[الزعيم الفيزيائي]

فيزياء الكون
المقدمة:
يهتم العلماء باكتشاف كيفية سلوك الطبيعة ثم يقومون بالربط بين هذه الاكتشافات حتى يتمكن إيجاد نوع من النظام بين العديد من الحقائق التي تبدو وكأنة لاعلاقة بينها . ثم يصنع العلماء النظريات التي تفسر هذا النظام ويمضون في اختبار صحة النظريات عن طريق التبوء بنتائج تجارب لم تجر بعد . النتائج العلمية كل العلوم هي بمثابة القلب وبدونها لايكون العلم علما بل ضربا من التخمين أو الفلسفة أو للاهوت.
وعلم الفيزياء الفلكية يواجه عوائق جمة من نقص مقدرتنا على إجراء التجارب الحاسمة حقا . واهم الإحداث على الإطلاق وهو نشوء الكون, قد حدث منذ العديد من بلايين السنين ولا يزال مستمرا. وبالطبع لايمكن تكرار هذه العملية وكل معرفتنا عن أصل الكون يجب إن تلتقط من هذه " التجربة " الوحيدة والتي لا نملك حيالها اى تحكم . بل إن كثيرا من البيانات الهامة كان من الواجب تسجيلها منذ بلايين السنين وحتى قبل ظهور الجنس البشري. وكثيرا من المعلومات لن يصبح متاحا قبل مرور بلايين من السنين في المستقبل.وليس لدينا بديل عن العمل بما لدينا من البيانات القليلة إلى نحصل عليها بالطرق المحدودة المتاحة.

العرض :
لقد كانت هناك إلى وقت قريب عدة نظريات متنافسة حول التاريخ المبكر للكون اما في الوقت الحالي فلا يوجد لانظرية واحدة مقبولة على نطاق واسع وهي التي صاغها – بصورتها الحالية - ج . جامو عام1948. وتسمى هذه النظرية نظرية الانفجار العظيم وتصور هذه النظرية الكون كله في البداية على انه كان يقع داخل كرة يبلغ قطرها قدر قطر الشمس عشرات مرات تقريبا . وقد يعترض البعض إن هذا محال ولايمكن حشد كل مادة الكون داخل مثل ذلك الحيز الضئيل .على انه عند تذكر إن الذرة مكونة من فراغ ضخم فأن الحديث عن كبر حجم المادة يصبح غير ذي موضوع .

فقد تعلمنا من إن الكثافة داخل النواة تبلغ g/cm3 2x1014 ولما كانت التقديرات الحالية لمتوسط .كثافة الكون تقع في المدى بين 10-29 ,10-31g/cm3 بينما يعتقد إن نصف قطر الكون قد يصل إلى 1010 سنة ضوئية تقريبا , لذا فالكتلة الاحتمالية للكون من المحتمل إن تقع في مدى عدة عشرات من المقدار 1054 . وعند حشد هذه الكتلة كلها في حجم يبلغ عشرة أضعاف قطر الشمس سيؤدي إلى كثافة مقدارها 1018 g / cm3 بالتقريب وهذه الكمية قريبة من الكثافة داخل النواة ( التي يمكن اعتبارها هي أيضا مكونة من فراغ ضخم ) إلى درجة لايمكن معها التخلي عن المبدأ الأصلي للنظرية بناء على كبر الكثافة المتضمنة . وعند هذه القيم الهائلة للكثافة فأن المادة كما نعرفها لايمكن إن توجد ومن المؤكد انه في تلك المرحلة لم يكن هناك ذرات أو جزيئات أو حتى نوى , إما الطاقة فكانت من الكبر بحيث تصل درجة الحرارة داخل الشهاب إلى 1012Kعلى الأقل . وعند هذه الطاقات الهائلة لابد إن يتمزق نوى جميع الذرات ,إذ إن طاقات الترابط تناظر شطرا صغيرا جدا من الطاقة الحرارية عند درجة الحرارة تلك .

