توسع الكون

يبدأ الدرس من ملاحظة أساسية: المجرات تتحرك في الكون بوصف كل مجرة وحدة واحدة، لكنها لا تبقى على مسافات ثابتة من غيرها. عند دراسة العلماء للأطياف الكهرمغناطيسية المرئية المنبعثة من المجرات لاحظوا أن أطياف معظمها تنزاح نحو الأحمر، فاستدلوا من ذلك على أنها تتحرك مبتعدة عنا.

في نشاط تباعد المجرات تظهر مجموعة مجرات على مسافات مختلفة عن الأرض. الفكرة التي نقرأها من الشكل هي أن المجرة الأبعد تقترن بسرعة ابتعاد أكبر، وأن شدة الانزياح نحو الأحمر تزيد عندما تكون سرعة الابتعاد أكبر.

الانزياح نحو الأحمر: هو انتقال خطوط الطيف المرئي نحو الأطوال الموجية الأطول، أي نحو جهة اللون الأحمر، ويحدث عندما يكون مصدر الضوء مبتعدا عن الراصد.

1. تتضح الفكرة بالربط مع الفيزياء. عند اقتراب سيارة الإسعاف من شخص يزداد تردد الموجات الصوتية التي تصل إليه ويقصر طولها الموجي.
2. أما عند ابتعادها فيقل التردد ويزداد الطول الموجي. تسمى هذه الظاهرة تأثير دوبلر.

ينطبق المعنى نفسه على الضوء. إذا كان مصدر الضوء يبتعد عنا فإن عدد الموجات التي تصل في الثانية يقل؛ أي يكون التردد منخفضا والطول الموجي طويلا. وبما أن اللون الأحمر يمثل الأطوال الموجية الطويلة في الطيف المرئي، فإن الضوء القادم من المجرات المبتعدة يميل إلى الأحمر.

تحقق سريع: إذا كان الطيف ينزاح نحو الأزرق فهل يكون مصدر الضوء مقتربا أم مبتعدا؟ اربط إجابتك بالتردد والطول الموجي.

درس إدوين هابل الأطياف الكهرمغناطيسية المرئية المنبعثة من مجرات تقع على مسافات مختلفة عن الأرض. وجد أن المجرات تتحرك مبتعدة عنا، وأن سرعة ابتعادها لا تأتي عشوائية، بل ترتبط ببعدها.

قانون هابل: ينص قانون هابل على أن سرعة تباعد المجرات تتناسب طرديا مع بعدها عنا؛ أي إن المجرة الأبعد تتحرك مبتعدة بسرعة أكبر.

تكتب العلاقة الرياضية بالصورة:

حيث تمثل $v$ سرعة تباعد المجرة بوحدة km/s، ويمثل $H_o$ ثابت هابل الذي يقدر متوسط قيمته بنحو $70\,\text{km/s/Mpc}$، ويمثل $d$ بعد المجرة عنا بوحدة مليون فرسخ فلكي Mpc.

يُعرَّف الفرسخ الفلكي بأنه وحدة لقياس المسافات الكبيرة بين النجوم والمجرات. ويساوي الفرسخ الفلكي تقريبا $3.26$ سنة ضوئية، أو $3.1 \times 10^{13}$ km. لذلك يجب الانتباه إلى تحويل السنة الضوئية إلى pc ثم إلى Mpc قبل التعويض في قانون هابل.

خطوات مسائل هابل: حوّل المسافة أولا إلى pc، ثم اقسم على $10^6$ لتحصل على Mpc، ثم عوض في $v = H_o \times d$. لا تخلط بين pc وMpc.

يفسر هذا القانون سبب ارتباط الانزياح نحو الأحمر بالبعد: المجرة الأبعد تكون سرعتها أكبر، فتظهر شدة انزياح طيفها نحو الأحمر أكبر. لذلك لا تكفي عبارة "الطيف أحمر" وحدها؛ المهم أن نفهم أن الانزياح علامة على ابتعاد المصدر وانخفاض تردد الضوء الواصل إلينا.

1. يقرّب نشاط عملي فكرة توسع الكون بنموذج عجينة الزبيب: خذ قطعة عجين وضع فيها حبات زبيب متفرقة، ثم اترك العجينة تختمر وتتمدد، ولاحظ المسافات بين حبات الزبيب أثناء ذلك.
2. تمثل العجينة الفضاء، وتمثل حبات الزبيب المجرات؛ فعند تمدد العجينة تتباعد حبات الزبيب جميعها عن بعضها بعضا دون أن تتحرك أي حبة بمفردها داخل العجينة.
3. يوضح هذا النموذج أن أي مراقب يقف عند أي حبة زبيب (أي مجرة) يرى بقية الحبات (المجرات) تبتعد عنه، أي إن توسع الكون ليس له مركز محدد، وأن الأرض ليست مركز الكون.
4. يفسر هذا الدرس ابتعاد المجرات عن بعضها، والانزياح نحو الأحمر الناتج من تأثير دوبلر، ثم يستخدم قانون هابل ونموذج عجينة الزبيب لتوضيح معنى توسع الكون.

صوّر هذا الجدول وسمِّعه: