مشكلة العمر الكوني

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة

كانت مشكلة عمر الكون مشكلة تاريخية في علم الفلك تتعلق بعمر الكون . تمثلت هذه المشكلة في أنه في أوقات مختلفة من القرن العشرين، قُدِّر عمر الكون بأنه أصغر من عمر أقدم النجوم المرصودة. استندت تقديرات عمر الكون إلى قياسات معدل تمدده الحالي، المعروف بثابت هابل.ح0{\displaystyle H_{0}}بالإضافة إلى النماذج الكونية المتعلقةح0{\displaystyle H_{0}}إلى محتويات الكون من المادة والطاقة (انظر معادلات فريدمان ). مشاكل في القياسح0{\displaystyle H_{0}}فضلاً عن أن عدم معرفة وجود الطاقة المظلمة أدى إلى تقديرات خاطئة لعمر الكون. [ 1 ] [ 2 ] إضافة إلى ذلك، لم يكن من الممكن أن توجد أجرام مثل المجرات والنجوم والكواكب في درجات الحرارة والكثافات القصوى بعد الانفجار العظيم بفترة وجيزة .

منذ حوالي عام 1997-2003، يُعتقد أن المشكلة قد تم حلها من قبل معظم علماء الكونيات: حيث تؤدي القياسات الكونية الحديثة إلى تقدير دقيق لعمر الكون (أي الوقت منذ الانفجار العظيم) يبلغ 13.8 مليار سنة، والتقديرات الحديثة لأعمار أقدم الأجسام إما أصغر من ذلك، أو متسقة مع مراعاة عدم اليقين في القياس.

التطور التاريخي

السنوات الأولى

بعد التطورات النظرية لمعادلات فريدمان على يد ألكسندر فريدمان وجورج لومتر في عشرينيات القرن العشرين، واكتشاف إدوين هابل لتوسع الكون عام ١٩٢٩، اتضح جليًا أن تتبع هذا التوسع عكسيًا في الزمن يُشير إلى أن الكون كان ذا حجم شبه معدوم في فترة زمنية محددة في الماضي. هذا المفهوم، الذي عُرف في البداية باسم "الذرة البدائية" على يد لومتر، تم تطويره لاحقًا إلى نظرية الانفجار العظيم الحديثة . إذا كان الكون قد توسع بمعدل ثابت في الماضي، فإن عمر الكون الآن (أي الزمن منذ الانفجار العظيم) يتناسب عكسيًا مع ثابت هابل، والذي يُعرف غالبًا بزمن هابل . بالنسبة لنماذج الانفجار العظيم ذات الثابت الكوني الصفري وكثافة المادة الموجبة، يجب أن يكون العمر الفعلي أصغر قليلًا من زمن هابل؛ وعادةً ما يتراوح العمر بين ٦٦٪ و٩٠٪ من زمن هابل ، اعتمادًا على كثافة المادة.

كان تقدير هابل المبكر لثابته [ 3 ] 550  (كم/ث)/ميجابارسيك، ومعكوس ذلك يساوي 1.8 مليار سنة. اعتقد العديد من الجيولوجيين في عشرينيات القرن الماضي أن عمر الأرض يبلغ حوالي ملياري  سنة، ولكن مع هامش خطأ كبير. [ 4 ] ربما كان التباين المحتمل بين أعمار الأرض والكون أحد دوافع تطوير نظرية الحالة الثابتة عام 1948 كبديل لنظرية الانفجار العظيم؛ [ 5 ] في نظرية الحالة الثابتة (التي عفا عليها الزمن الآن)، يُفترض أن عمر الكون لانهائي ولا يتغير في المتوسط ​​مع مرور الوقت. افترضت نظرية الحالة الثابتة الخلق التلقائي للمادة للحفاظ على متوسط ​​الكثافة ثابتًا مع تمدد الكون، ولذلك لا يزال عمر معظم المجرات أقل من 1/ H₀ . ومع ذلك، إذا كانت قيمة H 0 تساوي 550  (كم/ث)/ميجابارسيك، فإن مجرتنا درب التبانة ستكون كبيرة بشكل استثنائي مقارنة بمعظم المجرات الأخرى، لذلك من المحتمل أن تكون أقدم بكثير من المجرة المتوسطة، وبالتالي القضاء على مشكلة العمر.

