الفلك

مع توسع الكون ، هل تتوسع أشياء مثل الكواكب أيضًا ، أم مجرد الفضاء الموجود بينهما؟

مع توسع الكون ، هل تتوسع أشياء مثل الكواكب أيضًا ، أم مجرد الفضاء الموجود بينهما؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

فقط ما يقوله السؤال. مع توسع الكون ، وتوسع الفضاء ، هل تتوسع أجرام مثل الكواكب؟ هل تتسع المساحة الموجودة داخل تلك الأجسام؟


فكر في الكون على أنه بالون منتفخ جزئيًا. إذا قللت من ضغط الهواء خارج البالون ، فسيتم نفخ البالون. لقد انخفضت كثافة الهواء في البالون لأن الكتلة هي نفسها ولكنها تشغل مساحة أكبر. انتشرت جزيئات الهواء بعيدًا عن بعضها البعض ولكن الجزيئات نفسها لا تتمدد. هذا هو نفس الشيء الذي يحدث لكل شيء في كوننا وهو يتوسع. زادت المسافة بين مكونات الجسيمات.


الأشياء التي ترتبط بقوى أخرى لن يتم فصلها عن طريق توسع الكون. على سبيل المثال ، لا تتمدد الكواكب بسبب التوسع الكوني. النظام الشمسي ليس كذلك لأنه مرتبط ببعضه البعض بواسطة الجاذبية. ومع ذلك ، فإن المسافة بين المجرات أو بين مجموعات المجرات تتسع.


ما هو كوكب خارج المجموعة الشمسية؟

الأرض والقمر جزء من الكون ، وكذلك الكواكب الأخرى وعشرات الأقمار. إلى جانب الكويكبات والمذنبات ، تدور الكواكب حول الشمس. الشمس هي واحدة من بين مئات المليارات من النجوم في مجرة ​​درب التبانة ، ومعظم هذه النجوم لها كواكبها الخاصة ، والمعروفة باسم الكواكب الخارجية.

مجرة درب التبانة ليست سوى واحدة من بلايين المجرات في الكون المرئي ، ويُعتقد أن جميعهم ، بما في ذلك مجرتنا ، لديهم ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكزهم. كل النجوم في كل المجرات وكل الأشياء الأخرى التي يستطيع علماء الفلك ملاحظتها هي جزء من الكون. إنه ببساطة كل شيء.

على الرغم من أن الكون قد يبدو مكانًا غريبًا ، إلا أنه ليس بعيدًا. أينما كنت الآن ، يبعد الفضاء الخارجي 62 ميلاً (100 كيلومتر) فقط. ليلا أو نهارا ، سواء كنت في الداخل أو في الهواء الطلق ، نائما ، تتناول الغداء أو تغفو في الفصل ، الفضاء الخارجي على بعد بضع عشرات من الأميال فوق رأسك. انها & rsquos أدناه لك أيضا. حوالي 8000 ميل (12800 كيلومتر) تحت قدميك و [مدش] على الجانب الآخر من الأرض و [مدش] يتربص بالفراغ الذي لا يرحم وإشعاع الفضاء الخارجي.

في الواقع ، أنت & rsquore تقنيًا في الفضاء الآن. يقول البشر & ldquoout في الفضاء & rdquo كما لو كان & rsquos هناك ونحن & rsquos هنا ، كما لو كانت الأرض منفصلة عن بقية الكون. لكن الأرض كوكب ، وهي موجودة في الفضاء وجزء من الكون تمامًا مثل الكواكب الأخرى. يحدث فقط أن الأشياء تعيش هنا وأن البيئة بالقرب من سطح هذا الكوكب المعين هي مضيافة للحياة كما نعرفها. الأرض هي استثناء صغير وهش في الكون. بالنسبة للبشر والأشياء الأخرى التي تعيش على كوكبنا ، فإن الكون بأكمله عمليا هو بيئة معادية وعديمة الرحمة.


محتويات

في علم الكونيات ، تُعرَّف وحدة المسافة على أنها الضوء مضروبًا في الزمن. أنشأ إدوين هابل ، مؤسس قانون هابل والرجل الذي أثبت أن الكون يتمدد ، وحدة للمسافة تُعرف باسم طول هابل. وحدة واحدة من طول هابل هي ج / ح0. هذا القياس يساوي حوالي أربعة عشر مليار سنة ضوئية. [4]

مع توسع الكون ، تنحسر المسافة بين الأشياء وتصبح أبعد في المسافة. هذا هو التأثير الأكثر وضوحا وضوحا الناجم عن التوسع الكوني. على الرغم من أن المسافة بين الكائنات تتسع ، إلا أن الكائنات نفسها تحافظ على الحجم نفسه. هناك تشبيهات مختلفة للمساعدة في شرح هذا المفهوم. مثال على ذلك هو قياس خبز الزبيب. إذا كانت هناك كرة من عجينة خبز الزبيب التي تتكون من عجينة الخبز مع الزبيب المتناثرة في جميع أنحاء العجين ، يتم وضع الخبز في الفرن ويبدأ في التمدد. مع توسع الخبز ، يصبح الزبيب بعيدًا عن بعضهما البعض. كلما كانت الزبيب بعيدًا عن بعضها البعض ، زادت سرعة انحسارها عن بعضها البعض. ينطبق هذا بشكل أساسي على التوسع الكوني في كيفية تباعد المجرات عن بعضها البعض ، وكلما زادت سرعة انحسارها عن بعضها البعض. [5]


الكون

الكون هو كل ما يمكننا لمسه أو الشعور به أو الشعور به أو قياسه أو اكتشافه. وتشمل الكائنات الحية والكواكب والنجوم والمجرات وسحب الغبار والضوء وحتى الوقت. قبل ولادة الكون ، لم يكن الزمان والمكان والمادة موجودين.

يحتوي الكون على بلايين المجرات ، كل منها يحتوي على ملايين أو بلايين النجوم. الفضاء بين النجوم والمجرات فارغ إلى حد كبير. ومع ذلك ، حتى الأماكن البعيدة عن النجوم والكواكب تحتوي على جزيئات متناثرة من الغبار أو بضع ذرات هيدروجين لكل سنتيمتر مكعب. الفضاء مليء أيضًا بالإشعاع (مثل الضوء والحرارة) والمجالات المغناطيسية والجسيمات عالية الطاقة (مثل الأشعة الكونية).

الكون ضخم بشكل لا يصدق. سيستغرق الأمر أكثر من مليون عام من المقاتلة النفاثة الحديثة للوصول إلى أقرب نجم إلى الشمس. السفر بسرعة الضوء (300000 كم في الثانية) ، سوف يستغرق الأمر 100000 سنة لعبور مجرتنا درب التبانة وحدها.

لا أحد يعرف الحجم الدقيق للكون ، لأننا لا نستطيع رؤية الحافة - إن وجدت. كل ما نعرفه هو أن الكون المرئي يمتد على الأقل 93 مليار سنة ضوئية. (السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة - حوالي 9 تريليون كيلومتر).

لم يكن الكون دائمًا بالحجم نفسه. يعتقد العلماء أنها بدأت في الانفجار العظيم ، الذي حدث منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. منذ ذلك الحين ، تمدد الكون للخارج بسرعة عالية جدًا. لذا فإن مساحة الفضاء التي نراها الآن أكبر بمليارات المرات مما كانت عليه عندما كان الكون صغيرًا جدًا. تتباعد المجرات أيضًا مع توسع المساحة بينهما.


9 من أكثر الحقائق إثارة للعقل حول الكون

الكون مكان محير للعقل. فيما يلي 9 من أكثر اكتشافات الفضاء المذهلة في الآونة الأخيرة.

تم إغلاق هذا التنافس الآن

تاريخ النشر: 30 أبريل 2020 الساعة 2:21 مساءً

إن الكون مذهل. ضعها على هذا النحو: كل مادتها العادية ، كل الجسيمات التي تصنعنا وكل ما يمكننا رؤيته تشكل 4٪ فقط من مادته. اكتشفنا فقط مكون الكتلة الرئيسي للكون ، الشيء الذي يشكل 70٪ منه ، في عام 1998. نسميها الطاقة المظلمة - على الرغم من أنه لا أحد لديه أدنى فكرة عن ماهيتها بالضبط.

اقرأ المزيد عن عالمنا المذهل:

الكون "، على حد تعبير عالم الأحياء البريطاني جيه بي إس هالدين ،" ليس أغرب مما نتخيل. إنه أغرب مما يمكن أن نتخيله ". احتفالًا بهذه الحقيقة المبهجة ، إليك 9 من أكثر اكتشافات الفضاء إذهالًا في الآونة الأخيرة.

يوجد ثقب أسود هائل في قلب كل مجرة

غالبًا ما تضخ المجرات النشطة 100 مرة ضوءًا أكثر من المجرة العادية. مع اكتشاف النجوم الزائفة في عام 1963 ، كان من الواضح أن الضوء لا يأتي من النجوم ولكن من منطقة مركزية أصغر من النظام الشمسي.

مصدر الطاقة الوحيد الذي يمكن تصوره هو المادة التي يتم تسخينها حتى تتوهج بينما تدور حول ثقب أسود عملاق تصل كتلته إلى 50 مليار ضعف كتلة الشمس.

في التسعينيات ، وجد تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا أنه على الرغم من أن المجرات النشطة تمثل حوالي 1٪ فقط من المجرات ، فإن الثقوب السوداء فائقة الكتلة ليست شذوذًا.

تحتوي كل مجرة ​​تقريبًا ، بما في ذلك مجرتنا درب التبانة ، على مجرة ​​واحدة ، لكنها تفتقر إلى الإمدادات الغذائية ، ومعظمها قد توقف عن العمل.

ما الذي تفعله الثقوب السوداء الهائلة في قلوب المجرات؟ هل كانت البذور التي تجمدت حولها المجرات؟ أو هل ولدتهم المجرات حديثة الولادة؟ تظل هذه بعضًا من أكبر الأسئلة التي لم يتم حلها في الفيزياء الفلكية.

الكون له نفس درجة الحرارة في كل مكان

تم تكديس حرارة كرة الانفجار العظيم في الكون. لم يكن لديها مكان تذهب إليه ، لذلك فهي لا تزال حولنا اليوم.

والشيء الغريب هو أن درجة حرارته - 2.725 درجة مئوية فوق الصفر المطلق (-270 درجة مئوية) ، وهي أدنى درجة حرارة ممكنة - هي نفسها في الأساس في كل مكان.

ومع ذلك ، إذا تخيلنا تمددًا كونيًا يسير للخلف ، مثل فيلم في الاتجاه المعاكس ، فسنجد أن أجزاء من الكون الموجودة على جوانب متقابلة من السماء اليوم لم تكن على اتصال عندما تحطمت كرة الإشعاع النارية خالية من المادة.

بعبارة أخرى ، لم يكن هناك وقت كافٍ لتنتقل الحرارة بينها وبين درجة الحرارة حتى تتساوى منذ ولادة الكون.

يصلح علماء الفلك هذا من خلال الحفاظ على أن الكون في وقت مبكر كان أصغر بكثير مما كان متوقعًا ، لذلك كانت الحرارة تدور بسهولة.

للانتقال من هذا الحجم الأصغر إلى حجمه الحالي ، كان على الكون أن يمر بمرحلة أولية من التوسع الفائق السرعة ، المعروف باسم التضخم.

95٪ من الكون غير مرئي

هناك اكتشاف مذهل لدرجة أنه لم يتدفق بعد إلى وعي معظم العلماء العاملين: فكل ما كان العلم يدرسه خلال الـ 350 عامًا الماضية ما هو إلا ملوث بسيط للكون.

حوالي 4.9٪ فقط من كتلة الطاقة في الكون هي ذرات: نوع الأشياء التي تتكون منها أنت ، أنا ، النجوم والمجرات (ومن ذلك ، تم رصد نصفها فقط بواسطة التلسكوبات).

حوالي 26.8٪ من كتلة الطاقة الكونية عبارة عن مادة مظلمة غير مرئية ، وقد تم الكشف عنها لأنها تجذب الأشياء المرئية بجاذبيتها.

من بين المرشحين لما تشكل المادة المظلمة جسيمات دون ذرية غير معروفة حتى الآن وثقوب سوداء صنعت في الانفجار العظيم.

ولكن بالإضافة إلى المادة المظلمة ، توجد طاقة مظلمة تمثل 68.3٪ من كتلة طاقة الكون.

إنه غير مرئي ، يملأ كل الفضاء ويسرع التوسع الكوني. وأفضل نظرية لدينا - نظرية الكم - تبالغ في تقدير كثافة طاقتها بعامل واحد متبوعًا بـ 120 صفرًا!

ولد الكون

الكون لم يوجد إلى الأبد. ولدت. منذ 13.82 مليار سنة ، اندلعت كل المادة والطاقة والفضاء وحتى الزمان في كرة نارية عملاقة تسمى الانفجار العظيم.

بدأت كرة النار في التوسع ، ومن بين الحطام المبرد ، تجمدت المجرات في النهاية - وهي جزر كبيرة من النجوم التي تعد مجرتنا درب التبانة واحدة من بين ما يقدر بنحو تريليونين. هذه باختصار نظرية الانفجار العظيم.

مهما كانت الطريقة التي تنظر إليها ، فإن فكرة أن الكون ظهر إلى الوجود من لا شيء - أنه كان هناك يوم بدون البارحة - هي فكرة مجنونة تمامًا. لكن هذا ما يخبرنا به الدليل.

يطرح سؤال فوري: ماذا حدث قبل الانفجار العظيم؟

إن الإحجام عن مواجهة هذا السؤال المحرج هو لماذا كان يتعين على معظم العلماء الانجرار والركل والصراخ لقبول فكرة الانفجار العظيم.

معظم الأشياء في الكون لها جاذبية مثيرة للاشمئزاز

الكون يتوسع ، المجرات المكونة له تتطاير مثل قطع الشظايا الكونية في أعقاب الانفجار العظيم. يجب أن تكون القوة الوحيدة التي تعمل هي الجاذبية ، والتي تعمل مثل شبكة مرنة بين المجرات ، مما يؤدي إلى إبطائها.

لكن في عام 1998 ، وعلى عكس كل التوقعات ، وجد علماء الفلك أن تمدد الكون يتسارع بالفعل.

لتفسير ذلك ، افترضوا وجود أشياء غير مرئية ، أطلقوا عليها اسم الطاقة المظلمة ، التي تملأ الفضاء ولها جاذبية مثيرة للاشمئزاز. إن الجاذبية الطاردة لهذه الطاقة المظلمة هي التي تسرع التوسع الكوني.

تمثل الطاقة المظلمة ما يقرب من ثلثي كتلة طاقة الكون. لذلك ، فإن علم المدرسة متأخر عن القول إن الجاذبية سيئة. في معظم الكون ينفجر!

تنتج الشمس فقط ثلث النيوترينوات المتوقعة

ارفع إبهامك. 100 مليار نيوترينوات تمر عبر إبهامك كل ثانية. قبل 8.5 دقيقة كانوا في قلب الشمس.

