إرث "الظلام" الحائز على جائزة نوبل جيم بيبلز

يرسم الفلكيون المادة المظلمة بشكل غير مباشر ، من خلال سحبها الجاذبي لأشياء أخرى.

بول م. سوتر فيزيائي فلكي في جامعة ولاية أوهايومضيف اسأل رائد فضاء و راديو الفضاء، ومؤلف كتاب "مكانك في الكون.ساهم سوتر في هذا المقال أصوات خبراء Space.com: Op-Ed & Insights. 

تدين الدراسة الحديثة للكون بأكمله ، فرع العلوم المعروف باسم علم الكونيات ، بوضعه الحالي إلى العديد من الشخصيات البارزة ، التي تعود إلى ما يقرب من قرن من البحث المكرس الذي تم تحقيقه بشق الأنفس.

قد تكون بعض هذه الأسماء مألوفة: البرت اينشتاين، إدوين هابل ، فيرا روبن ، إلخ. لكن في الآونة الأخيرة ، اعترفت لجنة جائزة نوبل بمساهمات اسم قد لا تتعرف عليه ، وجيم بيبلز ، منحه نصف جائزة الفيزياء لعام 2019، "للمساهمة في فهمنا لتطور الكون ومكان الأرض في الكون."

يكفي أن نقول ، إن علم الكونيات لن يكون في مكانه اليوم بدون جهود جيم بيبلز. إنه شيء واحد أن أذكر نموذج الانفجار الكبير في بساطة القميص الخلفي (على سبيل المثال ، "كان الكون أصغر وأكثر حرارة ، والآن ليس كذلك") ، ولكن الأمر مختلف تمامًا لتحويل ذلك إلى صيغة رياضية دقيقة قادرة على عمل تنبؤات للمقارنة معها الملاحظات. من الإنصاف أن نقول أن بيبلز ساعدت في تحويل علم الكونيات من "فكرة أنيقة وصحيحة بشكل عام" إلى "مجال علوم حقيقية". دعنا نستكشف ثلاث طرق رئيسية حيث أرشدتنا رؤيته:

خلفية الميكروويف الكونية

إذا كان الكون المبكر أصغر مما هو عليه اليوم ، فلا بد أنه كان أكثر سخونة وأكثر كثافة. وبمجرد أن تقبل هذا الواقع ، تدرك بسرعة أنه في مرحلة ما من الماضي البعيد ، الكون يجب أن يكون كثيفًا جدًا وساخنًا لدرجة أنه كان موجودًا في حالة مختلفة تمامًا من المادة.

قبل أكثر من 13 مليار سنة ، عندما كان الكون يبلغ حوالي مليون جزء من حجمه الحالي ، كانت كل الأشياء الموجودة في الكون متداخلة معًا لدرجة أنها كانت بلازما ، وهي حالة المادة التي تمزق فيها الإلكترونات من الذرات وتتحرر يتجولون بمفردهم. في ذلك الوقت ، كان الكون شديدًا جدًا.

ولكن بعد ذلك تقدمت في السن ، وأصبحت أكبر وأبرد. وفي سن معينة ، تنخفض درجات الحرارة والضغوط إلى ما دون العتبة الحرجة ، وتمكنت الإلكترونات من الالتصاق بالذرات دون أن تنقطع على الفور. في ومضة ، أصبح الكون شفافًا للإشعاع ، وهذا الضوء - حرفيا أبيض حار في لحظة إطلاقه - يستمر حتى يومنا هذا ، ممتصًا الكون.

ولكن اليوم فقد هذا الضوء الكثير من البخار وهو يبرد فقط بضع درجات فوق الصفر المطلق ، بقوة في نطاق الموجات الدقيقة. هذه "خلفية الميكروويف الكونية"تم اكتشافه عن طريق الخطأ من قبل فيزيائيي الميكروويف في عام 1964 ، ولكن دون علمهم تنبأت مجموعة من المنظرين بما في ذلك بيبلز بوجودها بالفعل. فاز فيزيائيو الميكروويف بجائزة نوبل في عام 1978 ، ولكن لم يفت الأوان أبدًا على لجنة نوبل للتعرف على المنظرين أيضا.

المادة المظلمة

في السبعينيات ، عالم الفلك فيرا روبين اكتشف شيئًا مضحكًا يحدث في المجرات: النجوم الموجودة داخلها تدور بسرعة كبيرة جدًا. بسرعة ، في الواقع ، أنه كان ينبغي على المجرات تفريق نفسها قبل مليارات السنين. ولكنهم كانوا سعداء مثل المحار.

