منطقة شابة مكونة للنجوم توجد داخل درب التبانة. لاحظ كيف تصبح المواد الموجودة حول النجوم مؤينة ، ومع مرور الوقت تصبح شفافة لجميع أشكال الضوء. ولكن إلى أن يحدث ذلك ، يمتص الغاز المحيط الإشعاع ، وينبعث عنه ضوء خاص بمجموعة متنوعة من الأطوال الموجية. في بداية الكون ، يحتاج الكون إلى مئات الملايين من السنين ليصبح شفافًا تمامًا للضوء. (ناسا ، وكالة الفضاء الأوروبية ، والتراث المتواضع (STSCI / AURA) - تعاون إيسا / هابل ؛ شكر وتقدير: R. O'CONNELL (جامعة فرجينيا) و WFC3

متى أصبح الكون شفافًا للضوء؟

اعتمادًا على كيفية قياسه ، هناك إجابتان مختلفتان يمكن أن يكونا صحيحين.

إذا كنت تريد أن ترى ما هو موجود في الكون ، فعليك أولاً أن تكون قادرًا على رؤيته. من المسلم به اليوم ، أن الكون شفاف للضوء ، وأن الضوء من الأجسام البعيدة يمكن أن يسافر دون عوائق عبر الفضاء قبل الوصول إلى أعيننا. لكن لم يكن الأمر كذلك دائمًا.

في الواقع ، هناك طريقتان يمكن للكون إيقافهما من الانتشار في خط مستقيم. الأول هو ملء الكون بإلكترونات حرة غير محدودة. سوف ينتشر الضوء بعد ذلك مع الإلكترونات ، كذابًا في اتجاه محدد عشوائيًا. والآخر هو ملء الكون بذرات محايدة يمكنها أن تتجمع وتتجمع. بعد ذلك سيتم حظر الضوء بواسطة هذه المسألة ، بنفس الطريقة التي تكون بها معظم الأجسام الصلبة معتمة للضوء. يقوم الكون الفعلي لدينا بكلتا الحالتين ، ولن يصبح شفافًا حتى يتم التغلب على العقبات.

تشكلت الذرات المحايدة على بعد مئات الآلاف من السنين من الانفجار الكبير. بدأت النجوم الأولى في تأين تلك الذرات مرة أخرى ، لكنها استغرقت مئات الملايين من السنين من تكوين النجوم والمجرات حتى اكتمال هذه العملية ، المعروفة باسم إعادة التأين. (سلسلة هيدروجين من إعادة التوطين (هيرا))

في المراحل المبكرة من الكون ، لم تكن الذرات التي تشكل كل شيء نعرفه مرتبطة ببعضها البعض في تكوينات محايدة ، بل كانت مؤينة: في حالة البلازما. عندما ينتقل الضوء عبر بلازما كثيفة بدرجة كافية ، فإنه سينتشر عن الإلكترونات ، ويتم امتصاصه وإعادة إصداره في مجموعة متنوعة من الاتجاهات التي لا يمكن التنبؤ بها. طالما يوجد عدد كافٍ من الإلكترونات الحرة ، فإن الفوتونات التي تتدفق عبر الكون ستستمر بطريقتها العشوائية.

هناك عملية منافسة تحدث ، حتى خلال هذه المراحل المبكرة. تتكون هذه البلازما من إلكترونات ونواة ذرية ، وهي مواتية لهم بقوة للربط معًا. في بعض الأحيان ، حتى في هذه الأوقات المبكرة ، يفعلون ذلك بالضبط ، فقط من خلال مدخلات من الفوتونات النشطة بما فيه الكفاية قادرة على تقسيمها مرة أخرى.

مع اتساع نسيج الكون ، يتم تمديد الأطوال الموجية لأي حاضر إشعاعي أيضًا. هذا يتسبب في أن يصبح الكون أقل نشاطًا ، ويجعل العديد من العمليات عالية الطاقة التي تحدث تلقائيًا في أوقات مبكرة مستحيلة في فترات لاحقة أكثر برودة. يتطلب الأمر مئات الآلاف من السنين حتى يبرد الكون بدرجة كافية حتى تتشكل الذرات المحايدة. (E. سيجل / وراء المجرة)

لكن مع توسع الكون ، فإنه لا يصبح أقل كثافة فحسب ، بل تصبح الجزيئات الموجودة به أقل نشاطًا. لأن نسيج الفضاء نفسه هو ما يتسع ، فهو يؤثر على كل فوتون يسافر عبر هذا الفضاء. نظرًا لأن طاقة الفوتون تحددها الطول الموجي لها ، فحينما يمتد طول الموجة ، يتحول الفوتون - ذي اللون الأحمر - إلى طاقات أقل.