النيوترينوات الشمسية هي نتاج ثانوي للتفاعلات النووية المولدة لأشعة الشمس. عندما شرع راي ديفيس في اكتشافها باستخدام 100000 جالون من سائل التنظيف أسفل منجم في ساوث داكوتا ، توقع تأكيد الصورة القياسية للشمس.

بدلاً من ذلك ، وجد ثلث النيوترينوات المتوقعة فقط ، وهو أمر لم تؤكده التجارب اللاحقة فحسب ، بل أدى إلى حصوله على جائزة نوبل.

النيوترينوات عبارة عن جسيمات شبه ذرية شبحية توجد في تراكب كمي غريب - على غرار حيوان يكون في نفس الوقت بقرة وخنزير ودجاجة.

أثناء سفرهم من الشمس ، يتنقلون بين كونهم نيوترينو إلكتروني ، نيوترينو ميوني ونيوترينو تاو ، وهذا هو السبب في أن التجارب الحساسة لنوع واحد فقط تلتقط ثلث العدد المتوقع.

تختلف معظم أنظمة الكواكب عن أنظمتنا

يكره العلماء استدعاء أي شيء مميز عن وضعنا في الكون. "خاص" غير محتمل بينما "النموذجي" محتمل.

لكن اكتشاف كواكب حول نجوم أخرى - في آخر إحصاء ، تم تأكيد أكثر من 3500 - خلق صداعا. لا شيء مثلنا.

هناك أنظمة كوكبية مدمجة للغاية حيث تدور جميع الكواكب حول نجمها الأصلي أكثر من كوكب عطارد ، وهو الكوكب الأعمق في النظام الشمسي ، إلى الشمس.

هناك كواكب ذات كتلة المشتري يجب أن تكون قد هاجرت إلى الداخل.

هناك كواكب في مدارات إهليلجية للغاية ، تشبه تلك الموجودة في المذنبات.

وهناك كواكب تدور بالطريقة الخاطئة حول نجومها.

بالنظر إلى أنه يُعتقد أن الكواكب تتجمد من الغاز والغبار الذي يدور في نفس الاتجاه حول الشمس المولودة حديثًا ، فإن هذا الاكتشاف الأخير يصعب تفسيره بشكل خاص.

حتى الآن ، لا أحد يعرف ما إذا كان غرابة نظامنا الشمسي له أي علاقة بظهور الجنس البشري لملاحظة ذلك.

جاءت أول موجات الجاذبية المكتشفة من نظام ثقب أسود ثنائي لم يتوقعه أحد

في 14 سبتمبر 2015 ، تم الكشف عن موجات الجاذبية على الأرض لأول مرة. جاءت هذه التموجات في نسيج الزمكان - التي تنبأ بها أينشتاين عام 1916 - من اندماج ثقبين أسودين في مجرة ​​بعيدة.

باختصار ، كانت الطاقة التي تم ضخها أكبر 50 مرة من كل النجوم في الكون مجتمعة. لكن هذا لم يكن الجانب الوحيد الذي أذهل الجميع في الحدث.

كان كل من الثقوب السوداء في نطاق الكتلة الشمسية الثلاثين. نظرًا لأن الثقب الأسود هو ما تبقى بعد انفجار معظم النجوم في الفضاء على شكل مستعر أعظم ، يجب أن تزن النجوم الأولية 300 كتلة شمسية على الأقل.

هذه النجوم نادرة بشكل لا يصدق اليوم. لكن من الممكن أن يكون الثقبان الأسودان من بقايا الجيل الأول من النجوم - التي يُعتقد أنها ضخمة - أو حتى الثقوب السوداء البدائية التي ولدت في جحيم الانفجار العظيم نفسه.

يبدو أننا وحدنا

هناك ما يقرب من 100،000،000،000،000،000،000،000 نجم في الكون. وربما كواكب أكثر من النجوم. ومع ذلك ، في كل هذه الضخامة لا يوجد سوى مكان واحد نعرفه أين توجد الحياة: الأرض.

على الرغم من البحث عن إشارات ذكية ، لم يتم العثور على أي علامة على وجود حياة ذكية خارج كوكب الأرض. في الواقع ، هناك حجة جيدة مفادها أنه إذا كانت مثل هذه الأشكال من الحياة موجودة هناك ، فلا يجب أن نرى علامات عليها فحسب ، بل يجب أن تكون قد أتت بالفعل إلى هنا.

"أين هم؟" سأل الفيزيائي إنريكو فيرمي. يعتقد بعض علماء الفلك أن الإجابة هي أننا وحدنا ، ويجب أن يكون أحدهم هو الأول.

لكن عدم وجود دليل ليس دليلا على الغياب. لقد استغرق الأمر ثلاثة مليارات سنة حتى ننتقل من الخلايا الفردية إلى الحياة المعقدة ، مما يشير إلى أن اتخاذ هذه الخطوة صعب.

قد تكون الحضارات التكنولوجية مثل حضارتنا نادرة ومدة حياتها قصيرة ربما نكون قد فوتنا أي حضارات أخرى بملايين أو بلايين السنين. البديل الآخر هو أن أقرب واحد قد يكون ببساطة بعيدًا جدًا عن اكتشافه.

ماركوس تشاون كاتب ومؤلف علمي. ظهر هذا المقال في الأصل في عدد يناير 2018 منمجلة بي بي سي سكاي آت نايت.


26.5 الكون المتوسع

نصل الآن إلى أحد أهم الاكتشافات التي تم إجراؤها في علم الفلك - حقيقة أن الكون يتمدد. قبل أن نصف كيف تم الاكتشاف ، يجب أن نشير إلى أن الخطوات الأولى في دراسة المجرات جاءت في وقت كانت فيه تقنيات التحليل الطيفي أيضًا تخطو خطوات كبيرة. يمكن لعلماء الفلك الذين يستخدمون تلسكوبات كبيرة تسجيل طيف نجم أو مجرة ​​باهتة على لوحات فوتوغرافية ، وتوجيه تلسكوباتهم حتى يظلوا موجهين إلى نفس الجسم لعدة ساعات ويجمعون المزيد من الضوء. احتوت أطياف المجرات الناتجة على ثروة من المعلومات حول تكوين المجرة وسرعات هذه الأنظمة النجمية العظيمة.

ملاحظات سليفر الرائدة

من الغريب أن اكتشاف توسع الكون بدأ بالبحث عن المريخ والأنظمة الشمسية الأخرى. في عام 1894 ، أنشأ عالم الفلك المثير للجدل (والثري) بيرسيفال لويل مرصدًا في فلاغستاف ، أريزونا ، لدراسة الكواكب والبحث عن الحياة في الكون. اعتقد لويل أن السدم الحلزونية قد تكون أنظمة شمسية في طور التكوين. لذلك طلب من أحد علماء الفلك الشباب في المرصد ، فيستو إم سليفر (الشكل 1) ، تصوير أطياف بعض السدم الحلزونية لمعرفة ما إذا كانت خطوطها الطيفية قد تُظهر تركيبات كيميائية مثل تلك المتوقعة للكواكب حديثة التكوين.

فيستو إم سليفر (1875-1969).

شكل 1. قضى سليفر كامل حياته المهنية في مرصد لويل ، حيث اكتشف السرعات الشعاعية الكبيرة للمجرات. (الائتمان: مرصد لويل)

كانت الأداة الرئيسية لمرصد لويل عبارة عن تلسكوب انكسار قياسه 24 بوصة ، والذي لم يكن مناسبًا على الإطلاق لرصد السدم الحلزونية الخافتة. مع التكنولوجيا المتاحة في تلك الأيام ، كان لابد من تعريض لوحات التصوير الفوتوغرافي لمدة 20 إلى 40 ساعة لإنتاج طيف جيد (حيث يمكن أن تكشف مواضع الخطوط عن حركة مجرة). هذا يعني في كثير من الأحيان الاستمرار في كشف نفس الصورة لعدة ليال. ابتداءً من عام 1912 ، وبذل جهود بطولية على مدى حوالي 20 عامًا ، تمكن سليفر من تصوير أطياف أكثر من 40 من السدم الحلزونية (والتي ستتحول جميعها إلى مجرات).

ولدهشته ، أظهرت الخطوط الطيفية لمعظم المجرات أمرًا مذهلاً الانزياح الأحمر. نعني بـ "الانزياح الأحمر" أن الخطوط في الأطياف يتم إزاحتها نحو أطوال موجية أطول (باتجاه النهاية الحمراء للطيف المرئي). تذكر من الفصل الخاص بالإشعاع والأطياف أن الانزياح الأحمر يظهر عندما يتحرك مصدر الأمواج بعيدًا عنا. أظهرت ملاحظات سليفر أن معظم الحلزونات تتسابق بعيدًا بسرعات هائلة وكانت أعلى سرعة قام بقياسها 1800 كيلومتر في الثانية.

فقط عدد قليل من الحلزونات - مثل مجرة ​​أندروميدا ومثلث المجرات و M81 - وكلها معروفة الآن بأنها جيراننا القريبين ، تبين أنها تقترب منا. كانت جميع المجرات الأخرى تبتعد. أعلن سليفر عن هذا الاكتشاف لأول مرة في عام 1914 ، قبل سنوات من أن أظهر هابل أن هذه الأجسام كانت مجرات أخرى وقبل أن يعرف أي شخص كم هي بعيدة. لم يكن أحد في ذلك الوقت يعرف تمامًا ما يجب فعله بهذا الاكتشاف.

قانون هابل

أصبحت الآثار العميقة لعمل سليفر واضحة فقط خلال عشرينيات القرن الماضي.كان جورج ليميتر كاهنًا بلجيكيًا وعالم فلك مدربًا. في عام 1927 ، نشر بحثًا باللغة الفرنسية في مجلة بلجيكية غامضة اقترح فيها أننا نعيش في عالم يتسع. عنوان الورقة (المترجم إلى الإنجليزية) هو "كون متجانس ذو كتلة ثابتة ونصف قطر متزايد يمثل السرعة الشعاعية للسدم خارج المجرة." اكتشف Lemaître أن معادلات النسبية لأينشتاين كانت متوافقة مع الكون المتوسع (كما فعل العالم الروسي ألكسندر فريدمان بشكل مستقل في عام 1922). ثم ذهب Lemaître لاستخدام بيانات Slipher لدعم الفرضية القائلة بأن الكون في الواقع يتمدد ولتقدير معدل التوسع. في البداية ، لم يول العلماء اهتمامًا كبيرًا لهذه الورقة ، ربما لأن المجلة البلجيكية لم تكن متاحة على نطاق واسع.

في غضون ذلك ، كان هابل يقوم برصد المجرات باستخدام تلسكوب يبلغ ارتفاعه 2.5 مترًا على جبل. ويلسون ، التي كانت آنذاك الأكبر في العالم. أجرى هابل الملاحظات الرئيسية بالتعاون مع رجل رائع ، ميلتون هيوماسون ، الذي ترك المدرسة في الصف الثامن وبدأ حياته المهنية الفلكية من خلال قيادة قطار بغل على درب جبل ويلسون إلى المرصد (الشكل 2). في تلك الأيام الأولى ، كان لا بد من إحضار الإمدادات بهذه الطريقة حتى صعد علماء الفلك إلى قمة الجبل لدورهم عند التلسكوب. أصبح هيوماسون مهتمًا بعمل علماء الفلك ، وبعد الزواج من ابنة كهربائي المرصد ، تولى وظيفة بواب هناك. بعد فترة ، أصبح مساعدًا ليليًا ، يساعد علماء الفلك في تشغيل التلسكوب وتسجيل البيانات. في النهاية ، وضع علامة لدرجة أنه أصبح عالم فلك كامل في المرصد.

ميلتون هيوماسون (1891–1972).

الشكل 2. كان Humason متعاونًا مع Hubble في المهمة العظيمة المتمثلة في مراقبة وقياس وتصنيف خصائص العديد من المجرات. (الائتمان: أرشيف معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا)

بحلول أواخر العشرينيات من القرن الماضي ، كان هيوماسون يتعاون مع هابل من خلال تصوير أطياف المجرات الخافتة بالتلسكوب الذي يبلغ طوله 2.5 مترًا. (بحلول ذلك الوقت ، لم يكن هناك شك في أن السدم الحلزونية كانت في الواقع مجرات.) وجد هابل طرقًا لتحسين دقة تقديرات المسافات إلى المجرات الحلزونية ، وكان قادرًا على قياس مجرات أكثر خفوتًا وبُعدًا مما يستطيع سلايفر. مراقبة مع تلسكوبه الأصغر بكثير. عندما وضع هابل تقديرات المسافة الخاصة به بجانب قياسات سرعات الركود (السرعة التي تتحرك بها المجرات بعيدًا) ، وجد شيئًا مذهلاً: كانت هناك علاقة بين المسافة والسرعة للمجرات. كلما ابتعدت المجرة ، زادت سرعة انحسارها عنا.

في عام 1931 ، هابل و Humason قاما بشكل مشترك بنشر الورقة البحثية حيث قارنوا مسافات وسرعات المجرات البعيدة التي تبتعد عنا بسرعات تصل إلى 20000 كيلومتر في الثانية وتمكنا من إظهار أن سرعات ركود المجرات تتناسب طرديًا مع مسافاتها منا (الشكل 3) ، كما اقترح Lemaître.

قانون هابل.

الشكل 3. (أ) تُظهر هذه البيانات علاقة هابل الأصلية بين السرعة والمسافة ، مقتبسًا من مقالته عام 1929 في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. (ب) تُظهر هذه البيانات علاقة السرعة والمسافة بين هابل وهيوماسون ، مقتبسًا من بحثهما الصادر عام 1931 في مجلة الفيزياء الفلكية. النقاط الحمراء في أسفل اليسار هي النقاط الموجودة في الرسم التخطيطي في ورقة عام 1929. توضح المقارنة بين الرسمين البيانيين مدى سرعة تقدم تحديد مسافات المجرة والانزياح الأحمر في العامين بين هذه المنشورات.

نحن نعلم الآن أن هذه العلاقة تنطبق على كل مجرة ​​باستثناء عدد قليل من أقرب المجرات. تبين أن جميع المجرات التي تقترب منا تقريبًا هي جزء من مجموعة مجرات درب التبانة الخاصة ، والتي لها حركاتها الفردية ، تمامًا كما قد تطير الطيور التي تحلق في مجموعة في اتجاهات مختلفة قليلاً بسرعات مختلفة قليلاً على الرغم من أن قطيع كامل يسافر عبر الفضاء معًا.

مكتوبًا كصيغة ، فإن العلاقة بين السرعة والمسافة هي

أين الخامس هي سرعة الركود ، د هي المسافة و ح هو رقم يسمى ثابت هابل. تُعرف هذه المعادلة الآن باسم قانون هابل.

ثوابت التناسب

العلاقات الرياضية مثل قانون هابل شائعة جدًا في الحياة. لنأخذ مثالاً بسيطًا ، افترض أن كليتك أو جامعتك وظفتك للاتصال بالخريجين الأثرياء وطلب التبرعات. يتم الدفع لك 2.50 دولارًا أمريكيًا لكل مكالمة ، وكلما زاد عدد المكالمات التي يمكنك الضغط عليها بين دراسة علم الفلك والدورات الأخرى ، زادت الأموال التي تحصل عليها إلى المنزل. يمكننا إعداد صيغة تربط صودفعك و ن، عدد المكالمات

أين أ هو ثابت الخريجين بقيمة 2.50 دولار. إذا أجريت 20 مكالمة ، فستربح 2.50 دولارًا مقابل 20 مرة ، أو 50 دولارًا.

