لغز الأوتار الكونية

جواد بشارة
كاتب ومحلل سياسي وباحث علمي في مجال الكوسمولوجيا وناقد سينمائي وإعلامي
(Bashara Jawad)

الحوار المتمدن-العدد: 6664 - 2020 / 9 / 1 - 12:58
المحور: الطب , والعلوم
    

البحث عن الأوتار الكونية
ما هي الأوتار الكونية؟
إعداد وترجمة د. جواد بشارة
توماس درينك
14 ديسمبر 2017
الفضاء والفيزياء الفلكية (Q-R)
مع كل التقدم العلمي والتكنولوجي الذي تحقق، ما يزال هناك الكثير من مكونات الكون مجهولاً وتعتليه الكثير من الأسرار والألغاز. ففي الفيزياء الحديثة، تتنبأ معادلات المجال ضمن النموذج القياسي أو المعياري، بوجود كمية معينة من المادة (الكتلة) في الكون عرفت بالكتلة المفقودة. ومع ذلك، عند البحث عن الكتلة المتوقعة باستخدام التلسكوبات وغيرها من التقنيات المتقدمة، تم إدراك أن معظم الكتلة التي كان من المتوقع وجودها كانت "مفقودة" بالفعل، وليس القليل منها فقط بل حوالي.. 96٪ من المادة كان مفقوداً (!)
في هذه المرحلة، قد نتوقع إعادة فحص وتعديل لاحق في النموذج التنبئي، بدلاً من ذلك، تم اختراع نوع جديد من المادة "من فراغ" على أمل أن تتمكن من جعل جميع المعادلات تعمل. لقد احتاجوا إلى ابتكار مصطلح تقني للغاية لهذا النوع الجديد من المادة المخترعة، وبما أنهم لم يتمكنوا من العثور عليها في أي مكان قرروا تسميتها ... "المادة المظلمة أو السوداء" و "الطاقة المظلمة أو السوداء أو المعتمة أو الداكنة".
ربما تكون الكتلة "مفقودة" بسبب خطأ جوهري آخر في النموذج القياسي أو المعياري، خطأ تخلص من عدد كبير جدًا (يقترب من اللانهائي) يمثل مدى كثافة الفضاء الفارغ. معظم طلاب الفيزياء ليسوا على دراية بهذه الحيلة الرياضية المسماة "إعادة التطبيع" حيث تم تجاهل كثافة الفضاء بشكل فعال على الرغم من التحقق علميًا من خلال التجربة (تأثير كازميرcasimir) أي كثافة الزمكان نفسها في التجارب المعملية المنشورة والمراجعة.
ربما نقترب من النقطة التي يدرك فيها النموذج القياسي أو المعياري أنه لا يوجد شيء مثل "المادة المظلمة أو السوداء" وأن الكتلة المفقودة هي في الواقع الطاقة الموجودة داخل بنية مشعب الزمكان نفسه، وهو أمر تنبأ به العالم نسيم حرمين في نموذج نظرية المجال الموحد لسنوات عديدة.
وفي الفيزياء اليوم قدم العالم الفيزيائي البريطاني تي دبليو بي كيبل عام 1976 (1) تفسيراً جديداً للأوتار الكونية، فهذه الأخيرة هي عيوب طوبولوجية تشكلت افتراضيًا خلال اللحظات الأولى من الكون. تعتبر دراسة العيوب الطوبولوجية موضوعًا مهمًا لعلماء الكونيات لأنها توفر فهمًا أفضل للظروف الفيزيائية التي كانت سائدة في الكون المبكر.
من المتوقع أن تكون هذه الأجسام مصادر مهمة لموجات الجاذبية. مع ظهور "الفيزياء الفلكية للموجات الثقالية أو موجات الجاذبية"، ولا سيما بفضل الاكتشافات الأخيرة من قبل مختبري LIGO وVirgo، أصبح لدى الفيزيائيين الآن أدوات للكشف عن الوجود المحتمل للخيوط أو الحبال أو الأوتار الكونية. وعلينا هنا ألا نخلط بين الأوتار الكونية وأوتار نظرية الأوتار ، فهما شيئان مختلفان تمامًا.
الكون البدائي: كسر التناظر العفوي والعيوب الطوبولوجية:
العيوب الطوبولوجية هي هياكل افتراضية ومستقرة تكونت في اللحظات الأولى من الكون. تتنبأ النظريات التي تشير إلى تكوين العيوب الطوبولوجية بأنها كانت ستظهر في نهاية الفترة التضخمية (3)، أي عند مستويات الطاقة بترتيب نظريات التوحيد الكبرى (حوالي 1015 غيغا إلكترون فولت). وبالتالي فإن هذه الظواهر هي جزء من فيزياء الطاقة العالية جدًا.
