البحث عن نشأة الكون وبداية الزمن من القطب الجنوبي

“كيف بدأ هذا الكون الذي نعيش فيه؟”،يُعدهذاالسؤالمنأهمالأسئلةالأبديةوالتاريخيةالتيسألهاالإنسانلنفسه،حينأدركالكونمنحوله،هوفضولالإنسانللبحثعنأصلكلشيء،فالإنسانالمصري،علىسبيلالمثال،يدركأصلهمنوالديهويعلمأنهماينتسبانإلىأجداده،كذاوكذا،ويظليرجعبالزمنحتىأجدادهالفراعنة،وهكذايرجعإلىالوراء،إلىأنيصلإلىالإنسانالبدائي(الأول)،وهوبطبيعتهيسألنفسهالسؤالذاتهحولأصلالأشياء،كالقمروالشمسوالنجوموالنباتاتوغيرهامنالأشياءمنحوله،إلىأنيصلإلىسؤالالشمولية:ماهوأصلوبدايةكلشيء؟

مَن يجيب عن هذا السؤال؟

يعتبرالفريقالبحثيالتعاوني”بايسيبكيك“二头肌/凯克“فريقًارائدًافيالمجتمعالعلميالفيزيائيفيالبحثعنإجابةهذاالسؤال،وذلكمنخلالمحاولاتهقياس”موجاتالجاذبيةالتضخمية”المتوقعتولدهالحظةانفجارالكونالبدائيالذيكانحجمهآنذاكأصغركثيرًاجدًّامنحجمالذرَّة。

يستطيعهذاالفريقوضعالاحتمالاتالدقيقةحولالخواصالفيزيائيةلهذهالموجاتمنخلالالبياناتالمرصودةمنتجربتناالعلميةبالقطبالجنوبي،ومنجانبيأتشرفبأنأكونعضوًامنمعهدكاليفورنياللتكنولوجيا——كالتكووكالةالفضاءوالطيرانالأمريكية(ناسا)ضمنهذاالفريقالتعاوني。

قدم فريقنا مؤخرًا تقريرًا علميًّا^[1]عن أحدث قياسات موجات الجاذبية نشر فيدورية＂فيزيكزريفيوليتر“الشهيرةفيأكتوبر2021،وتُعدهذهالدوريةهيالأولىعالميًّافيمجالالفيزياءوفقتصويتجوجلسكولار،كماأنهاتُعدأكثرالمجلاتالتينشرفيهاعلماءحاصلونعلىجائزةنوبلفيالفيزياءخلالالسنواتالماضية。

تأتيهذهالمقالةالعلميةالمنشورةتتويجًالسنواتمنالعملالعلميالشاقفيواحدةمنأبعدالأماكنعلىكوكبالأرضوأشدهاقسوةًمنحيثظروفالحياةوالمعيشة،القطبالجنوبي،لمتقدمالمقالةدليلًاأكيدًاعلىرصدموجاتالجاذبيةبعد،ولكنتضمنتخواصَّفيزيائيةدقيقةمقيسةلهذهالموجات،وأهمهاطاقةموجاتالجاذبيةوخواصهاوحدودهاالفيزيائية。

تكمنأهميةهذهالقياساتفيتقليلالسيناريوهاتالنظريةالشائعةجدًّا،التيوضعهاعلماءالفيزياءالنظريونفيالسابق،وإثباتصحةالقليلمنهاوالاقتصارعليهافيوصفكيفيةحدوثالانفجارالكونيوالخواصالمتوقعةلهذهالموجات،لقدلاقىهذاالتقريرصدىوانتشارًاواسعًابينالمجتمعالأمريكيالفيزيائيالعلمي^[２]．

يتناولتقريرناالعلميأيضًاالحواجزالتيتمنعرؤيةبصمةهذهالموجاتبوضوح،وهيالإشاراتالمجاريةالفلكية،والتينحتاجإلىالتخلصمنهاأولًاعنطريققياسهابدقةمطلوبةلإمكانيةفصلهاعنتلكالموجاتالجاذبية،وهومانفعلهالآنمنخلالتجربتناالجديدةعاليةالكفاءة二头肌数组بالقطبالجنوبي[3]

نشأة الكون وبداية الزمن

بدأكلشيء،ماندركهومالاندركه،بنقطةكثيفةمتناهيةالصغرشديدةالحرارةوالكثافة،وفيغضونجزءصغيرجدًّاجدًّامنالثانيةحدثلهاتضخم“通货膨胀”كنفخةعظيمةوانفجاربسرعةلايمكنتصورها،لتصبحأكبرمنحجمهاالحقيقيبملياراتالمرات،يبدأالكونبعدهافيالتمددوتقلدرجةحرارتهخلالملياراتالسنين،مرخلالهابكثيرمنالمراحلإلىأنأصبحبيئةًمليئةًبالمجراتوالنجوموالكواكبوالبشروالطاقةالمظلمةوغيرها。

