًا عن انفجار هائل، وتضاءل حجمُها بطريقة ما لتتناسب مع النقطة اللامتناهية الكثافة ولكنها تضخَّمت حتى وصلت إلى حجمها الكامل اليوم؟

بعد تلك الدقائق الأربع من العمل الشاق، ظلَّ الكون عبارة عن ساحة رقص مليئة بالنوى والإلكترونات والفوتونات، فوضوية للغاية بحيث لا يتوفر للفوتونات مسار واضح في أي مكان. كانت الفوتونات تتصادم مع الإلكترونات في كل مكان، وكانت مساراتها تبدو كأنها خط سير سكِّير مترنح. في حال أنك قُدت سيارتك على أحد الطرق في يوم شديد الحرارة، فربما تكون قد شاهدت سرابًا على الطريق السريع: وهو عبارة عن تذبذب للهواء فوق الطريق. يؤدي اختلاف درجة حرارة الهواء فوق الطريق إلى اختلاف مقدار الانكسار في الهواء، مما يؤدي إلى انحراف الفوتونات عن مساراتها المستقيمة وتشكيل الوهم البصري لطريق متذبذب أو غير موجود. فنحن لم نتمكَّن من رؤية أي شيء باستخدام الضوء قبل ٣٨٠ ألف سنة؛ لأن البيئة كانت شديدة التقلب مما حال دون السماح بانتقال الفوتونات إلى تلسكوباتنا في مساراتٍ خالية من العوائق. في هذه المرحلة، بعد حوالي ٣٨٠ ألف سنة من الانفجار العظيم، اتحدت الإلكترونات الحرة مع البروتونات الحرة، مما أدى إلى تكوين ذرات الهيدروجين في حدث يسمى «إعادة الاتحاد». ومع انخفاض عدد الإلكترونات الحرة، وجدت الفوتوناتُ نفسَها قادرة على التنقل بحرية لأول مرة، ويمكن القول بأن الكون أصبح شفافًا أمام الإشعاع. يتبع طيف هذه الفوتونات توزيع طيف الجسم الأسود. وهذا الإشعاع هو ما قاسه بنزياس وويلسون بالهوائي البوقي ببلدة هومديل. إن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي موجود في كل مكان؛ لأنه انتشر في كل جزء من الكون الصغير الساخن عندما انفجر من نقطة لا متناهية الكثافة. وكان من الممكن أن يصبح الكون أكبر بكثير، لكن الإشعاع، أو بقايا الإشعاع، لا يزال ينتشر فيه. ولا تزال الفوتونات التي نقيسها اليوم تحتفظ بطيف الجسم الأسود، وهو التوزيع الدقيق الذي كنا نتوقعه إذا بدأ الكون بانفجار عظيم. إن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي موجود، تمامًا مثلما كان في عام ١٩٦٤، ولا يزال يُرصَد كتداخل من هوائيات الراديو. إذا كنت تتذكر أيام التلفزيون التناظري، فإن بعض التشويش الذي كان يظهر في القنوات غير مضبوطة التردد كان إشعاعًا من الانفجار العظيم.

•••

يهدف هذا الفصل إلى تفسير النظرية القائلة بوجود نجوم أولى يتعيَّن البحث عنها. وقد استشهدنا بدليلَين رئيسيين على نظرية الانفجار العظيم هما: حركة المجرات المرتدة من حولنا، واكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. وباستخدام خطوط الامتصاص المعروفة التي تنتجها بعضُ العناصر الكيميائية، يمكننا قياس سرعة المجرات واتجاه حركتها من حولنا. ويمكننا ملاحظة أن ضوءها جميعًا دون استثناءٍ ينزاح نحو الأحمر، مما يشير إلى أن المجرات تتحرك بعيدًا عنا، الأمر الذي يكشف عن التمدُّد الضمني للكون. وعلى مدى عقود، تمكَّنا أيضًا من تحديد آثار الإشعاع الناتج عن الانفجار العظيم، حتى نتمكَّن من إعادة إنتاج طيف الجسم الأسود المتوقَّع، والأكثر من ذلك، اكتشاف الانحرافات الصغيرة في درجات الحرارة عبر السماء. لقد عزَّز هذا الدليل من نظرية الانفجار العظيم وجعلها غير قابلة للدحض من الناحية العملية في أذهان معظم العلماء. يمكننا استخدام هذه النظرية للتوصل إلى استنتاجات حول حالة الكون في مراحله الأولى، ومنها أنه لم يكن من الممكن أن يتشكَّل أي شيء أثقل بكثير من الهيليوم؛ وذلك لأن الكون كان يتسم بدرجة عالية من الحرارة والفوضى. فالنجوم الأولى لم تنبثق بهيئتها الكاملة بعد الانفجار العظيم، بل كان عليها أن تتشكَّل لاحقًا من عناصر قليلة جدًّا، هي الهيدروجين والهيليوم فقط.

بعد أن أصبح الكون شفافًا أمام الإشعاع، استقر لفترة طويلة جدًّا. ولو أن أي شخص عاشَ في المراحل الأولى من الكون، فإنه كان سيجده مملًّا ومظلمًا وخاليًا من الأحداث؛ حيث هدأت كل هذه الفوضى مع تمدُّد الكون. وسوف تمر مائة مليون سنة أو أكثر قبل أن يحدث شيءٌ جدير بالملاحظة.