وبشكل أكثر تحديدًا، يُعتقد أن العيوب الطوبولوجية قد تشكلت خلال التحولات الطورية المختلفة للكون المبكر. يُعرَّف انتقال الطور بأنه التغيير في حالة أو بنية نظام مادي ناتج عن تعديل paramètre معلمة خارجية. على سبيل المثال، التغيير من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة هو مرحلة انتقالية.
فيما يتعلق بالكون، حدثت انتقالات الطور عندما بدأت درجة حرارة الكون، وبالتالي الطاقة، في الانخفاض تحت تأثير التمدد. في النموذج القياسي أو المعياري، كانت هذه التحولات الطورية مصحوبة بانقطاعات تلقائية مختلفة في التناظر symétrie؛ وهذا يعني أن بعض التناظرات التي استندت إليها قوانين الفيزياء قد انهارت.
وهكذا تفسر هذه الانقطاعات في التناظر كيف أن التفاعلات أو القوى الجوهرية الكونية الأولية الأربعة ، التي تم توحيدها بعد ذلك في نهاية الانفجار العظيم ، "انفصلت" تدريجيًا عن بعضها البعض عندما بدأ الكون يبرد. أفضل مثال معروف لكسر التناظر التلقائي هو "التفكك" بين التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية الناتجة عن اقتران بوزونات W / Z مع مجال هيغز.
إلى جانب التفاعلات الأولية، خضع الفراغ الكمومي أيضًا إلى انتقالات طورية لتعديل طوبولوجيته وبالتالي التأثير على بنية مناطق مختلفة من الزمكان. عند تقاطع هذه المناطق المكانية والزمانية المتغيرة، ظهرت تكوينات غير نمطية ومستقرة للمادة (3) عبر آلية Kibble-Zurek (آلية مشابهة لآلية هيغز Higgs). تسمى هذه الهياكل "عيوب طوبولوجية" لأنها تنشأ من عيوب في طوبولوجيا (بنية) الفراغ.
اعتمادًا على التناظر المكسور في الفراغ، يمكن أن تظهر أنواع مختلفة من العيوب الطوبولوجية. عندما ينكسر التناظر الأسطواني، يكون هذا وترًا كونيًا. في حالة التناظر الكروي، فهو احتكار مغناطيسي. من أجل التماثل الخفي، هذا جدار مجال أو جدار حقلي. بالنسبة لأنواع التناظرات الأخرى، يمكن أن تكون سماء ، أو مواد (غير مستقرة) أو حتى أبعاد إضافية.
الأوتار الكونية: التكوين والخصائص والتنبؤات:
لذلك نشأت الأوتار الكونية عندما انكسرت التماثلات أو التناظرات الأسطوانية والمحورية في نهاية فترة التضخم. إنها عيوب طوبولوجية أحادية البعد ذات شكل خطي. لا يمكن تحديد عدد الأوتار الكونية في الكون على وجه اليقين، ومع ذلك، تشير حسابات كيبل إلى أنه سيكون هناك تقريبًا سلسلة كونية واحدة لكل حجم هابل (1)، أو سلسلة كونية واحدة كل 1031 سنة- ضوء مكعب.
تعترف النظريات عمومًا بنوعين من الأوتار الكونية وفقًا لحجم تأثيرها وبشكل أكثر دقة وفقًا لحدود الطاقة التي تتكون عندها. أولاً، الأوتار الكونية المحلية Locales التي ليس لها مجالات طويلة المدى (كهربائية، مغناطيسية ...)؛ لذلك فإن هذه الخيوط أو الأوتار لها تأثير جاذب على نطاق قصير جدًا على المواد المحيطة. لذلك يتم تحديد كثافة الطاقة بقوة في محيط السلسلة. ثانيًا، الأوتار الكونية العالمية التي لها مجالات بعيدة المدى. في الواقع، يتم الحصول على سعة مجالات الوتر الكوني العالمي من خلال نسبة E / Hc مع "E" طاقة الوتر، و "H" ثابت هابل و "c" سرعة الضوء في الفراغ. وبالتالي، فإن هذه السعة تبدأ في التناقص فقط عبر مسافات في حدود نصف قطر هابل (أو 14 مليار سنة ضوئية)، لذلك فهي تمتد إلى الكون المرئي بأكمله. على الرغم من أنها يمكن أن تصل إلى أطوال أخرى حسب ترتيب الكون المرئي، إلا أن الأوتار الكونية هي أجسام رفيعة جدًا تقترب من البروتون، أو 1 فيمتومتر. في الواقع، لتبسيط العمليات الحسابية، يعتبر الفيزيائيون أن الأوتار الكونية هي أجسام بسمك صفر. يسمح هذا التقريب لهم باستخدام أداة رياضياتية خاصة، "إجراء نامبو-غوتو"، مأخوذة من نظرية الأوتار وتسمح لهم بدراسة أي كائن أحادي البعد على شكل حبل أو وتر، ذي طاقة غير صفرية.