إنها مسألة وقت فقط ، إذن ، حتى تنخفض جميع الفوتونات في الكون عن عتبة طاقة حرجة: الطاقة اللازمة لإخراج الإلكترون من الذرات الفردية الموجودة في الكون المبكر. يستغرق مئات الآلاف من السنين بعد الانفجار الكبير لكي تفقد الفوتونات طاقة كافية لجعل تشكيل الذرات المحايدة ممكنًا.

في الأوقات المبكرة (يسار) ، تنتشر الفوتونات من الإلكترونات وتكون ذات طاقة عالية بما يكفي لضرب أي ذرات مرة أخرى في حالة مؤينة. بمجرد أن يبرد الكون بدرجة كافية ، ويخلو من الفوتونات عالية الطاقة (يمين) ، لا يمكنه التفاعل مع الذرات المحايدة. وبدلاً من ذلك ، فإنها ببساطة تتدفق عبر الفضاء إلى أجل غير مسمى ، لأن لديهم الطول الموجي الخطأ لإثارة هذه الذرات إلى مستوى طاقة أعلى. (E. سيجل / وراء المجرة)

تحدث العديد من الأحداث الكونية خلال هذا الوقت: أول نظائر غير مستقرة تتحلل إشعاعيًا ؛ تصبح المادة أكثر حيوية من الإشعاع ؛ يبدأ الجاذبية بسحب المادة إلى كتل بينما تبدأ بذور الهيكل في النمو. مع تحول الفوتونات أكثر فأكثر ، يظهر حاجز آخر للذرات المحايدة: الفوتونات المنبعثة عندما ترتبط الإلكترونات بالبروتونات لأول مرة. في كل مرة يرتبط فيها الإلكترون بنجاح بالنواة الذرية ، فإنه يقوم بأمرين:

  1. تنبعث من الفوتون الأشعة فوق البنفسجية ، لأن التحولات الذرية تتتابع باستمرار في مستويات الطاقة بطريقة يمكن التنبؤ بها.
  2. يتم قصفها بواسطة جزيئات أخرى ، بما في ذلك الفوتونات التي تصل إلى مليار أو نحو ذلك والتي توجد لكل إلكترون في الكون.

في كل مرة تقوم فيها بتكوين ذرة مستقرة ومحايدة ، تنبعث منها فوتونًا فوق بنفسجي. ثم تستمر هذه الفوتونات في خط مستقيم ، حتى تصادف ذرة محايدة أخرى ، تتأين بعد ذلك.

عندما تتجمع الإلكترونات الحرة مع نوى الهيدروجين ، تتسلل الإلكترونات إلى أسفل مستويات الطاقة ، وتصدر عنها فوتونات أثناء انتقالها. حتى تتشكل ذرات مستقرة ومحايدة في بداية الكون ، يتعين عليها الوصول إلى حالة الأرض دون إنتاج فوتون ضوئي فوق بنفسجي يمكن أن يؤين ذرة أخرى مماثلة. (BRIGHTERORANGE & ENOCH LAU / WIKIMDIA COMMONS)

لا توجد إضافة صافية للذرات المحايدة من خلال هذه الآلية ، وبالتالي لا يمكن للكون أن يصبح شفافًا للضوء من خلال هذا المسار وحده. هناك تأثير آخر يأتي ، بدلاً من ذلك ، هو المسيطر. إنه أمر نادر للغاية ، ولكن بالنظر إلى جميع الذرات في الكون وما يزيد عن 100000 عام ، فإن الذرات تحتاج إلى أن تصبح أخيرًا وثابتًا محايدة ، إنها جزء لا يصدق ومعقد من القصة.

في معظم الأوقات ، في ذرة الهيدروجين ، عندما يكون لديك إلكترون يشغل الحالة المثارة الأولى ، ينخفض ​​ببساطة إلى حالة الطاقة الأقل ، وينبعث فوتونًا فوق بنفسجي من طاقة معينة: فوتون ليمان ألفا. ولكن حوالي مرة واحدة من كل 100 مليون عملية انتقال ، سيحدث القائمة المنسدلة من خلال مسار مختلف ، بدلاً من ذلك تنبعث منها فوتونان منخفضان الطاقة. يُعرف هذا بانحلال ثنائي الفوتون أو انتقاله ، وهو المسؤول الأساسي عن كون الكون محايدًا.

