الانفجار العظيم

يُعدّ نموذج الانفجار العظيم النظرية السائدة في تفسير تطوّر الكون، وجوهره أن الكون نشأ من حالة بالغة السخونة والكثافة قبل 13.8 مليار سنة، وما يزال يبرد ويتوسّع منذ ذلك الحين.¹ وقد غيّرت اكتشافات القرن العشرين صورة الكون تغييرًا جذريًّا، فنقلته من كون ساكن واسع إلى كون متوسّع له تاريخ.¹ وتتقاطع على هذا النموذج ثلاثة مسارات مستقلة من الأدلة: توسّع الكون كما يصفه قانون هابل، والخلفية الكونية الميكروية التي تحرّرت بعد نحو 380,000 سنة من البداية، والوفرة المتوقعة للعناصر الخفيفة التي صُنعت في الدقائق الأولى.²

ويرتكز النموذج على افتراضين: أن نظرية النسبية العامة لآينشتاين تصف تفاعل الجاذبية بين كل المادة وصفًا صحيحًا، والمبدأ الكوني الذي يقول إن نظرة الراصد إلى الكون لا تتوقف على الاتجاه الذي ينظر فيه ولا على موقعه.¹ وينطبق هذا المبدأ على الخصائص واسعة النطاق للكون فقط، لكنه يستلزم ألا تكون للكون حافة، وأن أصل الانفجار العظيم لم يقع عند نقطة معينة في الفضاء بل في الفضاء كله في اللحظة نفسها.¹

من هنا كان اسم «الانفجار العظيم» مضلّلًا: فالنظرية تصف كونًا متوسّعًا لا انفجارًا مفرقعًا في فضاء موجود سلفًا، ولا مركز لهذا الكون ولا حافة.³ ويلاحظ كل راصد أن المجرات تتباعد من حوله، فلا مركز مميّز في هذه الصورة.³ ويعرف العلماء أن لا مركز للكون لأن المجرات تتباعد بعضها عن بعض لا عن نقطة مركزية، ولأن الحرارة المتبقية من العصور الأولى تملأ الكون بانتظام.³

ويتتبّع هذا المقال سلسلة الأدلة على الانفجار العظيم، من توسّع الكون والخلفية الميكروية إلى العناصر الأولى، ثم يسرد تسلسل تاريخ الكون، وأهم أرقامه، وأسئلة ما تزال بلا جواب.²

في 1929 اكتشف الفلكي الأمريكي إدوين هابل أن مسافات المجرات البعيدة تتناسب طرديًا مع انزياحها الأحمر: فكلما كانت المجرة أبعد كانت أسرع ابتعادًا.⁴ وكان هذا أول دعم رصدي لنماذج الكون المتوسّع، ويُعرف اليوم بقانون هابل–لومتر.⁵

وقد مهّد الطريق إلى ذلك عملان نظريان: ففي 1922 نشر العالم والرياضياتي الروسي ألكسندر فريدمان ورقة تُفصّل احتمالات متعددة لتاريخ الكون، من بينها احتمال أن الكون يتوسّع.⁶ وفي 1927 نشر الفلكي البلجيكي جورج لومتر ورقة تُظهر أن معادلات نظرية آينشتاين تدعم فكرة أن الكون ليس ساكنًا بل يتوسّع.⁶ وكان اكتشاف هابل أول دعم رصدي لنظرية الانفجار العظيم التي اقترحها لومتر في 1927.⁴

وقد سبقت اكتشافَ هابل أرصادُ الانزياحات الحمراء المجرية عند سليفر، وعلاقةُ ليفيت بين الدور والضياء في النجوم القيفاوية التي مهّدت سلّم المسافات الكوني.⁴ ويُفسَّر الانزياح الأحمر بوصفه أثرًا للتوسّع: فأطوال موجات الضوء تتمدّد بتمدّد الفضاء الذي تنتقل فيه.⁴ ويُقاس معدل توسّع الكون اليوم بثابت هابل H0 بوحدة الكيلومتر في الثانية لكل ميغابارسيك.⁷ وتظهر أهمية هذا الثابت في التوتر القائم حول قيمته بين القياسات المحلية وقياسات الخلفية الميكروية.⁷

