نظريّة الانفجار العظيم: 2- مراحلُ تطوّر الكون.

استمع على ساوندكلاود 🎧

اعتماداً على نظريّةِ الانفجارِ العظيمِ ونظريّةِ التّضخّم* ونظريّةِ التّوحيدِ الكبرى** فإنّ بإمكاننا أن نُصيغ مراحلَ نشوءِ الكون على الشكل التالي:

-حقبة بلانك "Planck Epoch":

سُمّيت هذه الحِقبةُ باسمِ حِقبةِ بلانك نسبةً إلى العالِمِ الألمانيّ ماكس بلانك؛ أحدُ مؤسّسي علم ميكانيك الكمّ. وفقاً للفيزياءِ الكونيّةِ فإنّ عصرَ بلانك - أو حِقبة بلانك - هي أقدمُ فترةٍ في تاريخ الكون. هي الفترةُ من بدايةِ الكونِ إلى أن أصبحَ عُمرُ الكونِ حوالي 43-^10 ثانية. يُقدّر حجم الكون في هذه المرحلة بنحو 35-^10متر (وحدة قياس بلانك واحدة***) و تبلغُ درجةُ حرارتهِ نحوَ 32^10 درجة مئوية (درجة بلانك واحدة).

يعتقدُ العلماءُ أنّ القوى الأساسيّة الأربعِ في الكونِ الّذي نعرفُه (القوى النوويّة الشّديدة والقوى النوويّة الضّعيفة والقوّة الكهرومغناطيسيّة وقوةُ الجاذبيّة وهي مرتبةً من الأقوى حتى الأضعف) كانت جميعها بالدرجةِ ذاتها، بل ومن الممكنِ أنّها شكّلت قوّةً موحّدةً تحت وطأةِ الظّروفِ القاسيةِ خلال هذه الفترة.

-مرحلة التّوحيد الأعظم "Grand Unification Epoch" :

تبدأُ من اللحظةِ الّتي كان فيها عمرُ الكونِ 43-^10 ثّانية، إلى أن أصبحَ عمرُ الكونِ 36-^10ثانية. انخفضت درجةُ حرارةِ الكونِ في هذه المرحلةِ إلى دونِ 32^10 درجة مئوية، ما أدى إلى انفصالِ قوّةِ الجاذبيّةِ عن القوى الأساسيّةِ الأُخرى الّتي توحّدت معاً مشكّلةً قوّةً كهرنوويّة. تسمّى النظريّة الّتي تصف تلك المرحلةِ "نظريّةُ التّوحيدِ العُظمى Grand unification theory"

تبرُز المادّة والمادّةُ المضادّةُ إلى الوجودِ للمرّةِ الأولى خلال هذه الحِقبة على شكلِ مركّبٍ معقّد يُطلقُ عليهِ اسمُ "مادّةِ نظريّة التوحيد العظمى GUT matter". يُشكّلُ هذا المركّبُ المادّةُ الخامُ الّتي سينتجُ عنها كل من الفوتونات و الليبتونات و الكواركات، لكنّ الكواركات والليبتونات لا تظهر إلا لاحقاً عندما تصبح درجة حرارة الكون مناسبةً لتُشكِيلِ البروتونات و النيترونات والذّرّات. تشكّلت خلال هذه الفترة الجسيمات و جسيماتها المضادّة واستمرّت بالالتحامِ وإلغاءِ بعضِها بعضاً بشكلٍ مستمرٍ محرّرةً طاقةً كبيرةً، لأن كُتلَ الجسيماتِ يجبُ أن تكونَ كبيرةً نسبياً بشكلٍ يتناسبُ مع طاقة الكونِ الهائلةِ، لذلك لم يكن هنالك وجودٌ للمادّة المستقرّة خلال هذه الحِقبة. بعبارةٍ أُخرى فإنه في بيئةٍ شديدةِ الحرارةِ مثلَ بيئةِ هذه الحِقبةِ فإنّ الطّاقةَ تكونُ مستقرةً أمّا المادّةُ فلا تكونُ مستقرّة إلا بعدَ انخفاضِ درجةِ الحرارةِ للحدِّ الّذي يسمحُ بذلك. (معلومات اكثر عن المادة المضادة هنا)

