ما المقصود بالمجرات والكون المتوسع؟

طبق أينشتاين على الفور تقريباً نظريته في الجاذبية على الكون ككل، ونشر أول ورقة بحثية له في عام 1917، ولأنه لم يكن على دراية جيدة بالأعمال الحديثة في علم الفلك فقد افترض أن الكون ثابت وغير متغير، وافترض أينشتاين أن المادة موزعة بشكل موحد في جميع أنحاء الكون لكنه لم يستطع إيجاد حل ثابت لمعادلات مجاله، وكانت المشكلة أن الجاذبية المتبادلة لجميع المواد في الكون ستميل إلى جعل الكون ينكمش.

لذلك قدم أينشتاين مصطلحاً إضافياً يحتوي على العامل الذي يسمى بالثابت الكوني، وقدم المصطلح الجديد قوة تنافر كونية عالمية، والتي يمكن أن تعمل على مسافات كبيرة لمواجهة آثار الجاذبية، وعندما علم فيما بعد بتوسع الكون وصف أينشتاين الثابت الكوني بأنه أكبر خطأ فادح في حياته المهنية، (لكن الثابت الكوني تسلل مرة أخرى إلى علم الكونيات في أواخر القرن العشرين والقرن الحادي والعشرين حتى عندما كان أينشتاين مخطئاً كان غالباً ما يفكر في شيء عميق).

يمثل الحل الثابت لأينشتاين كوناً ذا حجم محدود ولكن بدون حواف حيث ينحني الفضاء مرة أخرى على نفسه، وبالتالي يمكن للمسافر التخيلي أن يسافر إلى الأبد في خط مستقيم ولا يصل أبداً إلى حافة الكون، والفضاء لديه انحناء موجب، وبالتالي فإن زوايا المثلث تضيف ما يصل إلى أكثر من 180 درجة على الرغم من أن الفائض سيكون واضحاً فقط في مثلثات ذات حجم كافٍ، (ويوجد تشبيه جيد ثنائي الأبعاد هو سطح الأرض إنه محدود في المنطقة ولكن ليس له حافة).

تطور علم الفلك خلال القرن العشرين:

في بداية القرن العشرين ما زال معظم علماء الفلك المحترفين يعتقدون أن درب التبانة هي في الأساس نفس الشيء مثل الكون المرئي، واعتقدت أقلية في نظرية الأكوان الجزرية أن السدم الحلزونية هي أنظمة نجمية هائلة يمكن مقارنتها بمجرة درب التبانة وتنتشر في الفضاء مع مسافات فارغة شاسعة بينها، وكان أحد الاعتراضات على نظرية الكون الجزري هو أن عدداً قليلاً جداً من الحلزونات يُرى بالقرب من مستوى مجرة ​​درب التبانة ما يسمى بمنطقة التجنب.

وبالتالي يجب أن تكون اللوالب بطريقة ما جزءاً من نظام درب التبانة، لكن عالم الفلك الأمريكي هيبركيرتس أشار إلى أن بعض الحلزونات التي يمكن رؤيتها على الحافة تحتوي بوضوح على كميات هائلة من الغبار في طائراتها الاستوائية، وقد يتوقع المرء أيضاً أن تحتوي مجرة ​​درب التبانة على كميات كبيرة من الغبار في جميع أنحاء مستواها، مما يفسر سبب عدم رؤية العديد من الحلزونات القاتمة هناك لذلك يتم حجب الرؤية ببساطة عند خطوط العرض المنخفضة للمجرة.

سرعان ما تم تحدي الطابع الثابت للكون في عام 1912 في مرصد لويل في أريزونا بدأ عالم الفلك الأمريكي فيستو إم سليفر في قياس السرعات الشعاعية للسدم الحلزونية، وكان الحلزوني الأول الذي فحصه سليفر هو سديم أندروميدا، والذي تبين أنه متحرك إلى الأزرق (أي التحرك نحو مجرة ​​درب التبانة) بسرعة تقترب من 300 كيلو متر (200 ميل) في الثانية وهي أعلى سرعة تم قياسها على الإطلاق لأي كوكب سماوي.