تقوم قصة الانفجار العظيم على أربعة أركان من الملاحظات المستقلة، يتقاطع كل منها مع توقعات النموذج في نقطة مختلفة من تاريخ الكون.² ويجمع الجدول الآتي هذه الأركان بملاحظاتها وأرقامها ومصادرها.²

بعد نحو 380,000 سنة من الانفجار العظيم برد الكون بما يكفي لتأسر النوى الذرية الإلكترونات، وهي حقبة يسميها الفلكيون عصر إعادة الاتحاد.² وعندئذ صار الكون شفافًا، ولأول مرة استطاع الضوء أن ينتقل بحرية عبر مسافات شاسعة.² وقد بلغت حرارة الكون عند إعادة الاتحاد نحو 2700 درجة مئوية.¹⁰

هذا التوهّج الذي ما يزال قابلاً للرصد اليوم هو الخلفية الكونية الميكروية: أقدم ضوء يمكننا رصده في الكون.² وقد نشأت بعد 380,000 سنة فقط من الانفجار العظيم، حين كان الكون كثيفًا وساخنًا ومعتمًا.¹¹ ومع توسّع الكون مُدّ هذا الضوء إلى أطوال موجية ميكروية، فصار وهجًا باردًا عند 2.7 كلفن فوق الصفر المطلق.¹¹ وقاست WMAP فروقًا بين 2.7251 كلفن في جزء من السماء و2.7249 كلفن في جزء آخر.⁸

وفي منتصف ستينيات القرن الماضي كان عالما الراديو أرنو بنزياس وروبرت ويلسون يكافحان همسًا خلفيًا مستمرًا في هوائي هولمدل بولاية نيوجيرسي، فحاولا إزالة كل أسباب الضوضاء الممكنة.¹² وبعد سنة من البحث الدؤوب خلصا إلى أن التشويش إشعاع ميكروي يملأ الكون عند نحو ثلاث درجات فوق الصفر المطلق، وقد قدّم روبرت ديك من جامعة برينستون الجواب: فقد كان هو وفريقه يتحرّون عن وهج بارد خافت يتوقّعه النموذج الانفجاري.¹² وكان هذا الهمس نفسه هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروية: الدليل المفقود الذي دعم نظرية الانفجار العظيم ومهّد لقبولها نموذجًا قياسيًّا لعلم الكون.¹² وتوّج بنزياس وويلسون هذا الاكتشاف بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1978.¹³

وفي 1992 اكتشف القمر الصناعي COBE التابع لـNASA فروقًا حرارية دقيقة في الخلفية الميكروية على مقاييس زاويّة كبيرة.⁸ وتُعدّ هذه التموّجات الدقيقة البذور التي نمت لاحقًا إلى مجرّات.³ ثم حدّدت WMAP عمر الكون بـ13.77 مليار سنة بهامش لا يتجاوز نصف بالمئة، وضبطت انحناء الفضاء في حدود 0.4% من الفضاء الإقليدي المسطّح.⁸ وفي 2013 نشرت مهمة Planck التابعة لـESA أدقّ خريطة أُنجزت على الإطلاق للخلفية الكونية الميكروية، الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم.¹⁰ واستندت أول صورة كاملة للسماء من Planck إلى 15.5 شهرًا من البيانات، مطبوعة على السماء حين كان عمر الكون 380,000 سنة فقط.¹⁰ وتقدّم خرائط الخلفية الميكروية قياسًا دقيقًا لهندسة الكون، وتُظهر أنه مسطّح تحكمه هندسة إقليدية على المقاييس الكونية.¹¹ وتمثّل التذبذبات الحرارية الدقيقة في الخلفية مناطق ذات كثافات مختلفة قليلًا في أزمنة مبكرة جدًا، ولا سيما بذور البنية المستقبلية كلها: نجوم اليوم ومجرّاته.¹⁰

بعد ثانية واحدة من الانفجار العظيم كان الكون حساءً بدئيًّا بالغ السخونة من الضوء والجسيمات عند نحو 10 مليارات درجة مئوية.² وبعد هذه اللحظة تباطأ التوسّع السريع، فبقي حساء كوني ساخن ومنتظم من الجسيمات دون الذرية والضوء.⁹

