عدد فوتونات الضوء التي أنتجتها كل النجوم في الكون

هل تساءلت عن كمية الضوء التي أنتجتها كل النجوم في الكون، على مدار كل هذه السنوات؟

حسنًا، الآن يمكنك أن تتوقف عن التساؤل؛ فقد احتسب فريق دولي من علماء الفلك كمية ضوء النجوم في الكون. وهذا يعلمنا أشياء جديدة حول السنوات الأولى في عمر الكون. فمنذ الوقت الذي حدث به الانفجار العظيم – قبل ما يقارب 13.7 مليار عام- أنتج كوننا العديد والعديد من المجرات، والكثير جدًا من النجوم. ما يقرب من 2 تريليون مجرة، تحتوي على تريليون تريليون نجم.

وعلى مدى عقود من الزمن، تيقن العلماء أن معرفة مقدار الضوء الذي أنتجته كل هذه النجوم على مدار عمر الكون سيكون وسيلة فعالة لفهم المراحل الأولى من عمر الكون، بالإضافة إلى معرفة تاريخ تكوُّن النجوم.

ولكن قياس هذه الكمية ليس بالأمر السهل على الإطلاق؛ فبينما هناك الكثير من النجوم التي تنتج الكثير جدًا من فوتونات الضوء، فإن الفضاء شاسع بصورة لا تُصدق، وضوء النجوم خافت للغاية. بالإضافة للتداخل والتشويش بسبب الضوء البروجي، والتوهج الخافت من مجرتنا درب التبانة؛ فلا يمكن رصد ضوء النجوم في الكون مباشرة.

ومع ذلك، توصل عالم الفيزياء الفلكية ماركو أجيلو-Marco Ajello وفريقه من جامعة كليمسون لوسيلة غير مباشرة لقياس كمية ضوء النجوم؛ باستخدام فوتونات أشعة جاما.

كما ذكر أجيلو لموقع (ScienceAlert): «هذه هي الفوتونات التي تمتلك طاقةً عاليةً جدًا، عادةً ما تكون أعلى من طاقة الضوء المرئي بمليارات المرات. ومن خلال انتقالها في الفضاء يمكن أن تُمتص أشعة جاما من خلال تفاعلات مع فوتونات ضوء النجوم. فإذا كان هناك الكثير من هذه الفوتونات، فسيكون هناك الكثير من الامتصاص؛ حتى نتمكن من حساب عدد الامتصاصات التي نراها وذلك لنحدد كثافة ضوء النجوم لحقل الفوتون بيننا وبين مصدر أشعة جاما».

وباستخدام البيانات التي جمعها تلسكوب فيرمي الفضائي لأشعة جاما التابع لناسا على مدار تسع سنوات، حلّل أجيلو وفريقه الضوء القادم من 739 نجم زائف متوهج-blazars (وهي مصادر قوية جدًا لأشعة جاما) خلال الكون، ليحددوا معدل الامتصاص في الضوء الأساسي خارج المجرة، وهو الإشعاع التراكمي الأساسي للكون نتيجة عملية تكون النجوم.

ما أعطاهم كثافة فوتونات ضوء النجوم في هذا الضوء الأساسي، ولأن هذه النجوم المتوهجة على مسافات متباينة؛ تمكن العلماء من احتساب الكثافة على مدار فترات زمنية متنوعة.

فبمجرد أن احتسبوا وطرحوا الضوء من المصادر الأخرى، مثل الأقراص المُزوِّدة المتوهجة حول الثقوب السوداء الهائلة، أمكنهم ضرب هذه الكثافة في حجم الكون للحصول على عدد فوتونات الضوء التي أنتجتها النجوم منذ بداية عمر الكون.

وكما قال أجيلو: «نحن نمتلك في الأساس أداة مثل الكتاب الذي يحكي لنا قصص ضوء النجوم عبر تاريخ الكون، وأخيرًا وجدنا هذا الكتاب، وبإمكاننا قراءته فحسب؛ لذا كان هذا ما فعلناه؛ فقمنا بقياس تاريخ تكون النجوم في الكون بأكمله».

يبدو أنه من السهل شرح ذلك، ولكنه كان عملًا مضنيًا ومعقدًا بالفعل؛ إذ استغرق البحث من الفريق حوالي ثلاث سنوات، ولكن الأمر كان يستحق كل هذا العناء.

فنحن على دراية الآن بأنه في الوقت الذي جمع فيه تلسكوب فيرمي بياناته، أنتجت النجوم الكونية ما يعادل (4×10⁸⁴) أو (4(10 للأس 84)) فوتون.

هل تحتاج إلى توضيح لهذا الرقم؟ إليك ذلك 4,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

بالفعل، هو رقم 4 ويتبعه 84 صفرًا. هذه حقيقة مذهلة ورائعة، لذا حاول الاحتفاظ بها لوقت لاحق.

ومع ذلك، يمكنك أن تراهن أن العلم يصبح أكثر روعة؛ لأن هذا الرقم الهائل يكشف الحجاب عن فترة زمنية غامضة في عمر الكون؛ وهي (حقبة عودة التأين – Epoch of Reionisation)، والتي بدأت بعد حوالي 500 مليون عام من الانفجار العظيم. كثيرًا ما نُصادف مصطلح “الكأس المقدسة” بخصوص هذا الأمر، لكن حقبة عودة التأين هي بالفعل كأسٌ مقدسة؛ فهي تعتبر في الأساس الفترة الزمنية التي اشتعلت بها أضواء الكون.

فقبلها كان الفضاء معتمًا. ثم ظهر شيء ما، وتسبب في تأيّن كل الهيدروجين المحايد، بحيث يمكن للإشعاع -بما في ذلك الضوء- التدفق بحرية عبر الكون.

كما يشرح أجيلو: «من خلال قياساتنا، يمكننا أن نصل إلى أول مليار عام من عمر الكون، وهي فترة زمنية مثيرة للاهتمام للغاية، فهي بعيدة عنّا جدًا لدرجة أن كل التلسكوبات العملاقة الهائلة للغاية لا تستطيع أن تراها. فالأجسام هناك بعيدة وخافتة جدًا لدرجة أننا لا نستطيع رؤيتها. ولكن بدلًا من ذلك، ما زلنا نرى الضوء الصادر من تلك الأجسام».

وجد الفريق أمرين لافتين للنظر في هذه المرحلة الزمنية: عدد هائل من فوتونات الضوء فوق البنفسجي، والذي كان متوقعًا وجوده لعملية عودة التأين، وأن مصادر تلك الفوتونات فوق البنفسجية كانت مجموعات من المجرات الشاذة (وهي مجرات صغيرة ومتكتلة وغير متماثلة، تنتج الكثير من الأشعة فوق البنفسجية). وقد تُشكِّل القوى الدافعة وراء عملية عودة التأين.

ومن المتوقع أن يتمكن تلسكوب جيمس ويب الفضائي-James Webb Space Telescope، المقرر إطلاقه عام 2021، من تزويدنا بالمزيد من المعلومات حول حقبة عودة التأين.

وفي هذه الأثناء، سيقوم أجيلو وفريقه بتطبيق كتاب النجوم على إجراء دراسات أعمق للكون، مثل معدل توسعه، وثابت هابل الذي يصعب جدًا تحديده حتى الآن.

فقال أجيلو: «تَبيَّن أن قياساتنا حساسة جدًا لمعدل توسع الكون، ويمكن استخدام هذا الأمر في قياس ثابت هابل الآن، وهو ما ننوي القيام به بالفعل».