أخبار اليوم - تخيل أن طفلا يرسم نقاطا سوداء على بالون، وفور أن ينتهي ينفخ البالون، يلاحظ أن النقاط التي كانت قريبة من بعضها حين بداية الرسم تأخذ في التباعد كلما كبر حجم البالون. يسأل الطفل: هل تجري النقاط التي رسمها بعيدة عن بعضها؟ الإجابة المباشرة هي: لا، فالنقاط تبتعد، لا لأنها تتحرك، بل لأن جسد البالون يتمدد. هكذا مَثَّل الفيزيائي البريطاني آرثر إدينجتون حالة توسع الكون، حيث تتباعد مجراته وتترامى بعيدا عن بعضها بعضا، لكن هذه الحركة التوسعية التي يتعرض لها النسيج الكوني قد تعكر صفو قوانيننا الفيزيائية والفلكية التي تفسر أنظمة الكون وتشرح تمظهراته القديمة التي يمكن عبرها أن نتنبأ بسلوكه المستقبلي، مما يضع علم الكونيات بالكامل في مهب الريح.

من هنا جاءت مهمة التلسكوب الفضائي "جيمس ويب" الذي أُطلق في ديسمبر/كانون الأول 2021، التي تكرست من أجل إيجاد حل لمشكلات عدة لا تزال تؤرق الفلكيين وعلماء الطبيعة منذ عقود، وأهمها هي ما أُطلق عليها "كارثة علم الكونيات"، وهي الأحجية الكبرى التي يواجهها الفيزيائيون أمام ظاهرة التوسع الكوني. "لكن تلسكوب جيمس ويب لم يتمكن من إسعاف الباحثين بحل للمشكلة، بل عمّقها تماما"، هكذا قال آدم ريس، الفيزيائي الأميركي الحاصل على جائزة نوبل عام 2011، لمحرر "أبعاد".

من المعروف أن "جيمس ويب"، الغارق في الأفلاك البعيدة، كان نتاج جهد دولي ضم وكالات الفضاء الأميركية والأوروبية والكندية وآلاف العلماء والمهندسين والتقنيين من كل أنحاء العالم. حوى التلسكوب تقنيات معقدة جعلت إطلاقه ووضعه في مساره يبدو مثل تشكيل قطعة أوريغامي في الفضاء، وتعثره في إيجاد بعض الأجوبة المُنتظرة كان مفاجأة علمية صادمة، لكن كيف نفهم القصة من البداية؟

استطاع العالم "إدوين هابل"، الذي كان محاميا قبل أن يتوجه لدراسة علم الفلك، أن يصوغ قانونا أمكن به حساب معدل توسع الكون، من خلال قيمة حملت اسمه "ثابت هابل". وقد توصل العلماء بعد ذلك إلى طريقتين أساسيتين، ومجموعتين من أدوات القياس، لحساب ثابت هابل، أو سرعة توسع الكون، لكن المعضلة الكبرى التي تواجه علم الكونيات الآن، لدرجة وصفها بـ"الكارثة"، هي أن كل طريقة تصدر نتائج مختلفة. فما الذي حدث بالتحديد؟



من اللحظة صفر!
في البداية، دعونا نعِش اللحظات الأولى من تاريخ كوننا، فمن خلال حرارة تُقدَّر بالمليارات من الدرجات المئوية نشأت مكونات الذرَّة من بروتونات ونيوترونات وإلكترونات. وبسبب الكثافة الشديدة لمادة الكون من الإلكترونات السابحة، كان الكون مُعتِما تماما لا يمرر أي ضوء، بينما لم تسمح الحرارة بحدوث الارتباط اللازم بين الأنوية والإلكترونات لتكوين الذرات الأولى.



البالون الكوني الممتد
منذ عشرينيات القرن الماضي، بدأ علماء الفيزياء الفلكية في الحديث عن أن الكون يفعل الشيء نفسه الذي يفعله بالون الطفل، حيث تتباعد مجراته عن بعضها بعضا بسرعة هائلة، ومثل البالون الذي بدأ صغيرا، يعتقد العلماء، بحسب أكثر النظريات قبولا، أن الكون نشأ من نقطة واحدة متناهية الصغر، عظيمة الكثافة، لا يعرف العلماء حتى اللحظة كيف نشأت. كل ما نعرفه أن الكون كله كان منضغطا في هذه النقطة، قبل أن يأخذ طريقه في التوسع والتمدد مع الزمن، مُبعدا مجراته وأجرامه عن بعضها بعضا، ومنذ لحظة الظهور، لم يتوقف تمدد الكون أبدا، بل يتسارع في توسُّعه.

