من الانفجار الكبير إلى الحياة الذكية، كيف نشأ الكون؟ هذا سؤال أمضى جون ماثر، كبير علماء الفيزياء الفلكية في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا وكبير علماء مشروع تلسكوب جيمس ويب الفضائي الجديد، حياته المهنية في محاولة الإجابة عليه.
نتيجة لعمله الرائد، حصل ماثر، إلى جانب جورج سموت من جامعة كاليفورنيا، على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006 لعملهم على القمر الصناعي لمستكشف الخلفية الكونية (COBE)، والذي استخدموه لقياس الإشعاع الحراري من الكون. الانفجار العظيم.
Table of Contents
جون ماثر والبدايات
ولد ماذر عام 1946 في رونوك، فيرجينيا، ونشأ في مزرعة أبحاث زراعية في جامعة روتجرز في نيوجيرسي. ينحدر من عائلة من العلماء والمعلمين، ويتذكر أن اهتمامه بالعلوم بدأ في سن مبكرة. فمن بناء أجهزة راديو أحادية الأنبوب إلى تجميع التلسكوبات الكاسرة الصغيرة وتجميع “روبوت” معرض العلوم من مكنسة كهربائية (والتي لسوء الحظ لم تعمل أبدًا)، أظهر كفاءة مبكرة. وكتب في سيرته الذاتية الحائزة على جائزة نوبل: «لقد أتيحت لي الكثير من الفرص لتعلم العلوم، حتى في بيئتنا الريفية للغاية» .
بعد الدراسة في كلية سوارثمور، خطط ماذر لإكمال دراساته العليا في برينستون، ولكن القليل من الإقناع من قبل صديق على الساحل الغربي الأكثر دفئًا ساعد في تغيير مساره. وقال: “أرسل لي صديق، تيد تشانغ، الذي كان صديقي في كلية أسامبشن في صيف المدرسة الثانوية، صورة لنفسه وهو جالس على النافورة في بيركلي في يناير، وهو يرتدي أكمامًا قصيرة”. “لقد أرسل لي استمارة طلب للحصول على وظيفة صيفية، وذهبت”.
هناك عمل في مختبر لورانس بيركلي مع هنري فريش، حيث قام بتطوير إلكترونيات التحكم لغرفة الشرارة. عندما حان الوقت للعودة إلى الساحل الشرقي، غير ماذر رأيه وبقي في بيركلي.
في عام 1970، أثناء بحثه عن موضوع لأطروحته، أصبح ماذر مهتمًا باقتراح قدمه الفيزيائي تشارلز تاونز الذي كان يدرس إشعاع الخلفية الكونية – الحرارة المنتجة في بداية الزمن والتي لا تزال تتخلل الكون.
تاريخ (موجز) لإشعاع الخلفية الكونية
إشعاع الخلفية الكونية هو ظاهرة مكتشفة حديثًا تم اكتشافها لأول مرة في عام 1963 من قبل أرنو بنزياس وروبرت ويلسون، اللذين كانا يحاولان في الأصل رسم خريطة للإشارات الراديوية من درب التبانة.
في البداية، اعتقد بنزياس وويلسون أن هوائيهما يلتقط ضوضاء في الخلفية، مثل الكهرباء الساكنة في الراديو، والتي كانت تتداخل مع قياساتهما. لقد وجدوا الأمر محيرًا لأنه يمكن اكتشاف الضوضاء في جميع الاتجاهات، ولم يكن هناك مصدر محدد يمكنهم تحديده.
قبل اكتشافه، كانت هناك نظريتان بارزتان حول أصل الكون. الأول هو أن الكون متجانس وثابت وسيبقى كذلك إلى الأبد. أما الفكرة الثانية، وهي الفكرة الأكثر إثارة للجدل، فهي أن الكون يتوسع، وفي مرحلة ما في الماضي البعيد، كان كثيفًا إلى ما لا نهاية. لقد حدثت ولادة الكون كما نعرفه خلال انفجار كارثي يسمى “الانفجار الكبير”.
في هذا الوقت تقريبًا، افترض الفيزيائي روبرت ديكي من جامعة برينستون أنه إذا تم إنشاء الكون وفقًا لنظرية الانفجار الكبير، فسوف يوجد إشعاع خلفي منخفض المستوى في جميع أنحاءه أثناء توسعه في جميع الاتجاهات.
تم التواصل بين بنزياس وويلسون مع ديك، وأكد الفريقان وجود إشعاع الخلفية الكونية هذا، وهو دليل على الانفجار الكبير. حصل بنزياس وويلسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978 لاكتشافهما بالصدفة.
يكافح من أجل النزول من الأرض
بالإضافة إلى تقديم أدلة على الانفجار الكبير والكون المتوسع، فإن رسم خرائط وقياس درجات الحرارة وتقلبات إشعاع الخلفية الكونية من شأنه أن يساعد العلماء على معرفة المزيد عن الكون المبكر، وكذلك كيفية تشكل النجوم والكواكب والمجرات.
حاول ماذر وزملاؤه من طلاب الدراسات العليا القيام بذلك باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء البعيدة الذي تم تطويره حديثًا. يتذكر ماذر قائلاً: “كانت هذه بداية المعمودية بالنار، في فن بناء الأدوات التي يمكن أن تعمل في أماكن نائية ومعادية”. “لقد كان الوقت المناسب لتعلم شيء ما في كل مجال من مجالات الهندسة تقريبًا، من الميكانيكية إلى البصرية إلى علم التبريد الشديد إلى الإلكترونيات. وأخشى أن مهارتي كانت أقوى في الفهم مما كانت عليه في التنفيذ، وهي قصة حقيقية أن الهوائي الموجود على حمولة البالون سقط أثناء وجوده على منصة الإطلاق. لقد كان مفصل اللحام الخاص بي هو الذي فشل. ولحسن الحظ، تمت ملاحظة هذا الخطأ، وتم إطلاق الحمولة بنجاح.
تم إجراء المحاولات على قمة جبل ومن ثم إطلاق مقياس الطيف إلى الغلاف الجوي العلوي باستخدام منطاد الطقس. ومع ذلك، أثبتت هذه الاستراتيجيات عدم نجاحها، ولم يتمكن الفريق من التغلب على التداخل نتيجة الغلاف الجوي للأرض. “لقد كان شعورًا فظيعًا، بقي معي لبقية حياتي، وكان أحد تلك الطرق لتعلم ما لا يريد المرء أن يتعلمه. لقد تم إثبات قانون مورفي مرة أخرى.
كتب أطروحته حول العمل الأرضي، والمقياس الطيفي، وتصميم البالون، وانتقل إلى منصب باحث ما بعد الدكتوراه في معهد جودارد لدراسات الفضاء بجامعة كولومبيا في مدينة نيويورك.
أثناء الدراسة مع بات ثاديوس، قال ماذر إنه كان يأمل في دخول مجال جديد من الدراسة، وترك عمله في مجال إشعاع الخلفية وراءه. لكن في عام 1974، أصدرت وكالة ناسا دعوة لتقديم مقترحات بشأن البعثات الفضائية القادمة. وقال: “لقد عاد تفاؤلي، وعندما سألني بات عن أفكاري، أكدت بسعادة أن تجربة أطروحتي كانت ستعمل بشكل أفضل بكثير في الفضاء”.
البيانات التي تم جمعها بواسطة القمر الصناعي COBE تدعم نظرية الانفجار الكبير
في عام 1976، بدأت وكالة ناسا المضي قدمًا في مهمة مستكشف الخلفية الكونية (COBE)، بناءً على اقتراح ماذر، والتي تم فيها تعيينه كعالم دراسة. كان الهدف هو قياس طيف الإشعاع المنتشر ورسم خريطة له عبر السماء لاكتساب معرفة جديدة حول الكون المبكر.
تقول نظرية الانفجار الكبير أن الكون المبكر كان حارًا جدًا ذات يوم – نظرًا لأن كل المادة والطاقة كانت مركزة في نقطة واحدة – ولكنه برد بعد هذا الانفجار الأول ومع توسعه اللاحق. وبالتالي فإن الإشعاع الحراري من هذا الوقت هو نوع من الأدلة الأحفورية.
من المفترض أن تنتقل هذه الحرارة لمليارات السنين قبل أن تصل إلى الأرض، مما يؤدي إلى انزياح أحمر أو إطالة أطوالها الموجية إلى منطقة الموجات الدقيقة من الطيف. وكان العلماء قد توقعوا سابقًا أنه بحلول الوقت الحالي، ستنخفض درجة حرارة الإشعاع إلى ما يقرب من 3 كلفن.
على مدار عقد من الزمن، قاد ماذر فريقًا من العلماء لتطوير أحدث الأجهزة لقياس هذا الإشعاع، وهو أقدم ضوء في الكون. مع إطلاق القمر الصناعي في عام 1989، تغير مجال علم الكونيات إلى الأبد.
كان COBE قادرًا على قياس طيف إشعاع الخلفية الكونية، مما سمح للفريق بتأكيد ما تنبأت به النظرية: أنه يناسب منحنى الجسم الأسود وتبلغ درجة حرارته 2.735 كلفن.
الجسم الأسود هو جسم ذو درجة حرارة ثابتة يمتص كل الإشعاع الذي يصل إليه. للحصول على طيف الجسم الأسود، يجب أن يكون الجسم معتمًا وغير عاكس ومتساوي الحرارة. الكون، اليوم، ليس جسمًا أسود، ولكن بعد وقت قصير من الانفجار الكبير، كان كثيفًا وحارًا ومتجانسًا. لا يمكن للضوء أن يتحرك بحرية، مما يجعله، بحكم التعريف، جسمًا أسود يمتص الضوء. يعد إشعاع الخلفية الكونية من بقايا هذا الوقت، وقد ساعد قياسه بدقة شديدة العلماء على وضع نموذج الحالة المستقرة للكون.
قام COBE أيضًا بقياس التقلبات الصغيرة في شدة إشعاع الخلفية، وكشف عن بيانات جديدة حول تكوين الأجرام السماوية مثل المجرات والنجوم.
كانت الرحلة صعبة، حيث أوضح ماذر التحديات والمشكلات التقنية التي كان عليه وفريقه حلها قبل إرسال COBE أخيرًا إلى المدار في محاضرة نوبل التي ألقاها في عام 2006.
وعلى الرغم من قبوله الجائزة، إلا أن ماثر يدافع بقوة عن العمل الجماعي الذي يؤدي إلى تحقيق مثل هذه الاكتشافات. «لم أفز بجائزة نوبل؛ فزنا بجائزة نوبل. وقال خلال محاضرة ألقاها في NEAF عام 2018: “إن أي شيء أفعله يقوم به العديد والعديد من الأشخاص معًا”. ضم الفريق الذي قام ببناء القمر الصناعي COBE حوالي 1500 شخص.
تبرع ماذر بجائزته المالية لإنشاء برنامج للمنح الدراسية، الذي يدعم زمالات طلاب الدراسات العليا ومنح السفر للمتدربين في وكالة ناسا ومركز جودارد، من بين مشاريع أخرى.
تلسكوب جيمس ويب الفضائي
منذ عام 1995، كان ماذر يقود عملية تطوير التلسكوب المداري الأكثر تطورًا في العالم: تلسكوب جيمس ويب الفضائي. ويقول إن هذا كان “شغفه الرئيسي”.
ومن المقرر إطلاقه في نهاية هذا الشهر، وسيكون أول تلسكوب مداري يصور الكون في طيف الأشعة تحت الحمراء، مما يمكن العلماء من رؤية أبعد في الكون من أي وقت مضى.
بالإضافة إلى فهم أفضل لولادة النجوم والكواكب والمجرات، والبحث عن الكواكب الغريبة، واستكشاف الكون عندما كان عمره 150 مليون سنة فقط، يقول ماذر إن ويب سيؤدي بلا شك إلى اكتشافات جديدة وغير متوقعة.
وقال: “أنا واثق تماماً من أنه ستكون هناك مفاجآت، أشياء تستحق كل هذا العمل”.