-مرحلة التّضخّم الكوني "Inflationary Epoch" :

هي المرحلة الّتي كان فيها عمر الكون بين 36-^10 جزء من الثانية و حتّى 32-^10 جزء من الثانية. انطلقت هذهِ المرحلةُ بفعلِ انفصالِ القِوى النوويّةِ الشّديدةِ عن القوى الأساسيّة الّتي ارتبطت بها سابقاً ( القوى الكهرومغناطيسيّة، القوى النووية الضعيفة) الأمرُ الّذي يُعتَقد بأنه أحدثً توسّعاً سريعاً وهائلاً في حجمِ الكون يُعرفُ باسم "التضخّم الكوني". يزدادُ حجمُ الكونِ أثناءَ هذهِ المرحلةِ التّي لا تتجاوزُ أجزاءً صغيرةً جدّاً من الثّانيةِ حتى يُصبح أكبرَ بنحو 26^10 ضعفاً، ليصل تقريباً إلى 10 سنتيمترات، و تنتشرُ على مستوٍ بسيطٍ في الكونِ بلازما كثيفة شديدةُ الحرارةِ من الجسيماتِ الأساسيّةِ (كوارك - غلوون) الّتي تشكّلت أثناء مرحلة التوحيدِ الأعظم فيما يُسمّى "حساء الكواركات".

لم يكنِ التّضخّمُ الكونيّ سابقاً جزءاً من النّموذجِ الأصليّ لنظريّة الانفجارِ العظيم، لكنّهُ أُضيفَ للنّظريّةِ في بدايةِ الثّمانيناتِ من القرنِ العشرينِ في محاولةٍ لحلّ بعضِ مشاكلِ هذا النموذج، وهو ما تحدّثنا عنه في الجزء الأوّل. (معلومات أكثر عن الكواركات هنا)

-مرحلة القِوى الكهرونوويّة الضعيفة"Electroweak Epoch" :

من الزمن 36-^10 ثانية وحتّى الزّمن 12-^10 ثانية. بانخفاضِ درجةِ حرارةِ الكونِ إلى نحوِ 15^10 درجة مئوية، تنفصلُ القِوى النوويّةُ الشّديدةُ عن القِوى الكهرنوويّة الضّعيفةِ، فتحدثُ تفاعلاتٌ بين الجسيماتِ يَنتجُ عنها مجموعةٌ من الجسيماتِ الغريبةِ "Exotic particles"**** ومن ضِمنها بوزوناتِ النّمطِ Z والنّمطِ W و بوزونات هيغز. يجدُرُ بالذّكرِ أنّ حقلَ هيغز ساعد على إبطاءِ حركةِ الجسيماتِ ما أدّى لحصولِ الجسيماتِ على كتلٍ خاصّةٍ بها، مفسِحاً المجالَ للكونِ الإشعاعيّ بدعمِ الأجسامِ ذات الكتلة. (معلومات أكثر عن البوزونات هنا)

-مرحلة الكواركات "Quark Epoch" :

بدأ من الزّمنِ 12-^10وحتّى 6-^10 ثانية. بردَ الكونُ في هذه المرحلةِ لتصبح حرارتهُ أقلّ من 15^10 درجة مئوية، فاتّخذت كلّ من القوى الأساسيّة شكلُها الّذي نعرفُه اليوم، وتشكّلت الكواركات والإلكترونات وجسيماتِ النيترينو بأعدادٍ كبيرةٍ. في هذهِ المرحلةِ بدأتِ الكواركاتُ والكواركاتُ المضادّةُ بإلغاءِ بعضها البعض فورَ التقائها في عمليّةٍ تُسمّى "خلق الباريونات" أو Baryogenesis. لحسن الحظّ فإن كواركاً من بين كلّ مليارِ كواركٍ تقريباً تمكّن من النّجاةِ ليتّحدَ مع الكواركاتِ النّاجيةِ الأُخرى لتشكيلِ المادّة لاحقاً.