وفي الدقائق التالية، في حقبة تُسمى التخليق النووي، تصادمت البروتونات والنيوترونات وأنتجت العناصر الأولى: الهيدروجين والهيليوم، وآثارًا من الليثيوم والبريليوم.² وتحتوي كل نواة هيليوم تشكّلت في الانفجار العظيم على بروتونين ونيوترونين، والهيليوم هو ثاني أكثر العناصر وفرة إذ يمثل نحو ربع كتلة الكون.⁹ وبعد خمس دقائق كان معظم هيليوم اليوم قد تشكّل، وكان الكون قد تمدّد وبرد بما يكفي ليتوقف تشكّل العناصر.²

وتكمن قوة هذا الدليل في أن الوفرة المتوقعة من العناصر الخفيفة تطابق ما يُرصد اليوم في الكون.² وقد كوّنت البروتونات والنيوترونات نوى الهيدروجين والهيليوم، وهما لبنة النجوم الأساسية، لكن مرّ نحو 380,000 سنة قبل أن يبرد الكون بما يكفي لأسر هذه النوى للإلكترونات وتكوين الذرات المألوفة.⁹ وبعد أن صارت الإلكترونات الأسيرة جزءًا من الذرات تباطأت وأطلقت طاقة نرصدها اليوم على هيئة إشعاع الخلفية الكونية الميكروية.⁹

أما العناصر الأثقل فقد جاءت لاحقًا، إذ صُنعت في قلوب النجوم ونُثرت في الكون عبر المستعرات العظمى.² وقد أُنتجت عناصر الحياة الكيميائية أول مرة في الجيل الأول من النجوم بعد الانفجار العظيم.³

صيغت عبارة «الانفجار العظيم» على سبيل السخرية عام 1949، وقد التصق الاسم بالمفهوم رغم أنه مضلّل، فالنظرية تصف كونًا متوسّعًا لا انفجارًا مفرقعًا في فضاء موجود سلفًا.¹⁴ ويوضّح ما يأتي حدود ما تدّعيه النظرية وما لا تدّعيه.³

قبل نحو 13.8 مليار سنة توسّع الكون بسرعة تفوق سرعة الضوء لجزء من الثانية في مرحلة تُعرف بالتضخّم الكوني.² ويرى علماء الكون أن التضخّم يفسّر جوانب كثيرة من الكون الذي نرصده اليوم، مثل تسطّحه أو انعدام انحنائه على أكبر المقاييس.² ولا يعرف العلماء على وجه اليقين ما الذي سبق التضخّم ولا ما الذي حرّكه، وتبقى العملية الفيزيائية الكامنة وراءه مجهولة.¹¹

وتدعم بيانات WMAP سيناريو التضخّم: توسّع هائل ضاعف الكون أكثر من تريليون تريليون مرة خلال أقل من واحد على تريليون من الثانية.⁸ ويقع التضخّم عند طاقات وكثافات تتجاوز فيزياء الجسيمات القياسية وتتجاوز ما تستطيع المسرّعات الأرضية بلوغه.¹¹ وعندما توقف التضخّم انتقلت الطاقة التي حرّكته إلى المادة والضوء، وهو ما نسمّيه الانفجار العظيم.² ثم ظلّ الكون بعد التخليق النووي مظلمًا 200 مليون سنة تالية، إذ لم تكن هناك نجوم تُضيء.²

ثم اشتعلت النجوم الأولى من سحب غازية قبل نحو 150–200 مليون سنة من الانفجار العظيم.⁴ وكانت كتلتها تتراوح بين 30 و300 ضعف كتلة الشمس، وكانت أشدّ سطوعًا منها بملايين المرات.² وتجمّعت المجرات الأولى، وبحلول عمر مليار سنة كانت النجوم والمجرات قد حوّلت معظم الغاز، فصار الكون شفافًا أمام الضوء كما نراه اليوم.²

