الانفجار العظيم

كيف نما الكون من بداية حارة كثيفة إلى شبكة من المجرات، على مدى 13.8 مليار سنة

خطوة بخطوة

الكون اليوم

مجرات منتظمة على شبكة من الخيوط حول فراغات خالية: الكون بعد 13.8 مليار سنة من الانفجار العظيم. لا يزال المكان نفسه يتمدد ويباعد بين المجرات.

يبلغ عرض المنطقة المعروضة نحو 800 مليون سنة ضوئية. تتجمع مجراتها في جدران وخيوط حول فراغات يبلغ عرضها مئة مليون سنة ضوئية أو أكثر، وهو النمط الذي كشفته المسوح التي رسمت خرائط ملايين المجرات. الشبكة هنا مرسومة من نموذج بسيط لا من خريطة، فهي تشبه الحقيقية دون أن تكون هي.

تبتعد المجرات البعيدة عنا أسرع كلما كانت أبعد: نحو 67 كم/ث أسرع لكل 3.26 مليون سنة ضوئية. إنها لا تطير عبر المكان؛ بل المكان بينها هو الذي ينمو. أرجع الساعة إلى الوراء، ولا بد أن كل شيء كان يومًا متراصًا بإحكام.

إرجاع الساعة إلى الوراء

حين يجري الزمن إلى الوراء تتقارب المجرات، وتذوب في غاز متجانس، وتختفي في ضوء يزداد حرارة. لا مركز هناك: من أي مكان، يقترب كل شيء بالطريقة نفسها.

لم يكن الانفجار العظيم انفجارًا عند نقطة في المكان. كان المكان نفسه أصغر في كل مكان في آن واحد، وشارك فيه كل جزء من كون اليوم. اختر أي مجرة: عند الإرجاع تقترب منها كل المجرات الأخرى، تمامًا كما تقترب من مجرتنا.

كل ما نستطيع رؤيته اليوم، والذي يبلغ عرضه الآن 93 مليار سنة ضوئية، كان يتسع بعد ثانية من الانفجار العظيم في منطقة عرضها نحو 18 سنة ضوئية. ما الذي حدث في اللحظة الأولى، أو إن كان هناك «قبل»، لا أحد يعرف بعد: فيزياؤنا لا تستطيع تتبع الكون إلا حتى كان عمره جزءًا ضئيلًا من الثانية.

الثانية الأولى

بعد جزء من مليون من الثانية يمتلئ المكان بالكواركات والغلوونات والضوء عند تريليونات الدرجات. ونحو جزء من مئة ألف من الثانية تتجمع الكواركات في بروتونات ونيوترونات.

لا شيء اليوم بهذه الحرارة، ولا حتى قلب نجم. كان الكون كله حساءً كثيفًا من أصغر الجسيمات، تتصادم أكثر من أن يتماسك أي شيء. ومع نمو المكان برد، وعند نحو تريليوني درجة تجمعت الكواركات ثلاثًا ثلاثًا: بروتونات ونيوترونات.

في البداية كان عدد النيوترونات مثل عدد البروتونات. النيوترونات أثقل قليلًا، فصارت أندر مع البرودة، حتى توقف تحول بعضها إلى بعض بعد ما يزيد قليلًا على ثانية: نيوترون واحد لكل ستة بروتونات. وكانت النيوترينوات قد أفلتت حينها؛ وهي لا تزال تملأ المكان اليوم.

الدقائق الأولى

بين الدقيقة الثالثة والعشرين تقريبًا، تندمج البروتونات والنيوترونات في الهيليوم، حتى يصير ربع المادة العادية كلها هيليومًا. بعدها يصبح الكون أبرد من أن يصنع المزيد.

تقترن البروتونات والنيوترونات أولًا في الديوتيريوم، لكن الضوء يبقى لبضع دقائق حارًا بما يكفي لتحطيم هذه الأزواج. وحين يبرد إلى ما دون مليار درجة تقريبًا تنجو الأزواج وتتحد بسرعة في الهيليوم. ينتهي كل نيوترون تقريبًا داخل نواة هيليوم.

النتيجة، نحو ثلاثة أرباع هيدروجين وربع هيليوم من حيث الكتلة مع آثار من الديوتيريوم والليثيوم، هي ما يجده الفلكيون في أقدم الغاز والنجوم. إنها من أقوى الأدلة على أن الانفجار العظيم حدث، وقد حدث ذلك في أول عشرين دقيقة من عمر الكون.

ضباب متوهج

خلال الـ370,000 سنة التالية يكون الكون ضبابًا متوهجًا من الأنوية والإلكترونات والضوء. لا يستطيع الضوء أن يقطع مسافة بعيدة قبل أن يرتد عن إلكترون، فلا يُرى شيء من خلاله.

كأنك داخل نجم، لكنه يزداد تخلخلًا وبرودة مع نمو المكان. تتدافع المادة والضوء وتتجاذبان، وتسري موجات صوتية في الضباب. التموجات التي تتركها ضئيلة، نحو جزء من 100,000؛ وهي مرسومة هنا أقوى بآلاف المرات.

يبرد الضباب ببطء من مئات ملايين الدرجات إلى بضعة آلاف، ويتغير لون توهجه كما يتغير لون نجم يبرد: من الأبيض المزرق إلى الأصفر ثم البرتقالي. هناك نحو 1.6 مليار جسيم ضوئي لكل بروتون أو نيوترون.

الضباب ينقشع

عند نحو 3,000 درجة، بعد نحو 370,000 سنة من الانفجار العظيم، تستقر الإلكترونات على الأنوية ويصبح الضباب شفافًا. والضوء الذي تحرر حينها لا يزال يصلنا من كل الجهات: إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

حين ترتبط الإلكترونات في ذرات الهيدروجين والهيليوم يمر الضوء بينها بحرية. وهذا الضوء مسافر منذ ذلك الحين. وقد مدّه الكون النامي إلى أطوال موجية أطول بألف مرة، فيصل اليوم على هيئة موجات ميكروية، عند 2.7 درجة فوق الصفر المطلق.

تموجاته الضئيلة، بقع بعرض نحو درجة على السماء، هي بذور كل المجرات. رسمت الأقمار الصناعية خرائطها بالتفصيل، من COBE إلى WMAP وPlanck؛ والخريطة الحقيقية بين الصور. ويخبرنا نمطها بعمر الكون ومما يتكون.

العصور المظلمة

مع استمرار نمو المكان يحمرّ التوهج المتبقي ويخبو. بعد بضعة ملايين من السنين لا يبقى أي ضوء مرئي، بل ظلام فحسب، بينما تجمع الجاذبية المادة بهدوء في التموجات.

لبضعة ملايين من السنين ظلت السماء تتوهج بحمرة باهتة كالجمر. ثم انزلق ضوؤها إلى الأشعة تحت الحمراء، وأظلم الكون. لم تكن هناك نجوم بعد، بل غاز يبرد من الهيدروجين والهيليوم.

في الظلام، تجمعت المادة المظلمة، التي لا تشع ولا تحجب الضوء وتزن خمسة أضعاف المادة العادية، حيث تركتها التموجات أكثف قليلًا، وتبعها الغاز. وهي مرسومة هنا بالأزرق؛ أما في الحقيقة فهي غير مرئية.

الضوء الأول

بعد مئة إلى مئتي مليون سنة، تشتعل النجوم الأولى في أكثف عقد الشبكة، وتتجمع المجرات الأولى. ويجلو ضوؤها تدريجيًا الغاز من حولها.

كانت النجوم الأولى على الأرجح ضخمة وحارة وقصيرة العمر، مكوّنة من الهيدروجين والهيليوم فقط؛ ولم يُعثر على أي منها بعد. وقد رأى تلسكوب جيمس ويب الفضائي مجرات تتألق بعد أقل من 300 مليون سنة من الانفجار العظيم.

فكّك الضوء فوق البنفسجي للمجرات الفتية ذرات الهيدروجين من حولها من جديد، وبحلول نحو مليار سنة صار الغاز بين المجرات شفافًا. كما صهرت نجومها أولى العناصر الأثقل، من الكربون إلى الحديد، التي صُنعت منها النجوم والكواكب لاحقًا.

الشبكة تنمو

على مدى مليارات السنين تنمو المجرات وتندمج على طول الشبكة. تتكوّن الشمس بعد 9.2 مليار سنة من الانفجار العظيم، ومنذ ستة مليارات سنة والمكان ينمو بسرعة متزايدة.

وُلدت معظم النجوم حين كان عمر الكون بين مليارين وستة مليارات سنة؛ ومنذ ذلك الحين تباطأت ولادة النجوم نحو عشر مرات. وتكوّنت الشمس والأرض قبل نحو 4.6 مليار سنة من غاز أغنته أجيال من النجوم السابقة.

في عام 1998 وجد الفلكيون أن نجومًا بعيدة منفجرة كانت أخفت مما توقعوا: التمدد يتسارع. وما يدفعه، ويسمى الطاقة المظلمة، يشكل اليوم نحو 68% من الكون. وما هو يبقى من أكبر الأسئلة المفتوحة في الفيزياء.