لقاء موقع العلوم الحقيقية مع الدكتور سليم زاروبي عالم الفيزياء الفلكية الفلسطيني الرائد في دراسة تطور البنية المعقدة في الكون والمراحل المبكرة من الكون، واحد الرواد والمؤسسين لتلسكوب لوفار (LOFAR) في هولندا. بحثه يتعلق بالسؤال حول كيف انتقلنا من هذا الكون المبكر المتجانس الى هذا الكون المعقد الذي نراه حولنا. وهذا المجال كبير، تخصص في البداية بالمبنى الكبير بالكون بشكل عام ثم في السنوات العشرين الأخيرة انتقل للتساؤل حول  المجرات الأولى والمبنى الأول في الكون الذي تم بعد نصف مليار عام من تكون الكون. تخصصه يكمن في فحص كيفية تكون المجرات الأولى وكيف اثرت على البيئة التي حولها، في الأساس بالتأثير على ما نسميه المادة بين المجرات (Inter-galactic medium) وماذا يحدث لذرة الهيدروجين الموجودة بكثرة في الكون وكيف تتأين..الخ. وقد كان من المبادرين والرواد في هذه طرح هذه الاسئلة والبحث فيها. في عام 2004 بادر مع زميلين من زملاءه الى مشروع كبير مرتبط بالتلسكوب لوفار LOFAR والذي يهدف لفحص هذه المادة – حالة الهيدروجين في الكون المبكر – أي ما حدث له بعد تكون المجرات الأولى، وهذا التلسكوب وأمثاله هو الوسيلة الوحيدة التي يمكن رؤية الكون بها في هذه الفترة.

رابط المقال والبودكاست على الموقع: https://real-sciences.com/?p=19372

نرحب بالدكتور سليم زاروبي الحاصل على جائزة هولمبولت في ألمانيا مؤخراً، مرحبًا بكم دكتور سليم يسرنا ويسر جمهورنا أن نلتقي بكم، وسؤالنا الأول حول مسيرتكم وأبحاثكم والمجالات التي تهتمون بها.

شكرًا لكم عمر، أنا فلسطيني من مدينة الناصرة وقد نشأت فيها وتعلمت الفيزياء في جامعات إسرائيلية بطبيعة الحال لأنني من فلسطينيي الداخل، حيث درست في جامعة التخنيون ثم في الجامعة العبرية في القدس حيث أنهيت الدكتوراه هناك وتخصصت في علم الكون بالأساس وتحديدًا حول تطور البنية المعقدة في الكون، كيف نشأت وكيف تطورت. تاريخ كوننا محدود، عمره 14 مليار عام، وفي بدايته كان متجانساً تماماً حيث تكون كل نقطة متجانسة تماماً مع النقطة التي بجانبها من حيث الصفات الفيزيائية لكن مع الوقت تطورت المجرات والنجوم والكواكب السيارة. بحثي يتعلق بالسؤال حول كيفية انتقالنا من هذا الكون المبكر المتجانس إلى هذا الكون المعقد الذي نراه حولنا. وهذا المجال كبير، تخصصت بالبداية بالمبنى الكبير بالكون بشكل عام ثم في السنوات العشرين الأخيرة بدأت اسأل عن المجرات الأولى والمبنى الأول في الكون الذي تم بعد نصف مليار عام من تكون الكون. يكمن تخصصي في فحص كيفية تكون المجرات الأولى وكيف أثرت على البيئة التي حولها، في الأساس بالتأثير على ما نسميه المادة بين المجرات (Inter-galactic medium) وماذا يحدث لذرة الهيدروجين الموجودة بكثرة في الكون وكيف تتأين..الخ. هذا هو مجال تخصصي وهو مجال جديد في العالم وقد كنت من المبادرين له. في عام 2004 بادرت مع زميلين لي إلى مشروع كبير مرتبط بالتلسكوب لوفار LOFAR والذي يهدف لفحص هذه المادة – حالة الهيدروجين في الكون المبكر – أي ما حدث له بعد تكون المجرات الأولى، وهذا التلسكوب وأمثاله هو الوسيلة الوحيدة التي يمكن رؤية الكون بها في هذه الفترة، فهذا فيما يتعلق بتخصصي.