هذاهومضمون”نظريةالانفجارالعظيم”،التيتفسرنشأةالكونومراحلهاالمختلفة،لقدأصبحتهذهالنظريةهيالأكثرشيوعًابينعلماءالفيزياءوالأقربإلىالحقيقة،خاصةًبعدماتمرصدالخلفيةالإشعاعيةللكون،بالصدفةعام1964بواسطةعالمَيالفلكروبرتويلسونوآرنوبينزياس،فيمعملهمابولايةنيوجيرسيالأمريكية،ولقدحصلهذانالعالِمانعلىجائزةنوبلفيالفيزياءفيعام1978عناكتشافهمالهذهالإشارةالكونيةالتييبلغعمرهاحوالمي13.8ليارسنة。

هلتعلمأنهيمكنناسماعهذهالإشارةلأنهاتُسهمبشكلما——وإنكانصغيرًا——فيالضوضاء”ششش”التيكنانسمعهايومًاماونحننقلبفيقنواتجهازتليفزيونقديم،نعمإنهاحولنافيكلمكان!

توقعتنظريةالانفجارالعظيمتولُّدموجاتالخلفيةالإشعاعيةللكونفيمراحلالكونالمبكرة،ولقدسمحلهاالكونبالمرورمنذملياراتالسنينإلىالآن،حتىأصبحمنالممكنرصدهااليوممنخلالمراصدنا。

بالرغممنأنرصدهذهالإشارةالكونيةالمكتشفةمنقِبل”ويلسون”و”بينزياس”يُعدإثباتًاعمليًّاواضحًاعلىصحةنظريةالانفجارالعظيم،إلاأنهبقيتهناكبعضالألغازالمحيرةلعلماءالفيزياءلميجدوالهاتفسيرًاواضحًا،وهناظهرتنظريةالتضخمالكوني“通货膨胀理论”التيتفسركثيرًامنهذهالظواهرالفيزيائيةللكونعندماكانعمرهجزءًاصغيرًاجدًّاجدًّامنالثانية。

توقعتنظريةالتضخمالكونيإمكانيةتولُّدتموجاتكونيةتسمى”موجاتالجاذبيةالبدائيةأوالتضخمية”أدتإلىانحناءنسيجالزمانوالمكان،وكانمنالمفترضأنتتركهذهالتموجاتبصمةذاتطبيعةفيزيائيةخاصةمطبوعةعلىالخلفيةالإشعاعيةللكون。

تعتبرهذهالموجاتلغزًاكبيرًافيعلمالفيزياء،إذألهمتأجيالًامنعلماءالكونياتلتأليفالكتبوإنفاقملايينالدولاراتلبناءتجاربلقياسهاوكتابةالمقالاتووضعالنظرياتالعلميةحولالطرقالمتنوعةوالسيناريوهاتالتيكانيمكنأنيؤديبهاهذاالانفجارالبدائي،معاستنباطالخواصالمتوقعةلهذهالموجات。

ويُعتبررصدهذهالموجاتعلىالأرضومنالفضاءأيضًامنالتحدياتالكبيرةجدًّالكثيرمنالفرقالبحثيةحولالعالم،ومنالمفترضأنتمنحناحالاكتشافهاوتحليلهادليلًاواضحًاعلىنظريةالتضخمالكوني،التيستؤديدورًامهمًّافيتفسيرالأجزاءالمفقودةفينظريةالانفجارالعظيملنشأةالكون。

كماسيوفررصدموجاتالجاذبيةمعلوماتٍكثيرةًعنلحظةوقوعهذاالانفجار،ومحاولةفهمالحاضروظواهرهمنخلالفهمالبداياتوكيفتكونتالعناصرالأساسيةالبدائيةالتيتدخلفيتكوينكلشيءحولنا،كماستساعدناعلىالتنبؤبمستقبلالكون،وماإذاكانتهناكأكوانمتوازيةولانعلمعنهاشيئًا،فمنالمتوقعأنيفتحقياسهذهالموجاتأبوابًاجديدةًفيعلومالفيزياء。