افترض أن رئيسك نسي إخبارك بما ستحصل عليه مقابل كل مكالمة. يمكنك حساب ثابت الخريجين الذي يحكم راتبك من خلال تتبع عدد المكالمات التي تجريها والإشارة إلى راتبك الإجمالي كل أسبوع. إذا أجريت 100 مكالمة في الأسبوع الأول ودفعت 250 دولارًا ، يمكنك استنتاج أن الثابت هو 2.50 دولارًا (بوحدات الدولارات لكل مكالمة). بالطبع ، لم يكن لدى هابل "رئيس" ليخبره بما سيكون عليه ثباته - هو كان لحساب قيمتها من قياسات المسافة والسرعة.

يعبر علماء الفلك عن قيمة ثابت هابل بالوحدات التي تتعلق بكيفية قياسهم لسرعة وسرعة المجرات. في هذا الكتاب ، سنستخدم كيلومترات في الثانية لكل مليون سنة ضوئية كوحدة. لسنوات عديدة ، كانت تقديرات قيمة ثابت هابل في حدود 15 إلى 30 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية.يبدو أن أحدث عمل يتقارب عند قيمة تقترب من 22 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية إذا ح تساوي 22 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية ، تتحرك مجرة ​​بعيدًا عنا بسرعة 22 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية من بعدها. كمثال ، مجرة ​​تبعد عنا 100 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 2200 كيلومتر في الثانية.

يخبرنا قانون هابل شيئًا أساسيًا عن الكون. نظرًا لأن جميع المجرات باستثناء أقرب المجرات تبدو وكأنها تتحرك بعيدًا عنا ، مع تحرك المجرات الأبعد بشكل أسرع ، يجب أن نعيش في كون متوسع. سوف نستكشف الآثار المترتبة على هذه الفكرة قريبًا ، وكذلك في الفصول الأخيرة من هذا النص. في الوقت الحالي ، سنقول فقط إن ملاحظة هابل تشكل أساس كل نظرياتنا حول أصل الكون وتطوره.

قانون هابل والمسافات

الانتظام المعبر عنه في قانون هابل له ميزة مضمنة: فهو يعطينا طريقة جديدة لتحديد المسافات إلى المجرات البعيدة. أولاً ، يجب أن نؤسس ثابت هابل بشكل موثوق من خلال قياس المسافة والسرعة للعديد من المجرات في العديد من الاتجاهات للتأكد من أن قانون هابل هو حقًا خاصية عالمية للمجرات. ولكن بمجرد أن نحسب قيمة هذا الثابت ونقتنع بأنه ينطبق في كل مكان ، فإن الكثير من الكون ينفتح لتحديد المسافة. في الأساس ، إذا تمكنا من الحصول على طيف من مجرة ​​، يمكننا على الفور معرفة مدى بعده.

الإجراء يعمل مثل هذا. نستخدم الطيف لقياس السرعة التي تبتعد بها المجرة عنا. إذا وضعنا هذه السرعة وثابت هابل في معادلة قانون هابل ، فيمكننا إيجاد المسافة.

قانون هابل

قانون هابل (الخامس = ح × د) يسمح لنا بحساب المسافة إلى أي مجرة. هنا كيف نستخدمها في الممارسة.

لقد قمنا بقياس ثابت هابل ليكون 22 كم / ث لكل مليون سنة ضوئية. هذا يعني أنه إذا كانت المجرة على بعد مليون سنة ضوئية ، فإنها ستبتعد بسرعة 22 كم / ثانية. لذا ، إذا وجدنا مجرة ​​تبتعد بسرعة 18000 كم / ثانية ، فما الذي يخبرنا به قانون هابل عن المسافة إلى المجرة؟

حل

لاحظ كيف تعاملنا مع الوحدات هنا: إلغاء km / s في البسط والمقام ، ويجب تقسيم عامل مليون سنة ضوئية في مقام الثابت بشكل صحيح قبل أن نحصل على مسافة 818 مليون سنة ضوئية.

تحقق من التعلم الخاص بك

باستخدام 22 كم / ث / مليون سنة ضوئية لثابت هابل ، ما السرعة الارتدادية التي نتوقع أن نجدها إذا رصدنا مجرة ​​عند 500 مليون سنة ضوئية؟

إجابه:

تباين ثابت هابل

من المحتمل أن يكون استخدام الانزياح الأحمر أسلوبًا مهمًا للغاية لتحديد المسافات لأنه كما رأينا ، فإن معظم طرقنا لتحديد مسافات المجرات تقتصر على أقرب بضع مئات من ملايين السنين الضوئية تقريبًا (ولديهم شكوك كبيرة في هذه المسافات). يتطلب استخدام قانون هابل كمؤشر للمسافة طيفًا فقط من المجرة وقياسًا لانزياح دوبلر ، وباستخدام التلسكوبات الكبيرة وأجهزة الطيف الحديثة ، يمكن أخذ أطياف المجرات الخافتة للغاية.

ولكن ، كما هو الحال غالبًا في العلم ، فإن الأمور ليست بهذه البساطة. تعمل هذه التقنية إذا ، وفقط إذا ، كان ثابت هابل ثابتًا حقًا طوال حياة الكون بأكملها. عندما نلاحظ المجرات على بعد مليارات السنين الضوئية ، فإننا نراها كما كانت منذ بلايين السنين. ماذا لو كان "ثابت" هابل مختلفًا منذ بلايين السنين؟ قبل عام 1998 ، اعتقد علماء الفلك أنه على الرغم من أن الكون يتوسع ، إلا أن التوسع يجب أن يتباطأ أو يتباطأ ، لأن قوة الجاذبية الكلية لكل مادة في الكون سيكون لها تأثير مهيمن وقابل للقياس. إذا كان التمدد يتباطأ ، فيجب أن يتناقص ثابت هابل بمرور الوقت.

اكتشاف ذلك اكتب Ia supernova e هي المصابيح القياسية التي أعطت علماء الفلك الأداة التي يحتاجونها لرصد المجرات البعيدة للغاية وقياس معدل التوسع منذ مليارات السنين. كانت النتائج غير متوقعة تماما. اتضح أن توسع الكون متسارع متأخر، بعد فوات الوقت! ما يجعل هذه النتيجة مذهلة للغاية هو أنه لا توجد طريقة يمكن للنظريات الفيزيائية الحالية أن تفسر هذه الملاحظة. بينما يمكن تفسير الكون المتباطئ بسهولة عن طريق الجاذبية ، لم تكن هناك قوة أو خاصية في الكون معروفة لعلماء الفلك يمكن أن تكون مسؤولة عن التسارع. في فصل The Big Bang ، سننظر بمزيد من التفصيل في الملاحظات التي أدت إلى هذه النتيجة غير المتوقعة تمامًا ونستكشف آثارها على المصير النهائي للكون.

على أي حال ، إذا لم يكن ثابت هابل ثابتًا حقًا عندما ننظر عبر مساحات كبيرة من المكان والزمان ، فلن يكون حساب مسافات المجرات باستخدام ثابت هابل دقيقًا. كما سنرى في الفصل الخاص بالانفجار العظيم ، يتطلب الحساب الدقيق للمسافات نموذجًا لكيفية تغير ثابت هابل بمرور الوقت. كلما كانت المجرة بعيدة (وكلما رأيناها منذ فترة أطول) ، كان من المهم تضمين تأثيرات التغيير في ثابت هابل. بالنسبة للمجرات التي تقع في غضون بضعة مليارات من السنين الضوئية ، فإن الافتراض بأن ثابت هابل ثابت بالفعل يعطي تقديرات جيدة للمسافة.

نماذج لكون آخذ في التوسع

في البداية ، عند التفكير في قانون هابل وكونك من محبي عمل كوبرنيكوس وهارلو شابلي ، قد تشعر بالصدمة. هل كل المجرات تتحرك حقًا بعيدا عنا؟ هل هناك شيء مميز بخصوص مكانتنا في الكون؟ لا تقلق من حقيقة أن المجرات تنحسر عنا وأن المجرات البعيدة تبتعد بسرعة أكبر من المجرات القريبة تظهر فقط أن الكون يتوسع بشكل موحد.

بشكل موحد توسيع الكون هو الذي يتوسع بنفس المعدل في كل مكان. في مثل هذا الكون ، يجب علينا وجميع المراقبين الآخرين ، بغض النظر عن مكان وجودهم ، أن نلاحظ التناسب بين سرعات ومسافات المجرات البعيدة المتكافئة. (هنا ، نتجاهل حقيقة أن ثابت هابل ليس ثابتًا طوال الوقت ، ولكن إذا كان ثابت هابل في أي وقت من مراحل تطور الكون له نفس القيمة في كل مكان ، فإن هذه الحجة لا تزال تعمل.)

لمعرفة السبب ، تخيل أولاً مسطرة مصنوعة من المطاط المطاطي ، مع تحديد الخطوط المعتادة عند كل سنتيمتر. افترض الآن أن شخصًا ما لديه أذرع قوية يمسك بنهاية المسطرة ويمدها ببطء بحيث يتضاعف طولها في دقيقة واحدة (الشكل 4). تخيل نملة ذكية تجلس على العلامة على ارتفاع 2 سم - وهي نقطة ليست في أي من طرفي المسطرة ولا في منتصفها. يقيس مدى سرعة النمل الآخر ، جالسًا عند العلامات 4 و 7 و 12 سم ، ويبتعد عنه بينما يمتد الحاكم.

تمديد الحاكم.

الشكل 4. يرى النمل الموجود على مسطرة ممتدة النمل الآخر يبتعد عنه. السرعة التي تبتعد بها نملة أخرى تتناسب مع المسافة.

ضاعفت النملة التي كانت على بعد 4 سنتيمترات ، كانت في الأصل على بعد 2 سنتيمترات من نملة ، من المسافة في دقيقة واحدة ، لذلك ابتعدت بسرعة 2 سم في الدقيقة. النملة التي يبلغ ارتفاعها 7 سنتيمترات ، والتي كانت في الأصل على بعد 5 سنتيمترات من نملة لدينا ، أصبحت الآن على بعد 10 سنتيمترات ، لذا كان عليها أن تتحرك بسرعة 5 سنتيمترات في الدقيقة. النملة التي بدأت عند علامة 12 سم ، والتي كانت على بعد 10 سم من النملة التي تقوم بالعد ، هي الآن على بعد 20 سم ، مما يعني أنها يجب أن تبتعد بسرعة 10 سم في الدقيقة. يتحرك النمل على مسافات مختلفة بسرعات مختلفة ، وتتناسب سرعاتهم مع مسافاتهم (تمامًا كما يشير قانون هابل للمجرات). ومع ذلك ، لاحظ في مثالنا أن كل ما كان يقوم به الحاكم كان يتمدد بشكل موحد. لاحظ أيضًا أنه لم يكن أي من النمل يتحرك من تلقاء نفسه ، فقد كان تمدد الحاكم هو الذي يفرقهم عن بعضهم البعض.

الآن دعونا نكرر التحليل ، ولكن ضع النملة الذكية على علامة أخرى - لنقل 7 أو 12 سم. نكتشف أنه طالما أن المسطرة تمتد بشكل موحد ، فإن هذه النملة تجد أيضًا كل نملة أخرى تتحرك بعيدًا بسرعة تتناسب مع مسافتها. بعبارة أخرى ، يمكن تفسير نوع العلاقة التي يعبر عنها قانون هابل من خلال التمدد المنتظم لـ "عالم" النمل. وسوف يرى جميع النمل في مخططنا البسيط النمل الآخر يتحرك بعيدًا عنهم أثناء تمدد المسطرة.

لتشبيه ثلاثي الأبعاد ، دعونا نلقي نظرة على رغيف خبز الزبيب في الشكل 5. قام الطاهي بطريق الخطأ بوضع الكثير من الخميرة في العجين ، وعندما تبدأ الخبز في الارتفاع ، يتضاعف حجمه خلال الساعة التالية ، مما يتسبب في تحريك كل الزبيب بعيدًا عن بعضه البعض. في الشكل ، نختار مرة أخرى زبيبًا تمثيليًا (ليس على الحافة أو وسط الرغيف) ونبين المسافات منه إلى العديد من الآخرين في الشكل (قبل وبعد يتمدد الرغيف).

توسيع خبز الزبيب.

الشكل 5. عندما يرتفع خبز الزبيب ، "يرى" الزبيب الزبيب الآخر وهو يتحرك بعيدًا. الزبيب البعيد يتحرك بعيدًا بشكل أسرع في الخبز المنتظم بشكل منتظم.

قس الزيادات في المسافة واحسب السرعات بنفسك على خبز الزبيب ، تمامًا كما فعلنا مع المسطرة. ستلاحظ أنه نظرًا لأن كل مسافة تتضاعف خلال الساعة ، فإن كل حبة زبيب تتحرك بعيدًا عن حبة الزبيب التي اخترناها بسرعة تتناسب مع مسافتها. نفس الشيء صحيح بغض النظر عن نوع الزبيب الذي تبدأ به.

إن المقارنات الخاصة بنا مفيدة لتوضيح تفكيرنا ، لكن يجب ألا تأخذها بشكل حرفي. على كل من المسطرة وخبز الزبيب ، توجد نقاط في النهاية أو الحافة. يمكنك استخدام هذه لتحديد منتصف المسطرة والرغيف. في حين أن نماذجنا للكون لها بعض التشابه مع خصائص الحاكم والرغيف ، فإن الكون ليس له حدود ولا حواف ولا مركز (كل الأفكار المحيرة للعقل والتي سنناقشها في فصل لاحق).

ما هو مفيد أن نلاحظه حول كل من النمل والزبيب هو أنهم أنفسهم لم "يسببوا" حركتهم. ليس الأمر كما لو أن الزبيب قرر القيام برحلة بعيدًا عن بعضهما البعض ثم قفز على لوح طائر للهرب. لا ، في كلا التشبيهين لدينا ، كان تمدد الوسط (المسطرة أو الخبز) هو الذي حرك النمل أو الزبيب بعيدًا عن بعضهما البعض. بنفس الطريقة ، سنرى في فصل The Big Bang أن المجرات ليس لديها محركات صاروخية تدفعها بعيدًا عن بعضها البعض. بدلاً من ذلك ، فهم مشاركون سلبيون في توسع الفضاء. بينما يمتد الفضاء ، تُحمل المجرات أبعد وأبعد مثل النمل والزبيب. (إذا كانت فكرة "تمدد" الفضاء تفاجئك أو تزعجك ، فسيكون الآن هو الوقت المناسب لمراجعة المعلومات حول الزمكان في الثقوب السوداء والزمكان المنحني. سنناقش هذه الأفكار بشكل أكبر مع اتساع نقاشنا من المجرات إلى الكل كون.)