لكن بعد مرور نحو 380 ألف سنة، أصبح الكون باردا بما يكفي ليسمح لتلك الأنوية بأن تجذب الإلكترونات في مداراتها، فتكونت أولى ذرات الهيدروجين والهيليوم، هنا حصلت الإثارة الكبرى، حيث انطلقت فوتونات الضوء في سفر طويل حتّى أُنهكت تماما، لكنها في تلك الأثناء غمرت الكون كله، الآن، يتمكن العلماء من رصد آثار هذا السفر، وحركة تلك الفوتونات التي غمرت كل أرجاء الكون، إنه وهج الانفجار العظيم! يطلق العلماء على هذا الضوء مصطلح "إشعاع الخلفية الكونية الميكروي"، الذي كان اكتشافه في الستينيات سببا في حصول عالمَيْ الفلك "أرنو بنزياس" و"روبرت ويلسون" على جائزة نوبل للفيزياء لعام 1978.
يُعدّ إشعاع الخلفية الكونية أحد أهم الموارد التي يعتمد عليها علماء الكونيات في فهم أحوال الكون قبل أكثر من 13.7 مليار سنة، ومما يُدرس في تلك المرحلة مسألة معدل توسع الكون، وبحسب ما أشارت لمحرر "أبعاد"، تقول "ليشيا فيردي"، أستاذة علم الكونيات في جامعة برشلونة: "تعطي القياسات المعتمدة على إشعاع الخلفية الكونية لثابت هابل قيمة تساوي نحو 244 ألف كيلومتر في الساعة لكل مليون فرسخ فلكي"، وهذا الرقم يُعبِّر عن سرعة توسع الكون بين مجرتين داخل قطعة من الفضاء طولها 3.26 مليون سنة ضوئية.

إذن قاس العلماء معدل توسع الكون، وبالتبعية استطاعوا معرفة حجمه في الماضي والتنبؤ بحجمه في المستقبل، إلى جانب عدد من النتائج الأخرى التي تمثل أساسات علم الكونيات. لكن ليت الأمر كان بهذه السهولة، فقد وجد العلماء نوعا آخر من القياسات لحساب معدل توسع الكون. تقول فيردي مرة أخرى لنا: "هناك العديد من الطرق لقياس ثابت هابل، لكنها جميعا تنتمي إلى واحدة من هاتين الفئتين: إما أن يُستنتَج من خلال النظر في خصائص الكون في فترة مبكرة جدا من تاريخه، عن طريق رصد إشعاع الخلفية الكونية، أو يُقاس بالنظر في فترة متأخرة من تاريخ الكون (أي في الوقت الحالي) عن طريق رصد سرعة ابتعاد المجرات الأخرى عنا".

حين قاس العلماء سرعة ابتعاد المجرات الأخرى عنا، وجدوا أن ثابت هابل يساوي 264 ألف كيلومتر في الساعة لكل مليون فرسخ فلكي، وهي تقريبا النتيجة التي توصل إليها آدم ريس وفريقه البحثي في سبتمبر/أيلول الماضي باستخدام جيمس ويب في ورقة نُشرت بالدورية الشهيرة "ذا أستروفيزيكال جورنال". ومهما تكررت القياسات يظل فارق النتيجة بين نوعَيْ القياس كبيرا، فهل الكون يتوسع بسرعة 244 كما تقول قياسات الخلفية الكونية، أم 264 ألف كيلومتر في الساعة كما تقول قياسات سرعة المجرات؟ وهل يُنبئ ذلك بحاجة العلماء إلى فيزياء جديدة لحل هذه الكارثة؟

التوتر الذي يحكم كل شيء!
هذا الاختلاف في القياسات، أو ما يسمى بتوتر "هابل"، هو كارثة علم الكونيات الحالية، لأن ثابت هابل يسري حكمه على كل ما هو كوني، فهو يحدد المعدل الذي يتوسع من خلاله الكون، وبالتالي يرشدنا إلى معرفة عمره، ويرسم الجدول الزمني لتتالي الأحداث فيه وصولا إلى حجمه الحالي والمستقبلي. كما أنه يساعد العلماء على تقدير المسافات إلى الأجرام الأخرى في جميع أنحاء الكون. إلى جانب ذلك، فإن قيمة ثابت هابل تساعد العلماء على فهم خصائص الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، وهما مكونان غامضان يمثلان 95% من تركيب هذا الكون، لا يعرف العلماء عنهما إلا أقل القليل. والخلل في ذلك معضلة، حيث أدى إلى انقسام في المجتمع العلمي بين مَن يرى أن المشكلة في البيانات أو الإحصاءات أو الأساليب المستخدمة لقياس الثابت، وبين مَن يعتقد أن الخلل امتد إلى النظرية نفسها أو قُل النموذج والأساس النظري الذي تعتمد عليه تلك القياسات أو حتّى فيزياء الكونيات من الأساس، التي تبني نفسها على نتائج النظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين.