1950–1970

في خمسينيات القرن العشرين، اكتُشف خطأان جوهريان في مقياس المسافة بين المجرات باستخدام تلسكوب هابل: أولهما، في عام ١٩٥٢، اكتشاف والتر باد وجود فئتين من النجوم المتغيرة من نوع سيفيد . شملت عينة هابل فئات مختلفة في مجرات قريبة وأخرى في مجرات أخرى، وتصحيح هذا الخطأ جعل جميع المجرات الأخرى تبعد ضعف المسافة التي حددها هابل، مما ضاعف زمن الرصد. [ ٦ ] أما الخطأ الثاني، فقد اكتشفه آلان ساندج وزملاؤه: بالنسبة للمجرات الواقعة خارج المجموعة المحلية ، كانت نجوم سيفيد خافتة للغاية بحيث لا يمكن رصدها بأجهزة هابل، لذا استخدم هابل ألمع النجوم كمؤشرات للمسافة. كانت العديد من "ألمع النجوم" التي رصدها هابل في الواقع مناطق أو تجمعات من الهيدروجين المتأين (HII) تحتوي على العديد من النجوم، مما تسبب في تقليل تقدير المسافات لهذه المجرات البعيدة. [ 7 ] وهكذا، في عام 1958 نشر ساندج [ 8 ] أول قياس دقيق إلى حد معقول لثابت هابل، عند 75  (كم/ث)/ميجابارسيك، وهو قريب من التقديرات الحديثة التي تتراوح بين 68-74  (كم/ث)/ميجابارسيك. [ 9 ]

تم قياس عمر الأرض (أو بالأحرى النظام الشمسي) بدقة لأول مرة حوالي عام 1955 على يد كلير باترسون، حيث بلغ 4.55 مليار سنة، [ 10 ] وهو ما يتطابق تقريبًا مع القيمة الحالية. وبالنسبة لثابت هابل (H₀ ) الذي يبلغ حوالي 75  كم/ث/ميجابارسيك، فإن مقلوبه يساوي 13.0 مليار سنة؛ لذا، بعد عام 1958، كان عمر الأرض وفقًا لنموذج الانفجار العظيم أكبر بكثير من عمرها الحقيقي.

مع ذلك، في ستينيات القرن العشرين وما بعدها، أتاحت التطورات الجديدة في نظرية تطور النجوم تقدير أعمار التجمعات النجمية الكبيرة المعروفة بالتجمعات الكروية ، والتي أعطت عمومًا تقديرات عمرية تقارب 15 مليار سنة، مع تباين كبير. وقد أعطت مراجعات لاحقة لثابت هابل أجراها ساندج وجوستاف تامان في سبعينيات القرن العشرين قيمًا تتراوح بين 50 و60 (كم/ث)/ميجابارسيك، [ 11 ] ومقلوبًا يتراوح بين 16 و20 مليار سنة، وهو ما يتوافق مع أعمار التجمعات الكروية. 

1975–1990

مع ذلك، في أواخر سبعينيات القرن العشرين وبداية تسعينياته، عادت مشكلة عمر الكون للظهور: فقد أعطت تقديرات جديدة لثابت هابل قيمًا أعلى، حيث قدّر جيرارد دي فوكولور  القيم بين 90 و100 كم/ث/ميجابارسيك، [ 12 ] بينما قدّم مارك آرونسون وزملاؤه قيمًا تتراوح بين 80 و90  كم/ث/ميجابارسيك. [ 13 ] واستمر ساندج وتامان في الدفاع عن قيم تتراوح بين 50 و60، مما أدى إلى فترة من الجدل تُعرف أحيانًا باسم "حروب هابل". ويبدو أن القيم الأعلى لثابت هابل (H₀ ) تتنبأ بكون أصغر عمرًا من أعمار العناقيد الكروية، مما أثار بعض التكهنات خلال ثمانينيات القرن العشرين بأن نموذج الانفجار العظيم كان خاطئًا بشكل كبير.

