لماذا السماء مظلمة في الليل؟ 200 عام من تاريخ سؤال غيّر فهمنا للكون

مع بزوغ الفجر فوق مدينة بريمن الألمانية في 7 مايو 1823 ، وضع هاينريش أولبيرز اللمسات الأخيرة على مقال ترك اسمه في التاريخ. بعد وفاة زوجته وابنته ، تخلى الدكتور أولبيرز مؤخرًا عن عمله كطبيب عيون ليكرس نفسه لمشاعره الليلية: النجوم والقمر والنيازك والمذنبات.

مثل العديد من أقرانه ، قام أولبيرز بتدريب نفسه في علم الفلك. اكتسب سمعة طيبة في العالم الأكاديمي وقضى ليال طويلة في مراقبة السماء من المرصد في الطابق الثاني من منزله.

في ذلك الصباح ، توصل أولبرز إلى نتيجة غريبة: بناءً على كل ما كان معروفًا عن الكون في ذلك الوقت ، لا ينبغي أن تكون السماء مظلمة. في الواقع ، كان من المفترض أن تتوهج كل السماوات بنفس سطوع الشمس.

لم يكن أولبرز أول من لاحظ هذا التناقض. لكن اسمه هو الذي نعلقه عليه اليوم. تردد صدى لغز الظلام في سماء الليل على مر القرون من أولبرز والشاعر إدغار آلان بو إلى علماء الفلك ومسابر الفضاء في القرن العشرين.

الضوء المنتهي في كون لا نهائي

مثل العديد من معاصريه ، اتبع أولبرز إسحاق نيوتن ورينيه ديكارت في الاعتقاد بأن الكون كان لانهائيًا.

إذا كان الكون محدودًا وثابتًا ، فإن قوة الجاذبية يجب أن تجمع كل النجوم معًا عند نقطة مركزية. ولكن إذا امتد الكون إلى الأبد ، فستتوازن قوى الجاذبية في المتوسط ​​في جميع الاتجاهات.

لكن أولبرز أدرك أن نموذج الكون هذا لا يتوافق مع الملاحظات. في كون غير محدود مليء بعدد لا حصر له من النجوم ، أينما ننظر إلى الليل ، يجب أن تهبط نظرتنا على سطح نجم ، تمامًا مثل كل خط رؤية في الغابة ينتهي عند شجرة.

هذه هي المشكلة التي أثارها أولبرز في ورقته البحثية في 7 مايو 1823: اقترح النموذج الكوني في ذلك الوقت أن تكون كل نقطة في السماء مشرقة مثل سطح الشمس. يجب ألا يكون هناك ليل.

اقترح Olbers حلاً: الضوء القادم من النجوم البعيدة يمتص بواسطة الغبار أو أي مادة أخرى تطفو في الفضاء. أشار عالم الفلك الإنجليزي جون هيرشل لاحقًا إلى أن هذا لا يمكن أن يكون صحيحًا ، لأن أي شيء يمتص هذا القدر من الضوء سوف يسخن في النهاية بدرجة كافية للتوهج.

عندما توفي أولبرز في الثاني من مارس عام 1840 ، عن عمر يناهز 81 عامًا ، لم يتم حل اللغز الذي نعرفه اليوم باسم مفارقة أولبر.

حدس الشاعر

بعد ثماني سنوات ، على الجانب الآخر من المحيط الأطلسي ، اعتقد الشاعر والكاتب إدغار آلان بو أنه وجد إجابة. في 3 فبراير 1848 ، ألقى محاضرة عامة حول أفكاره إلى 60 شخصًا في مكتبة جمعية نيويورك.

بين الميتافيزيقيا والعلم ، جادل بو بأن الكون نشأ من حالة واحدة للمادة (“الوحدانية”) التي تشتت وتشتت بفعل قوة بغيضة.

هذا يعني أن الكون كان مجالًا محدودًا من المادة. إذا كان الكون المحدود مأهولًا بعدد صغير بما يكفي من النجوم ، فلن نرى واحدًا في كل اتجاه ننظر إليه. يمكن أن يكون الليل مظلما مرة أخرى.

حتى لو افترضنا أن الكون لا نهائي ، إذا بدأ في وقت ما في الماضي ، فإن الوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلينا سيحد من حجم الكون الذي يمكننا رؤيته. من شأن وقت السفر هذا أن يخلق أفقًا ستظل النجوم البعيدة بعده غير قابلة للوصول.

لم يمنحه جمهور بو في مكتبة جمعية نيويورك الاستقبال الحماسي الذي كان يأمل فيه. في وقت لاحق من نفس العام ، نشر نظرياته في قصيدة النثر Eureka ، والتي تم تداولها قليلاً.

في العام التالي ، في 7 أكتوبر 1849 ، توفي بو عن عمر يناهز الأربعين. وقد مر أكثر من قرن قبل أن يؤكد العلماء حدسه حول لغز سماء الليل المظلمة.