عندما تنتقل من مداري

عندما تنبعث من فوتون واحد ، فإنه يصطدم دائمًا مع ذرة هيدروجين أخرى ، ويثيرها ويؤدي في النهاية إلى إعادة تأينها. ولكن عندما تنبعث منها فوتون ، فمن غير المحتمل أن يصطدم كل منهما بذرة في نفس الوقت ، وهذا يعني أنك صبت ذرة محايدة إضافية.

هذا الانتقال ثنائي الفوتون ، رغم أنه نادر الحدوث ، هو العملية التي تشكل بها الذرات المحايدة أولاً. يأخذنا من الكون الحار ، المليء بالبلازما إلى الكون الحار تقريبا على قدم المساواة مليئة الذرات محايدة 100 ٪. على الرغم من أننا نقول إن الكون قد شكل هذه الذرات بعد 380،000 عامًا من الانفجار العظيم ، إلا أنها كانت في الواقع عملية تدريجية بطيئة استغرقت حوالي 100000 عام على جانبي هذا الرقم. بمجرد أن تصبح الذرات محايدة ، فلا يوجد شيء يترك ضوء Big Bang لينتشر منه. هذا هو أصل CMB: خلفية الميكروويف الكونية.

الكون حيث تكون الإلكترونات والبروتونات حرة وتتصادم مع انتقال الفوتونات إلى عالم محايد شفاف بالنسبة للفوتونات عندما يتوسع الكون ويبرد. يظهر هنا البلازما المؤينة (L) قبل انبعاث الإشعاع CMB ، يليه الانتقال إلى عالم محايد (R) شفاف بالنسبة للفوتونات. الانتثار بين الإلكترونات والإلكترونات ، وكذلك الإلكترونات والفوتونات ، يمكن وصفه جيدًا بواسطة معادلة ديراك ، لكن تفاعلات الفوتون ، التي تحدث في الواقع ، ليست كذلك. (أماندا يوهو)

هذه هي المرة الأولى التي يصبح فيها الكون شفافًا للضوء. يمكن لفوتونات بقايا الانفجار الكبير ، التي يبلغ طولها الآن الطول الموجي وانخفاض الطاقة ، أن تنتقل بحرية عبر الكون. مع ذهاب الإلكترونات الحرة - المحصورة في ذرات مستقرة ومحايدة - ليس لدى الفوتونات ما يمنعها أو تبطئها.

لكن الذرات المحايدة موجودة الآن في كل مكان ، وتخدم غرضًا خبيثًا. في حين أنها قد تجعل الكون شفافًا بالنسبة لهذه الفوتونات منخفضة الطاقة ، فإن هذه الذرات تتجمع معًا في السحب الجزيئية والغبار ومجموعات الغاز. قد تكون الذرات المحايدة في هذه التكوينات شفافة للضوء منخفض الطاقة ، ولكن تمتص تلك المصباح طاقة أعلى ، مثل تلك المنبعثة من النجوم.

رسم توضيحي للنجوم الأولى التي تحولت في الكون. بدون وجود المعادن لتهدئة النجوم ، يمكن أن تصبح فقط أكبر كتل داخل سحابة كبيرة الكتلة نجومًا. إلى أن يمر وقت كافٍ لتؤثر الجاذبية على المقاييس الأكبر ، فإن المقاييس الصغيرة فقط هي التي يمكن أن تشكل هيكلًا مبكرًا ، وسوف ترى النجوم نفسها ضوءها غير قادر على اختراقها بعيدًا عبر الكون الغامض. (NASA)

عندما تكون جميع ذرات الكون محايدة الآن ، فإنها تقوم بعمل جيد بشكل مثير للدهشة في حجب ضوء النجوم. إن نفس التكوين الذي طال انتظاره والذي كنا نطلبه لجعل الكون شفافًا يجعله غير شفاف مرة أخرى لفوتونات ذات طول موجي مختلف: الضوء فوق البنفسجي والبصري والأشعة تحت الحمراء القريبة التي تنتجها النجوم.

من أجل جعل الكون شفافًا بالنسبة لهذا النوع الآخر من الضوء ، سنحتاج إلى تأينها مرة أخرى. هذا يعني أننا نحتاج إلى ما يكفي من الطاقة عالية الطاقة لإطلاق الإلكترونات من الذرات التي ترتبط بها ، مما يتطلب مصدرًا مكثفًا لانبعاث الأشعة فوق البنفسجية.