حتى ذلك الوقت وبحلول عام 1917 كان لدى سليفر سرعات شعاعية لـ 25 حلزونياً بعضها يصل إلى 1000 كيلو متر (600 ميل) في الثانية، ولا يمكن أن تنتمي الأجسام التي تتحرك بمثل هذه السرعات إلى مجرة ​​درب التبانة، على الرغم من أن القليل منها قد تم إزاحته باللون الأزرق إلا أن الغالبية العظمى منهم قد تحولوا إلى الأحمر بما يتوافق مع الابتعاد عن درب التبانة، ومع ذلك لم يستنتج علماء الفلك على الفور أن الكون يتوسع.

بدلاً من ذلك ونظراً لأن حلزونات سليفر لم تكن موزعة بشكل موحد حول السماء استخدم علماء الفلك البيانات لمحاولة استنتاج سرعة الشمس فيما يتعلق بنظام الحلزونات، وكانت غالبية حلزونات سليفر على جانب واحد من مجرة ​​درب التبانة وتتراجع بينما كان القليل منها على الجانب الآخر وتقترب، وبالنسبة إلى سليفر كانت مجرة ​​درب التبانة بحد ذاتها دوامة تتحرك فيما يتعلق بمجال أكبر من اللوالب.

في عام 1917 وجد عالم الرياضيات الهولندي ويليم دي سيتر حلاً كونياً آخر ثابتاً ظاهرياً لمعادلات المجال يختلف عن حل أينشتاين، والذي أظهر ارتباطاً بين المسافة والانزياح الأحمر، وعلى الرغم من أنه لم يكن من الواضح ما إذا كان حل دي سيتر يمكن أن يصف الكون لأنه خالٍ من المادة فقد دفع هذا علماء الفلك للبحث عن علاقة بين المسافة والانزياح الأحمر.

في عام 1924 نشر عالم الفلك السويدي كارل لوندمارك دراسة تجريبية أعطت علاقة خطية تقريباً (على الرغم من وجود الكثير من التشتت) بين مسافات وسرعات اللوالب، كانت الصعوبة في معرفة المسافات بدقة كافية، استخدم (Lundmark) المستعرات التي تمت ملاحظتها في سديم أندروميدا لتحديد مسافة ذلك السديم بافتراض أن هذه المستعرات سيكون لها نفس متوسط ​​السطوع المطلق مثل المستعرات في مجرة ​​درب التبانة التي كانت مسافاتها معروفة تقريباً.

وبالنسبة إلى الحلزونات الأبعد استدعى لوندمارك الافتراضات الأولية بأن تلك الحلزونات يجب أن يكون لها نفس القطر والسطوع مثل سديم أندروميدا، وهكذا فإن المستعرات تعمل كشموع قياسية (أي كائنات ذات سطوع محدد) وبالنسبة إلى اللوالب الأبعد أصبحت اللوالب نفسها هي الشمعة القياسية.

ومن الناحية النظرية درس عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان بين عامي 1922 و1924 الحلول الكونية غير الثابتة لمعادلات أينشتاين، تجاوزت هذه النماذج نموذج أينشتاين من خلال السماح بتوسع أو تقلص الكون وما وراء نموذج دي سيتر من خلال السماح للكون باحتواء المادة، وقدم فريدمان أيضاً نماذج كونية ذات انحناء سلبي، (في الفضاء ذي الانحناء السلبي تضيف زوايا المثلث أقل من 180 درجة).

لم يكن لحلول فريدمان تأثير فوري يذكر جزئياً بسبب وفاته المبكرة في عام 1925 وجزئياً لأنه لم يربط عمله النظري بالملاحظات الفلكية، لم يساعد أن نشر أينشتاين ملاحظة تدعي أن ورقة فريدمان عام 1922 تحتوي على خطأ جوهري؛ لذلك سحب أينشتاين لاحقاً هذا النقد.