ويتتبّع الرسم الزمني المرفق هذه الرحلة في لوحة واحدة من إعداد NASA/WMAP: من التضخّم إلى النجوم الأولى والمجرات، وصولًا إلى التوسّع المتسارع اليوم.²

يقدّم الجدول الآتي الأرقام الكبرى التي تحدّد صورة الكون اليوم، من عمره وثابت هابل إلى مكوّناته ودرجات حرارته.¹⁰ وقد جمعتها أرصاد الخلفية الميكروية والقياسات المحلية على مدى عقود.⁷

في 1998 لاحظ فريقان مختلفان من الفلكيين يرصدان مستعرات عظمى بعيدة أن هذه الانفجارات بدت أخفت من المتوقع عند انزياح أحمر معيّن، وكان ذلك دليلًا على أن توسّع الكون آخذ في التسارع.⁶ وقد توّج هذا الاكتشاف بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2011 لبرلموتر وشميت وريس.⁶ وكان من أثره أن عاد إلى الواجهة الثابت الكوني الذي تخلى عنه آينشتاين، وقد ساهم جيمس بيبلز في 1984 في إحياء هذا الثابت، أي طاقة الفضاء الفارغ التي سُمّيت الطاقة المظلمة.¹⁶

ويُطلق اسم الطاقة المظلمة على القوة المجهولة التي تدفع هذا التسارع، وقد أخذ توسّع الكون يتسارع بعد تسعة مليارات سنة من بدايته.⁶ ويرجّح العلماء أن الطاقة المظلمة تعمل على تسريع التوسّع، وقد يواصل الكون توسّعه إلى الأبد.² وتشير الحسابات إلى أن الكون تباطأ تحت تأثير الجاذبية زمنًا بعد الانفجار العظيم، ثم عاد إلى التسارع عندما ضعفت هذه الارتباطات الجاذبية وتولّت الطاقة المظلمة زمام الأمر.¹⁷

وتمثّل الطاقة المظلمة نحو 68.3–70% من محتوى الكون من الكتلة والطاقة.⁶ أما تفسير طبيعتها فما يزال لغزًا: فالتناقض بين طاقة الفراغ المرصودة والمتوقعة نظريًا لم يُحلّ بعد، وقد اكتسب اسم مشكلة الثابت الكوني.⁶

ويطرح العلماء تفسيرات مرشحة: طاقة الفراغ نفسها، وحقول الكينتيسنس، وعيوبًا في نسيج الكون، أو تعديلًا للنسبية العامة.¹⁸ وتنتظر هذه الفرضيات اختبارات مقبلة مثل Euclid وRoman وRubin وDESI.¹⁸ وقد قدّم الإصدار الثاني من بيانات DESI قياسات التذبذبات الصوتية الباريونية من أكثر من 14 مليون مجرة ونجم زائف استنادًا إلى ثلاث سنوات من التشغيل.¹⁸ ويقدّم توصيف لطاقة مظلمة ذات معادلة حالة متطوّرة زمنيًا ملاءمة أفضل للبيانات المتاحة.¹⁸

يستخلص الفلكيون من أرصاد الكون القريب، بما فيها تلسكوب Hubble ومهمة Gaia، ثابت هابل عند 73.5 km/s/Mpc بهامش يقين لا يتجاوز اثنين في المئة.⁷ أما التوقع المبني على بيانات الخلفية الميكروية فيبلغ 67.4 km/s/Mpc بهامش يقين أقل من واحد في المئة.⁷ ولم يتمكّن أحد حتى الآن من تقديم تفسير مُرضٍ للفارق بين القياسين، وقد وجدت أرصاد Hubble أن الكون يتوسّع أسرع من المتوقع بنسبة 5 إلى 9 في المئة.¹⁹

وتبقى أسئلة كبرى مفتوحة: ما الذي حرّك التضخّم وما الذي سبقه، وما جسيمات المادة المظلمة التي لم تُرصد حتى الآن إلا بصورة غير مباشرة عبر تأثيرها الجاذبي.¹⁰ وهل تتغيّر الطاقة المظلمة عبر الزمن؟ يفضّل الإصدار الثاني من بيانات DESI عام 2025 طاقة مظلمة متطوّرة زمنيًا بدرجة تصل إلى 4.2 سيغما على نموذج ΛCDM.¹⁸ كما تُظهر هذه البيانات توترًا طفيفًا مع الخلفية الميكروية عند 2.3 سيغما، ويخفّف نموذج الطاقة المظلمة المتطوّرة هذا التوتر بتوصيف أفضل للبيانات.¹⁸