أواخر التسعينيات: الحل المحتمل

اعتُقد أن مشكلة تحديد عمر النجوم قد حُلت في نهاية المطاف بفضل عدة تطورات بين عامي 1995 و2003: أولًا، قاس برنامجٌ ضخمٌ باستخدام تلسكوب هابل الفضائي ثابت هابل عند 72  (كم/ث)/ميجابارسيك مع هامش خطأ 10%. [ 14 ] ثانيًا، عدّلت قياسات اختلاف المنظر التي أجرتها مركبة هيباركوس الفضائية عام 1995 مسافات العناقيد الكروية بالزيادة بنسبة 5-10%؛ [ 15 ] مما جعل نجومها أكثر سطوعًا مما كان مُقدّرًا سابقًا، وبالتالي أصغر سنًا، ما أدى إلى خفض تقديرات أعمارها إلى حوالي 12-13 مليار سنة. [ 16 ] أخيرًا، بين عامي 1998 و2003، أدى عددٌ من الرصدات الكونية الجديدة، بما في ذلك المستعرات العظمى، ورصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، ومسح الانزياح الأحمر للمجرات على نطاق واسع، إلى قبول الطاقة المظلمة وترسيخ نموذج لامدا-سي دي إم كنموذجٍ قياسيٍّ لعلم الكونيات. يشير وجود الطاقة المظلمة إلى أن الكون كان يتمدد بوتيرة أبطأ بنحو نصف عمره الحالي مقارنةً بعمره الحالي، مما يجعل الكون أقدم عند قيمة معينة لثابت هابل. وقد أدى الجمع بين النتائج الثلاث المذكورة أعلاه إلى إزالة التناقض بين أعمار التجمعات النجمية الكروية المقدرة وعمر الكون. [ 17 ]

أدت القياسات الحديثة التي أجراها مرصد WMAP ومركبة بلانك الفضائية إلى تقدير عمر الكون بـ 13.80 مليار سنة [ 18 ] مع هامش خطأ لا يتجاوز 0.3% (استنادًا إلى نموذج لامدا-CDM القياسي )، كما أن قياسات العمر الحديثة للعناقيد الكروية [ 19 ] وغيرها من الأجرام السماوية أصغر من هذه القيمة (ضمن هامش الخطأ في القياس). ولذلك، يعتقد غالبية علماء الكونيات أن مسألة تحديد عمر الكون قد حُسمت. [ 20 ]

توصلت أبحاث جديدة أجرتها فرق بحثية، من بينها فريق بقيادة آدم ريس، الحائز على جائزة نوبل من معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور، إلى أن عمر الكون يتراوح بين 12.5 و13 مليار سنة، وهو ما يتعارض مع نتائج مرصد بلانك. ولا يزال من غير المؤكد ما إذا كان هذا الاختلاف ناتجًا عن أخطاء في جمع البيانات فحسب، أم أنه مرتبط بجوانب فيزيائية لم تُفسَّر بعد، مثل الطاقة المظلمة أو المادة المظلمة. [ 21 ]

النمذجة الديناميكية للكون

في هذا القسم، نود استكشاف تأثير النمذجة الديناميكية للكون على تقدير عمر الكون. سنفترض قيمة هابل المرصودة حديثًا.ح0≈70{\displaystyle H_{0}\approx 70}km/s/Mpc بحيث يركز النقاش أدناه على تأثير النمذجة الديناميكية وأقل على تأثير الدقة التاريخية لثابت هابل.

يفترض نموذج أينشتاين-دي سيتر للكون، الذي طُرح عام 1932، أن الكون مليء بالمادة فقط وأن انحنائه معدوم. وقد حظي هذا النموذج ببعض الشعبية في ثمانينيات القرن العشرين، ويقدم حلاً صريحاً لعامل المقياس (انظر، على سبيل المثال، د. باومان 2022) [ 2 ].

أ(ت)=(تت0)2/3 ،{\displaystyle a(t)=\left({\frac {t}{t_{0}}}\right)^{2/3}~,}

أينت0{\displaystyle t_{0}}يمثل هذا العمر الحالي للكون. وهذا يعني أن عمر الكون مرتبط ارتباطًا مباشرًا بثابت هابل.

ت0=23ح0-1 .{\displaystyle t_{0}={\frac {2}{3}}H_{0}^{-1}~.}

وباستبدال ثابت هابل، يصبح عمر الكون 10 ...ت0≈9{\displaystyle t_{0}\approx 9}مليارات السنين، على عكس، على سبيل المثال، عمر أقدم النجوم.

إذا سمحنا إذن بوجود الطاقة المظلمة في شكل ثابت كونيΛ{\displaystyle \Lambda }بالإضافة إلى المادة، يتنبأ هذا النموذج ذو المكونين بالعلاقة التالية بين العمر وثابت هابل

ت0=23ح0-1⋅1ΩΛسينه-1⁡(ΩΛΩم) .{\displaystyle t_{0}={\frac {2}{3}}H_{0}^{-1}\cdot {\frac {1}{\sqrt {\Omega _{\Lambda }}}}\sinh ^{-1}\left({\sqrt {\frac {\Omega _{\Lambda }}{\Omega _{m}}}}\right)~.}

إدخال القيم المرصودة لمعاملات الكثافة(ΩΛ≈0.7، Ωم≈0.3){\displaystyle (\Omega _{\Lambda }\approx 0.7,~\Omega _{m}\approx 0.3)}ينتج عن ذلك عمر الكونت0≈14{\displaystyle t_{0}\approx 14}مليارات السنين، وهو ما يتوافق الآن مع ملاحظات عمر النجوم.