بالمناسبة ، لا يعني توسع الكون أن المجرات الفردية وعناقيد المجرات نفسها تتوسع. لا الزبيب ولا النمل في تشبيهنا يزداد حجمًا كلما تمدد الرغيف. وبالمثل ، فإن الجاذبية تربط المجرات وعناقيد المجرات معًا ، وتبتعد عن بعضها بعيدًا - دون أن يتغير حجمها - مع توسع الكون.

المفاهيم الأساسية والملخص

الكون يتوسع. تظهر الملاحظات أن الخطوط الطيفية للمجرات البعيدة قد انزياح نحو الأحمر ، وأن سرعات ركودها تتناسب مع مسافاتها منا ، وهي علاقة تُعرف باسم قانون هابل. يبلغ معدل الركود ، المسمى ثابت هابل ، حوالي 22 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية. نحن لسنا في مركز هذا التوسع: أي مراقب في أي مجرة ​​أخرى سيرى نفس نمط التوسع الذي نشاهده. من الأفضل فهم التمدد الذي وصفه قانون هابل على أنه تمدد للفضاء.

لمزيد من الاستكشاف

مقالات

أندروز ، ب. "ما الذي تحاول المجرات إخبارنا به؟" الفلك (فبراير 2011): 24. مقدمة لفهمنا لأشكال وتطور أنواع مختلفة من المجرات.

بوثون ، جي "ما وراء تسلسل هابل." سكاي & تلسكوب (مايو 2000): 36. تاريخ وتحديث مخطط تصنيف هابل.

كريستيانسون ، جي "إتقان الكون." الفلك (فبراير 1999): 60. مقدمة موجزة عن حياة وعمل هابل.

دالكانتون ، ج. "المجرات التي تم التغاضي عنها." سكاي & تلسكوب (أبريل 1998): 28. على المجرات منخفضة السطوع ، والتي كان من السهل تفويتها.

فريدمان ، دبليو. "معدل تمدد الكون وحجمه." Scientific American (نوفمبر 1992): 76.

هودج ، ب. "مقياس المسافة خارج المجرة: هل توافق أخيرًا؟" سكاي & تلسكوب (أكتوبر 1993): 16.

جونز ، ب. "تراث إدوين هابل." الفلك (ديسمبر 1989): 38.

كوفمان ، ج. وفان دين بوش ، ف. "دورة حياة المجرات." Scientific American (يونيو 2002): 46. حول تطور المجرات وكيف يؤدي إلى أنواع مختلفة من المجرات.

مارتن ، ب. وفريدلي ، د."في قلوب المجرات المحظورة." سكاي & تلسكوب (March 1999): 32. على الحلزونات المحظورة.

Osterbrock ، D. "Edwin Hubble and the Expanding Universe." Scientific American (يوليو 1993): 84.

راسل ، د. "آيلاند يونيفرسز من رايت إلى هابل." سكاي & تلسكوب (يناير 1999) 56. تاريخ اكتشافنا للمجرات.

سميث ، ر. "إعادة النظر في النقاش الكبير." سكاي & تلسكوب (يناير 1983): 28. في النقاش Shapley-Curtis بشأن مدى مجرة ​​درب التبانة ووجود مجرات أخرى.

مواقع الويب

رايت / مسافة. htm. ملخص موجز من قبل عالم الفلك نيد رايت لجميع الأساليب المختلفة التي نستخدمها للحصول على مسافات في علم الفلك.

Cosmic Times 1929: http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/online_edition/1929Cosmic/index.html. مشروع ناسا يشرح عمل هابل والاكتشافات المحيطة به كما لو كنت تقرأ مقالات في الصحف.

إدوين هابل: الرجل وراء الاسم: https://www.spacetelescope.org/about/history/the_man_behind_the_name/. سيرة موجزة من الناس في تلسكوب هابل الفضائي.

إدوين هابل: http://apod.nasa.gov/diamond_jubilee/d_1996/sandage_hubble.html. مقال عن حياة وعمل هابل لطالبه وخليفته آلان سانداج. تقني بعض الشيء في بعض الأماكن ، لكنه يعطي صورة حقيقية للرجل والعلم.

NASA Science: مقدمة إلى المجرات: http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-are-galaxies/. نظرة عامة موجزة مع روابط لصفحات أخرى ، واكتشافات تلسكوب هابل الفضائي الحديثة.

معرض المراصد الفلكية البصرية الوطنية للمجرات: https://www.noao.edu/image_gallery/galaxies.html. مجموعة من الصور والمعلومات حول المجرات ومجموعات المجرات بأنواعها المختلفة. يمكن العثور على أرشيف مثير للإعجاب آخر في موقع المرصد الأوروبي الجنوبي: https://www.eso.org/public/images/archive/category/galaxies/.

مسح سلون الرقمي للسماء: مقدمة عن المجرات: http://skyserver.sdss.org/dr1/en/astro/galaxies/galaxies.asp. نظرة عامة موجزة أخرى.

توسع الكون: http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/1999/19. توفر مادة الخلفية هنا تسلسلاً زمنيًا لطيفًا لكيفية اكتشافنا وقياسنا لتوسع الكون.

أشرطة فيديو

مناظر هابل للكون العميق: https://www.youtube.com/watch؟v=argR2U15w-M. حديث عام 2015 من قبل براندون لوتون من معهد علوم تلسكوب الفضاء حول المجرات وما وراءها (1:26:20).

أنشطة المجموعة التعاونية

  1. طوال معظم القرن الماضي ، كان التلسكوب 100 بوصة على جبل. كان ويلسون (اكتمل في عام 1917) والتلسكوب 200 بوصة على جبل بالومار (اكتمل في عام 1948) هما الوحيدان الكبيران بما يكفي للحصول على أطياف المجرات الخافتة. لم يُسمح إلا لعدد قليل من علماء الفلك (جميعهم ذكور - منذ ذلك الحين ، حتى الستينيات ، لم تُمنح النساء الوقت على هذين التلسكوبين) باستخدام هذه المرافق ، وبشكل عام لم يتنافس المراقبون مع بعضهم البعض ولكنهم عملوا على حل مشاكل مختلفة. يوجد الآن العديد من التلسكوبات الأخرى ، وغالبًا ما تعمل عدة مجموعات مختلفة على نفس المشكلة. على سبيل المثال ، طورت مجموعتان مختلفتان بشكل مستقل تقنيات استخدام المستعرات الأعظمية لتحديد المسافات إلى المجرات عند الانزياح الأحمر العالي. ما هو النهج الذي تعتقد أنه أفضل لمجال علم الفلك؟ أيهما أكثر فعالية من حيث التكلفة؟ لماذا ا؟
  2. يقول أحد الأقارب البعيدين ، الذي تدعوه لتناول العشاء حتى تتمكن من مشاركة كل الأشياء المثيرة التي تعلمتها في صف علم الفلك ، إنه لا يعتقد أن المجرات الأخرى تتكون من نجوم. تعود إلى مجموعتك وتطلب منهم مساعدتك في الرد. ما أنواع القياسات التي يمكنك إجراؤها لإظهار أن المجرات الأخرى تتكون من نجوم؟
  3. انظر إلى [link] مع مجموعتك. ما الذي يخبرك به الاختلاف في اللون بين الأذرع الحلزونية وانتفاخ أندروميدا عن الاختلاف في أنواع النجوم التي تسكن هاتين المنطقتين من المجرة؟ أي جانب من المجرة أقرب إلينا؟ لماذا ا؟
  4. ما هو رد فعلك على القراءة عن اكتشاف الكون المتوسع؟ ناقش كيف يشعر أعضاء المجموعة تجاه الكون "في حالة حركة". لم يكن أينشتاين مرتاحًا لمفهوم الكون الذي لديه بعض الحركة الشاملة تجاهه ، بدلاً من أن يكون في حالة سكون. لقد وضع نوعًا من "عامل الغش" في معادلاته الخاصة بالنسبية العامة للكون ككل لمنعه من الحركة (على الرغم من أنه سمع لاحقًا عن عمل هابل وهيوماسون ، فقد وصفه بأنه "أعظم خطأ فادح" قام به على الإطلاق). هل تشارك إحساس أينشتاين الأصلي بأن هذا ليس نوع الكون الذي تشعر بالراحة تجاهه؟ ما الذي تعتقد أنه تسبب في توسع الفضاء؟
  5. في الخيال العلمي ، تتحدث الشخصيات أحيانًا عن زيارة مجرات أخرى. ناقش مع مجموعتك مدى واقعية هذه الفكرة. حتى لو كانت لدينا سفن فضاء سريعة (تسافر بالقرب من سرعة الضوء ، الحد الأقصى لسرعة الكون) ما مدى احتمالية قدرتنا على الوصول إلى مجرة ​​أخرى؟ لماذا ا؟
  6. على الرغم من افتتان ابنه بعلم الفلك في الكلية ، إلا أن والد إدوين هابل لم يرغب في أن يتخصص في علم الفلك كمهنة. لقد أراد حقًا أن يكون ابنه محامياً ودفعه بشدة لتعلم القانون عندما حصل على زمالة للدراسة في الخارج. تحدى هابل والده في النهاية وذهب إلى علم الفلك ، وأصبح ، كما تعلمت في هذا الفصل ، أحد أهم علماء الفلك في كل العصور. لم يعش والده ليرى إنجازات ابنه الرائعة. هل تعتقد أنه كان سيتصالح مع اختيار ابنه المهني لو كان كذلك؟ هل يتعين عليك أو هل يتعين على أي شخص في مجموعتك أو من بين أصدقائك أن يواجه الاختيار بين العاطفة في قلبك وما يريد الآخرون منك أن تفعله؟ ناقش كيف يتعامل الناس في الكلية اليوم مع مثل هذه الاختيارات.

راجع الأسئلة

وصف السمات المميزة الرئيسية للمجرات الحلزونية والإهليلجية وغير المنتظمة.

لماذا استغرق إنشاء المجرات الأخرى وقتًا طويلاً؟

اشرح ما هي نسبة الكتلة إلى الضوء ولماذا تكون أصغر في المجرات الحلزونية ذات مناطق تكوين النجوم عنها في المجرات الإهليلجية.

إذا أدركنا الآن أن المجرات الإهليلجية القزمية هي أكثر أنواع المجرات شيوعًا ، فلماذا هربت من ملاحظتنا لفترة طويلة؟

ما هي أفضل طريقتين لقياس المسافة إلى مجرة ​​حلزونية قريبة ، وكيف يمكن قياسها؟

ما هي أفضل طريقتين لقياس المسافة إلى مجرة ​​حلزونية بعيدة ومعزولة ، وكيف يمكن قياسها؟

لماذا يعتبر قانون هابل من أهم الاكتشافات في تاريخ علم الفلك؟

ماذا يعني أن نقول إن الكون يتمدد؟ ما هو التوسع؟ على سبيل المثال ، هل يتسع فصل علم الفلك الخاص بك؟ هل النظام الشمسي؟ لما و لما لا؟

هل كان تقدير هابل الأصلي للمسافة إلى مجرة ​​المرأة المسلسلة صحيحًا؟ يشرح.

هل تدور المجرة البيضاوية مثل المجرة الحلزونية؟ يشرح.

لماذا يظهر قرص المجرة الحلزونية معتمًا عند عرضه على الحافة؟

ما الذي يسبب أكبر نسبة كتلة إلى ضوء: الغاز والغبار ، المادة المظلمة ، أم النجوم التي احترقت؟

ما هي أكثر طريقة لمبة قياسية مفيدة لتحديد المسافات إلى المجرات؟

عند مقارنة مجرتين حلزونيتين منفصلتين لهما نفس السطوع الظاهري ، لكنهما تدوران بمعدلات مختلفة ، ماذا يمكنك أن تقول عن لمعانهما النسبي؟

إذا كانت كل المجرات البعيدة تتوسع بعيدًا عنا ، فهل هذا يعني أننا في مركز الكون؟

هل ثابت هابل ثابت بالفعل؟

أسئلة الفكر

من أين يأتي الغاز والغبار (إن وجد) في مجرة ​​إهليلجية؟

لماذا لا يمكننا تحديد المسافات إلى المجرات بنفس الطريقة المستخدمة لقياس مناظر النجوم؟

أيهما أكثر احمرارًا - مجرة ​​حلزونية أم مجرة ​​إهليلجية؟

لنفترض أن النجوم في مجرة ​​إهليلجية تشكلت جميعها في غضون بضعة ملايين من السنين بعد وقت قصير من بدء الكون. لنفترض أن لهذه النجوم مجموعة من الكتل ، تمامًا كما تفعل النجوم في مجرتنا. كيف سيتغير لون الشكل البيضاوي خلال عدة مليارات من السنين القادمة؟ كيف سيتغير لمعانها؟ لماذا ا؟

بدءًا من تحديد حجم الأرض ، حدد سلسلة من الخطوات الضرورية للحصول على المسافة إلى مجموعة مجرات بعيدة. (تلميح: راجع الفصل الخاص بالمسافات السماوية.)

لنفترض أن مجرة ​​درب التبانة كانت معزولة حقًا وأنه لا توجد مجرات أخرى في غضون 100 مليون سنة ضوئية. افترض أن المجرات قد لوحظت بأعداد أكبر على مسافات تزيد عن 100 مليون سنة ضوئية. لماذا يكون تحديد مسافات دقيقة لتلك المجرات أكثر صعوبة مما لو كانت هناك أيضًا مجرات قريبة نسبيًا؟

لنفترض أنك كنت هابل وهيوماسون تعملان على مسافات وتحولات دوبلر للمجرات. ما أنواع الأشياء التي يجب عليك القيام بها لإقناع نفسك (والآخرين) بأن العلاقة التي كنت تراها بين الكميتين كانت سمة حقيقية لسلوك الكون؟ (على سبيل المثال ، هل ستكون البيانات الواردة من مجرتين كافية لإثبات قانون هابل؟ هل البيانات من أقرب مجرات فقط - في ما يسميه علماء الفلك "المجموعة المحلية" - ضامنة؟)

ماذا يعني أن مجرة ​​بيضاوية واحدة لديها خطوط طيف أوسع من مجرة ​​إهليلجية أخرى؟

بناءً على تحليلك للمجرات في [الرابط] ، هل هناك علاقة بين تعداد النجوم وكمية الغاز أو الغبار؟ اشرح لماذا قد يكون هذا.

هل يمكن أن تعني نسبة الكتلة إلى الضوء الأعلى وجود غاز وغبار في النظام الذي يتم تحليله؟

التفكير بنفسك

وفقًا لقانون هابل ، ما السرعة الانعكاسية لمجرة تبعد عنا 10 8 سنوات ضوئية؟ (افترض أن ثابت هابل 22 كم / ث لكل مليون سنة ضوئية.)

لوحظ أن مجموعة من المجرات لها سرعة ارتدادية تبلغ 60.000 كم / ثانية. أوجد المسافة إلى الكتلة. (افترض أن ثابت هابل 22 كم / ث لكل مليون سنة ضوئية.)

لنفترض أنه يمكننا قياس المسافة إلى مجرة ​​باستخدام إحدى تقنيات المسافة المدرجة في [الرابط] واتضح أنها 200 مليون سنة ضوئية. يخبرنا الانزياح الأحمر للمجرة أن سرعتها الانعكاسية 5000 كم / ثانية. ما هو ثابت هابل؟

احسب نسبة الكتلة إلى الضوء لمجموعة كروية ذات لمعان 10 6 إلشمس و 10 5 نجوم. (افترض أن متوسط ​​كتلة النجم في مثل هذا التجمع هو 1 مشمس.)

احسب نسبة الكتلة إلى الضوء لنجم مضيء قدره 100 مشمس لها لمعان 10 6 إلشمس.

قائمة المصطلحات


يتوسع الكون بشكل أسرع مما ينبغي. لماذا ا؟

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

رسم توضيحي: Getty Images

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

التناقض بين السرعة التي يبدو أن الكون يتوسع بها ومدى السرعة التي نتوقعها في التوسع هو أحد أكثر الانحرافات إصرارًا في علم الكونيات.

يبني علماء الكونيات توقعاتهم لمعدل التوسع - وهو معدل يُعرف بثابت هابل - على قياسات الإشعاع المنبعث بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم. يكشف هذا الإشعاع عن المكونات الدقيقة للكون المبكر. أدخل علماء الكونيات المكونات في نموذجهم للتطور الكوني وأجروا النموذج إلى الأمام ليروا مدى السرعة التي يجب أن يتوسع بها الفضاء اليوم.

القصة الأصلية أعيد طبعها بإذن من مجلة كوانتا، منشور تحريري مستقل لمؤسسة Simons ، وتتمثل مهمته في تعزيز الفهم العام للعلوم من خلال تغطية التطورات والاتجاهات البحثية في الرياضيات والعلوم الفيزيائية وعلوم الحياة.

ومع ذلك ، فإن التنبؤ قاصر: عندما يلاحظ علماء الكونيات الأجسام الفلكية مثل النجوم النابضة والمستعرات الأعظمية المتفجرة ، فإنهم يرون كونًا يتوسع بشكل أسرع ، مع وجود ثابت هابل أكبر.

استمر التناقض ، المعروف باسم توتر هابل ، حتى مع زيادة دقة جميع القياسات. يواصل بعض علماء الفيزياء الفلكية مناقشة ما إذا كان التوتر ليس أكثر من خطأ في القياس. ولكن إذا كان التناقض حقيقيًا ، فهذا يعني أن هناك شيئًا ما مفقودًا في نموذج علماء الكونيات للكون.

في الآونة الأخيرة ، كان المنظرون منشغلين بتخيل مكونات كونية جديدة ، عند إضافتها إلى النموذج القياسي ، ستزيد من معدل التوسع المتوقع للكون ، مما يجعلها تتطابق مع الملاحظات.

قال آفي لوب ، عالم الكونيات بجامعة هارفارد وواحد من عشرات الباحثين الذين اقترحوا حلولاً لتوتر هابل: "اكتشاف الانحرافات هو الطريقة الأساسية التي يحرز بها العلم تقدمًا".

هذه بعض أهم الأفكار حول ما يمكن أن يسرع من التوسع الكوني.

يشتمل النموذج القياسي لعلم الكونيات على جميع الأشكال المألوفة للمادة والإشعاع وتفاعلاتها. ويشمل أيضًا المواد غير المرئية المعروفة باسم الطاقة المظلمة والمادة المظلمة ، والتي تشكل معًا حوالي 96 في المائة من الكون. نظرًا لأنه لا يُعرف الكثير عن هذه المكونات المظلمة ، فقد تكون المكان الواضح لبدء التلاعب بالنموذج القياسي. قال لوب: "هذا ما لديك تحت تصرفك لتغيير معدل تمدد الكون".

يفترض النموذج القياسي أن المادة المظلمة تتكون من جسيمات بطيئة الحركة لا تتفاعل مع الضوء. ولكن ماذا لو افترضنا أيضًا أن المادة المظلمة ليست مكونة من مادة واحدة فقط؟ نظرًا لوجود أنواع مختلفة من الجسيمات المرئية - كواركات وإلكترونات وما إلى ذلك - فقد يكون هناك أيضًا العديد من الجسيمات المظلمة.

في بحث نُشر في الصيف الماضي في المراجعة الجسدية داعتبر لوب واثنان من المتعاونين شكلاً من أشكال المادة المظلمة التي تتحلل إلى جسيم أخف وجسيم عديم الكتلة يُعرف بالفوتون المظلم. نظرًا لأن المزيد والمزيد من المادة المظلمة تتحلل بمرور الوقت ، فقد استنتجوا أن جاذبيتها ستقل ، وبالتالي فإن تمدد الكون كان سيتسارع ، مما يخفف من توتر هابل.

لكن إجراء تغييرات صغيرة كهذه على النموذج الكوني القياسي يمكن أن يكون له آثار غير مرغوب فيها. قال مارك كاميونكوفسكي ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة جونز هوبكنز: "من السهل جدًا التوصل إلى جميع أنواع التعديلات الطفيفة" ، لكن من الصعب القيام بذلك ، كما قال ، دون إفساد التوافق المثالي للنموذج مع ثروة من الملاحظات الفلكية الأخرى .

من خلال تغيير معدل الاضمحلال وكمية المادة المظلمة المفقودة في كل اضمحلال ، اختار لوب وزملاؤه نموذجًا للمادة المظلمة المتحللة التي يقولون إنها لا تزال تتفق مع الملاحظات الفلكية الأخرى. قال لوب: "إذا أضفت هذا المكون إلى النموذج القياسي لعلم الكونيات ، فإن كل شيء يتماسك".

ومع ذلك ، لا يزال غير راضٍ عن فكرة المادة المظلمة المتحللة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها تقدم كميتين جديدتين غير مؤكدتين في المعادلات.

"في هذه الحالة ، يمكنك إضافة معلمتين مجانيتين لحل تناقض واحد - وأنا غير مرتاح بشأن ذلك ،" قال ، مقارنًا المادة المظلمة المتحللة بالدورات في نموذج بطليموس المتمركز حول الأرض. "أفضل أن يكون هناك تناقضان يتم شرحهما بواسطة معلمة واحدة."

منذ الاكتشاف المفاجئ في عام 1998 أن تمدد الكون يتسارع ، أدرج علماء الكون طاقة مظلمة مثيرة للاشمئزاز في نموذجهم للتطور الكوني. لكن طبيعتها تظل لغزا. أبسط احتمال هو أن الطاقة المظلمة هي "الثابت الكوني" - طاقة الفضاء نفسه ، بكثافة ثابتة في كل مكان. ولكن ماذا لو أن كمية الطاقة المظلمة في الكون ليست ثابتة؟

يمكن لجرعة إضافية من الطاقة المظلمة في الكون المبكر ، والتي أطلق عليها اسم الطاقة المظلمة المبكرة ، التوفيق بين القيم المتضاربة لثابت هابل. كان من الممكن أن يؤدي الضغط الخارجي لهذه الطاقة المظلمة المبكرة إلى تسريع تمدد الكون. قالت ليزا راندال ، عالمة فيزياء الجسيمات وعالمة الكونيات في جامعة هارفارد: "الجزء الصعب هو أن [الطاقة المظلمة المبكرة] لا تستطيع حقًا الالتفاف حولها يجب أن تختفي بسرعة".

ابتكرت راندال ومعاونوها ما يسمونه حلول "موسيقى الروك أند رول" لتوتر هابل في ورقة تم تقديمها إلى مجلة فيزياء الطاقة العالية. تتخذ كل من هذه الإضافات إلى النموذج القياسي شكلاً رياضيًا مختلفًا - في بعض الأحيان ، تتذبذب كثافة الطاقة المظلمة ، أو تتأرجح الصخور ، بينما في حالات أخرى تتدحرج من قيمة عالية إلى صفر. ولكن في جميع الحالات ، يجب أن تختفي الطاقة المظلمة المبكرة بعد بضع مئات الآلاف من السنين ، خلال حقبة تُعرف باسم إعادة التركيب. قال كاميونكوفسكي ، الذي شارك في تأليف بحث عن الطاقة المظلمة المبكرة نُشر في رسائل المراجعة البدنية يونيو الماضي. "لذا فإن أي عمل تجاري للقرود نقوم به في بدايات الكون يجب أن يتلاشى."

إلى جانب الطاقة المظلمة المبكرة ، طرح المنظرون أشكالًا غريبة أخرى من الطاقة المظلمة - مثل الجوهر والطاقة المظلمة الوهمية - التي تتغير أيضًا مع تقدم الكون في العمر. في حين أن هذه الامتدادات للنموذج القياسي تخفف من توتر هابل ، فإن العديد من علماء الكونيات يعتبرونها مضبوطة بدقة - إضافات رياضية مناسبة ليس لها مبرر واضح.

لكن كاميونكوفسكي يقول إن الأشكال الجديدة للطاقة المظلمة تبدو أقل اختراعًا عند النظر إليها جنبًا إلى جنب مع فترات التوسع الأخرى في تاريخ الكون. على سبيل المثال ، يعتقد معظم علماء الكونيات أن الفضاء توسع بشكل كبير في بداية الانفجار العظيم خلال فترة تُعرف باسم التضخم ، والذي كان مدفوعًا بنوع مختلف من الطاقة المظلمة عن تلك الموجودة اليوم. قال كاميونكوفسكي إنه يعتقد أن مثل هذه الفترات التي تهيمن عليها الطاقة المظلمة "تحدث أحيانًا عبر تاريخ الكون".

في النموذج القياسي لعلم الكونيات ، يتم إدخال جميع الأشكال المعروفة للمادة والإشعاع ، بالإضافة إلى المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، في نظرية الجاذبية لألبرت أينشتاين ، وتشير معادلات أينشتاين إلى كيفية توسع الفضاء نتيجة لذلك. هذا يعني أنه بالإضافة إلى تغيير أو إضافة المكونات الكونية إلى النموذج ، هناك طريقة أخرى يمكن للفيزيائيين أن يوفقوا بينها وبين معدل التوسع الكوني المرصود: "يمكنك أن تتخيل أن معادلات أينشتاين غير صحيحة" ، قال لوب.

كان ويليام باركر ، طالب الدكتوراه في جامعة كامبريدج ، يبحث عن نظرية "الجاذبية المعدلة" الصيف الماضي عندما عثر على طريقة لحل توتر هابل. وجد باركر نموذجًا للجاذبية المعدلة "قادرًا على التصرف كما لو كان هناك إشعاع إضافي في الكون المبكر" ، وقال إن ضغط الإشعاع كان سيزيد من معدل التوسع الكوني.

ولكن في نسخة أولية مقدمة إلى المراجعة الجسدية د في مارس ، أقر باركر وثلاثة مؤلفين مشاركين بالحاجة إلى مزيد من التحليل لمعرفة ما إذا كان النموذج يمكنه وصف ليس فقط كيفية توسع الكون ولكن أيضًا كيف تطورت الهياكل مثل المجرات والعناقيد.

مع التلسكوبات المعاصرة التي تقدم وفرة من البيانات الدقيقة بشكل مثير للإعجاب عن مثل هذه الهياكل ، فإن ابتكار نظرية تطابق جميع الملاحظات ليس بالأمر السهل. قال كاميونكوفسكي: "العديد من نظريات الجاذبية المعدلة ليست نظريات كاملة ، وعندما تحاول إجراء عملية حسابية مفصلة باستخدام مجموعات بيانات معقدة ... من الصعب القيام بذلك بطريقة قوية".

قال راندال عن المقترحات حتى الآن: "نعلم جميعًا أنها مخصصة". "الشيء المدهش هو أنه حتى مع هذه الإضافات المخصصة ، لا يزال من الصعب للغاية استيعاب هذا التناقض."

حتى مع الحرية الإضافية ، فإن معظم النماذج غير القياسية تقلل فقط من توتر هابل بدلاً من القضاء عليه. يتنبأون بمعدل تمدد كوني أسرع من النموذج القياسي ، لكنه لا يزال غير سريع بما يكفي لمطابقة ملاحظات المستعرات الأعظمية والأجسام الفلكية الأخرى.

في السنوات القادمة ، سيرسم تلسكوب إقليدس وغيره بدقة كيف شكلت الجاذبية والطاقة المظلمة التطور الكوني. في غضون ذلك ، تقدم موجات الجاذبية المنبعثة من اصطدام النجوم النيوترونية طريقة جديدة لقياس ثابت هابل. ستستبعد البيانات الجديدة بعض هذه الحلول الجديدة لتوتر هابل ، لكن قد تظهر تصدعات جديدة في النموذج القياسي. في الوقت الحالي ، يكره العديد من علماء الكونيات تعقيد النموذج عندما يعمل بشكل جيد. قال راندال: "هناك القليل من الشعور بالانتظار والترقب ، ما لم يكن لدى أحدهم فكرة جيدة حقًا".


اسأل إيثان # 64: ماذا يحدث للمادة مع توسع الكون؟ (ملخص)

إذن ، إذا كان الكون يتمدد ويبرد ، فماذا يعني ذلك بالنسبة للمادة الموجودة فيه؟ بالتأكيد ، من السهل تخيل كيف يبرد الإشعاع: له طول موجي ، ويتمدد الفضاء ، وهكذا كلما تمدد الطول الموجي ، تنخفض الطاقة.

ولكن لا بد أن الطاقة قد انخفضت شيء كذلك ، وإلا لما فقد ما يكفي من الطاقة الحركية ليصبح مرتبطًا جاذبيًا في كتل الغاز والنجوم والمجرات! ومع ذلك ، هذه الأشياء كثيرا جدا يخرج! ما الحل لهذا؟

المزيد من هذا القبيل

مرحبًا إيثان ،
لقد أوضحت ما يحدث للجسيمات الفردية ، ولكن ماذا عن مجموعات الذرات؟
إذا كان الفضاء يتوسع ، فهل هذا يعني أيضًا أن المادة تصبح أقل كثافة بمرور الوقت؟ هل نحن جميعا ننتشر ببطء؟

لا يمكن أبدا أن أجد رأسي حول هذا السؤال.

الرجاء قراءة تعليقاتي من مدونة الويب الخاصة بي.
gravityphayez51.blog.ca

electromagnetotime.blog.ca
شكرا لك بيير

مجموعات الذرات. أو دعنا نسميها جزيئات :). يتم تجميعها معًا بواسطة روابط كيميائية. بعضها قوي للغاية (فكر في الماس). طالما أن قوة الرابطة الكيميائية أقوى من قوة التمدد. المسألة التي تم "متصلة" بالفعل ستظل كذلك.

Bogdan # 1: يتم طرح هذا السؤال من قبل شخص واحد على الأقل في كل مشاركة بواسطة إيثان حول التوسع الكوني. أعطت Sinisa (رقم 3) الإجابة الصحيحة ، والتي تنطبق على الجاذبية وكذلك الروابط الكيميائية.

المادة المرتبطة ببعضها البعض "تنفصل" عن التوسع الكوني ، لأن القوة المؤثرة التي ينطوي عليها التمدد صغيرة جدًا ، بعشرات المرات من حيث الحجم. يمكنك إجراء الحساب بنفسك. معدل التوسع الحالي هو 70 كم / ث لكل ميجابرسك. تبلغ مساحة الميغا فرسك 3.26 سنة ضوئية ، أو 3.1 × 10 ^ 16 مترًا. باستخدام هذه الأرقام ، احسب سرعة التمدد الافتراضية لذرتين في جزيء (مفصولة بنحو 10 ^ -10 أمتار). ثم قارن ذلك بالسرعة المقابلة التي تنتجها القوة الكهروستاتيكية بين الذرات على تلك المسافة.