بمعنى آخر ، يحتاج الكون إلى تكوين عدد كافٍ من النجوم لإعادة توحيد الذرات داخلها بنجاح ، مما يجعل وسط المجرات الضعيف منخفض الكثافة شفافًا في ضوء النجوم.

تُظهر طريقة العرض هذه المكونة من أربع لوحات المنطقة الوسطى في درب التبانة بأربعة موجات مختلفة من الضوء ، مع وجود أطوال موجية أطول (دون مقياس فرعي) ، تمر عبر الأشعة تحت الحمراء البعيدة والقريبة (الثانية والثالثة) وتنتهي في عرض الضوء المرئي درب التبانة. لاحظ أن حارات الغبار والنجوم الأمامية تحجب المركز في الضوء المرئي ، ولكن ليس في الأشعة تحت الحمراء. (كونسورتيوم ESO / ATLASGAL / كونسورتيوم ناسا / GLIMPSE / مسح VVV / ESA / PLANCK / D. MINNITI / S.

نرى هذا حتى في مجرتنا: لا يمكن رؤية مركز المجرة في الضوء المرئي. إن الطائرة المجرية غنية بالغبار والغاز المحايدين ، وهو ناجح للغاية في منع الأشعة فوق البنفسجية المرتفعة الطاقة والضوء المرئي ، لكن الضوء تحت الأحمر يمر بوضوح. هذا ما يفسر لماذا لن تمتص خلفية الميكروويف الكونية بواسطة ذرات محايدة ، ولكن سوف تضيء النجوم.

لحسن الحظ ، يمكن أن تكون النجوم التي نشكلها هائلة وساخنة ، حيث تكون النجوم الضخمة أكثر إشراقًا وأكثر سخونة من شمسنا. يمكن أن تكون النجوم المبكرة بعشرات أو مئات ، أو حتى آلاف المرات من كتلة شمسنا ، مما يعني أنها يمكن أن تصل إلى درجات حرارة سطح تصل إلى عشرات الآلاف من الدرجات والسطوع التي تكون بملايين المرات مضيئًا مثل شمسنا. هذه العملاقة هي أكبر تهديد للذرات المحايدة المنتشرة في جميع أنحاء الكون.

ستحيط النجوم الأولى في الكون بذرات محايدة من غاز الهيدروجين (في الغالب) تمتص ضوء النجوم. يجعل الهيدروجين الكون غير شفاف إلى الأشعة فوق البنفسجية المرئية ، وجزء كبير من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، لكن يمكن أن ينقل ضوء الطول الموجي الطويل ، مثل الضوء الراديوي ، دون عوائق. (مؤسسة NICOLE RAGER FULLER / مؤسسة العلوم الوطنية)

ما نحتاج إلى حدوثه هو وجود عدد كافٍ من النجوم يمكنها أن تغمر الكون بعدد كافٍ من فوتونات الأشعة فوق البنفسجية. إذا تمكنوا من التأين بدرجة كافية من هذه المادة المحايدة التي تملأ الوسيط بين المجرات ، فيمكنهم مسح المسار في جميع الاتجاهات لكي تسير ضوء النجوم دون عوائق. علاوة على ذلك ، يجب أن يحدث بكميات كافية لا يمكن للبروتونات المؤينة والإلكترونات العودة إليها مرة أخرى. لا يوجد مكان لأشخاص من نمط روس وراشيل في محاولة لإعادة تشكيل الكون.

تُحدث النجوم الأولى انحرافًا صغيرًا في هذا ، لكن المجموعات الأولى من النجوم صغيرة وقصيرة العمر. خلال مئات الملايين من السنين الأولى من كوننا ، كل النجوم التي تتشكل بالكاد يمكنها أن تحدث تأثيرًا في مقدار المادة في الكون لا تزال محايدة. لكن ذلك يبدأ في التغير عندما تندمج مجموعات النجوم مع بعضها ، لتشكل المجرات الأولى.