عندما يتم تطبيق معادلات مجال الجاذبية للنسبية العامة على الأوتار الكونية، فإنها تكشف أن الأخيرة هي بالضرورة أجسام في حالة شد أو توتر في الزمكان، وبالتالي لها كتلة متناسبة مع هذا التوتر (4). لذلك على الرغم من قطرها الرفيع للغاية، فإن الأوتار الكونية كثيفة للغاية. على سبيل المثال، الوتر الكوني الذي يبلغ طوله كيلومترًا واحدًا له كتلة مماثلة لكتلة الأرض (4). تفترض نظريتان وجود أوتار كونية. أولاً، في ظل النموذج القياسي أو المعياري، تتنبأ نظرية المجال الكمومي بتكوين سلاسل كونية من خلال آلية أبليان هيغز. يوضح هذا الأخير أنه في بداية الكون، عندما تم كسر تناظرات معينة في المقاييس (بحيث تكتسب بعض حقول القياس الكمومي كتلة)، ظهرت سلاسل كونية في مكان فواصل التناظر هذه.
بعد ذلك، تتنبأ نظرية الأوتار الفائقة أيضًا بالخيوط أو الأوتار الكونية. تحتوي نظرية الأوتار الفائقة على عدة أنواع من الأوتار، بما في ذلك الأوتار الأساسية التي تدل على "سلاسل F". أظهر عالم الفيزياء في الوصول باستخدام الأوتار، جوزيف بولشينسكي، بالاعتماد على عمل الفيزيائي هنري تاي (5)، أنه خلال اللحظات الأولى من توسع الكون، تم تمديد الأوتار F للوصول إلى الأحجام القصوى- المجرة، وبالتالي تشكل "الأوتار الفائقة الكونية".
مراقبة الأوتار الكونية؟
الأوتار الكونية هي مصادر مهمة لموجات الجاذبية أو الموجات الثقالية. في الواقع، يتم ترتيبها في شبكات يمكن داخلها أحيانًا، بسبب التذبذبات الفوضوية، التي تتداخل، مما يؤدي إلى تشكل تكوينات محلية محددة وغير مستقرة للغاية في أصل رشقات الموجة- الثقالية. يُتوقع أن تكون هذه الأحداث ظاهرة جاذبية عنيفة منفردة، وبالتالي يمكن اكتشافها.
بالإضافة إلى ذلك، تشكل الأوتار الكونية أيضًا حلقات، غير مستقرة أيضًا، تتفكك عن طريق إصدار موجات الجاذبية. ومع ذلك، على عكس انفجارات الجاذبية، فإن هذه الموجات أقل قوة بكثير وبالتالي يصعب اكتشافها، حيث ينتهي بها الأمر إلى "الغرق" في خلفية موجات الجاذبية.
من بين تنبؤات المراقبة المتعلقة بالسلاسل الكونية، يجب أن تكون هذه، نظرًا لكثافتها القصوى، مصدرًا لظواهر عدسة الجاذبية، مما يؤدي إلى الازدواجية البصرية لصورة نفس المجرة البعيدة. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم ملاحظة مثل هذه الظاهرة (5). وبالمثل، يجب ملاحظة ازدواجية بصرية للتقلبات في الخلفية الكونية الميكروية الأحفورية المنتشرة، لكن نتائج مهمة بلانك 2013 لم تكشف عن شيء قاطع. [6) في عام 1979، علماء الفلك بوب كارسويل ، دينيس والش وراي اكتشفوا الكوازارات Q0957 + 561A و B. تشير الأحرف "أ ، ب" إلى حقيقة أنه عند اكتشافهم ، لاحظ الفلكيون صورة مزدوجة لنفس الكوازار ، والتي أطلقوا عليها فيما بعد "الكوازار المزدوج". تم تفسير هذه الازدواجية الضوئية بعد ذلك من خلال وجود مجرة بين الأرض والكوازار، مما أدى إلى إنشاء تأثير عدسة الجاذبية وأدى إلى تأخر في الملاحظة لمدة 415 يومًا تقريبًا بين الصورتين لنفس الكوازار.