مرحبا ايثان.
فيما يتعلق بما يحدث للمادة مع توسع الكون: في عام 1993 نشرت في "مقالات فيزيائية" مقالًا بعنوان "التوسع النسبي لكل سماوي باعتباره سبب الجاذبية" والذي أزعم فيه أن توسع جرم سماوي هو يتناسب مع كثافته.
بعد هذا التوسع "المتناسب للكثافة" ، لن يتم تفسير الجاذبية من خلال "الجذب الشامل" (الذي يستدعي فعلًا على مسافة) ولكن ببساطة من خلال التوسع المتسارع لكل جرم سماوي ، بعد تمدد الكون. قد يجلب ضوءًا مختلفًا على الكيفية التي ينظر بها المرء إلى الجاذبية وتماسك المادة.
المرجع: "physics Essays"، Vol 4، May 1993.

مايكل كيلسي @ 4:
أعطت Sinisa (رقم 3) الإجابة الصحيحة ، والتي تنطبق على الجاذبية وكذلك الروابط الكيميائية.

إنني أقدر أن تأثير توسيع المساحة قد يكون ضئيلًا للغاية ، لكن ألا يوجد على الأقل فرق نظري مهم بين عدم وجود تأثير على الإطلاق والتأثير على القياس الصغير؟ ماذا يحدث لذرة هيدروجين مفردة معزولة في الفضاء. هل يتحرك الإلكترون ببطء بعيدًا عن البروتون ، مخفيًا تغيره في الطاقة في حالة عدم اليقين في Heisenberg ، إلى أن يصدر فوتونًا تلقائيًا بعد مليارات أو تريليونات السنين ويعود إلى حالة طاقة أقل على مسافة مناسبة من البروتون؟

ديفيد ، القوى التي تجمع الذرة معًا أقوى بكثير (في الوقت الحالي) من تمدد الزمكان.

إنه مثل السؤال "عندما أسحب القضيب ، فإنه يتمدد قليلاً ، نعم ، ولكن في بعض الأحيان ، فلماذا لا ينهار عندما أسحبها؟".

مع مرور الوقت ، فإن تسارع تمدد الزمكان يعني أن القوى بين مكونات الذرات ستكون في مرحلة ما أصغر من سرعة التمدد على مسافة هذه الأجزاء منفصلة عن بعضها.

وستكون هذه نهاية المادة الذرية.

ثم بعد مرور بعض الوقت ، سيكون توسع الفضاء على المسافة بين الغلوونات أكبر من قوتها الجذابة.

نهاية كل المواد الباريونية.

إذا كان الأمر يشبه حقًا شد قضيب ، ألا يعزز ذلك وجهة نظري؟ سوف يتفكك إذا قمت بسحبه بقوة كافية ، ولكن إذا لم يحدث ذلك ، فسيتم تخزين الطاقة عن طريق مد الروابط بين الذرات.

إذا كان الفضاء داخل الذرة لا يمكن أن يتمدد ، فهل هذا لا يعني أن الفراغ الموجود بالخارج مباشرة لديه زيادة في معدل تمدده؟ كيف يمكننا أن نخبر إحدى النتائج عن الأخرى حيث لا يتطلب الأمر سوى قياس أصغر بعدة مرات من الدقة التجريبية؟

إنني أقدر أن تأثير توسيع المساحة قد يكون ضئيلًا للغاية ، لكن ألا يوجد على الأقل فرق نظري مهم بين عدم وجود تأثير على الإطلاق والتأثير على القياس الصغير؟

لا يوجد فرق يمكن حسابه عندما يكون التأثير الذي تتحدث عنه أصغر من ضوضاء النظام أو ما يمكن أن نسميه الخلفية الحركية (ربما ليست أفضل الشروط ، ولكن هذه هي الطريقة التي أفكر بها). الذرات تتأرجح وتدفع باستمرار بواسطة ذرات أخرى بالإضافة إلى الفوتونات المتفاعلة. القوة المتوسعة أصغر بكثير من هؤلاء. لذلك لا نتوقع أن يكون لها أي تأثير على أشياء مثل القضبان لأن تأثيرها تغرقه الدفعات العشوائية الأكبر وتسحب إحساس القضيب من أشياء مثل جزيئات الغاز من حوله. هيك ، ربما غرقها تأثير الضوضاء الصوتية الحرفية على قضيب فولاذي. أنا فقط أخمن ، ولكن إذا تحدثت `` قصيدة لقضيب فولاذي '' لقضيبك الفولاذي ، فربما تكون قد ضغطت الذرات معًا بقوة أكبر من القوة الممتدة التي ستضعها عليها في مدى مئات الآلاف سنوات.

ثم يتم تخزين الطاقة عن طريق مد الروابط بين الذرات.

الروابط تتذبذب باستمرار ، حيث يتم نقل الطاقة باستمرار بينها وبين الأنماط الأخرى (حالات الدوران ، الطاقة الحركية ، إلخ). التأثير الذي نتحدث عنه أصغر من هذا البحر المستمر من التأثيرات الأخرى ، لذلك لن يغير النظام الجزيئي على الإطلاق.

@ David L # 6، # 8: الوصف من إيريك (# 9) مناسب هنا. الذرات والجزيئات وما إلى ذلك ليست كائنات ثابتة. هم ومكوناتهم في حركة مستمرة وتحت تأثير العديد من القوى العاملة في اتجاهات عديدة.

لقد كتبت أن مثل هذه الأجسام المقيدة (والتي تشمل أيضًا الكواكب والأنظمة الشمسية وحتى المجرات الفردية!) هي "منفصلة" عن التوسع الكوني. هذا هو بالضبط ما كنت أتحدث عنه ، باستخدام الاختصار التقني.

لقد أثرت سؤالي "من حيث المبدأ" حول وصف "صغير جدًا بحيث لا يمكن قياسه" ، ولكن في الحقيقة ، هذا نوع من التضليل. أي حركة صافية يمكن تصورها ناتجة عن التمدد الكوني صغيرة جدًا مقارنة بالحركات العشوائية الثابتة الموجودة بالفعل. لن يتراكم "التمدد" الناتج عن التوسع الكوني بمرور الوقت لأن كل تلك الحركات الأخرى سوف تطغى عليه ، وتلك الحركات الأخرى مدفوعة بقوى الربط المحلية التي تعكسها وتحتفظ بالجسم في حالة متوسطة محلية.

إذا كان كل الزمكان يتوسع ولكن الجاذبية تبقي مجموعتنا المحلية مرتبطة ببعضها البعض ، ألن يتم جرهم عبر الزمكان بطريقة ما؟ ألن يكون هناك استيقاظ من قبل الكتلة لا يتماشى مع التدفق ، إذا جاز التعبير؟

(يجب أن أضيف ، أنا لا أسأل لأنني أشك في أي من التوسيع أو أي شيء آخر ، لقد فكرت للتو في هذا الصباح وكنت أتساءل عما إذا كان هناك بعض التأثير مثل هذا بالإضافة إلى كل شيء آخر يمكننا ملاحظته حوله).

@ توماس # 11: الآن هذا سؤال مثير للاهتمام للغاية! لست بمنظرًا كافيًا لأشعر بالراحة في محاولة الإجابة عليه بالتفصيل (أنا مجرد فيزيائي جسيمات تجريبي).

بسذاجة ، أعتقد أنه ، من حيث المبدأ ، يمكنك معالجة فصل المادة عن مقياس FLRW المتوسع بنفس الطريقة التي تعامل بها نقطة منتهية من المادة تتحرك بشكل موحد عبر زمكان GR ثابت (هذا مجرد مثال على خاص النسبية ، بعد كل شيء).

في هذه الحالة ، لا أعتقد أنه يجب أن يكون هناك تأثير "تنبيه". هذا من شأنه أن يتوافق مع موجات الجاذبية المنبعثة من مادة متحركة بشكل منتظم (أي غير متسارع). ولكن إذا كانت النقطة تشع طاقة ، فلا بد أنها تتباطأ ، وهو ما يتعارض مع الجمود الأساسي (لا توجد قوى تعمل في هذا الشأن ، لذا لا ينبغي أن تغير الزخم).

سأشعر براحة أكبر إذا عمل عالم كوزمولوجي حقيقي (مرحبًا إيثان!) من خلال معادلات المجال أو وجهني إلى مرجع. ومع ذلك ، هذا ما يخبرني به حدسي الفيزيائي ، مهما كان الأمر يستحق.

أنت لا تخبرني بأي شيء لا أعرفه بالفعل (أنا خريج فيزياء ، ومهندس ممارس) ، لكن يبدو أن كلاكما تفتقد إلى الهدف. أولاً ، لم أحضر القضيب إلى المناقشة ، واخترت ذرة لإبقائها بسيطة. قد يكون هناك سبب نظري جيد للقول بشكل قاطع أن الفضاء داخل الذرة لا يتسع مع الكون. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فلا يمكن لأي منكما أن يصرح بذلك ، ويبدو أن كليهما يقبل ضمنيًا أنه قد لا يكون الأمر كذلك. يقول إيريك: "ربما تكون قد ضغطت الذرات معًا بقوة أكبر من القوة التوسعية التي ستضعها عليها في مدى مئات الآلاف من السنين." ، يقول مايكل "إن" التمدد "بسبب التوسع الكوني لن يتراكم بمرور الوقت لأن .. [ضاع في الضجيج] ". كيف يمكنك التمييز بين الفرضية البديلة: إما أن الفضاء داخل الذرة يتسع ، لكن التمدد صغير جدًا بحيث لا يمكن قياسه ، أو أن الفضاء لا يتوسع على الإطلاق؟ لأنني لا أعتقد أن هذا فرق تافه.

إذا كان لدي كيلو من الذهب وعدتك بنصفه ، يمكنك التحقق من حصولك عليه. كما سبق لجرام أو مليغرام. لكن استمر في تقليل مبلغ البداية ، وفي وقت ما قد تقول إنه لا يمكنك التأكد من حصولك على حصتك العادلة لأن المبالغ كانت صغيرة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بدقة. ولكن إذا قلت إنني وصلت إلى آخر 196.97 أوقية من الذهب ، ويمكنك الحصول على النصف ، فسوف تبتسم بسبب معرفتك بالتركيب الذري دون الحاجة إلى اللجوء إلى دقة القياس. لكن قبل مئات السنين ، كنت ستقبل أنه من حيث المبدأ يمكن خفض الذهب إلى النصف بغض النظر عن ضآلة ما بدأناه.

أنا لست خبيرًا بأي حال من الأحوال ، لذلك قد يقوم أحدهم بتمزيق هذه الاستجابة. أعتقد أن هناك توسعًا في الفضاء داخل الذرة (بالطبع صغير الحجم وغير قابل للقياس كما ذكر آخرون). ومع ذلك ، فإن هذه المساحة الإضافية لا تؤدي إلى زيادة المسافة بين النواة وسحابة الإلكترون. ينتج عن القوة الجاذبة بين النواة وسحابة الإلكترون حجم ثابت للذرة.

نظرًا لأن لديك درجة في الفيزياء ، يجب أن تكون هذه التجربة الفكرية واضحة. خذ ماسكات الإلكترون السحرية ، امسك إلكترونًا وحركه بعيدًا عن النواة. الآن دعها تذهب. ماذا يحدث للإلكترون؟ ستعود إلى موقعها الأصلي بسبب القوة الجاذبة. أعتقد أن الوضع مع اتساع المساحة مشابه جدًا. يميل توسع الفضاء إلى تحريك الإلكترون بعيدًا عن النواة ، لكن هذا الاتجاه تغلب عليه الجاذبية الكهرومغناطيسية.

سأحاول اتباع نهج مختلف ولا قضبان وأشياء من هذا القبيل. لقد سألت ، ماذا يحدث لذرة هيدروجين واحدة وإلكترونها. الجواب لا شيء. لا يبتعد الإلكترون عن النواة .. ولو بشكل طفيف. والأسباب بسيطة.

الطريقة الخاطئة للنظر إليها هي أن هناك بعض / أي فرق بين الفضاء بين البروتون والإلكترون بالمقارنة مع الفضاء بين الأرض والشمس. ليس هناك فرق. الزمكان هو الزمكان وهو نفس الشيء.

إذن ماذا يحدث؟ التشبيه الذي أجده مفيدًا هو التعامل مع الزمكان على أنه سائل من نوع ما. لكنها مبسطة (لا تيارات أو أي اضطرابات أو أي بنية ذرية). أي فراغ السوائل. إذا كان بإمكانك تصور شيء من هذا القبيل. وفيها خاصية التنافر (مبسطة للغاية). لكن يمكن التعامل مع هذا النفور كقوة. إذن ما يحدث في العالم الذري. مجرد قوى مختلفة تعمل على الأشياء في كل وقت. ستكون صورتك للإلكترون التي تبتعد قليلاً جدًا صحيحة إذا لم تكن هناك قوى أخرى تعمل عليها. ولكن هناك. هناك جاذبية ، وهناك قوى كهرومغناطيسية إلخ .. التغيير في السرعة أو الموقع هو مجموع كل القوى المؤثرة على الجسيم. إن قوة قوى الكهرومغناطيسية في الذرة أعلى بكثير من قوة التمدد في مثل هذه المسافة القصيرة. إذا كنت من خريجي الفيزياء .. فإن حساب قوة التمدد على مسافات تصل إلى عدة أمتار نانو سيكون سهلاً.
لذلك ليس الأمر أن الإلكترون يتحرك بعيدًا لأن هذه القوة لا تزال موجودة في مثل هذه المقاييس الصغيرة. هو أن جميع القوى الأخرى التي تعمل على الإلكترون ولكن وجود إشارة / اتجاه معاكس ستكون أقل قليلاً. سيكون مثل محاولة دفع مبنى. ليس الأمر أن المبنى يتحرك لأن هناك بعض القوة الصغيرة التي أجريتها عليه. حتى في مليارات السنين .. لن أحركها شبرًا واحدًا. لأن باقي القوى التي تثبّت المبنى في مكانه أقوى بكثير من دفعي. لا تزال دفعاتي موجودة ، لكنها لا تفعل شيئًا لتغيير موضع المبنى.

وهذا كل شيء .. :) أتمنى أن يساعد هذا.

ومع ذلك ، فإن هذه المساحة الإضافية لا تؤدي إلى زيادة المسافة بين النواة وسحابة الإلكترون. ينتج عن القوة الجاذبة بين النواة وسحابة الإلكترون حجم ثابت للذرة.

في بعض الأحيان ، يجب طرح الفكرة نفسها مرارًا وتكرارًا ليس لأن الشخص الذي يستمع إليه غبي أو لا يستمع (على الرغم من أن هذا يمكن أن يكون هو الحال أيضًا ، فالناس هم أشخاص.) ولكن لأن الإطار الذي يستخدمه الشخص الآخر ليس هو نفسه يتم استخدامها بواسطتك (كلمة "أنت" هنا هي مجموعة الجمع والمقالة لأجل غير مسمى ، بدلاً من "أنت ، شون").