رسم توضيحي لـ CR7 ، أول مجرة ​​تم اكتشافها والتي كان يعتقد أنها تضم ​​نجوم

عندما تتجمع كتل كبيرة من الغاز والنجوم وغيرها من المواد معًا ، فإنها تؤدي إلى انفجار هائل من تكوين النجوم ، تضيء الكون كما لم يحدث من قبل. مع مرور الوقت ، تحدث عدد كبير من الظواهر دفعة واحدة:

  • المناطق التي تضم أكبر مجموعات من المادة تجذب المزيد من النجوم المبكرة وتجمعات النجوم تجاههم ،
  • يمكن أن تبدأ المناطق التي لم تشكل النجوم بعد ،
  • والمناطق التي تصنع فيها المجرات الأولى تجذب مجرات شابة أخرى ،

كل ذلك يعمل على زيادة معدل تكوين النجوم الكلي.

إذا أردنا رسم خريطة للكون في هذا الوقت ، فإن ما نراه هو أن معدل تكوين النجوم يزداد بمعدل ثابت نسبيًا خلال السنوات القليلة الأولى من وجود الكون. في بعض المناطق المواتية ، يتم تأين ما يكفي من المادة في وقت مبكر بما فيه الكفاية بحيث يمكننا أن نرى من خلال الكون قبل إعادة تأين معظم المناطق ؛ في حالات أخرى ، قد يستغرق الأمر ما يصل إلى ملياري أو ثلاثة مليارات سنة حتى يتم تفجير آخر مادة محايدة.

إذا أردت تحديد المادة المحايدة للكون من بداية الانفجار الكبير ، فستجد أنها تبدأ في الانتقال إلى مادة مؤينة في مجموعات ، لكنك ستجد أيضًا أن الأمر استغرق مئات الملايين من السنين لتختفي في الغالب. إنها تفعل ذلك بشكل غير متساو ، وبشكل تفضيلي على مواقع الأجزاء الأكثر كثافة في الشبكة الكونية.

رسم تخطيطي لتاريخ الكون ، مع تسليط الضوء على إعادة التوحيد. قبل تكوين النجوم أو المجرات ، كان الكون مليئًا بالذرات المحايدة للضوء. على الرغم من أن معظم الكون لم يتم إعادة تأييله إلا بعد 550 مليون عام ، إلا أن بعض المناطق ستحقق إعادة توحيد كاملة في وقت سابق ولن تحققها أخرى حتى وقت لاحق. تبدأ أول موجات كبيرة من إعادة التوحيد في عمر يناهز 250 مليون عام ، في حين قد تتشكل بعض النجوم المحظوظة من 50 إلى 100 مليون سنة فقط بعد الانفجار العظيم. باستخدام الأدوات الصحيحة ، مثل James Webb Space Telescope ، قد نبدأ في الكشف عن أقرب المجرات. (S. G. DJORGOVSKI ET AL. ، CALTECH DIGITAL CENTER)

في المتوسط ​​، يستغرق الأمر 550 مليون عام من بداية الانفجار الكبير حتى يصبح الكون مؤيدًا وشفافًا لضوء النجوم. نرى هذا من خلال مراقبة الكوازارات البعيدة للغاية ، والتي تستمر في عرض ميزات الامتصاص التي تسبب فقط المسألة المحايدة المتداخلة. لكن إعادة التوحيد لا تحدث في كل مكان دفعة واحدة ؛ يصل إلى الاكتمال في أوقات مختلفة في اتجاهات مختلفة وفي مواقع مختلفة. الكون غير متساو ، وكذلك النجوم والمجرات ومجموعات المادة التي تتشكل داخلها.

أصبح الكون شفافًا للضوء الذي خلفه الانفجار الكبير عندما كان عمره حوالي 380،000 عامًا ، وظل شفافًا للضوء ذي الطول الموجي الطويل بعد ذلك. ولكن فقط عندما بلغ عمر الكون حوالي نصف مليار عام ، أصبح شفافًا تمامًا في ضوء النجوم ، حيث شهدت بعض المواقع الشفافية في وقت سابق ، بينما عاشت بعض المواقع الأخرى في وقت لاحق.

للتحقيق وراء هذه الحدود يتطلب تلسكوبًا يمتد إلى أطوال موجية أطول وأطول. مع أي حظ ، سيفتح تلسكوب James Webb Space Telescope أخيرًا نظرًا للكون كما كان خلال هذه الفترة الفاصلة بين الفترتين ، حيث يتسم بالشفافية في توهج Big Bang ولكن ليس للنور النجمي. عندما يفتح أعينه على الكون ، قد نتعلم أخيرًا كيف نشأ الكون خلال هذه العصور المظلمة سيئة الفهم.

يبدأ تطبيق "بدء بـ A Bang" الآن في مجلة "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم التكنولوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.