أما الأماكن التي انتقلت فيها وعشت فيها فقد انتقلت بعد الدكتوراه إلى جامعة بيركلي لدراسة ما بعد الدكتوراه وقضيت 3 سنوات هناك. ثم انتقلت لمعهد ماكس بلانك لأبحاث الفضاء في ميونخ حيث قضيت 5 سنوات، ثم انتقلت إلى هولندا لجامعة جرونيجن (Rijksuniversiteit Groningen) عام 2014 وهي ثاني جامعة هولندية بتاريخ الجامعات في هولندا وفيها تخصص كبير في هذا المجال. وقد عدت قبل 6 سنوات إلى البلاد وأنا أعمل بالإضافة إلى جامعة خرونيجن في الجامعة المفتوحة. هذه هي خلاصة مسيرتي العلمية. 

 

مسيرة رائعة دكتور، وفي الحقيقة لنا ولجمهورنا كغير مختصين ذكرتم المصفوفات منخفضة التردد لا ندري إن كنتم تحبون التقديم بالمراحل التي ذكرتموها حول نشأة الكون ثم شرح هذه المصفوفات لنا أم البدء بالاتجاه الآخر بالشرح من المصفوفات ثم التعمق في تفاصيل نشأة الكون. نترك الخيار لكم.

أفضل الكلام عن التأثير الفيزيائي لأفسر ما نريد أن نراه بالتحديد ثم لماذا نريد استخدام المصفوفات منخفضة التردد. 

كما تعلمون فإن الكون يتوسع، هذه هي نظرية الانفجار الكبير، ومنذ ولادته حتى الآن فقد مر بمراحل عديدة، كان كثيفاً جداً وحرارته عالية جداً في البداية. في اللحظات الأولى لتكون الكون كانت حرارته – وسأستخدم الصيغة الرياضية هنا – 10 مرفوعة للأس 35 درجة مئوية أو درجة مطلقة، أي واحد وأمامه 35 صفر، حرارة مذهلة لا تستطيع المادة العادية الصمود بهذه الحرارة. 

كان الكون في بدايته مجرد طاقة، أشعة تتحول إلى جسيمات وجسيمات تتحول إلى أشعة. مثل خليط من الجسيمات الأولية التي تكمن في عمق تكون المادة في الطبيعة. لكن مع الوقت فإن الكون بدأ يبرد وينتشر وتقل كثافته ويقل ضغطه، وخلال هذه العمليات تحدث أمور عدة. بعد 3 دقائق من تكون الكون ظهرت أولى العناصر، في البداية لم يكن هناك عناصر، حيث أن درجة الحرارة عالية لدرجة أن العناصر وحتى أنوية العناصر تتفكك، وحتى أن البروتونات والنيوترونات التي تكون أنوية العناصر تتفكك أيضاً إلى مركباتها الأساسية التي نسميها كواركات وما شابه. لكن بعد دقائق برد الكون بما يكفي لكي يكون أنوية العناصر الأولى. 

من المذهل أن الكون في بداياته لم يحتو على أي من العناصر التي تكوننا وتكون الحياة وكل شيء، بل احتوى على عنصرين فقط.

لا أدري إن كنت تعلم، فإن الكون كان له في الأساس عنصرين، وهما العنصران الموجودان اليوم بكثرة في الطبيعة: الهيدروجين والهيليوم. إذا ما عدنا إلى الجدول الدوري في المدرسة فإن الهيدروجين والهيليوم هما أخف عنصرين في الكون، وفي الحقيقة، من المادة العادية التي تكون الأرض واجسامنا وما نسميه المادة الباريونية فإن الكون يتكون بنسبة 75% هيدروجين و25% هيليوم أما العناصر الأخرى التي يصنع منها كل شيء بما في ذلك نحن، فهذه لم يصنعها الكون ببدايته بل تحتاج إلى عملية أخرى لاحقة، وهو أمر مذهل في الحقيقة أن ما يكوننا لم يكن موجوداً في بداية الكون، بل ما كونها هي النجوم ودورة حياة النجوم لكن هذا موضوع آخر.  هذا هو مثال على التغير الكبير في مراحل نشأة الكون. هذه أيضاً المرحلة التي تتحرر بها الأشعة الميكرونية الكونية التي نرصدها بشكل روتيني اليوم. 

بعد 400أالف عام صار الكون شفافاً، أما قبلها فيمكن تشبيهه بالغمامة، يشبه الأمر عندما تمر الطائرة وسط غيمة.

بعد 400 ألف عام من الانفجار الكبير، كون الكون الذرات المتعادلة الأولى والتي لم تكن موجودة قبل ذلك، فذرات الهيدروجين الذي تكلمنا عنه في الدقائق الأولى من الكون كانت متأينة، البروتونات والإلكترونات التي تصنع ذرة الهيدروجين كانت منفصلة عن بعضها. بمرحلة ما، يندمجان بعد 400 ألف عام من الانفجار الكبير ويسبب هذا أن الكون يصبح شفافاً، قبلها كان الكون غير شفاف بل كان يشبه غمامة، يشبه الأمر عندما تكون بطائرة وتمر الطائرة في غيمة وخصوصاً في الليل، هكذا كان الكون حتى وصلنا إلى مرحلة الـ 400 ألف عام وتحول الهيدروجين إلى هيدروجين متعادل. 

ما يميز فترة الـ 400 ألف عام هو عدم حدوث الكثير من الأحداث بالمقارنة مع الفترة السابقة: أصبح الكون بارداً نسبياً مقارنة بالفترة السابقة، فقد أصبحت الحرارة 3000 درجة مئوية أي أقل من حرارة سطح الشمس والتي تبلغ 6000 درجة مئوية. إذن برد الكون كفاية، لكن لم يكن به شيء آخر كالمجرات والنجوم وكان مستمراً بالانتشار والتوسع وهكذا يستمر الوضع حتى نصف مليار عام من فترة تكون الكون وتسمى هذه الفترة بالمصطلحات التقنية بالعصور المظلمة للكون لعدم وجود مصادر ضوء في هذه الفترة. يبرد الكون، يتمدد، بهيدروجين وهيليوم متعادلان دون مجرات أو نجوم أو أي شيء آخر.

صورة لمجموعة محطات من محطات مصفوفة لوفار في هولندا من الأعلى

بعد نصف مليار عام تبدأ المجرات الأولى بالتكون، وهذه المجرات والنجوم لها صفة خاصة هو أنها تصدر الأشعة فوق البنفسجية، وهذه الاشعة فوق البنفسجية تؤين الهيدروجين، وتمتد هذه الحقبة من نصف مليار عام إلى مليار عام من عمر الكون. وبعد هذه المرحلة يرجع كل الكون إلى مرحلة التأين، فكوننا اليوم متأين منذ تلك الفترة وحتى الآن.

 

اسمح لي بالمقاطعة دكتور، كم عمر الكون الآن؟ لا شك أن هذا ذُكر كثيراً وذكرتموه لكن فقط لنوضحه للجمهور

عمر الكون 14 مليار عام تقريباً. 13.8 مليار عام. ابتدأت المرحلة التي نتكلم عنها بعد تقريباً 400 ألف عام من تكون الكون ثم مرحلة أن الهيدروجين يتحول إلى هيدروجين متعادل ثم بعد نصف مليار عام بدأت المجرات الأولى والنجوم الأولى بالتكون، ثم ابتدأت هذه النجوم والمجرات بتأيين الغاز من حولها، ثم بعد مليار عام أصبح كل الكون متأين واستمر ذلك حتى الآن. ما نبحثه هو تلك الفترة من 400 ألف عام بعد الانفجار الكبير حتى مليار عام بعد الانفجار الكبير.

 

واضح دكتور، لكن أي من الفترين هي التي يشار لها على أنها فترة عودة التأين؟

تكون هذه الفترة من الكون من 400 ألف حتى مليار عام تقسم عادة إلى 3 أقسام، الأول هو العصور المظلمة للكون، الثاني هو فترة نشوء المجرات الأولى والنجوم الأولى وتسمى فجر الكون (Cosmic dawn) والفترة الأخيرة التي صارت فيها الكثير من المجرات الأولى، وابتدأت بتأيين الكون بشكل مكثف تسمى فترة عودة التأين. ونحن ندرس المراحل الثلاث لكن في الأساس أنا أدرس المرحلة الأخيرة وهي مرحلة التأين الجديد للكون، لكن هذه المراحل في الحقيقة مرتبطة من 400 ألف عام من الانفجار الكبير حتى مليار عام. تحدث حقبة عودة التأين تحديداً بين 600 أو 700 ألف عام إلى مليار عام.

 

كيف ندرس مثل هذه المراحل؟

كما ذكرنا فإنه لا يوجد شيء لرؤيته من تلك المراحل بالتلسكوبات كما هو الحال عادة. أفضل ما يمكن رصده لفهم وضع الكون في تلك المرحلة هو أشعة تصدر من الهيدروجين المتعادل. حيث تصدر هذه الأشعة عندما يتعادل الهيدروجين وتسمى بأشعة ذرة الهيدروجين وطول موجتها هو تقريبًا 21 سنتمتر، أقصر من مسطرة اعتيادية التي تصل عادة إلى 30 سنتمتر. لكن عندما تصدر هذه الأشعة فإنها تصدر في الكون البدائي، ويتباعد هذا الكون عن بعضه بشكل كبير حتى يصلنا، وخلال عملية ابتعاده، فإن الابعاد والاطوال تتغير، أي أن طول الموجة هذا قد يصلنا بطول مترين أو  3 أمتار وهذا صعب على المستمع العادي فهمه لكن لنحاول تبسيطه.

حين نتحدث عن الانفجار الكبير ونتحدث عن الانتشار. ما ينتشر هو ليس المجرات، صحيح أن المجرات تبتعد عن بعضها باستمرار لكن ليس هذا هو السبب، ما يبتعد عن بعضه فعليًا هو هندسة الكون، نسيج الفراغ والزمان في الكون. لأعطي مثالاً على ذلك، عندما تمسك بالون (نفاخة) وتبدأ بنفخها، تلاحظ أن النقاط على سطح البالون تبتعد عن بعضها، وهذا يشبه الكون إلى حد كبير. لكن هل تتباعد النقاط على البالون؟ كلا، ما يتغير هو نسيج البالون نفسه الذي يتمدد. هذا هو ما يحدث في الكون. المجرات لا تبتعد أو تهرب عن بعضها بل ما يبعدها عن بعضها هو اتساع نسيج الكون. ما يحدث لعملية تمدد الكون هو أن الكون يخلق أبعاد جديدة، يخلق هندسة جديدة طيلة الوقت، وهذه قضية مهمة.

ولأن ما يتمدد هو نسيج الكون، فإن كل ما فيه سيتمدد مع الوقت، بما في ذلك الأشعة ذات الطول 21 سنتمتر فإنها ستتمدد أيضاً، وهذا ما ندرسه تحديداً. أشعة مثل هذه هي أشعة منخفضة التردد والطريقة الوحيدة لملاحظتها هي تلسكوبات الراديو، انتينات قديمة تشبه الرادارات والتي هي صحون كبيرة – إذا ما تذكر هوائيات التلفاز – عمل الهوائيات كهذه هو التقاط موجات كهذه. ودور هذه الهوائيات هو لرصد موجات الهيدروجين هذه. عبر المصفوفات منخفضة التردد نرى هذه المناطق التي لا تشع لأن الهيدروجين فيها قد تأين حيث لا تعطي أشعة ٢١ سنتمتر ونرى أن هذه المناطق المعتمة تستمر بالاتساع حتى تختفي أشعة ال٢١ سنتمتر التي تأتينا من المادة التي بين المجرات عندما يتأين الكون تمامًا.