ومع ذلك، بين سبتمبر 1994 ويوليو 1995، لاحظ علماء الفيزياء الفلكية من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية الكوازار مرة أخرى، بالإضافة إلى ملاحظة الاختلافات في سطوع الصورتين، هذه المرة لم يكتشف أي تحول بين الصور المستلمة الأخيرة. التفسير الذي قدمه علماء الفيزياء الفلكية في منشور نُشر في 25 مارس 2004 في مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية هو أنه خلال هذه الفترة، كان الوتر الكوني، الذي له فترة تذبذب 100 يوم، يمر بين الأرض والكوازار ( 7).
حتى لو لم تكن هناك بيانات رصدية في الوقت الحالي يمكنها تأكيد أو نفي وجود سلاسل كونية، فإن العديد من التجارب جعلت من الممكن وضع قيود دقيقة نسبيًا على ظروف وجودها ومراقبتها (6). من خلال البيانات التي تم جمعها بواسطة تعاون LIGO و Virgo ، يجب أن يتمكن الفيزيائيون أخيرًا من إلقاء الضوء على هذه الأجسام الكونية.
أصبح البحث عن الأوتار الكونية أكثر دقة بفضل LIGO:
وحسب وصف الفيزيائي T.W.B. Kibble في عام 1976، كانت الأوتار الكونية عيوبًا طوبولوجية أحادية البعد ظهرت في نهاية فترة التضخم، في اللحظات الأولى من الكون. كما ذكرنا أعلاه حيث تم التنبؤ بوجود الأوتار الكونية، وإن هذه الأخيرة، إن وجدت ، تشكل مصادر مهمة لموجات الجاذبية أو الموجات الثقالية ويمكن أن تكون مصدر دفعات جاذبية يمكن اكتشافها.
في الآونة الأخيرة، تطور علم فلك الموجات الثقالية بشكل كبير باستخدام كاشفات LIGO وVirgo. قدمت مراقبة وتحليل موجات الجاذبية من اندماج الثقب الأسود (1) والنجم النيوتروني (2) معلومات قيمة عن ديناميكيات الكون. بفضل هذه المعلومات، تمكن الفيزيائيون من الوصول إلى طرق جديدة للبحث فيما يتعلق بالتوقيعات الثقالية المحتملة للأوتار الكونية.
وهكذا، في منشور نُشر على arXiv في 5 ديسمبر 2017 (3)، قدم الفريق الدولي من علماء الفيزياء (أكثر من 200 عضو) الذين يقودون تعاون LIGO أول قيود رقمية دقيقة، على العديد من المعلمات التي تحدد وجود سلاسل كونية. للقيام بذلك، قام الباحثون بتحليل البيانات التي جمعتها LIGO بين عامي 2015 و2016.
قيود أكثر دقة على وجود الأوتار الكونية بفضل LIGO:
الأوتار الكونية هي مصدر نوعين من إشارات الجاذبية (4). أولاً، تصدر الأوتار الكونية موجات جاذبية منخفضة السعة حيث تتحلل الحلقات التي تشكلها تدريجياً. ثانيًا، عندما تتشابك الأوتار، تظهر تكوينات محددة في شكل طبولوجيا فراغية مختلفة داخل الشبكة؛ هذه التكوينات غير مستقرة للغاية ويمكن أن تكون مصدرًا لانفجارات جاذبية شديدة العنف (5).
لكن الأوتار الكونية يمكن أن تكون أيضًا مصدرًا لظواهر أخرى يمكن ملاحظتها. يجب أن ينتج عن كثافتها المكانية الشديدة تأثيرات يمكن اكتشافها مثل ظاهرة العدسات الجاذبية (6)، وانبعاثات الأشعة الكونية عالية الطاقة (7) أو حتى الاختلافات (تباين الخواص) في الخلفية الكونية المنتشرة (8). من هذه الظواهر في البيانات الناتجة عن ملاحظاتهم، يمكن للفيزيائيين وضع قيود دقيقة على المعلمات التي تصف الأوتار الكونية. تم فرض القيود الأولى بفضل البيانات الناتجة عن القياس الكمومي للوفرة النووية الناتجة عن التخليق النووي البدائي (9). بعد ذلك، تم تحسين هذه القيود بفضل نتائج بلانك في دراسة الخلفية الكونية المنتشرة (10)، ثم بفضل شبكات النجوم النابضة Pulsars بالمللي/ ثانية (11).