نستطيع , من ثم , تصور الكون على انه كان عبارة عن شهاب ساخن إلى أقصى درجة عند البدء ( ليس هذا الافرضا بطبيعة الحال).وقد كان بمثابة مرجل للطاقة والشحنة . ولوفرض انه كانت جسيمات لكانت ذات طاقات عاليه جدا مما لايمكنننا انتاجه الا داخل المعجلات العملاقة . وبمعنى او اخريمكن تصور الشهاب على انه غاز ساخن إلى أقصى حد وهو مكون من جسيمات وفوتونات ذات طاقات عالية ومثله مثل اى غاز بدأ ذلك الشهاب في التمدد .
وعندما اخذ الشهاب في التمدد فأن شغلا كان يبذل ضدى قوى الجاذبية . كان الضغط الهائل داخل الشهاب يسبب شغلا مبذولا خلال التمدد ضد قوى الجذب الهائلة التي تمسك بأجزاء الشهاب معا . ونتيجة لهذا احذت مادة الشهاب تفقد طاقة حركة حرارية كلما ازدادت طاقة وضع الجاذبية . وبناء عليه اخذت درجة حرارة الشهاب في الهبوط بسرعة مع ازدياد مع التمدد . ومع هذا كانت عملية التمدد تقوم بتعجيل المادة المنطلقة خارجا إلى سرعات تقترب من سرعة الضوء . ولايزال الكون – حتى الان¬ــ يبدو متمددا بسرعة تقترب من سرعة الضوء . من الشيق إن نخمن المصير النهائي لكوننا المتمدد . فعلى الرغم من إن التمدد يتبأطأ نتيجة لقوى التجاذب , إلا اننا لانعرف ما يكفي عن الكون لنحكم عما اذا كان تمدده يتم بطاقات تسمح للمادة داخله إن تكتسب سرعة الهروب المناسبة . فلو إن له الطاقة الكافية لاستمر في التمدد إلى الأبد اما اذا لم يكن فأن التمدد لابد وان يتوقف في النهاية . ثم تبدأ قوى الجاذبية في جمع شتات الكون . اى انه اذا صح هذا التصور لخلق الشهاب الأولى مرة أخرى ولاعيدت العملية مرة اخرى . وفي الحقيقة , فأن الشهاب الذي وصفناه قد يكون هو الأخير ضمن سلسلة من النبضات في كون نابض . وقد يبدو اننا لن نستطيع ابدا إن نعرف شيئا عن التاريخ الكون خلال النبضات السابقة حتى وان وجدت بالفعل .