ما الذى حدث؟ ألم نفهم شيئًا عن طبيعة الجاذبية بمقاييس كبيرة مثل المجرات؟ أم أن الكون يحتوي على عنصر إضافي تم إخفاؤه لنا حتى ملاحظات روبن؟

يعتقد بعض علماء الفلك ، بمن فيهم روبن نفسها ، أننا بحاجة إلى تعديل قوانين الفيزياء من أجل تصحيح الأمور. لكن آخرين ، بما في ذلك بيبلز ، اكتشفوا أن هناك مجرة ​​أكثر مما تراه العين. لقد كان من أوائل المؤيدين لما نسميه الآن "المادة المظلمة الباردة" - شكل جديد من المادة لا يتفاعل مع الضوء (وبالتالي لا يتفاعل مع أي شيء آخر سوى الجاذبية). نحن نعرف ذلك الآن المادة المظلمة يشبع الكون ، ويغمر المادة الطبيعية بنسبة 5: 1 على الأقل.

قام بيبلز والمتعاونون بالعمل الشرعي للتحقيق في ما تعنيه هذه الفرضية الجديدة من حيث سلوك المجرة ، وقدموا اختبارات مفيدة للمراقبين للاستهداف والقياس.

اليوم ، على الرغم من أننا ما زلنا لا نفهم تمامًا المادة المظلمة - وما زال يتعين علينا تحديد هويتها بدقة - فقد جاء الدليل من زوايا متعددة ، بما في ذلك بصمات دقيقة في الخلفية الكونية الميكروية نفسها ، فإن المادة المظلمة هي عنصر رئيسي في كون.

التركيب الكوني

لكن بيبلز لم تتوقف مع اللحظات الأولى للانفجار العظيم أو المكونات الغامضة وغير المرئية لكوننا. ذهب بيبلز كبيرة - طريقة كبيرة.

نرى في الكون من حولنا جميع أنواع مختلف أنواع المجرات في جميع أنواع الترتيبات الخيالية. بعض المجرات مرتبطة ببعضها البعض في مجموعات عملاقة ، بينما البعض الآخر وحيد. بعضها ضخم وضخم ، والبعض الآخر صغير وبالكاد يمكن ملاحظته. وعندما نقوم بالتصغير إلى أكبر المقاييس ، نرىشبكة كونية، "أكبر نمط موجود في الطبيعة ، وهو هيكل يمتد من أحد طرفي الكون المرئي إلى الطرف الآخر.

تتكون الشبكة الكونية من المجرات ، وكما يوحي الاسم ، تبدو مثل شبكة العنكبوت الكونية.

كيف فعل ذلك يحدث؟

قاد بيبلز وأصدقاؤه الطريق لشرح أصول الشبكة الكونية ، ووجدوا أن الهياكل في عالمنا تنمو ببطء بمرور الوقت ، وتتراكم من قطع أصغر إلى أجزاء أكبر مع مرور كل دهور.

لقد اكتشفوا كيفية البحث عن تلميحات لبذور الهيكل في الخلفية الكونية الميكروية ، والتي يمكن رؤيتها كتغيرات صغيرة في درجة الحرارة لا تزيد عن جزء واحد في 100000. كانت هذه الاختلافات هي مواقع التجمعات الأولى ذات الكثافة الأعلى قليلاً من المتوسط ​​، حيث ستتدفق المزيد من المادة (خاصة المادة المظلمة!) على مدار ملايين السنين.

في نهاية المطاف ، كانت هذه القطع الصغيرة تنمو لتصبح مجرات ، وتجمع بعض المجرات معًا لتشكيل مجموعات من المجرات. وبما أن كل هذه الأشياء المستخدمة في بناء هذه الهياكل الكبيرة كان يجب أن تأتي من مكان ما ، فتحت مناطق فارغة واسعة وتوسعت. أصبحت هذه الفجوات في الشبكة الكونية ، والمعروفة باسم الفراغات.

على مدى عقود ، كتب جيم بيبلز مئات الأوراق وتعاون مع مئات من علماء الفلك والفيزيائيين الفلكيين والفيزيائيين وعلماء الكونيات ، وكان لاعبًا حاسمًا في رسم صورة الكون التي نفهمها الآن.

• جائزة نوبل في الفيزياء: 1901 إلى الوقت الحاضر
• المادة المظلمة والطاقة المظلمة: شرح الغموض (رسم توضيحي)
• 11 أسئلة لم تتم الإجابة عليها حول المادة المظلمة

يمكنك الاستماع إلى بودكاست Ask A Spaceman onاي تيونز، وعلى الويب في http://www.askaspaceman.com. اطرح سؤالك على Twitter باستخدام #AskASpaceman ، أو باتباع Paul PaulMattSutter و facebook.com/PaulMattSutter. تابعنا على تويتر Spacedotcom أو موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك.