الطاقة المظلمة والمادة المظلمة

الطاقة المظلمة:

تعرف الطاقة المظلمة في علم الكون وفيزياء الجسيمات بأنها أحد الأشكال الافتراضية للطاقة التي تملأ الفضاء والتي تملك ضغطًا سالبا. وحسب مفهوم نظرية النسبية العامة لآينشتاين، إن تأثير مثل هذا الضغط السالب يكون مشابهًا لقوة معاكسة للجاذبية في المقاييس الكبيرة. وإن افتراض مثل هذا التأثير هو الأكثر شعبية حاليًا لتفسير تمدد الكون بمعدل متسارع، كما يشكل تفسيرًا معقولًا لجزء كبير من المادة المفقودة missing mass في الفضاء الكوني

وهي الكلمة الطبيعية في الفيزياء الفلكية لوصف شكل من أشكال الطاقة الغامضة والغير موجودة في مشاهدة تُعتقد أنها تمثل الكون المرئي. اقتراح وجود الطاقة المظلمة لأول مرة كمفسر لسلوك الكون المراقب، سلوك الأجرام السماوية في الفضاء الخارجي، حيث توضح القياسات التي تتابعها، والتي تشير إلى وجود الأجرام في الفضاء الخارجي، والذي يُعتقد أنه ناتج عن هذه الطاقة المظلمة.

أحد تفسيرات الطاقة المظلمة هو أنها خاصية للفضاء. حيث أن للفضاء خصائص مذهلة، الكثير منها بدأ للتو في الفهم. 

الخاصية الأولى التي اكتشفها أينشتاين هي أنه من الممكن وجود مساحة أكبر. ثم نسخة واحدة من نظرية الجاذبية لأينشتاين، النسخة التي تحتوي على ثابت كوني، يقوم بالتنبؤ 

الخاصية الثانية: يمكن أن يمتلك "الفضاء الفارغ" طاقته الخاصة. لأن هذه الطاقة هي خاصية للفضاء نفسه، فلن يتم تخفيفها مع توسع الفضاء. مع ظهور المزيد من الفضاء، سيظهر المزيد من طاقة الفضاء هذه. نتيجة لذلك، قد يتسبب هذا النوع من الطاقة في تمدد الكون بشكل أسرع وأسرع. لسوء الحظ، لا أحد يفهم سبب وجوب وجود الثابت الكوني هناك، ناهيك عن سبب امتلاكه للقيمة الصحيحة تمامًا للتسبب في التسارع المرصود للكون.

الطاقة المظلمة هي الشكل المهيمن للطاقة في الكون، وهي التي تقود التوسع المتسارع للكون، لكن طبيعتها تظل لغزا كاملا.

تعتبر الطاقة المظلمة على أنها "النظير السلبي" للجاذبية -قوة "مضادة للجاذبية" توفر ضغطًا سلبيًا يملأ الكون ويمد نسيج الزمكان. كما تفعل ذلك، تدفع الطاقة المظلمة الأجسام الكونية بعيدًا عن بعضها بمعدل سريع بشكل متزايد بدلًا من تجميعها معًا كما تفعل الجاذبية.

من خلال ملاءمة نموذج نظري لتكوين الكون مع المجموعة المشتركة من الملاحظات الكونية، توصل العلماء إلى التركيبة التي وصفناها أعلاه، ~ 68٪ من الطاقة المظلمة، ~ 27٪ من المادة المظلمة، ~ 5٪ مادة طبيعية.

الطاقة المظلمة هي الاسم الذي يطلق على القوة الغامضة التي تتسبب في تسارع معدل تمدد كوننا بمرور الوقت، بدلًا من تباطؤه. هذا مخالف لما قد يتوقعه المرء من كون بدأ في الانفجار العظيم. علم علماء الفلك في القرن العشرين أن الكون يتوسع. لقد اعتقدوا أن التوسع قد يستمر إلى الأبد، أو في النهاية -إذا كان للكون كتلة كافية وبالتالي ما يكفي من الجاذبية الذاتية -ينعكس ويسبب أزمة كبيرة. الآن، في علم الكونيات في أوائل القرن الحادي والعشرين، تطورت هذه الفكرة. يُنظر إلى الكون على أنه يتمدد اليوم بشكل أسرع مما كان عليه قبل مليارات السنين. ما الذي يمكن أن يتسبب في زيادة معدل التوسع؟ يتحدث علماء الفلك الآن أحيانًا عن قوة دافعة كطريقة ممكنة لفهمه.

لماذا نعتقد بوجود الطاقة المظلمة؟

1. تمدد الكون المتسارع:

   • في أواخر التسعينيات، أظهرت ملاحظات المستعرات العظمى البعيدة أن الكون لا يتمدد فقط، بل إن معدل تمدده يتسارع مع الزمن، وهو أمر غير متوقع وفقًا للنماذج التقليدية.
   • القوة التي تدفع هذا التوسع المتسارع يُعتقد أنها الطاقة المظلمة.

2. إشعاع الخلفية الكونية (CMB):

   • دراسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (بقايا الانفجار العظيم) تشير إلى أن الطاقة المظلمة تشكل حوالي 68% من محتوى الكون.

3. بنية الكون:

   • توزع المجرات وطريقة تشكل الهياكل الكونية الكبيرة تتطلب وجود طاقة مظلمة لشرح أنماط التوزيع التي نراها.

ما هي طبيعة الطاقة المظلمة؟

هناك عدة فرضيات حول طبيعة الطاقة المظلمة، منها:

1. الثابت الكوني (Cosmological Constant Λ):

   • اقترحه أينشتاين كتعديل لمعادلات النسبية العامة، ويفترض أن الفضاء نفسه يحتوي على طاقة ثابتة تسبب التمدد المتسارع.

2. مجال كينتسيكي (Quintessence):

   • نظرية تقترح أن الطاقة المظلمة ليست ثابتة بل تتغير بمرور الزمن.

3. تعديلات على الجاذبية:

   • بعض العلماء يعتقدون أن الجاذبية نفسها قد تحتاج إلى إعادة صياغة على المقاييس الكونية الكبيرة، مما قد يفسر التوسع المتسارع دون الحاجة إلى طاقة مظلمة.

المادة المظلمة:

نحن أكثر يقينًا بماهية المادة المظلمة أكثر مما نحن عليه. 

أولًا، إنه مظلم، بمعنى أنه ليس على شكل نجوم وكواكب التي نراها. تظهر الملاحظات أن هناك القليل جدًا من المادة المرئية في الكون لتشكل نسبة 27٪ التي تتطلبها الملاحظات. 

ثانيًا، إنها ليست على شكل غيوم مظلمة من مادة عادية، وهي مادة مكونة من جسيمات تسمى الباريونات. نحن نعلم هذا لأننا سنكون قادرين على اكتشاف الغيوم الباريونية عن طريق امتصاصها للإشعاع الذي يمر عبرها. 

ثالثًا، المادة المظلمة ليست مادة مضادة، لأننا لا نرى أشعة غاما الفريدة التي تنتج عندما تتلاشى المادة المضادة مع المادة. أخيرًا، يمكننا استبعاد وجود ثقوب سوداء كبيرة بحجم المجرة على أساس عدد عدسات الجاذبية التي نراها. تركيزات عالية من المادة تنحرف الضوء الذي يمر بالقرب منها من الأشياء البعيدة،

في علم الفلك وعلم الكون، المادة المظلمة أو المادة المعتمة أو المادة السوداءDark matter))‏هي مادة افتُرضت لتفسير جزء كبير من مجموع كتلة الكون. لا يمكن رؤية المادة المظلمة بشكل مباشر باستخدام المقاريب، حيث من الواضح أنها لا تبعث ولا تمتص الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي. ويُستدل على وجود المادة المظلمة وعلى خصائصها من آثار الجاذبية التي تمارسها على المادة المرئية، والإشعاع، والبنية الكبيرة للكون. وفقاً لفريق بعثة بلانك، واستناداً إلى النموذج القياسي لعلم الكونيات، فإن مجموع الطاقة-الكتلة في الكون المعروف يحتوي على المادة العادية بنسبة 4.9٪، والمادة المظلمة بنسبة 26.8٪ والطاقة المظلمة بنسبة 68.3٪. وهكذا، فإن المادة المظلمة تشكّل 84.5٪ من مُجمل الكتلة في الكون، بينما الطاقة المظلمة بالإضافة إلى المادة المظلمة تشكل 95.1٪ من المحتوى الكلي للكون.

لماذا نعتقد بوجود المادة المظلمة؟

1. سرعة دوران المجرات:

   • عند دراسة دوران المجرات، وجد العلماء أن النجوم في أطراف المجرة تدور بسرعة عالية جدًا، وكان من المفترض أن تتطاير خارج المجرة بسبب الجاذبية غير الكافية للمادة المرئية، ولكنها تبقى في مكانها.
   • هذا يشير إلى وجود مادة غير مرئية (المادة المظلمة) تضيف كتلة للمجرة وتزيد من جاذبيتها.

2. عدسة الجاذبية (Gravitational Lensing):

   • عندما يمر الضوء القادم من مجرات بعيدة بالقرب من تجمعات مجرية ضخمة، فإنه ينحني بطريقة لا تتناسب مع الكتلة المرئية وحدها.
   • هذا يدل على وجود كتلة إضافية غير مرئية (المادة المظلمة) تؤثر على الضوء.

3. البنية الكبيرة للكون:

   • المادة المظلمة تساعد في تفسير كيفية تجمّع المجرات معًا وتشكيل الهياكل الكونية الضخمة، لأن المادة العادية وحدها لا تكفي لتفسير هذه التراكيب.

ممّ تتكون المادة المظلمة؟

• لا نعرف حتى الآن بالضبط ما هي المادة المظلمة، ولكن هناك نظريتان رئيسيتان:
  1. جسيمات ضعيفة التفاعل (WIMPs - Weakly Interacting Massive Particles):
     • جسيمات افتراضية لا تتفاعل مع الضوء ولكن لها كتلة، مما يسمح لها بإنتاج تأثير جاذبي.
  2. أكسيونات (Axions):
     • جسيمات خفيفة جدًا مقترحة لحل بعض مشكلات الفيزياء النظرية، وقد تكون مرشحة للمادة المظلمة.