يعد "بافيل كوروبا"، الأستاذ بمعهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية بجامعة بون الألمانية، واحدا من أولئك الذين يعتقدون أن الخلل يكمن في الأساس النظري، وبالتالي هو أحد العلماء الذين يكرسون أنفسهم لحلٍّ لهذه الكارثة، عبر وضع نظرية بديلة، وقد أوضح لمحرر "أبعاد" أنه "يمكن تفسير توتر هابل عبر دراسة اختلاف كثافة المجرات، فمجرتنا توجد في منطقة من الكون ذات كثافة مجرية منخفضة نسبيا"، تأتي فكرة كوروبا التفسيرية هذه في إطار ورقة بحثية نشرها مؤخرا بصحبة فريق من الباحثين في دورية "مونثلي نوتيس" التابعة للجمعية الفلكية الملكية.

تشير الورقة إلى أننا نسكن داخل فقاعة كونية هائلة، تزيد كثافة المجرات داخلها عن خارجها، وبسبب ذلك تنجذب المجرات القريبة إلى أطراف الفقاعة بسرعة أكبر من المعتاد، ومن هنا يرى "كوروبا" أن هذا هو السبب في أن ثابت هابل يخرج بقيمة أكبر (تصل إلى نحو 7%) حينما يقاس من خلال سرعة المجرات مقارنة بقياسه من خلال إشعاع الخلفية الكونية، أي إن فارق السرعة لا يحصل بسبب توسع الكون، وإنما بسبب هرولة المجرات إلى حدود الفقاعة تلك.



الجاذبية المعدلة.. ووجوه أخرى للمعضلة
لكن فرضية كوروبا تلك، وإن كانت تجيب بشكل ما عن سبب توتر ثابت هابل، فإنها تستند إلى فيزياء جديدة تختلف عما عهدناه في حصص العلوم بالمدرسة الإعدادية، وهي ما تسمى "ديناميكا نيوتن المعدلة" (MOND)، وهي نظرية مقترحة بديلا للجاذبية المعروفة في "فيزياء نيوتن" و"النظرية النسبية"، وتفترض تلك النظرية أن طبيعة الجاذبية تختلف في المسافات الشاسعة، ولكن فيما يبدو فإن هذه النظرية خلقت المزيد من المشكلات والاضطرابات في علوم الكونيات.

ولفهم الأمر دعنا نتحدث عن نظريات الجاذبية مثلما نتحدث عن أجيال هواتف الآيفون. مثلا، هناك الجاذبية العادية التي تحدَّث عنها نيوتن قبل نحو أربعة قرون، وهي ما تُبقي أقدامنا على الأرض وتتسبب في سقوط ثمرات التفاح. تعمل هذه النظرية جيدا في معظم المواقف اليومية، لكن منذ نحو قرن من الزمان، توصل "ألبرت أينشتاين" إلى تفسير أكثر تفصيلا للجاذبية يسمى النسبية العامة، وفي هذه النظرية يشير إلى أن الجاذبية ليست قوة تنشأ بين الأجسام كما كان يعتقد نيوتن، لكنها نتيجة لقدرة الأجسام على ثني نسيج المكان والزمان من حولها.

ورغم براعة نظرية أينشتاين في شرح الكثير عن الكون عبر تلك النظرية، فإن قدرتها التفسيرية قلَّت في بعض النطاقات. مثلا، عندما ينظر العلماء إلى كيفية دوران المجرات وحركتها في التجمعات المجرية، فإنهم يلاحظون أنها لا تتسق مع توقعات نسبية أينشتاين، وهنا يأتي دور نظريات "الجاذبية المعدلة" التي يفترض المؤيدون لها أنها تحديث أو تصحيح لنظرية النسبية العامة، وبحسب عالِمنا "كوروبا" فإنه يرى أن الجاذبية قد تعمل بشكل مختلف على المقاييس الكبيرة جدا أو الصغيرة جدا، مقارنة بما اعتدنا عليه، حيث تفترض نظرية الحرباء (أحد روافد الجاذبية المعدلة) أن قوانين الجاذبية ليست ثابتة في الكون كله، بل تتغير طبيعة الجاذبية في حالات خاصة بتغير البيئة المحيطة، ومن هنا جاء وصف الحرباء.