مراجع

  1. ↑ أدلة على نظرية الانفجار العظيم، بقلم بيورن فويرباخر وريان سكرانتون. 25 يناير 2006. تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 أبريل 2007.
  2. 1 2 باومان، دانيال (2022). علم الكونيات . مطبعة جامعة كامبريدج. Bibcode : 2022cosm.book.....B . doi : 10.1017/9781108937092 . ISBN 9781108838078.
  3. ↑ هابل، إ. (15 مارس 1929). "علاقة بين المسافة والسرعة الشعاعية بين السدم خارج المجرة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 15 (3): 168-173 . Bibcode : 1929PNAS...15..168H . doi : 10.1073 / pnas.15.3.168 . PMC 522427. PMID 16577160 .  
  4. ↑ براش، ستيفن ج.؛ سيغال، أرييل (2015). صناعة علوم القرن العشرين: كيف أصبحت النظريات معرفة . مطبعة جامعة أكسفورد. ص 366. ISBN  9780199978151.
  5. ↑ كراغ، هيلج (1999). علم الكونيات والجدل . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0691005461.
  6. ^ بادي ، دبليو (فبراير 1956). "العلاقة بين الفترة واللمعان للقيفاويات" . منشورات الجمعية الفلكية في منطقة المحيط الهادئ . 68 (400): 5. بيب كود : 1956PASP...68....5B . دوى : 10.1086/126870 .
  7. ↑ هيوماسون، إم إل؛ مايال، إن يو؛ ساندج، إيه آر (أبريل 1956). "الانزياحات الحمراء ومقادير السدم خارج المجرة". المجلة الفلكية . 61 : 97. Bibcode : 1956AJ.....61...97H . doi : 10.1086/107297 .
  8. ↑ ساندج، آلان (1958). "المشاكل الحالية في مقياس المسافة بين المجرات". المجلة الفيزيائية الفلكية . 127 : 513. Bibcode : 1958ApJ...127..513S . doi : 10.1086/146483 .
  9. ↑ ريس، أ.؛ ماكري، لوكاس؛ كاسيرتانو، ستيفانو؛ لامبيتل، هوبرت؛ فيرغسون، هنري س.؛ فيليبينكو، أليكسي ف.؛ جها، سوراب و.؛ لي، ويدونغ؛ تشورنوك، رايان (2011). "حل بنسبة 3%: تحديد ثابت هابل باستخدام تلسكوب هابل الفضائي". مجلة الفيزياء الفلكية . 730 (119): 119. arXiv : 1103.2976 . Bibcode : 2011ApJ...730..119R . doi : 10.1088/0004-637X/730/2/119 . S2CID 53531339 . 
  10. ↑ باترسون، سي.؛ تيلتون، جي.؛ إنغرام، إم. (21 يناير 1955). "عمر الأرض". مجلة ساينس . 121 (3134): 69-75 . رمز Bibcode : 1955Sci...121...69P . doi : 10.1126/science.121.3134.69 . PMID 17782556 . 
  11. ↑ ساندج، أ.؛ تامان، ج. أ. (1976). "خطوات نحو ثابت هابل. السابع - المسافات إلى NGC 2403 وM101 وعنقود العذراء باستخدام عرض خط طيفي 21 سنتيمترًا مقارنةً بالطرق البصرية: القيمة العالمية لـ H₀" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 210 : 7. Bibcode : 1976ApJ...210....7S . doi : 10.1086/154798 .
  12. ↑ دي فوكولور، ج. (23 سبتمبر 1982). "خمسة اختبارات حاسمة لمقياس المسافة الكونية باستخدام المجرة كمعيار أساسي". مجلة نيتشر . 299 (5881): 303-307 . Bibcode : 1982Natur.299..303D . doi : 10.1038/299303a0 . S2CID 4331115 . 