وتتضمّن قائمة الأسئلة أيضًا شواذّ Planck على المقاييس الزاويّة الكبيرة، إذ لا تطابق تذبذبات درجات حرارة الخلفية الميكروية في هذه المقاييس نظيرها المتوقع في النموذج القياسي.¹⁰ ويقول يان تاوبر، عالم مشروع Planck في ESA، إن النموذج القياسي لعلم الكون اجتاز كل الاختبارات حتى الآن، وإن Planck قدّم القياسات التي تُظهر ذلك.⁷

وما استقرّ في المقابل هو أن معظم علماء الكون يجمعون على أن نموذج الانفجار العظيم هو السرد الصحيح لأصل الكون وتطوّره.⁷ ولا تشكّل المادة المعروفة سوى خمسة في المئة من مجموع المادة والطاقة في الكون، أما الـ95 في المئة الباقية فمخفية عنّا.¹⁶ ومع ذلك تكفي المادة المعروفة لتتبّع تاريخ الكون من الدقائق الأولى حتى اليوم.¹⁶

بدأت الحكاية بلقب ساخر لم يخطر لأصحابه أن يصير اسمًا للعلم نفسه: فقد سخر منتقد النظرية فريد هويل من فكرة البداية الانفجارية فسماها «الانفجار العظيم» عام 1949.¹⁴ ثم جاء الدليل المفقود، إذ وُجد في همس هوائي هولمدل ما دعم النظرية ومهّد لقبولها نموذجًا قياسيًّا لعلم الكون.¹² وقد أرّخت جوائز نوبل محطات هذه الرحلة على التوالي: جائزة 1978 لبنزياس وويلسون عن اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروية.¹³

وكان القمر الصناعي COBE، الذي أُطلق في 1989 بقيادة جون ماثر، قد أكّد أن الإشعاع المنتشر يُظهر بدقة علاقات التردد والطول الموجي المتوقعة، أي طيف الجسم الأسود المثالي الذي يُتوقع أن ينتج عن أول ضوء في الكون.¹⁴ وقاست كواشفه بإشراف جورج سموت تباينات دقيقة في إشعاع الخلفية، هي آثار خافتة خلّفتها تجمّعات مادية نامية في الكون المتوسّع.¹⁴ ونال ماثر وسموت عن هذا العمل جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2006.¹⁴

ثم جاءت WMAP فقلّصت حجم المعاملات الكونية المسموح بها بأكثر من 68,000 ضعف، وحدّدت عمر الكون بـ13.77 مليار سنة بهامش لا يتجاوز نصف بالمئة.⁸ وقد رصدت COBE وWMAP وPlanck أبعد في الزمن مما يرصده تلسكوب جيمس ويب، مع أن تلسكوب جيمس ويب يرى أبعد مما رآه Hubble.³

وخلصت القياسات النهائية لكامل مهمة Planck إلى نتائج دقيقة لمعاملات كونية تخص النموذج القياسي لعلم الكون.¹⁵ وأكّد إصدارها النهائي عام 2018 صورة «الكون شبه المثالي»، وقدّمت قياسًا كميًّا لأهم توتر في علم الكون بين قيمة ثابت هابل المحلية وقيمته المستخلصة من الخلفية الميكروية.⁷ وفي 2019 نال جيمس بيبلز نصف جائزة نوبل في الفيزياء عن اكتشافات نظرية في علم الكون الفيزيائي، إطار طوّره منذ منتصف ستينيات القرن الماضي وتقوم عليه الصورة الحديثة من الانفجار العظيم حتى اليوم.¹⁶

في ما يأتي مختارات من كلمات العلماء كما وردت في مصادرها الأصلية، تبدأ بشهادة جون ماثر عن معنى الاسم نفسه.³