يربط الدرس بين رصد النجوم فوق المستعرة وتسارع توسع الكون، ثم يوضح نسب مكونات الكون ودور المادة المظلمة والطاقة المظلمة، وينتهي بحساب عمر الكون التقريبي من مقلوب ثابت هابل.
آخر تحديث:
يعد انزياح أطياف المجرات نحو الأحمر دليلا على تباعدها عنا وعن بعضها، ودليلا على توسع الكون. كان العلماء يتوقعون أن تقل سرعة التوسع مع الزمن بسبب قوى التجاذب بين المجرات والنجوم والسدم، لكن رصد النجوم فوق المستعرة بمقراب هابل أظهر أن الكون يتوسع حاليا بوتيرة أسرع مما كان قبل مليارات السنين.
النجم فوق المستعر: نجم شديد السطوع يطلق طاقة تعادل الطاقة التي تصدرها الشمس خلال مدة حياتها، ويتكون نتيجة انفجار نجم انفجارا عظيما في مرحلة موته.
عزا العلماء سبب تسارع توسع الكون إلى الطاقة المظلمة. وهي طاقة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، تملأ الفضاء وتشكل نحو 68.3% من مكونات الكون.
أما المادة العادية فتشكل نحو 4.9% من الكون، وتتكون من الهيدروجين والهيليوم وبقية العناصر المعروفة. وتشكل المادة المظلمة نحو 26.8%، وهي غير مألوفة ولا نعرف طبيعتها، لكن وجودها يستدل عليه من تأثيراتها الجاذبية في المادة العادية.
تربط المادة المظلمة عبر جاذبيتها مكونات الكون، وهذا يبطئ معدل التوسع. في المقابل تؤدي الطاقة المظلمة إلى تسارع التوسع وتباعد المجرات. في المراحل الأولى كان تأثير المادة المظلمة أكبر، لكن مع ازدياد عمر الكون وتوسعه قل تأثير المادة المظلمة وازداد تأثير الطاقة المظلمة.
كيف نستدل على غير المرئي؟: لا يعرف العلماء طبيعة المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة مباشرة؛ الاستدلال يأتي من آثار كل منهما: الجاذبية للمادة المظلمة، وتسارع التوسع للطاقة المظلمة.
ليستا الشيء نفسه: المادة المظلمة تجذب وتبطئ التوسع، أما الطاقة المظلمة فتدفع نحو تسارع تباعد المجرات.
قدر العلماء عمر الكون التقريبي بحساب مقلوب ثابت هابل: حيث T عمر الكون التقريبي، وH0 ثابت هابل. تتراوح قيمة ثابت هابل بين 68 و80 km/s/Mpc، وقد قدر العلماء متوسطه بنحو 70 km/s/Mpc.
تُستخدم التحويلات الآتية في الحساب: و
الفكرة الحسابية: لا تكتف بكتابة T = 1/H0؛ يجب تحويل Mpc إلى km والثواني إلى سنوات حتى يظهر العمر بوحدة years.
في المثال الأول عند H0 = 70 km/s/Mpc يكون العمر:
وفي المثال الثاني عند H0 = 77 km/s/Mpc يكون العمر: لذلك نلاحظ أنه كلما زادت قيمة ثابت هابل قل عمر الكون المحسوب.
قبل المراجعة: اربط ثلاث أفكار: النجوم فوق المستعرة كشفت التسارع، الطاقة المظلمة سبب التسارع، وثابت هابل يعطي عمرا تقريبيا للكون.
تطلب مراجعة الدرس تفسير ازدياد سرعة توسع الكون على الرغم من التجاذب الكبير بين مكوناته. الجواب يقوم على أن المادة المظلمة تسهم في التجاذب وإبطاء التوسع، لكن أثر الطاقة المظلمة ازداد مع الزمن فأصبحت تدفع التوسع إلى التسارع.
في سؤال رسم مقطع مكونات الكون، يجب أن تظهر الطاقة المظلمة أكبر جزء بنسبة 68.3%، ثم المادة المظلمة 26.8%، ثم المادة العادية 4.9%. أما في المقارنة بشكل فن، فوجه الشبه أن كليهما غير مألوف ولا نعرف طبيعته مباشرة، والاختلاف أن المادة المظلمة أثرها جاذبي والطاقة المظلمة أثرها تسريع التوسع.
ثابت هابل 80: لسؤال H0 = 80 km/s/Mpc استخدم العلاقة نفسها: T = (3.1×10^19) / (80×3.1×10^7)، فيكون العمر التقريبي 12.5×10^9 years.
في الاختيار من متعدد، تذكر أن البيانات من النجوم فوق المستعرة أشارت إلى أن الكون يتوسع حاليا بوتيرة أسرع مما كان قبل مليارات السنين، وأن المادة المظلمة تشكل 26.8%، وأن متوسط ثابت هابل 70 km/s/Mpc.
اختبار سريع: - من المسؤول عن التمدد السريع؟ الطاقة المظلمة.
صوّر هذا الجدول وسمِّعه:
| المصطلح/المفهوم | الدلالة |
|---|---|
| الطاقة المظلمة (Dark Energy) | شكل غير مألوف من الطاقة لا نعرف طبيعته، يملأ الفضاء ويعزى إليه التمدد السريع للك |
| المادة المظلمة (Dark Matter) | مادة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، يستدل على وجودها من تأثيراتها الجاذبية في الماد |
| المادة العادية (Ordinary Matter) | المادة المكونة من غازي الهيدروجين والهيليوم وبقية العناصر المعروفة. |
| ثابت هابل (H0) | قيمة تستخدم في قانون هابل لحساب عمر الكون التقريبي من العلاقة T = 1 / H0، ويقدر |
أحد أشكال الطاقة غير المألوفة التي تملأ الفضاء، ويُعزى إليها التمدد السريع للكون.