يتوسع الزمكان ، لكن قيم eigenvalues ​​للإلكترون لا تغير أسلوبها بشكل مكافئ ، وبالتالي فإن "متوسط ​​الموضع" الذي يمثل نصف القطر الفعال للذرة لا يتوسع بالمثل.

إذا كان الأمر يشبه حقًا شد قضيب ، ألا يعزز ذلك وجهة نظري؟ سوف يتفكك إذا قمت بسحبه بقوة كافية ،

نعم ، لكنك لست كذلك ، أليس كذلك. أنت لست قادرًا حتى على وضع قوة كافية في السحب لفصل قضيب فولاذي ، أليس كذلك؟

كما أن توسع الفضاء في العصر الحالي للكون غير قادر على سحب هذا الإلكترون بعيدًا عن النواة.

إذا كان الأمر أقوى ، فسيكون **** لكنه ليس ***.

إذا كانت أقوى ، فلن يتم تطبيق "أوامر الحجم" لمايكل ، وبالتالي لن يدعي مايكل نفس الشيء (نظرًا لأن الادعاء يستند إلى أن التوسيع لا يعادل القوى الملزمة على الإلكترون).

سينيسا ، شكرا لمساهمتك ، على الرغم من أنني لا أعتقد أن هناك أي شيء جديد بالنسبة لي. لكن تأملاتي تدور حول أسئلة "كيف نعرف" وموازنة كتب الطاقة.

كما يبدو أنك تتخيلها ، فإن كل الفضاء يتوسع ، والذي سيكون بالفعل الافتراضي الواضح (على الرغم من التجربة السابقة لإدارة الجودة ، الذي يبدو واضحًا أنه خطأ على الأرجح!). مع توسع فضاء ALL ، فإن بعض المساحة التي كانت داخل مدار الإلكترون تتسرب ببطء خارجها ، لكن القوى الكهرومغناطيسية تحافظ على الإلكترون مسمرًا على نفس المسافة من البروتون عن طريق سحبه بشكل فعال مرة أخرى عبر الفضاء المتسع. الطاقة الكامنة لم تتغير ، توازن الكتب ، كل شيء في الحديقة وردي. لكن إذا كنت مراقبًا على نيوترون بدأ خارج مدار الإلكترون ، فمن المؤكد أنني سأرى الذرة تتراجع عني بمعدل أولي يشير إلى أن المساحة الصغيرة بيننا تتوسع بسرعة أكبر بكثير من معدل الخلفية. إذا لم يكن معدل التمدد ثابتًا ، فسأرى أن الذرة تتسارع بدون قوة واضحة ، وحتى لو كانت ثابتة ، سأبدو بطريقة ما أنني اكتسبت طاقة وضع الجاذبية من البروتون (متفق عليه ضئيل للغاية ، ولكن ليس صفرًا) ، في حين أن الإلكترون المرتبط بـ EM المجاور لم يكن كذلك. كيف يتم حل هذه المفارقة؟

ملاحظة. نقطة واحدة مثيرة للاهتمام حول الإلكترون ، والتي تم إهمالها. إذا كان المرء صعب الإرضاء .. فهناك قوة توسع من الفضاء تتجاوز الإلكترون ، فهذا يدفعه في الواقع نحو البروتون. نظرًا لأن التمدد موجود كقوة خارجية من كل نقطة على حدة ، مع فيزياء المدرسة الثانوية ، يمكنني القول أنه لا توجد قوة صافية من حيث التوسع تعمل على الإلكترون .. تعمل فعليًا على أي شيء. وبالتالي فهو ببساطة مساحة أكبر .. إنه ليس قوة دفع أو جر في اتجاه معين.

مع توسع فضاء ALL ، فإن بعض المساحة التي كانت داخل مدار الإلكترون تتسرب ببطء خارجها ،

يتسع الفضاء ، ولكن لا شيء يوقف الأشياء التي تتحرك في الفضاء الموسع.

إرجو أن الإلكترون يمكنه العودة للداخل.

فقط لأن كراسي المديرين أكبر لا تجعل مؤخرتهم تكبر. هناك مساحة أكبر لمؤخرة أكبر فيها.

"ولكن إذا كنت مراقبًا على نيوترون بدأ خارج مدار الإلكترون ، فمن المؤكد أنني سأرى الذرة تتراجع عني بمعدل أولي يشير إلى أن المساحة الصغيرة بيننا تتوسع بسرعة أكبر بكثير من معدل الخلفية . "

لست متأكدًا إلى أي ذرة تشير إليها ، والتي ستشاهدها تنحسر عنك.

لن ترى أي شيء يتحرك بعيدًا عنك إذا كنت تقف على نيوترون. تمامًا كما لا تلاحظ انحسار الشمس عن الأرض. والمسافات أكثر دراماتيكية. حتى صورة "تسرب بعض الفضاء" ليست ضرورية على الإطلاق ، لأن الذرة في حركة مستمرة. إنها ليست نفس المساحة التي حولها أو بداخلها. المادة ليست "مرتبطة" ببعض جسيمات الفضاء مثل القراد. إذا كانت هذه هي صورتك الذهنية ، فيمكنني أن أفهم سبب الارتباك.

أعني أنظر إلى الأرض. لقد "تعرضت" للتوسع لأكثر من 4 مليارات سنة. وهو يعمل بشكل جيد .. إنه ليس "تضخيمًا". إذا كان بإمكانك أن تعطي لنفسك إجابة عن سبب عدم "انفجار" الأرض بسبب التوسع ، فيمكنك حينئذٍ فهم الذرة. لأنه نفس الشيء.

أنت لا تزال تتحرك بسرعة 100 كم / ثانية بالنسبة إلى جهازك الأصلي
الموقع ، ولكن هذا الآن على بعد كيلومتر واحد! يبدو أن
تنحسر بسرعة 100 كم / ثانية منك ، ولكن جزء من ذلك - 10
كم / ثانية منه - يتم احتسابه من خلال توسيع نطاق
كون! لذا فإن سرعتك بالنسبة إلى تمدد
تباطأ الكون الآن أنت تتحرك فقط عند 90
كم / ثانية. وبما أن الكون يتوسع أبعد وأبعد ، فسيكون لديك
تستمر السرعة في الانخفاض.

عندما تقول "سرعتك بالنسبة لتوسع الكون" ، فهل هذا يعادل قول "سرعتك في الفضاء المحلي"؟ إذا كان الأمر كذلك ، فلن يكون الأمر كذلك في النهاية أن سرعتك في الفضاء المحلي ستكون صفرًا لأن نقطة البداية الخاصة بك تتراجع الآن بسرعة 100 كم / ثانية بسبب التوسع. في الواقع ، بعد المزيد من الوقت لن يتم عكس اتجاهك في الفضاء المحلي في النهاية. إذا كان الأمر كذلك ، أجد أنه من المثير للاهتمام أن هذا مشابه لحركة جسيم تحاول ولكن تفشل في الهروب من الجاذبية جيدًا. شكرا لمقالك!

يتبرع

ScienceBlogs هو المكان الذي يتواصل فيه العلماء مباشرة مع الجمهور. نحن جزء من Science 2.0 ، وهي مؤسسة غير ربحية لتعليم العلوم تعمل بموجب القسم 501 (c) (3) من قانون الإيرادات الداخلية. يرجى تقديم تبرع معفى من الضرائب إذا كنت تقدر التواصل العلمي المستقل والتعاون والمشاركة والوصول المفتوح.

يمكنك أيضًا التسوق باستخدام Amazon Smile وعلى الرغم من أنك لا تدفع أكثر ، فإننا نحصل على شيء صغير.


الكون اللانهائي؟

تحدد كثافة الكون أيضًا هندسته. إذا تجاوزت كثافة الكون الكثافة الحرجة ، فإن هندسة الفضاء تكون مغلقة ومنحنية بشكل إيجابي مثل سطح الكرة. وهذا يعني أن مسارات الفوتون المتوازية في البداية تتلاقى ببطء ، وتتقاطع في النهاية ، وتعود إلى نقطة البداية (إذا استمر الكون لفترة كافية). إذا كانت كثافة الكون أقل من الكثافة الحرجة ، فإن هندسة الفضاء تكون مفتوحة (لانهائية) ومنحنية بشكل سلبي مثل سطح السرج. إذا كانت كثافة الكون تساوي بالضبط الكثافة الحرجة ، فإن هندسة الكون تكون مسطحة مثل ورقة ، ومدى لانهائي.

أبسط نسخة من نظرية التضخم ، امتداد لنظرية الانفجار العظيم ، تتنبأ بأن كثافة الكون قريبة جدًا من الكثافة الحرجة ، وأن هندسة الكون مسطحة ، مثل ورقة.


هل وجدنا للتو أكبر "شيء" دوار في الكون؟

في الفناء الخلفي الكوني الخاص بنا ، كل شيء نراه يدور ويدور ويدور بطريقة أو بأخرى. يدور كوكبنا (وكل شيء عليه) حول محوره ، تمامًا مثل كل كوكب وقمر في النظام الشمسي. تدور الأقمار (بما في ذلك القمر الخاص بنا) حول كوكبها الأصلي ، بينما تدور جميع أنظمة الكوكب والقمر حول الشمس. الشمس بدورها ، مثلها مثل مئات المليارات من النجوم في المجرة ، تدور حول مركز المجرة ، بينما تدور المجرة بأكملها حول الانتفاخ المركزي.

ومع ذلك ، على أكبر المقاييس الكونية ، لا يوجد دوران عالمي مرصود. لا يبدو أن الكون ، لأي سبب كان ، لديه دوران أو دوران شامل ، ولا يبدو أنه يدور حول أي شيء آخر. وبالمثل ، لا يبدو أن أكبر الهياكل الكونية المرصودة تدور حول أي بنى أخرى أو تدور حولها أو تدور حولها. لكن في الآونة الأخيرة ، يبدو أن دراسة جديدة تتحدى ذلك ، حيث تدعي أن الخيوط الكونية الهائلة - خيوط الشبكة الكونية - يبدو أنها تدور حول المحور الخيطي نفسه. هذا غريب بالتأكيد ، لكن هل يمكننا شرحه؟ هيا نكتشف.

46 مليار سنة ضوئية في دائرة نصف قطرها اليوم. (ناسا / CXC / إم ويس)

من أجل إجراء تنبؤ ، علينا أولاً إعداد السيناريو الذي نتوقعه ، ثم وضع قوانين الفيزياء ، وتطوير النظام في الوقت المناسب لنرى ما نتوقعه. يمكننا العودة ، نظريًا ، إلى المراحل الأولى من الكون. في بداية الانفجار العظيم الساخن ، مباشرة بعد نهاية التضخم الكوني ، يكون الكون:

  • مليئة بالمادة والمادة المضادة والمادة المظلمة والإشعاع ،
  • موحد ونفس الشيء في جميع الاتجاهات ،
  • باستثناء عيوب الكثافة الطفيفة بمقياس 1 جزء في 30000 ،
  • ومع وجود عيوب صغيرة إضافية في اتجاه هذه التقلبات ، والحركات الخطية والدورانية لهذه المناطق كثيفة وغير كثيفة ، وعيوب مماثلة في خلفية موجات الجاذبية التي ولد بها الكون.

عندما يتمدد الكون ويبرد وينجذب ، يحدث عدد من الخطوات المهمة ، خاصة على المقاييس الكونية الكبيرة.

إن التقلبات الباردة (الموضحة باللون الأزرق) في الإشعاع CMB ليست بطبيعتها أكثر برودة ، ولكنها تمثل المناطق التي يوجد بها جاذبية أكبر بسبب كثافة أكبر للمادة ، في حين أن النقاط الساخنة (باللون الأحمر) تكون أكثر سخونة فقط لأن الإشعاع في تلك المنطقة تعيش في بئر جاذبية ضحلة. بمرور الوقت ، من المرجح أن تنمو المناطق ذات الكثافة الزائدة إلى نجوم ومجرات وعناقيد ، في حين أن المناطق الأقل كثافة ستكون أقل احتمالا للقيام بذلك. يمكن أن تظهر كثافة الجاذبية للمناطق التي يمر الضوء خلالها أثناء انتقاله في CMB أيضًا ، مما يعلمنا كيف تبدو هذه المناطق حقًا. (E.M. HUFF ، فريق SDSS-III وفريق تلسكوب القطب الجنوبي بواسطة ZOSIA ROSTOMIAN)

على وجه الخصوص ، تنمو بعض الأشياء بمرور الوقت ، وتتحلل أشياء أخرى بمرور الوقت ، ولا تزال أشياء أخرى على حالها مع مرور الوقت.

عيوب الكثافة ، على سبيل المثال ، تنمو بطريقة معينة: متناسبة مع نسبة كثافة المادة إلى كثافة الإشعاع. عندما يتمدد الكون ويبرد ، تصبح المادة والإشعاع - المكونان من كوانت فردية - أقل كثافة ويظل عدد الجسيمات كما هو بينما يزداد الحجم ، مما يتسبب في انخفاض كثافة كلاهما. لا تنخفض بالتساوي ، لكن كمية الكتلة في كل مادة جسيم تبقى كما هي ، لكن كمية الطاقة في كل كمية من الإشعاع تنخفض. مع توسع الكون ، يتمدد الطول الموجي للضوء الذي يسافر عبر الفضاء ، مما يجعله ينخفض ​​ويقلل من طاقاته.

عندما يصبح الإشعاع أقل نشاطًا ، ترتفع كثافة المادة بالنسبة إلى كثافة الإشعاع ، مما يتسبب في نمو عيوب الكثافة هذه. بمرور الوقت ، تجذب المناطق ذات الكثافة الزائدة في البداية بشكل تفضيلي المادة المحيطة ، وتجذبها ، بينما تتخلى المناطق الأقل كثافة في البداية بشكل تفضيلي عن المواد الخاصة بها إلى المناطق الأكثر كثافة المجاورة. على مدى فترات زمنية طويلة بما فيه الكفاية ، يؤدي هذا إلى تكوين سحب الغاز الجزيئي والنجوم والمجرات وحتى الشبكة الكونية بأكملها.

يؤدي نمو الشبكة الكونية والبنية واسعة النطاق في الكون ، كما هو موضح هنا مع التوسع نفسه ، إلى أن يصبح الكون أكثر تكتلًا وتكتلًا مع مرور الوقت. في البداية ، ستنمو تقلبات الكثافة الصغيرة لتشكل شبكة كونية بها فراغات كبيرة تفصل بينها ، ولكن ما يبدو أنه أكبر الهياكل الشبيهة بالجدار والعنقودية الفائقة قد لا يكون صحيحًا ، هياكل مرتبطة بعد كل شيء. (فولكر سبرينجيل)

وبالمثل ، يمكنك تتبع تطور أي أوضاع دوران أولية في كون يكون مبدئيًا متناحًا ومتجانسًا. على عكس عيوب الكثافة التي تنمو ، فإن أي دوران أو دوران أولي سوف يتلاشى مع تمدد الكون. على وجه التحديد ، يتحلل مع نمو حجم الكون: كلما تمدد الكون ، أصبح الزخم الزاوي أقل أهمية. لذلك يجب أن يكون من المنطقي توقع أنه لن يكون هناك أي زخم زاوي - وبالتالي أي دوران أو دوران - على المقاييس الكونية الأكبر.