-مرحلة الهادرونات "Hadron Epoch" :

من الزمن 6-^10 ثانية وحتّى الثّانيةِ الأولى من عُمرِ الكون. تنخفضُ حرارةُ الكونِ في هذه المرحلةِ لتصبحِ نحوَ 12^10 درجة مئوية، وهي درجةٌ مناسبةٌ لاتّحاد الكواركاتِ لتشكيلِ الهادرونات (كالبروتونات والنيترونات). إذ تتّحدُ الإلكترونات والبروتونات في ظلّ ظروفِ هذه المرحلةِ القاسيةِ لتشكّل النيتروناتِ محرّرةً جسيماتِ النيترينو عديمةِ الكُتلة، والتي لا تزالُ تسافرُ بحريّةٍ في الفضاءِ حتّى اليومِ بسرعةٍ تقتربُ أو تماثلُ سرعةَ الضّوء. تتّحدُ أيضاً بعض النيتروناتِ و جسيمات النيترينو مشكّلةً أزواجاً جديدةً من البروتونات والالكترونات، حيثُ القاعدةُ الوحيدةُ السّائدةُ هي الالتحامُ ومن ثمّ الالتحام مجدّداً. (معلومات أكثر عن جسيمات النيوترينو هنا)

-مرحلة الليبتونات "Lepton Epoch" :

تبدأ من الثّانيةِ الأولى من عُمرِ الكون وحتّى 3 دقائق. بعدَ أن تُفنيَ معظمُ الهادرونات والهادروناتِ المضادّة بعضها في نهايةِ مرحلة الهادرونات تُشكّل الليبتونات ( كالإلكترونات) والليبتوناتِ المضادّة ( كالبوزيترونات) معظمَ كتلةِ الكون. ومع اتّحادِ الإلكتروناتِ والبوزيتروناتِ ليلغيَ كلّ منها الآخرُ تتحرّرُ طاقةٌ على شكلِ فوتوناتٍ تتّحد بدورها مُشكِّلةً أزواجاً جديدةً من الإلكترونات والبوزيترونات.

-مرحلة التصنيع النووي "Nucleosynthesis" :

من الدّقيقةِ الثّالثةِ من عمرِ الكونِ وحتّى أصبحَ عمر الكونِ 20 دقيقةٍ. تنخفضُ درجةِ حرارةِ الكونِ لتُصبح نحو مليار درجةٍ، ممّا يُفسحُ المجالَ لحدوثِ اندماجاتٍ نوويّةٍ بين البروتوناتِ والنيتروناتِ لتشكيلِ أنويةٍ ذريّة لعناصرَ بسيطةٍ كالهيدروجين والهيليوم والليثيوم. بعدَ نحوِ عشرينَ دقيقةٍ تنخفضُ درجةِ حرارةِ الكونِ وكثافتهِ لدرجةٍ تمنعُ استمرارَ حدوثِ الاندماجاتِ النوويّة.

-مرحلة الفوتونات "Photon Epoch" :

تسمّى هذهِ المرحلةُ أيضاً باسمِ "مرحلةِ الهيمنةِ الاشعاعيّة"، وتستمر من الدقائقِ الثّلاثةِ الأولى من عُمرِ الكونِ وحتى 240،000 سنة. خلالَ هذهِ المرحلةِ الطّويلةِ من التّبريدِ التدريجيّ كانَ الكونُ غنيّاً ببلازما شديدةِ الحرارةِ من الأنويةِ الذّرية والإلكترونات، وبعد أنْ ألغتْ معظمُ الليبتوناتِ والليبتوناتِ المضادّةِ بعضها في نهايةِ المرحلةِ الليبتونيّةِ هيمنتِ الفوتوناتُ على طاقةِ الكونِ وتأثّرت وأثّرت بشكلٍ كبيرٍ في الإلكتروناتِ والبروتوناتِ وأنويةِ الذّرات.