ولكنرصدهذهالموجاتيحتاجإلىتصميمتجربةعاليةالكفاءةوذاتدقةوحساسيةعاليةلرصدتلكالموجات،وذلكعنطريقتبريدالكواشفالإلكترونيةالمتعددةالمستخدمةللرصدإلىدرجةحرارةقليلةجدًّاتصلإلى300ميليكلفن،هذاالنظامالتبريديالمتكامليساعدهذهالكواشفلتكونقليلةالتشويشوفائقةالتوصيلوالقدرةعلىالرصدلهذهالموجاتالجاذبيةالتضخميةالتيتنبأتبهانظريةالتضخم،أيضًاكلمازادعددهازادتقدرتهاعلىتجميعهذهالإشارةورصدها。

موجات الجاذبية المرصودة من "الليجو"

كماقلت،رصدموجاتالجاذبيةعمومًاتحدٍّكبيرٌجدًّا،وأكبرمثالعلىذلك،فريقالليجوLIGOالذياستطاعرصدموجاتالجاذبيةعنتحركثقبينأسودينفيالكونعام2016،وتختلفهذهالموجاتتمامًاعنموجاتالجاذبيةالبدائيةالتيتكلمناعنهافيالبداية،والتيتولدتلحظةالانفجارالعظيمللكونعندماكانعمرهجزءًاصغيرًاجدًّاجدًّامنالثانية。

حصلفريقالليجوبقيادةالعالمَينكيبثورنوباريباريش،منمعهدكاليفورنياللتكنولوجيا——كالتكوالعالِمرينيرويسمنمعهدماساتشوتسللتكنولوجياعلىجائزةنوبلسنة2017بعدتصميمفكرةهذهالتجربةالعظيمةفيسبعينياتالقرنالماضيوتطويرالتكنولوجياالمستخدمةعبرعشراتالسنينلتصلإلىدقةرصدهذهالموجات。

حكىليكيبثورن،خلالحديثجرىبيننافيمكتبهبجامعةكالتك،وهومجاورلمكتبيفيالمكانذاته،عنالعواقبالكثيرةالتيواجهوهالرصدتلكالموجات،والتياستغرقتأكثرمنربعقرنمنالزمان،شعرخلالهاباليأسالكبيرمناحتمالبحثهعنسراب،ولكنهنجحفيالنهايةوأثبتبالدليلالعمليتوقعاتآلبرتأينشتاينعلىوجودها،إذتنبأبأنالأجسامفائقةالكتلةالموجودةفيالفضاءيمكنهاأنتتسببفيانحناءالفضاء،أوبمعنىآخرتموجاتفيالزمانوالمكان،وهذاماتحققبرصدموجاتالجاذبيةمنجانبفريقالليجو。

الرصد من القطب الجنوبي

2005年فيعام،صنفتالمؤسسةالوطنيةللعلومالأمريكيةووكالة(ناسا)علمدراسةالخلفيةالإشعاعيةللكونوالبحثعنموجاتالجاذبيةالبدائيةباعتبارهأحدالعلومالمهمةفيعلمالفيزياءعمومًا،وللولاياتالمتحدةالأمريكيةعلىوجهخاص。

لقدأنفقتالمؤسسةعلىهذهالتجاربملايينالدولاراتالأمريكية،منخلالمرصدهافيالقطبالجنوبي^[4]،والذيشاركفيبنائههذاالفريقالبحثيالتعاوني”بايسيبكيك”،وهوفريقمتكامليتكونمنأكثرمن60عالمًاودكتورًاوباحثًاوطالبًامنمعهدكاليفورنياللتكنولوجيا——كالتكومختبرالدفعالصاروخيبوكالةالفضاءالأمريكية(ناسا)وجامعةهارفاردوجامعةمينيسوتاوجامعةستانفورد。

ويعتبرالقطبالجنوبي(أنتارتيكا)هوأفضلمكانمناسبتتوافرفيهالقياساتالدقيقةلهذهالموجاتالجاذبيةالناتجةمنالانفجارالكوني،حيثطبيعةبيئته،مندرجةالبرودةالتيتصلإلى80سيليزيوستحتالصفرفيفصلالشتاء،وجفافالمنطقةوارتفاعهاعنسطحالبحربحوالي10آلافقدم،مايقللمننسبةامتصاصالغلافالجويلهذهالتموجاتالتينحاولرصدها。

بالإضافةإلىضعفإشارةموجاتالجاذبية،هناكتحدياتكثيرةتصعِّبعلينامهمةرصدهذهالموجاتكماذكرنافيبحثناالمنشورهذاالشهر،ومنهاأنهاليستالموجاتالوحيدةفيهذهالكون،فهناكإشعاعاتمجاريةأخرىناتجةمنمجرةدربالتبانةتشوشبدورهاعلىموجاتالجاذبيةوتصعِّبالفرصةعلىالعلماءفيرصدهابسهولة،أهمهاإشاراتالغبارالمجريوالانبعاثالسنكتروني(إشعاعاتمتولدةنتيجةتسارعالجسيماتالمشحونةمثلالإلكتروناتحولخطوطالمجالالمغناطيسيللمجرة)،وهناكأيضًاعدسةالجاذبية引力透镜التيتشوش وتحجب رؤيتنا لموجات الجاذبية الأصلية، وهي عبارة عن موجات سافرت من بداية الكون المبكر، ولكن تغيرت خواصها الفيزيائية وتشوهت نتيجة ما صادفته من أجسام ضخمة ومجرات وغيرها، في أثناء انتقالها كل هذا الزمن وكل هذه المسافة إلى أن نراها اليوم.

ويجريالتخلصمنموجاتعدسةالجاذبيةباستخدامتطويرالتقنياتاللازمةفيمعالجةالبياناتالعلمية،وهومافعلناهمنخلالمقالتناالمنشورةهذاالعامفيدورية“فيزيكسريفيودي”الشهيرة،كمايجريالتخلصمنالإشاراتالمجاريةمنخلالبناءأكثرمنمرصدعندأكثرمنترددللموجةالكهرومغناطيسية(عددالمرّاتالتيتتكرّرفيهاالموجةفيفترةزمنيةمحددة)،إذتختلفطاقةالموجاتالمجاريةباختلافترددالموجة،وبذلكيمكنتحديدطاقتهاعندكلترددوفصلهاعنموجاتالجاذبيةالتضخمية。

تعتبر تجربتنا العلمية تليسكوب بايسيب أراي^［5］二头肌数组هيالتجربةالحاليةعاليةالكفاءةلرصدالخلفيةالإشعاعيةللكون،وبصمةموجاتالجاذبيةالمتوقعة،وهيعبارةعنأربعةمراصدوتليسكوباتتعملعندأربعةتردداتمختلفة。^[6]

صممتهذهالتجربةبكواشفعاليةالكفاءةفيمعهدكاليفورنياللتكنولوجيا(كالتك)،وصنعتفيمختبرالدفعالصاروخيبوكالةناسا،وقدجرىتطويرالأجزاءالأخرىمنالتجربةبجامعاتأخرىضمنالفريقالتعاوني،وتمتصميمكلالأجزاءالهندسيةللتجربةوتطويرهابكفاءةعاليةحتىتمكننامنرصدموجاتالجاذبيةالناتجةعنالتضخمالكونيقريبًا。

2019年ففيعامتمتشغيلالمرصدالأولمنهذهالتجربةعنتردد30/40 GHzلتمكننامنمعرفةحجمالإشارةالكونيةالـ“同步”وبالتالييمكنفصلهاعنموجاتالجاذبية،ومنالمتوقعبناءالمرصدالثانيبالقطبالجنوبيعندتردد150 GHzالعامالقادم،ويليهاالمرصدالثالثوالرابععنترددات90 GHz / 220 GHzماسوفيمكنناأيضًامنرصدالإشارةالمجاريةالغبارية،وبذلكفمنالمتوقعأنتصلقريبًاكفاءةالتجربةودقتهافيرصدموجاتالجاذبيةتلكوخواصهاالمشارإليهاعلميًّابـ“σ(r)”بدقةتصلمابين0.002إلى0.004،وهذهتعتبردقةكافيةلرصدموجاتالجاذبيةالتضخمية。

هيمحاولاتمستمرةخلالسنواتطويلةتنشرنتائجهاالمرصودةمنالقطبالجنوبيفيأفضلالمجلاتالعلميةفيالفيزياء،تقربناخطواتكبيرةإلىدقةالرصد،وتمدنابمعلوماتكثيرةعنسيناريوهاتالانفجارالعظيموخواصهالفيزيائية،ويتمخلالهاأيضًاتطويرتكنولوجياتعاليةالدقةفيالتجربةمنقِبلفريقعلمييعملفيأفضلالجامعاتالأمريكيةووكالةناسا،بدايةمنالتصميمالهندسيالدقيقلكلأجزاءالتجربةواختباراتهاالهندسيةوتطويرهامنخلالتجربتناالجديدة”تليسكوببايسيبأراي”نهايةًإلىتحليلالنواتجالعلميةالمرصودةمنالقطبالجنوبيللوصولإلىالدقةالمطلوبةلرصدهذهالموجاتالمهمةفيمجالالفيزياء،والتيتمكننامنمعرفةأصلكلشيء……أصلونشأةالكون،وبدايةالزمن،والمتوقعأنيكونذلكقريبًاإنشاءالله。