  13. ↑ آرونسون، م.؛ بوثون، ج.؛ مولد، ج.؛ هوشرا، ج.؛ شومر، ر. أ.؛ كورنيل، م. إ. (1986). "مقياس مسافة من علاقات القدر الظاهري بالأشعة تحت الحمراء/سرعة-عرض خط الهيدروجين المحايد. V - معاملات المسافة إلى 10 عناقيد مجرية، والكشف الإيجابي عن حركة العناقيد المجرية العملاقة باتجاه تباين الموجات الميكروية". المجلة الفيزيائية الفلكية . 302 : 536. Bibcode : 1986ApJ...302..536A . doi : 10.1086/164014 .
  14. ↑ مادور، باري ف.؛ فريدمان، ويندي ل.؛ سيلبرمان، ن.؛ هاردينغ، بول؛ هوشرا، جون؛ مولد، جيريمي ر.؛ غراهام، جون أ.؛ فيراز، لورا؛ جيبسون، براد ك.؛ هان، مينغشنغ؛ هوسيل، جون ج.؛ هيوز، شون م.؛ إيلينغورث، غارث د.؛ فيلبس، راندي؛ ساكاي، شوكو؛ ستيتسون، بيتر (10 أبريل 1999). "المشروع الرئيسي حول مقياس المسافة خارج المجرة. الخامس عشر. مسافة قيفاوية إلى عنقود فورناكس وآثارها". المجلة الفيزيائية الفلكية . 515 (1): 29-41 . arXiv : astro-ph/9812157 . Bibcode : 1999ApJ...515...29M . دوى : 10.1086/307004 . S2CID 119389510 . 
  15. ↑ ريد، ن. (1998). "التجمعات الكروية، هيباركوس، وعمر المجرة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 95 ( 1): 8-12 . Bibcode : 1998PNAS...95....8R . doi : 10.1073/pnas.95.1.8 . PMC 34182. PMID 9419316 .  
  16. ↑ شابوييه، برايان؛ ديمارك، ب.؛ كيرنان، بيتر ج.؛ كراوس، لورانس م. (10 فبراير 1998). "عمر العناقيد الكروية في ضوء : حل مشكلة العمر؟". المجلة الفيزيائية الفلكية . 494 (1): 96-110 . arXiv : astro-ph/9706128 . Bibcode : 1998ApJ...494...96C . doi : 10.1086/305201 . S2CID 14638994 .  
  17. ↑ كراوس، لورانس م.؛ شابوييه، برايان (3 يناير 2003). "تقديرات عمر العناقيد الكروية في مجرة ​​درب التبانة: قيود على علم الكونيات". مجلة ساينس . 299 (5603): 65-69 . Bibcode : 2003Sci...299...65K . doi : 10.1126/science.1075631 . PMID 12511641. S2CID 10814581 .  
  18. ^ تعاون بلانك، بلانك؛ أدي، الاسمية؛ اغانم، ن .؛ أرميتاج-كابلان، سي؛ أرنو، م.؛ أشداون، م.؛ أتريو-بارانديلا، ف.؛ أومونت، J.؛ باسيجالوبي، C .؛ بانداي، AJ. باريرو، ر ب . بارتليت، ج.ج. باتانر، إي. بن عابد، ك.؛ بينوا، أ. بينوا ليفي، أ؛ برنارد، ج.-ب؛ بيرسانيلي، م.؛ بيليويتش، ب. بوبين، J.؛ بوك، جي جي؛ بونالدي، أ. بوند، جي آر؛ بوريل، J.؛ بوشيه، الأب؛ الجسور، م. بوشر، م. بوريجانا، سي؛ بتلر، RC؛ وآخرون . (2013). “نتائج بلانك 2013 السادس عشر: المعلمات الكونية”. علم الفلك . 571 : A16. arXiv : 1303.5076 . Bibcode : 2014A & A...571A..16P . doi : 10.1051/0004-6361/201321591 . S2CID 118349591 .  
  19. ↑ فاندنبيرغ، دون أ.؛ بروغارد، ك.؛ ليمان، ر.؛ كاساغراندي، ل. (1 أكتوبر 2013). "أعمار 55 عنقودًا كرويًا تم تحديدها باستخدام طريقة ΔV HB TO المحسّنة مع قيود مخطط اللون-القدر، وآثارها على قضايا أوسع". المجلة الفيزيائية الفلكية . 775 (2): 134. arXiv : 1308.2257 . Bibcode : 2013ApJ...775..134V . doi : 10.1088/0004-637X/775/2/134 . S2CID 117065283 . 
  20. ↑ "المعلمات الكونية" (ملف PDF) . مراجعة خصائص الجسيمات 2014. مجموعة بيانات الجسيمات.
  21. ↑ "قد يكون عمر الكون مليار سنة أصغر مما كنا نعتقد" . إن بي سي نيوز . 18 مايو 2019.