على الأقل ، هذا صحيح ، لكن فقط حتى نقطة معينة. طالما استمر الكون الخاص بك والبنى الموجودة فيه في التوسع ، فإن أوضاع الدوران أو الدوران هذه سوف تتلاشى. ولكن هناك قاعدة أكثر جوهرية: قانون الحفاظ على الزخم الزاوي. تمامًا مثل المتزلج على الجليد يمكنه زيادة معدل دورانه عن طريق جلب أذرعهم وأرجلهم (أو يمكن تقليلها عن طريق تحريك أذرعهم وأرجلهم للخارج) ، فإن دوران الهياكل كبيرة الحجم سوف يتضاءل طالما تتوسع الهياكل ، ولكن بمجرد أن يتم سحبها تحت تأثير جاذبيتها ، فإن هذا الدوران يتسارع مرة أخرى.

عندما تدور متزلج على الجليد مثل Yuko Kawaguti (في الصورة هنا من كأس روسيا لعام 2010) بأطرافها بعيدًا عن جسدها ، تكون سرعتها الدورانية (مقاسة بالسرعة الزاوية ، أو عدد الثورات في الدقيقة) أقل مما كانت عليه عندما كانت تسحب كتلتها بالقرب من محور دورانها. يضمن الحفاظ على الزخم الزاوي أنه عندما تسحب كتلتها أقرب إلى محور الدوران المركزي ، تسرع سرعتها الزاوية للتعويض. (DEERSTOP / WIKIMEDIA COMMONS)

الزخم الزاوي ، كما ترى ، هو مزيج من عاملين مختلفين مضروبين معًا.

  1. لحظة من الجمود، والتي يمكنك التفكير فيها على أنها كيفية توزيع كتلتك: بالقرب من محور الدوران ، توجد لحظة صغيرة من القصور الذاتي بعيدًا عن محور الدوران ، وهي لحظة كبيرة من القصور الذاتي.
  2. السرعة الزاوية، والتي يمكنك التفكير فيها كمدى سرعة قيامك بثورة كاملة ، شيء مثل الثورات في الدقيقة هو مقياس للسرعة الزاوية.

حتى في الكون حيث لا تولد عيوب الكثافة لديك إلا بمقدار ضئيل جدًا من الزخم الزاوي ، فإن نمو الجاذبية لن يكون قادرًا على التخلص منه ، بينما يضمن الانهيار الثقالي ، الذي يتسبب في تركيز كتلتك نحو المركز ، أن لحظة القصور الذاتي ستنخفض في النهاية بشكل كبير. إذا ظل زخمك الزاوي كما هو أثناء انخفاض لحظة القصور الذاتي ، فيجب أن ترتفع سرعتك الزاوية استجابةً لذلك. نتيجة لذلك ، كلما زادت كمية الانهيار الثقالي الذي تعرض له الهيكل ، زادت الكمية التي نتوقع رؤيتها تدور ، أو تدور ، أو تُظهر بطريقة أخرى زخمها الزاوي.

بمعزل عن أي نظام ، سواء في حالة السكون أو الحركة ، بما في ذلك الحركة الزاوية ، لن يكون قادرًا على تغيير تلك الحركة بدون قوة خارجية. في الفضاء ، خياراتك محدودة ، ولكن حتى في محطة الفضاء الدولية ، يمكن لأحد المكونات (مثل رائد الفضاء) الدفع ضد عنصر آخر (مثل رائد فضاء آخر) لتغيير حركة المكون الفردي. (ناسا / محطة الفضاء الدولية)

لكن حتى هذا ليس سوى نصف القصة. بالتأكيد ، نتوقع تمامًا أن الكون يولد ببعض الزخم الزاوي ، وعندما تنمو عيوب الكثافة هذه وتجذب المادة وتنهار أخيرًا تحت تأثير جاذبيتها ، نتوقع رؤيتها تدور - وربما بشكل كبير جدًا - في النهاية. ومع ذلك ، حتى لو وُلد الكون بدون زخم زاوي في أي مكان على الإطلاق ، فمن الحتمي أن تبدأ الهياكل التي تتشكل على جميع المقاييس الكونية (باستثناء ، ربما أكبرها على الإطلاق) بالدوران والدوران وحتى الدوران حولها. واحد اخر.

السبب في ذلك هو ظاهرة مادية نعرفها جميعًا ، ولكن في سياق مختلف: المد والجزر. السبب الذي يجعل كوكب الأرض يواجه المد والجزر هو أن الأجسام القريبة منه ، مثل الشمس والقمر ، تجذب الأرض بقوة الجاذبية. ومع ذلك ، فهم يجتذبون على وجه التحديد كل نقطة على الأرض ، ويفعلون ذلك بشكل غير متساو. على سبيل المثال ، تنجذب النقاط الموجودة على الأرض الأقرب إلى القمر أكثر قليلاً من النقاط البعيدة. وبالمثل ، فإن النقاط "الشمالية" أو "الجنوبية" للخط التخيلي الذي يربط مركز الأرض بمركز القمر ستنجذب "لأسفل" أو "لأعلى" في المقابل.

تختلف قوة الجاذبية (Fg) في كل نقطة على طول جسم ينجذب بواسطة كتلة نقطة واحدة. تحدد القوة المتوسطة ، للنقطة الموجودة في المركز ، كيفية تسارع الجسم ، مما يعني أن الجسم بأكمله يتسارع كما لو كان خاضعًا لنفس القوة الكلية. إذا طرحنا هذه القوة (Fr) من كل نقطة ، فإن الأسهم الحمراء تعرض قوى المد والجزر التي تم اختبارها في نقاط مختلفة على طول الجسم. هذه القوى ، إذا كانت كبيرة بما يكفي ، يمكنها تشويه وحتى تمزيق الأشياء الفردية. (VITOLD MURATOV / CC-BY-SA-3.0)

على الرغم من سهولة تصور ذلك لجسم دائري مثل الأرض ، تحدث نفس العملية بين كل كتلتين في الكون تشغل أي حجم أكبر من نقطة واحدة. تمارس قوى المد والجزر هذه ، عندما تتحرك الأجسام عبر الفضاء بالنسبة إلى بعضها البعض ، ما يُعرف باسم عزم الدوران: القوة التي تجعل الأشياء تختبر تسارعًا أكبر على جزء منها أكثر من الأجزاء الأخرى منه. في جميع الحالات باستثناء الحالات الأكثر توافقًا تمامًا - حيث يتم إلغاء كل عزم الدوران ، وهو ندرة هائلة وندرة - فإن عزم الدوران المد والجزر سيؤدي إلى تسارع زاوي ، مما يؤدي إلى زيادة الزخم الزاوي.

"انتظر" ، يمكنني سماع اعتراضك. "اعتقدت أنك قلت أن الزخم الزاوي كان دائمًا محفوظًا؟ إذن كيف يمكنك إنشاء تسارع زاوي ، مما يزيد من زخمك الزاوي ، إذا كان الزخم الزاوي شيئًا لا يمكن أبدًا إنشاؤه أو تدميره؟ "

إنه اعتراض جيد. ما عليك أن تتذكره ، مع ذلك ، هو أن عزم الدوران يشبه القوى تمامًا بمعنى أنها تخضع لنسخها الخاصة من قوانين نيوتن. على وجه الخصوص ، تمامًا مثل القوى التي لها اتجاهات ، فإن عزم الدوران أيضًا: يمكن أن يتسبب في دوران شيء ما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة حول كل من المحاور ثلاثية الأبعاد الموجودة في كوننا. ومثلما يكون لكل فعل رد فعل معاكس مساوٍ له ، فعندما يسحب جسم على آخر لإنشاء عزم دوران ، فإن هذه القوة المتساوية والمعاكسة ستنشئ عزمًا على ذلك الجسم الأول أيضًا.

حاول الكثيرون تجاوز الرقم القياسي الحالي لسرعة الأرض من خلال إرفاق صواريخ أو غيرها من وسائل الدفع بمركباتهم. عندما تبدأ الإطارات في الدوران ، فإنها تدفع باتجاه الأرض ، وتدفع الأرض للخلف. عندما تكتسب السيارة زخمًا زاويًا في اتجاه واحد ، تكتسب الأرض زخمًا زاويًا في الاتجاه المعاكس. (RODGER BOSCH / AFP عبر Getty Images)

إنه ليس شيئًا تفكر فيه كثيرًا ، ولكن هذا يحدث طوال الوقت في واقعنا. عندما تقوم بتسريع سيارتك من حالة التوقف التام بمجرد أن يتحول الضوء إلى اللون الأخضر ، تبدأ إطاراتك بالدوران والدفع عكس الطريق. لذلك ، يبذل الطريق قوة على الجزء السفلي من إطاراتك ، مما يتسبب في سيطرة إطاراتك الدوارة على الطريق ، وزيادة السرعة ، ودفع السيارة إلى الأمام. لأن القوة لا تكون مباشرة على مركز العجلات - حيث توجد المحاور - ولكن بدلاً من ذلك خارج المركز ، تدور إطارات سيارتك ، وتمسك بالطريق ، وتنتج عزمًا.

ولكن هناك رد فعل متساوٍ ومعاكس هنا أيضًا. يجب أن يضغط الطريق والإطارات على بعضهما البعض بقوى متساوية ومتقابلة. إذا تسببت قوة الطريق على الإطارات في تسريع سيارتك ثم تحركها ، على سبيل المثال ، في اتجاه عقارب الساعة بالنسبة لمركز كوكب الأرض ، فإن قوة الإطارات على الطريق ستؤدي إلى تسارع كوكب الأرض وتدويره دائمًا. قليلاً ، أكثر قليلاً في اتجاه عكس عقارب الساعة فيما يتعلق بكيفية تحركها من قبل. بالرغم من ذلك:

  • السيارة لديها الآن زخم زاوي أكبر مما كانت عليه من قبل ،
  • والأرض لديها الآن زخم زاوي أكبر مما كانت عليه من قبل ،

يمتلك مجموع نظام السيارة + الأرض نفس مقدار الزخم الزاوي كما كان في البداية. الزخم الزاوي ، مثل القوة ، متجه: بالحجم والاتجاه.

يمثل هذا المقتطف من محاكاة تكوين البنية ، مع التوسع في توسع الكون ، مليارات السنين من نمو الجاذبية في كون غني بالمادة المظلمة. لاحظ أن الخيوط والعناقيد الغنية ، التي تتشكل عند تقاطع الخيوط ، تنشأ أساسًا بسبب المادة المظلمة ، تلعب المادة العادية دورًا ثانويًا فقط. بمجرد انهيار الهيكل ، تصبح الفيزياء المعقدة للمادة الطبيعية ذات أهمية حيوية. (رالف كوهلر وتوم آبل (كيباك) / أوليفر هان)

إذن ماذا يحدث ، إذن ، عندما تتشكل البنية الكبيرة الحجم في الكون؟

طالما أنك لست كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن حدوث الانهيار الثقالي - حيث يمكن للمادة في الكون أن تتقلص على طول الطريق في بُعد واحد أو أكثر إلى مقياس حيث ستنطلق الأشياء بسبب الاصطدامات - فإن عزم المد والجزر هذا سيتسبب كتل من المادة تسحب بعضها البعض ، مما يؤدي إلى الدوران. هذا يعني أن الكواكب والنجوم والأنظمة الشمسية والمجرات وحتى ، من الناحية النظرية ، يجب أن تختبر الخيوط الكونية الكاملة من الشبكة الكونية ، على الأقل في بعض الأحيان ، حركات دورانية. ومع ذلك ، على المقاييس الأكبر ، لا ينبغي أن يكون هناك دوران شامل ، حيث لا توجد هياكل محددة أكبر في الكون.

هذا هو بالضبط ما سعت الدراسة الأخيرة إلى قياسه ، وما وجدته بالضبط. بالنسبة للخيوط الفردية ، لم يتمكنوا من رؤية أي شيء ، ولكن عندما أخذوا آلاف الخيوط معًا ، ظهرت تأثيرات الدوران بوضوح.

"من خلال تكديس آلاف الخيوط معًا وفحص سرعة المجرات المتعامدة مع محور الشعيرة (عبر انزياحها الأحمر والانزياح الأزرق) ، وجدنا أن هذه الأجسام تعرض أيضًا حركة دوامية متسقة مع الدوران ، مما يجعلها أكبر الأجسام المعروفة بزخمها الزاوي. تعتمد قوة إشارة الدوران بشكل مباشر على زاوية الرؤية والحالة الديناميكية للخيوط. يتم اكتشاف دوران الفتيل بشكل أكثر وضوحًا عند عرضه على الحافة ".

لقد رأينا "دوران الخيوط" من قبل: في الخيوط التي يتم إنشاؤها في مناطق تشكل النجوم داخل المجرات الفردية. ولكن في مفاجأة للبعض ، حتى أكبر الخيوط في الكون ، تلك التي تتبع الشبكة الكونية ، يبدو أنها تدور أيضًا ، على الأقل في المتوسط. سرعاتها قابلة للمقارنة بالسرعة التي تتحرك بها المجرات وتدور النجوم داخل مجرة ​​درب التبانة: حتى

مئات الكيلومترات في الثانية. على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير لتفكيكه حول هذه الظاهرة ، فإن هذه الخيوط الكونية واسعة النطاق ، والتي تمتد عادةً لمئات الملايين من السنين الضوئية ، هي الآن أكبر الهياكل الدوارة المعروفة في الكون.

لكن لماذا يتناوبون؟ هل هو شيء يمكن تفسيره حقًا من خلال عزم المد والجزر ولا شيء آخر؟ تشير الأدلة المبكرة إلى "نعم" ، حيث يبدو أن وجود كتل كبيرة بالقرب من الخيوط - ما يسميه علماء الكونيات "الهالات" - يكثف الدوران. كما لاحظ المؤلفون ، "كلما زادت كتلة الهالات الموجودة في أي من طرفي الخيوط ، تم الكشف عن المزيد من الدوران ،" بما يتوافق مع عزم الجاذبية الذي يحفز هذه الحركات. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة ، حيث قد تلعب درجة الحرارة والفيزياء الأخرى دورًا أيضًا.

الاختراق الكبير هو أننا اكتشفنا أخيرًا دورانًا على هذه المقاييس الكبيرة بشكل غير مسبوق. إذا سارت الأمور على ما يرام ، فلن نكتشف السبب فحسب ، بل سنكون قادرين على التنبؤ بسرعة دوران كل خيوط نراها ولأي سبب. حتى نتمكن من التنبؤ بكيفية تشكل كل بنية في الكون وتصرفها وتطورها ، لن ينفد علماء الفيزياء الفلكية النظريون أبدًا من العمل الذي يتعين عليهم القيام به.


شاهد الفيديو: اتساع الكون...اكتشاف إدوين هابل أن الكون في حالة تجدد ونظرية العلماء في ذلك (أغسطس 2022).