حقيقتان ونصف

في النصف الأول من القرن العشرين ، تم تطوير العديد من النظريات الجديدة عن الكون ، مدفوعة بنظرية أينشتاين للنسبية العامة ، والتي فسرت الجاذبية والمكان والزمان بطرق جديدة. في النصف الثاني من القرن ، بدأ اختبار هذه النظريات الكونية بالملاحظات.

في عام 1963 ، جادل عالم الفلك البريطاني بيتر شوير بأن علم الكونيات يعتمد فقط على “حقيقتين ونصف”:

• الحقيقة 1: سماء الليل مظلمة ، والتي كانت معروفة لبعض الوقت
• الحقيقة 2: المجرات تبتعد عن بعضها البعض ، كما أظهرت ملاحظات هابل المنشورة عام 1929
• الحقيقة 2.5: من المحتمل أن محتوى الكون يتطور مع تطور الزمن الكوني.

أثارت الخلافات القوية حول تفسير الحقائق 2 و 2.5 إثارة المجتمع العلمي في الخمسينيات والستينيات. هل كان الكون ثابتًا بشكل أساسي ، أم أنه بدأ بانفجار هائل – انفجار عظيم؟ اعترف أنصار كلا الجانبين ، مع ذلك ، أنهم بحاجة إلى شرح ظلام سماء الليل.

عمر النجوم

حل عالم الكونيات البريطاني إدوارد هاريسون الصراع في عام 1964. وأظهر أن العامل الرئيسي الذي يحدد سطوع سماء الليل هو في الواقع العمر المحدود للنجوم.

عدد النجوم في الكون المرئي كبير للغاية ، لكنه محدود. هذا العدد المحدود ، كل احتراق لفترة محدودة ، منتشر على حجم هائل ، يتيح للظلام إظهار نفسه بين النجوم.

أدرك هاريسون لاحقًا أن هذا الحل قد تم اقتراحه بالفعل ليس فقط من قبل إدغار آلان بو ، ولكن من قبل الفيزيائي البريطاني اللورد كلفن في عام 1901.

أكدت الملاحظات في الثمانينيات القرار الذي اقترحه بو وكلفن وهاريسون. تم أخيرًا التخلص من مفارقة أولبر.

الضوء الأحفوري

أو ربما ليس تمامًا. إذا نظرنا إليها من زاوية مختلفة ، هناك حل آخر للمفارقة: سماء الليل ليست في الواقع مظلمة للغاية في النهاية.

بعد اكتشاف توسع الكون في أواخر العشرينيات من القرن الماضي ، أدرك العلماء أن الكون يمكن أن يبدأ من كونه مضغوطًا للغاية ، كثيفًا وساخنًا. هذا هو نموذج “الانفجار الكبير الساخن” الذي لدينا اليوم.

أحد التنبؤات الأساسية لهذا النموذج هو وجود “الضوء الأحفوري” المنبعث في الفجر الكوني. يجب أن يكون هذا الضوء الأحفوري مرئيًا اليوم – ولكن ليس بالعين المجردة ، لأن الكون المتوسع كان سيحوله إلى أطوال موجية أطول.

تم اكتشاف هذا الإشعاع – الخلفية الكونية الميكروية – في عام 1964. الآن تم قياس إشعاع الخلفية الكونية بدقة متناهية ، وهو الضوء الأكثر شيوعًا في الكون.

نحن نعلم الآن أن الكون مضاء أيضًا بضوء خلفية ثانٍ أكثر خفوتًا ، ينتج عن المجرات أثناء تشكلها وتطورها. يشار إلى هذا الضوء باسم الخلفية الكونية فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء.

لذلك يمكننا أيضًا الإجابة على مفارقة أولبر بالقول إن السماء ليست مظلمة ، لكنها تلمع بضعف مع بقايا الإشعاع الخافت لكل ما كان على مدى العمر المحدود للكون.

إجابات جديدة ، أسئلة جديدة

في عام 2023 ، تطورت مفارقة أولبر إلى مجال ثري من الأبحاث. في عملنا الخاص ، نقوم بإجراء قياسات أكثر دقة لسطوع سماء الليل ، ونحاكي نجوم الكون بأجهزة الكمبيوتر العملاقة. يمكننا الآن تحديد عدد النجوم في السماء بدقة كبيرة.

ومع ذلك ، تبقى الألغاز. في العام الماضي ، وجد المسبار الفضائي نيو هورايزونز ، خارج مدار بلوتو وبعيدًا عن غبار النظام الشمسي الداخلي ، أن السماء أكثر سطوعًا مرتين مما توقعناها.

وهكذا فإن مسألة ظلام السماء ما زالت قائمة ، عابرة العصور والثقافات.