المادة التي تتكون من غازي الهيدروجين والهيليوم وبقية العناصر المعروفة، وتشكل (4.9%) من مكونات الكون.
مادة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، تشكل (26.8%) من مكونات الكون، ويمكن الاستدلال على وجودها عن طريق تأثيراتها الجاذبية في المادة العادية.
نجم شديد السطوع يطلق طاقة تعادل الطاقة التي تصدرها الشمس خلال مدة حياتها، يتكون نتيجة انفجار نجم انفجاراً عظيماً في مرحلة موته.
قيمة تُستخدم في قانون هابل لتقدير عمر الكون التقريبي، وتتراوح قيمته بين (68-80 km/s/Mpc)، ومتوسط قيمته نحو (70 km/s/Mpc).
علاقة رياضية تربط سرعة ابتعاد المجرة عنا (v) ببعدها (d) بالصيغة v = H0 × d، حيث H0 ثابت هابل. أما T = 1/H0 فهو تقدير تقريبي منفصل لعمر الكون مشتق من مقلوب ثابت هابل، وليس نص قانون هابل نفسه.
الميجا فرسخ الفلكي (Mpc) هو الوحدة المستخدمة فعليا في حساب عمر الكون، حيث 1 Mpc = 3.1 × 10^19 km. (يختلف عن الفرسخ الفلكي المفرد (parsec) الذي يساوي نحو 3.1 × 10^13 km، أي أصغر بمقدار مليون مرة).
دليل على تباعد المجرات عنّا وعن بعضها بعضاً، ويُعد أيضاً دليلاً على توسع الكون.
قيمة افترضها أينشتاين أصلا لإبقاء الكون ساكنا بمعاكسة تأثير الجاذبية، وتخلى عنها بعد أن أثبت هابل أن الكون يتوسع. أعيد إحياء الفكرة لاحقا بوصفها التفسير الأكثر قبولا لطبيعة الطاقة المظلمة المسؤولة عن تسارع توسع الكون المرصود.
اشرح الفكرة الرئيسة في قسم "لماذا نقول إن التوسع يتسارع"؟
يعد انزياح أطياف المجرات نحو الأحمر دليلا على تباعدها عنا وعن بعضها، ودليلا على توسع الكون. كان العلماء يتوقعون أن تقل سرعة التوسع مع الزمن بسبب قوى التجاذب بين المجرات والنجوم والسدم، لكن رصد النجوم فوق المستعرة بمقراب هابل أظهر أن الكون يتوسع حاليا بوتيرة أسرع مما كان قبل مليارات السنين. نجم شديد السطوع يطلق طاقة تعادل الطاقة التي تصدرها الشمس خلال مدة حياتها، ويتكون نتيجة انفجار نجم انفجارا عظيما في مرحلة موته. عزا العلماء سبب تسارع توسع الكون إلى الطاقة المظلمة. وهي طاقة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، تملأ الفضاء وتشكل نحو 68.3% من مكونات الكون.
اشرح الفكرة الرئيسة في قسم "حساب عمر الكون"؟
قدر العلماء عمر الكون التقريبي بحساب مقلوب ثابت هابل: حيث T عمر الكون التقريبي، وH0 ثابت هابل. تتراوح قيمة ثابت هابل بين 68 و80 km/s/Mpc، وقد قدر العلماء متوسطه بنحو 70 km/s/Mpc. تُستخدم التحويلات الآتية في الحساب: و في المثال الأول عند H0 = 70 km/s/Mpc يكون العمر: .
ما خطوات الحل أو الفكرة التي يوضحها مثال "مثال 1: عمر الكون عند ثابت هابل 70"؟
القانون: T = 1/H0. 2. التحويلات: 1 Mpc = 3.1×10^19 km، و1 year = 3.1×10^7 s. 3. التعويض: T = (1×3.1×10^19) / (70×3.1×10^7). 4. الناتج: T = 14.285×10^9 years.
ما خطوات الحل أو الفكرة التي يوضحها مثال "مثال 2: عمر الكون عند ثابت هابل 77"؟
القانون: T = 1/H0. 2. أعوض بالتحويلات نفسها. 3. T = (1×3.1×10^19) / (77×3.1×10^7). 4. الناتج: T = 12.987×10^9 years.
تمرين: إذا كان عمر الكون التقريبي يساوي 13.5×10^9 سنة، فما ثابت هابل (H0) الموافق لهذا العمر؟
من العلاقة T = 1/H0 نعيد ترتيبها: H0 = 1/T مع مراعاة الوحدات. 2. باستخدام صيغة الأمثلة: T(years) = (3.1×10^19) / (H0×3.1×10^7). 3. H0 = (3.1×10^19) / (13.5×10^9 × 3.1×10^7). 4. الناتج التقريبي: H0 ≈ 74.1 km/s/Mpc.
بطاقات مهمة
أحد أشكال الطاقة غير المألوفة التي تملأ الفضاء، ويُعزى إليها التمدد السريع للكون.
المادة التي تتكون من غازي الهيدروجين والهيليوم وبقية العناصر المعروفة.
مادة غير مألوفة لا نعرف طبيعتها، يمكن الاستدلال على وجودها من خلال تأثيرات جاذبيتها على المادة العادية.
ثابت يستخدم في قانون هابل لتقدير عمر الكون، وتتراوح قيمته التقديرية بين 68-80 km/s/Mpc.
نصائح للمراجعة