المجرات والنجوم:
عندما تمدد الكون في الفضاء , انخفضت درجة حرارته بسرعة إلى الحد الذي أمكن معه تكون الجسيمات . وهناك نموذجي يمكن إن يحدث في تلك الظروف وهو ما يسمى بالإنتاج الزوجي ( pair production ) , حيث يتحول الفوتون إلى الإلكترون و بزترون ( وهذا عكس فناء الجسيم المضاد ) . هناك تفاعلات أخرى لها نفس الطابع العام حيث تتحول الطاقة في الواقع إلى كتلة سكون وتخلق شحنات متساوية ومتضادة . والنتيجة النهائية عندما يبرد الشهاب هي تكون غاز يحتوي أساسا على البروتونات والنيترونات والالكترونات وجسيمات أخرى ذات طاقات عالية . وحتى هذه المرحلة كانت درجة الحرارة لاتزال عالية بحيث لأتسمح بتكون ذرات الإيدروجين وبالطبع لم يكن نوى الذرات الأثقل قد تكون بعد .
ويمكننا إن نحسب درجة حرارة الشهاب التي بدأ عندها تكون ذرات الإيدروجين نعلم إن طاقة تأين الإيدروجين هي 13.6V ومن الواضح إن الطاقة الحرارية KT لا يمكن إن تكون اكبر من هذه القيمة إذا أريد لذرات الإيدروجين إن تتواجد . ولما كانتk ْ 300
تناظر 1/40 ev , فأن 13.6 لابد وان تناظر درجة حرارة تقترب من 160,000k وعندما هبطت درجة حرارة الشهاب تحت هذه الدرجة فأنه أصبح يتكون من سحابة من غاز الإيدروجين الساخن مختلطا بالنيترونات والجسيمات الأساسية الأخرى وكما سنرى فيما يلي فأن سحابة الغاز التي تملأ الكون قد أصبحت باردة إلى الحد الذي أصبحت فيه درجة حرارتها لان تقترب من 3k. ونحن نعرف إن السحابة المتمددة عبارة عن كيان متجانس أملس . ولم يكن الغاز على الأرجح موزعا بانتظام في الفضاء اذان بعض المناطق كانت بها كثافات أعلى من الأخرى نتيجة لعوامل عشوائية مثل الحركة الحرارية .ومعلى الرغم من عدم توفر البرهان المباشر للفرض التالي , إلا انه يبدو منطقيا إن المنطقة ذات الكثافة العالية بشكل غير عادي كانت بمثابة نقط بؤرية لما يمكن وصفه بأنه تكثف تجاذبي Gravitational Condensation وقد تكونت على امتداد أجزاء ضخمة من الفضاء قوى تجاذبيه غير متوازنة جعلت المادة تبدأ في الاندفاع نحو المناطق ذات الكثافة العالية . وقد تراكب مع هذا التأثير بالطبع الحركة الإشعاعية الدائبة للمادة وهي تخرج من سحابة الشهاب الأصلية . وهذه المناطق الهائلة غير المحكمة والتي بدأت المادة تتدافع نحوها وتتجمع وأصبحت هي ألان المجرات الهائلة وهي نظم مكونة من تجمعات مختلفة تحتوي على الكثير من النجوم .
وعندما بدأت الساحب في تكوين مناطق ذات كثافة عاليه فان الكتل المتكونة خضعت لقوانين الحركة العادية . وقد كان احد هذه القوانين , هو قانون بقاء كمية التحرك الزاوي , اثر الملحوظ على سلوك السحابة المتكثفة . فللحصول على كمية التحرك الزاوي الاصليةO IO يجب ضرب أي كمية ضئيل ه من الحركة الزاوية الصافي O لكتل داخل المنطقة الضخمة التي كانت تحتلها المجرة في عزم قصور تلك المنطقة IOعلى انه عند حدوث التجمعات التي ادت الى المجرة فأن نصف قطر الحركة التدويمية (Radius of gyration) لكتلة المجرة اصبح اصغر بكثير وبهذا انخفضت قيمة Iلان r2 I وحيث ان كمية التحرك الزاوي يجب ان تكون محفوظه لذا o IO = Iوعليه فعندنا تنقص I لزم إن تزداد . وبناء عليه فعند حدوث التكثف , تبدأ المادة في التدويم (SPIN) حول مركز التكثف .
يكون تدويم كتلة السحاب المتكثفة اسرع ما يمكن لتلك المناطق التي يكون دورانها عند البداية اكبر ولذا فلنا ان نتةقع ان يكون تدويم بعض المجرات ضئيلا جدا بينما يكون للاخرى سرعات زاوية كبيرة نسبيا ( ان لفظ كبيرة في هذاالمقام يعني ملايين من السنين في كل دورة ) وكشأن أي نظام به تدويم ( مثل حبل مربوط به حجر ) فان عملية التدويم تجعل النظام يأخذ شكلا مفرطحا يشبه القرص بحيث يكون محور الدوران عموديا على مستواه. ويكون هذا التاثيراوضح ما يمكن في المجرات الحلزونية التي يكون التدويم فيها اسرع مايمكنويعتبر نظامنا الشمسي جزءا من مجرة اقل حلزونية , وهو( درب التبانه ) ويقع نظامنا الشمسي عند ثلثي المسافة تقريبا بعيدا عن مركز المجرة ( هناك مايقرب من 100بليون نجم في مجرتنا التي تبلغ قطرها حوالي 100,000سنة ضوئية . ويلزم شمسنا حوالي 200 مليون سنة لكي تدور حول مركز المجرة بسرعتها المدارية البالغة 150 mi / s تقريبا )