فوضى في أروقة قسم الفيزياء
لكن كما ذكرنا، فإن نظريات "الجاذبية المعدلة" مثلها مثل "ثابت هابل" خلقت الكثير من المشكلات في جوانب أخرى لعلم الكونيات ما زالت إلى الآن بلا حل، كما أنها وإن كانت تتسق مع بعض الأرصاد الفلكية المصورة عبر المراصد الكبرى والأقمار الصناعية المتخصصة، فإنها لا تتسق مع أرصاد أخرى أكثر، ما يجعل العلماء إلى الآن غير متشبثين بها بقوة تكفي لدفعها للتنافس مع نظريات أينشتاين. في هذا السياق نعود مجددا إلى "ليشيا فيردي"، التي ترى أنه في الوقت الحالي ما زال "النموذج النظري القائم لفيزياء الكونيات ناجحا، فهو يمتلك قدرة تفسيرية جيدة لمجموعة كبيرة من الأرصاد والبيانات، بالتالي إذا أردنا تعديل هذا النموذج لحل مشكلة ثابت هابل، فقد يؤثر ذلك على الجوانب الأخرى له، وقد يخلق مشكلات كبيرة في مكان آخر".

لكن "إنريكو رينالدي"، وهو زميل باحث في قسم الفيزياء في جامعة ميريلاند الأميركية، ما زال يرى ضرورة تأسيس فيزياء جديدة مهما كان الثمن، معتبرا ذلك هو الطريق الوحيد للخروج من المأزق. كان "رينالدي" بالتشارك مع فريق دولي قد قام بتحليل قاعدة بيانات لأكثر من 1000 انفجار نجمي، لدعم فكرة ثورية تماما في هذا النطاق، وهي أن ثابت هابل قد لا يكون ثابتا من الأساس.

يقول "رينالدي" في تصريح حصل عليه محرر "أبعاد": "السؤال الذي طرحناه في ورقتنا البحثية هو: ماذا لو لم يكن ثابت هابل ثابتا؟ وماذا لو تغير بالفعل؟"، وحتى يدلل رينالدي على فكرته التي تُطيح بثبات ثابت هابل، فإنه قام بتقسيم المسافة بين الأرض وبين أبعد الانفجارات النجمية إلى ما يشبه الصناديق، كل صندوق يحتوي على مجموعة من الانفجارات النجمية التي توجد على مسافة قريبة من بعضها بعضا، وبقياس قيمة ثابت هابل عبر طرق إحصائية قاموا بتطويرها، تبين أنه يختلف بين كل صندوق والآخر على حسب المسافة، ويعلق "رينالدي" على ذلك قائلا: "إذا كان ثابت هابل ثابتا، فلا ينبغي أن يكون ذا قيمة مختلفة عندما نستخرجه من صناديق ذات مسافات مختلفة، لكن نتيجتنا الرئيسية هي أنه يتغير فعليا مع المسافة المتغيرة"، والمحصلة التي خرج بها "رينالدي" ورفاقه أن ثابت هابل قد لا يكون ثابتا بالمرة.

وقد تسببت تلك النتائج في تعميق أزمة علم الكونيات، لأن تحويل "ثابت" هابل من "ثابت قلق" إلى "متغير" مطلق يعني أن معدل توسع الكون ليس منتظما، وبالتالي تتأثر معارف وفهوم العلماء عن طبيعة المادة والطاقة المظلمتين، بل وسيصل الأمر إلى التأثير على فهمنا لتطور الكون منذ العصور المبكرة وحتى الوقت الحاضر. كل ما سبق ونحن لم نذكر بعد تأثير تلك النتائج على فهم العلماء لتطور الهياكل الكونية الكبرى مثل المجرات ومجموعات المجرات، بل وتوزيع المادة في الكون، هل هي متجانسة ومتساوية الكثافة أم لا؟ ويمتد الأمر وصولا إلى عمر الكون نفسه.

وبسبب التأثير الخطير للاعتماد على نظرية جديدة في علم الكونيات، فإن هناك من الفيزيائيين مَن يحاول إنقاذ الموقف، وأنه بدلا من البحث عن فيزياء جديدة، علينا أن نعيد النظر في أدوات القياس، أو الطرق التي نستخدمها لقياس قيمة ثابت هابل، وهذا هو عمل فريق يقوده باحثون من جامعة شيكاغو الأميركية.

قام هذا الفريق بعمل دراسة متفحصة لقياسات ثابت هابل بناء على سرعة المجرات القريبة، ولكنهم استخدموا طرقا غير معتادة، حيث فحصوا نجوما تسمى "العمالقة الحمراء" يمكن استخدامها لمعرفة المسافة بيننا وبين مجرة أخرى، ومن ثم دراسة معدلات ابتعادها عنا، وفي دراستهم التي نُشرت بدورية "ذا أستروفيزيكال جورنال" قال الباحثون من هذا الفريق إن القياسات جاءت قريبة من تلك المأخوذة من إشعاع الخلفية الكونية.