-مرحلة إعادة التركيب و فك الارتباط "Recombination/Decoupling" :

تبدأ هذهِ المرحلةُ عندما كانَ عمرُ الكونِ 240،000 سنة وحتّى أصبحَ عمرهُ 300،000 سنة. في هذهِ المرحلةِ تنخفضُ حرارةُ الكونِ الوليدِ لتصبحَ نحو 3000 درجة (درجة حرارةِ سطحِ الشّمسِ حالياً)، وتبردُ البلازما السّاخنة المؤلّفةِ من الإلكتروناتِ والأنويةِ الخفيفةِ لدرجةٍ كافيةٍ تسمحُ بتشكيلِ الذّرّاتِ المعتدلة، فتبدأ نُوى الهيدروجين والهيليوم الموجبةُ الشَحنةِ للمرّةِ الأولى بالتقاطِ الإلكتروناتِ في عمليّةٍ تُدعى "إعادةَ التّركيبِ" لتعادلَ الشّحنةَ الكهربائيةَ لكلّ منها. تسمحُ هذهِ العمليّةُ بفكّ الارتباطِ بين المادّةِ والإشعاعِ (الفوتونات) وهذا ما يُسمّى "فكّ الارتباط"، إذ تتوقّفُ الفوتوناتُ بسببِ انخفاضِ درجةِ حرارةِ الكونِ عن الارتباطِ المتكرّرِ بالبروتوناتِ والإلكتروناتِ، ممّا يسمحُ للفوتوناتِ بالسّفرِ بحريّةٍ عبرَ الكونِ مُشكِّلاً الفوتوناتِ ذاتِها الّتي نراها في الإشعاعِ الميكرويّ الخلفيّ للكونِ. يصبح الكونُ في نهايةِ هذهِ المرحلةِ عبارةً عن سديمٍ ضبابيّ يتألّفُ من الهيدروجين بنسبة 75% و الهيليوم بنسبة 25% وآثارٍ بسيطةٍ لعنصرِ الليثيوم.

-عصر الظّلام "Dark Epoch" :

تمتدّ هذه الفترةُ بين العام 300،000 من عمرِ الكون وحتّى بلوغِه 150 مليون سنة. بالرّغم من توفّرِ الفوتوناتِ بكّثرةٍ في هذه المرحلةِ، إلا أنّ الكونَ يبدو مظلماً تماماً بلا أيّةِ نجوم، ومع انتشارِ المادّةِ ضمنَ مساحةِ الكونِ الواسعةِ جدّاً يتراجعُ النّشاطُ الكونيُّ بشكلٍ كبيرٍ وتصبحُ مستوياتُ الطّاقةِ منخفضةً بشكلٍ كبيرٍ لفترةٍ زمنيّةٍ طويلة. لا نعرفُ الكثيرَ عن هذهِ المرحلةِ ولكن يُعتقَدُ أنّ "المادّةَ المظلمةَ" هيمنت على الكونِ خلالَ هذه الفترة.

-مرحلةُ إعادةِ التأيين "Reionization" :

تبدأ من 150 مليون سنة وحتّى أصبحَ عمرُ الكونِ مليارَ سنة. تشكّلت الكوازارات الأولى خلالَ هذهِ الفترةِ في المساحاتِ التي تنتشرُ فيها المادّةُ بشكلٍ كثيفٍ بفعلِ عمليّةِ التّجاذب الثّقالي، وأدّت الإشعاعاتُ الكثيفةُ الناتجةُ عن تشكيلِ الكوازاراتِ إلى تأيينِ الكونِ المحيطِ، ممّا أدّى إلى إعادةِ تأّيّنِ غازِ الهيدروجين للمرّةِ الثّانية (المرّةُ الأولى كانت في مرحلةِ إعادةِ التّركيب). من هذه اللحظةِ انتقلَ الكونُ من مرحلةِ الاعتدالِ لِيَنتشرَ فيه غازٌ متأيّنٌ يتألّفُ من الأيوناتِ والإلكتروناتِ الحرّة؛ أي البلازما مجدّداً.

-عصر تشكّل النّجوم و المجرّات " Star and Galaxy Formation":

بدأ هذا العصرُ عندما بلغَ عمرُ الكونِ بين (300-500) مليون سنّةٍ، وما زالتِ النّجومُ والمجرّاتُ تتشكّلُ حتّى اللحظة.