تصنيف المجرات:
لقد قام بعض العلماء بوضع جداول تصنيفية لاهم المجرات المرئية في السماء ومن هؤلاء نذكر العالم الفرنسي شارل ميسيه (Charles Messier ) الذي نشر في عام 1782م اول فهرس ( كاتالوك ) للعناقيد النجمية والسدم . مازالت ارقام ذلك الفهرس مستعملة حتى الان من اجل الاجرام الاكثر لمعانا كما في سديم اندروميدا الذي نعرفه الان على انه مجرة يرمز لها بالاسم ميسيه 31
( M31 ) .
وفي عام 1783 بدأ العالم البريطاني وليام هيرشيل ( Herschel .W ) في العمليات مسح منتظمة للسماوات الشمالية , واكمل اعماله من بعد ابنه جون هيرشيل (j Herschel . ) حيث مسح سماء النصف الجنوبي من الكرة الارضية ونشر في عام 1864 فهرسا عاما لخمسة الاف سديم وعنقود مجري . وفي عام 1888 نشر جون ديرير ( Dreyer ) من مرصد ارماج ( ( Armagh
في يرلندا فهرسا جديدا ( N G C ) تضمن على 7814 جرما سماويا , اعقب ذلك ملحقين اضافيين تابعين له في عام 1895 و 1908,ليصل عدد السدم والمجرات الي مايزيد على 13000 وفي الوقت الحالي تستخدم ارقام (N G C ) عالميا .
ولقد قام العالم الامريكي هوبل E. Hubble) ) في عام 1925 بتصنيف المجرات إلى اربعة مجموعات رئيسة تبعا لشكلها وبنيتها هي :
1 / المجرات الاهليلجية
تبدو هذه المجرات بأشكال مختلفه من التكور والتسطح وقد رمز لها هوبل وفقا لدرجة تسطحها بالرموز EO للكروية , E1 لذات التسطح القليل وهكذا حتى E7 للمجرات الشديدة التسطح ( الاهليلجية تماما ) الشكل 1 وفي الشكل 2 تبين اشكال ثلاث مجرات اهليلجية من النماذج(E1,E3 ,E6 ) وتحتوي المجرات الاهليلجية بشكل عام على نجوم قديمة العمر ولذا تعد من اقدم المجرات تشكلا وهي من اصغر المجرات حجما واكثرها كتلة , ونسبة الغازاتو الغبار فيها اقل من غيرها بكثير .


المجرات الاهليلجية


2 / المجرات الحلزونية
تتالف المجرات الحلزونية من قرص مسطح من المادة النجمية بداخله نواة كروية صغيرة تتفرغ منها عدة اذرع حلزونية تلتف حولها بشكل حلزون شكل 3 ويحيط بالقرص هالة مجرية تضم إعداد كبيرو من التجمعات النجمية منها ما يتخذ شكلا مفتوحا والأخر منها كرويا . وتتميز هذه المجرات بكتلتها الكبيرة نسبيا قياسا بغيرها من المجرات , حيث تبلغ الكتل الوسطية لمجرة حلزونية نموذجية نحو 1044 غراما وتضم ما يزيد على 1011 نجما مختلفة الأعمار ( حديثة العمر ومتوسطة وقديمة ) والحركة الدورانية لهذه المجرات بسبب كبر حجمها ومجرة درب التبانة مثالا نموذجيا للمجرات الحلزونية حيث ميز هوبل النماذج الثلاثة التالية ( الأذرع قليلة الانفتاح ) ( الأذرع متوسطة الانفتاح ) و (الأذرع شديدة الانفتاح ) ويختلف منظر المجرات الحلزونية تبعا لزاوية النظر إليها
3 / المجرات الحلزونية العصوية
وهي تعرف أيضا بذات القضيب وهي تتألف من نواة نجميه محاطة بكرة مسطحة نسبيا يعبرها قضيب ينبثق من نهايتيه ذراعان حلزونيان يدوان خارجها وتتميز بكبر حجمها حيث تتراوح قطرها بين 125-20 إلف سنةضويئة ولقد قسمها هوبل إلى ثلاثة أقسام حسب درجة انفتاح الأذرع الحلزونية .

4 / المجرات الغير منتظمة
تتميز هذه المجرات بعدم وجود شكل هندسي مميز لها وبكتلتها الصغيرة ( جزء من الف من كتلة المجرات الحلزونية او الاهليلجية )
وبعدد نجومها الذي يقارب من 108 - 109 نجما , وبحداثة ميلاد اغلب نجومها . غالبا ماتكون مثل هذه المجرات مأ سورة بمجرات حلزونية بسب قوى التجاذب . ومن الامثلة هذه المجرات نذكر سحابتا ماجلان الكبرى والصغرى .