تطوير نظرية الانفجار العظيم:

في عام 1927، نشر الفيزيائي ورجل الدين البلجيكي جورج لوميتر ورقة جمعت النظري والتجريبي معًا بشكل مباشر، وكانت تتضمن على لكتلة الثابتة ونصف القطر المتزايد وحساب السرعة الشعاعية للسدم خارج المجرة في الفلك.

وقد بدأ (Lemaître) بدراسة الحلول الديناميكية لنموذج أينشتاين (مع تضمين الثابت الكوني)؛ أي تلك الحلول بنصف قطر كوني يتغير بمرور الوقت، لقد عالج تحولات دوبلر للسدم الحلزونية كدليل على توسع كوني واستخدم الانزياحات الحمراء ومسافات 42 سديماً؛ لاستنتاج قيمة منحدر الرسم البياني للسرعة والمسافة، وفي ذلك الوقت لم يكن لورقة (Lemaître) سوى تأثير ضئيل ويرجع ذلك جزئياً، إلى أنها نُشرت في حوليات الجمعية العلمية في بروكسل الغامضة إلى حد ما، وقد تم تقديرها بالكامل بعد بضع سنوات فقط عندما أصبح علماء الكون وعلماء الفلك أكثر انفتاحاً على فكرة الكون المتوسع.

في عام 1929 بناءً على عمل فريدمان لخص عالم الرياضيات والفيزيائي الأمريكي هوارد ب.روبرتسون المقياس الأكثر عمومية للزمكان والمكان على أساس افتراض أن الكون متجانس (من نفس الكثافة في كل مكان) وخواص الخواص (نفس الشيء في كل الفضاء الاتجاهات)، (إن المقياس هو تعميم لنظرية فيثاغورس التي تصف الهندسة المتأصلة في الزمان والمكان).

حصل عالم الرياضيات الإنجليزي آرثر جي ووكر على نتائج مماثلة لذلك يسمى هذا المقياس مقياس روبرتسون ووكر، كان مقياس روبرتسون ووكر وتوسع الكون (كما يتضح من الانزياح الأحمر في المجرة) الأسس المزدوجة التي بُنيت عليها الكثير من علم الكونيات في القرن العشرين، حيث كان عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل أكثر المراقبين تأثيراً في جيله، وباستخدام عاكس 100 بوصة (254 سم) في مرصد جبل ويلسون حدد هابل في عام 1923 نجماً متغيراً من نوع (Cepheid) في سديم أندروميدا، ومن هذا المنطلق كان قادراً على تحديد مسافة أكثر دقة إلى السديم مستخدماً متغير (Cepheid) باعتباره شمعة قياسية أفضل بكثير.

تختلف (Cepheids) في السطوع بطريقة منتظمة، ويمكن التعرف عليها بسهولة مع زيادة سريعة في السطوع يتبعها انخفاض أبطأ، وفي عام 1908 وجدت عالمة الفلك الأمريكية هنريتا ليفيت علاقة بين الفترة الزمنية والسطوع، فكلما كان (Cepheid) أكثر إشراقاً زادت مدته، واصل إجنار هيرتزبرونج وعالم الفلك الأمريكي هارلو شابلي معايرة العلاقة من حيث المقادير المطلقة.

يمكن أن يقيس هابل فترة (Cepheid) بسهولة، ويمكنه بعد ذلك استخدام منحنى المعايرة لتحديد المقدار المطلق للنجم أو السطوع الجوهري والسطوع الجوهري مقارنة بالسطوع المرصود يعطي مسافة النجم، وأثبت هذا القياس بما لا يدع مجالاً للشك أن سديم أندروميدا يقع خارج مجرة ​​درب التبانة وهو مجرة ​​بحد ذاتها، أكد العمل الإضافي الذي قام به هابل مع المتغيرات (Cepheid) في السدم الحلزونية الأخرى نظرية الكون الجزري.

وعندما تحول هابل إلى مشكلة علاقة الانزياح عن بُعد إلى الأحمر سرعان ما حل محل عمل سليفر، في عام 1929 نشر هابل ورقة بحثية تظهر علاقة خطية واضحة بين المسافة والانزياح الأحمر والتي فسرها على أنها سرعة.