ولكن بفضل البيانات التي تم جمعها بواسطة LIGO بين سبتمبر 2015 ويناير 2016، أي 48.2 يومًا من وقت المراقبة الفعال، نجح الفيزيائيون التابعون للتعاون الذي يحمل نفس الاسم في وضع قيود للمرة الأولى على وجود سلاسل كونية تتجاوز الدقة التي وصلت إليها دراسة الوفرة النووية وتساوي تلك التي توصلت إليها دراسة تباين الخلفية الكونية المنتشرة. بالإضافة إلى ذلك، تم أيضًا تحديد قيود جديدة على معايير معينة لم تتم دراستها بعد.
للقيام بذلك، بحث الفيزيائيون عن آثار إشارات جاذبية معينة في بيانات LIGO. اعتمد المؤلفون على العمل السابق الذي حدد شكل ومدى تردد موجات الجاذبية من الأوتار الكونية (12، 13). وبالتالي تمكنوا من إنشاء مرشح رقمي يحدد الأشكال والترددات المقابلة في دفق بيانات LIGO، مع التخلص من الضوضاء الطفيلية والإيجابيات الخاطئة (14).
في نهاية التحليل الرقمي، وعلى الرغم من بعض الإشارات الغامضة التي تم دحضها بسرعة، لم يكن بالإمكان تحديد أي إشارة جاذبية تقابل تلك المتوقعة للأوتار الكونية. ومع ذلك، بفضل تحليلاتهم، تمكن الباحثون من تحديد حدود دقيقة للمعايير المختلفة التي تميز الأوتار الكونية من أجل تحديد شروط وجود هذه الأوتار. 1.
توتر الأوتار الكونيةك
يتم التعبير عن توتر الأوتار الكونية من خلال العلاقة G μ، مع "G" ثابت الجاذبية و "μ" الكتلة لكل وحدة طول. الأوتار الكونية هي كائنات يمكن دراستها في إطار معادلات النسبية العامة. تكشف هذه المعادلات عن مصطلح توتر، مشابه لمصطلح الأوتار في نظريات الأوتار، مما يعكس تصغير سطح الكون الموصوف بواسطة الأوتار الكونية أثناء انتشارها في الزمكان (15).
يعد تقييد هذه المعلمة تحديدًا مهمًا لأن الجهد هو الذي يحدد نطاقات التردد لموجات الجاذبية المنبعثة من الأوتار الكونية. نظرًا لأن التوتر يتناسب طرديًا مع كتلة الأوتار، فإن معرفة قيمة الشد يجعل من الممكن تحديد عتبات المراقبة الدقيقة وتحسين حساسية أجهزة الكشف.
أظهرت البيانات المدروسة أن Gμ 3300) وعصر المادة (z <3300). في الواقع، يتم تحديد نوع الوتر الكوني وفقًا للطاقة التي يتكون فيها، وبالتالي وفقًا لطاقة الكون في ذلك الوقت. ومع ذلك، فإن طاقة الكون تختلف من عصر إلى آخر. لذلك يختلف نوع الوتر باختلاف ما إذا كان الشخص المراقب قد وضع نفسه في عصر الإشعاع أو في عصر المادة.
اعتمادًا على نوع الوتر الكوني (المحلي أو العالمي)، يختلف تواتر موجات الجاذبية المنبعثة. يوضح الفيزيائيون أن الأوتار الكونية التي ظهرت خلال عصر الإشعاع تولد موجات جاذبية عالية التردد: 1013 هرتز على الرغم من عرض الشوكات التي تقع ضمنها نطاقات التردد هذه، فإن تحديد هذه القيود، مهما كانت كبيرة، يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في البحث عن سلاسل كونية. يتذكر الباحثون أنه تم تحديد هذه النطاقات بكمية صغيرة من البيانات ومع تحسن حساسية LIGO وVirgo تدريجياً، سيتم وضع حدود أكثر دقة في المستقبل.

#جواد_بشارة (هاشتاغ)       Bashara_Jawad#          

---

اشترك في قناة ‫«الحوار المتمدن» على اليوتيوب
حوار مع الكاتبة انتصار الميالي حول تعديل قانون الاحوال الشخصية العراقي والضرر على حياة المراة والطفل، اجرت الحوار: بيان بدل	حوار مع الكاتب البحريني هشام عقيل حول الفكر الماركسي والتحديات التي يواجهها اليوم، اجرت الحوار: سوزان امين

كيف تدعم-ين الحوار المتمدن واليسار والعلمانية على الانترنت؟

تابعونا على:

الفيسبوك

التويتر

اليوتيوب

RSS

الانستغرام

لينكدإن

تيلكرام

بنترست

تمبلر

بلوكر

فليبورد

الموبايل

كيفية إشراك-إيصال مواضيعكم أو مواضيع تهمكم  إلى اكبر عدد ممكن من القراء والقارئات