فقد أدّى اضطرابٌ ما إلى اختفاء بعض الجزيئات المتشكّلة حديثاً (بعضُ الجزيئات من كلّ مليون جزيء تقريباً) ، ما أدّى إلى تغيّر كثافتها من نقطةٍ إلى أُخرى وبالتّالي – وبفضل قوّة الجاذبيّة – تتحوّل المناطقُ الأكثرُ كثافةً إلى تجمّعاتٍ من الغيومِ الغازيّةِ الكونيّةِ، و يزدادُ حجمُ الكونِ ويتّسعُ في الوقتِ ذاتِهِ فينتُجُ عن هذهِ العمليّةِ غيومٌ كبيرةٌ كثيفةٌ جدّاً من الغازات الكونيّةِ. تنهارُ هذه الغازاتُ بفعلِ قِوى الجاذبيّةِ لتصبحَ ساخنةً جداً لدرجةٍ تؤدّي إلى حدوث التحاماتٍ نوويّةٍ بين ذرّاتِ غازِ الهيدروجين. تستمرّ هذه الالتحاماتُ النوويّةُ لتُشكّلَ النجومَ الأولى؛ والّتي كانت ضخمةً جدّاً وشديدةَ الحرارة. تُعتبرُ الفصيلةُ النّجميةُ III أولَ ما نشأ من النّجومِ، وتتألفُ بشكلٍ أساسيّ من الهيدروجين والهيليوم ولا تحتوي على أيّةِ معادن. تشكّلت الفصيلةُ الثّانيةُ والفصيلةُ الأولى من النّجومِ لاحقاً من المادّةِ النّاتجةِ عن الجَولاتِ السّابقةِ من صناعةِ النّجوم. احترقتِ النجومُ الأكبرُ بشكلٍ أسرعَ وانفجرت على هيئة مستعراتٍ عظمى (Supernovas) شكّلَ رمادُها لاحقاً نجوماً جديدة. من جهةٍ أخرى انهارت الأحجامُ الكبيرةُ للمادّةِ تحت تأثيرِ ثقلها لتتشكّلَ المجرّات، ثمّ عمِلتْ قِوى الجاذبيّةِ على جذبِ المجرّاتِ لبعضها البعضِ لتكوينِ المجموعاتِ والعناقيدِ المجريّةِ والعناقيدِ المجريّة الهائلة superclusters.

-عصر تشكّل نظامنا الشّمسي Solar System Formation :

تشكّل نظامُنا الشّمسيّ وفقاً لنظريّةِ الانفجارِ العظيم عندما كان عمرُ الكونِ نحو (8.5 - 9) مليار سنة. تُعتبرُ الشّمسُ في نظامنا الشّمسيّ أحدثَ أجيالِ النّجوم، وقد تشكّلت من حطامِ ورمادِ أجيالٍ سابقةٍ عديدةٍ من النّجوم. أمّا اليومُ وبعدَ 13.7 مليار سنةٍ على حدوثِ الانفجارِ العظيمِ، ما زال الكونُ يقومُ بإعادةِ تدويرِ الحُطامِ ومخلّفاتِ النّجومِ لتشكيلِ نجومٍ ومجرّاتٍ جديدةٍ كلّ يوم.

* نظرية التضخم: هي مرحلةٌ زمنيةٌ قصيرةٌ بعد الانفجار العظيم اشتدّ خلالُها انتفاخُ الكون وتضخّم تضخّماً كبيراً جداً، يقترحُ العلماء حدوثها كي يتفادوا عدم انكفاء الكونِ الناشئ على نفسه ثانيةً وفنائه.

** نظريّة التّوحيد الكبرى: هي نظريةٌ تفترض بأنّ القِوى الأساسيّة الأربع؛ القوّة الكهرطيسية والقوّة النوويّة الضّعيفة والقوّة النووية الشّديدة وقوّة الجاذبيّة، توحّدت مشكّلة قوّةً واحدةً في مرحلةٍ مبكرةٍ جداً من عمر الكون حيث كانت درجات الحرارة عالية جدّاً.

*** أصغر وحدة لقياس الأطول على المستوى دون الذري.

**** الجسمات الغريبة: هي جسيماتٌ يُعتقد بأنها كانت موجودةٌ في الكونِ حديثِ الولادة وهي ذات خواصّ غير مألوفة . من الأمثلة عليها Tachyons ، axions

الجزء الأول من المقال: هنا

المصادر:

هنا

هنا

هنا