تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هي ظاهرة الانزياح نحوَ الأحمر؟

الضوء المرئي عبارةً عن أمواج كهرومغناطيسية تتكوَّن من عدة تردُّدات يُعبَّر عنها بالألوان البسيطة، وتكون هذهِ الألوان مرتبةً من أدنى تردّد إلى أعلى تردّد، كما يلي: الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، البنفسجي. ويَحدثُ الانزياح نحوَ الأحمر عندما يتحرَّك مصدر الضوء بعيداً عن الراصد (المراقب)؛ إذ يؤدي هذا إلى انخفاض تردّد الضوء، وتحوُّله نحوَ اللون الأحمر، فعندما يتحرَّك مصدرُ الضوء بعيداً عن الراصد، ينزاح تردّد الضوء المَرصود نحوَ اللون الأحمر، ويتمُّ تفسير الانزياح نحوَ الأحمر بشكلٍ أفضل عندما يُفهم الضوء على أنَّه موجةٌ مُنتشرة، لذا لابدَّ من التعرُّف على الموجة وعلى خصائصها.

ما هيَ الموجة؟

في الفيزياء، الموجة عبارةٌ عن تَشوُّهٍ ديناميكي ينتشرُ خلال وسطٍ ما، فمثلاً: الأمواج الصوتية هيَ أمواج منَ الطاقة تنتشرُ من خلال التخلخلات والانضغاطات في جزيئات الهواء، والأمواج الكهرومغناطيسية، كالضوء المرئي هيَ عبارةً عن أمواج عرضية بسيطة منَ الطاقة تنتشرُ عبرَ المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

يُعبَّر عن الموجة بعددٍ منَ البارامترات (المُتغيرات) منها الطول الموجي، وهوَ المسافة بين النقاط المُشتركة على موجتين، أي النقاط التي يكون لها نفس الحالة الاهتزازية، كالمسافة بينَ قمتين أو قاعين للموجة، وسعة الموجة، وهوَ مَدى ارتفاع الموجة، وتردّد الموجة، وهوَ عدد الأمواج التي تمرُّ بنقطةٍ معينةٍ في الثانية.

كما هوَ مَعروفٌ، فإنَّ الأمواج ذات الأطوال الموجية الأقصر يكونُ لها تردّدات أعلى، وذلكَ لأنَّ هذهِ الأمواج تكونُ أقرب إلى بعضها البعض، وبالتالي يُمكنُ لعددٍ أكبر منَ الأمواج أن تمرّ بنقطةٍ مُعينةٍ منها في الثانية، في حين أنَّ الأطوال الموجية الأكبر يكونُ لها تردّدات أقل، وذلكَ لأنَّ دورة الموجة الكاملة تَستغرقُ وقتاً أطول لتمرير نقطةٍ مُعينة. ^{[1] [2]}

ما الذي يُسبّب الانزياح نحوَ الأحمر للضوء؟

تَعودُ الأسباب الرئيسية للانزياح نحوَ الأحمر للطيف الكهرومغناطيسي في علم الفلك وعلم الكونيات إلى الحركات النسبية لمصادر الإشعاع، والتي تنتجُ عن تأثير دوبلر، وهوَ التغيُّر في الطول الموجي، وفي تردّد الضوء عندما يقتربُ المصدر منَ المراقب أو يبتعدان عن بعضهما.

تُظهرُ جميع مَصادر الضوء البعيدة بدرجةٍ كافيةٍ انزياحاً نحوَ الأحمر يتوافق معَ سرعة تمدّد الكون، وهيَ حقيقة تُعرف باسم قانون هابل الذي يُشيرُ إلى أنَّ الكون يتوسَّع. يُعبَّر عن الانزياح نحوَ الأحمر من خلال معامل الانزياح نحوَ الأحمر، والذي يُرمز له بالرمز z، ويُحسبُ باستخدام المعادلة التالية: ^[3]

z = (λ_observed – λ_rest) / λ_rest

حيثُ λ_observed هو الطول الموجي المَرصود للخط الطيفي الناتج عن المَصدر، وλ_rest هوَ الطول الموجي لهذا الخط عندما يكون المَصدرُ ساكناً. تُعطي قيم z عدد السنوات الضوئية التي قطعها الضوء منَ الجسم للوصول إلينا.

يَقيسُ علماء الفلك الانزياح نحوَ الأحمر بطرقٍ عديدةٍ، إلَّا أنَّ الطريقة الأكثر دقَّةً لقياسهُ هي باستخدام التحليل الطيفي، فعندما يَسقطُ شعاعٌ منَ الضوء الأبيض على مَنشوراً مُثلّثياً (موشور)، فإنَّه يتحلل إلى ألوانهِ الأساسية، والتي تُعرفُ باسم الطيف.

يَستطيعُ علماء الفلك النظر إلى هذهِ الأطياف الناتجة عن العناصر المُختلفة ثمَّ مُقارنتها بأطياف النجوم المَدروسة، فعندَ ملاحظة أي انزياحٍ لخطوط الامتصاص أو الإصدار التي يرونها في أطياف النجم، فإنَّهم يعرفون أنَّ الجسم يتحرَّك إمّا نحونا أو بعيداً عنا.

بالنسبةِ للأجسام البعيدة، مثلَ: النجوم الزائفة أو الكوازارات (Quasars)، وهيَ المنطقة المُحيطة مباشرةً بالثقوب السوداء، والمكوَّنة من غازاتٍ ساخنةٍ جداً، حيثُ تصلُ درجة حرارتها لعدَّة مئات الآلاف منَ الدرجة المئوية، والتي يكون بعضها خافتاً جداً، بحيثُ لا يُمكن ملاحظتهُ بواسطة التحليل الطيفي، يقومُ علماء الفلك بقياس الانزياح نحوَ الأحمر في هذهِ الحالة منَ خلال مُرشحاتٍ مُختلفة، إذ تظهر ذروة السطوع من خلال المُرشحات باتجاه الطرف الأحمر منَ الطيف.

يُساعدُ الانزياح نحوَ الأحمر علماء الفلك على مُقارنة مسافات الأجسام البعيدة، ففي عام 2011 أعلنَ مجموعةً منَ العلماء أنَّهم استطاعوا رؤية أبعدَ جرمٍ سماويٍ تمّت رؤيتهُ على الإطلاق، وهوَ انفجارٌ لأشعة غاما يُسمّى GRB 090429B، والذي نتجَ عن نجمٍ مُنفجر، حيثُ قدَّر العلماء أنَّ هذا الانفجار حدثَ قبل 13.14 مليار سنة، وعلى سبيل المُقارنة نذكرُ أنَّ الانفجار العظيم حدثَ قبل 13.8 مليار سنة. ^{[4] [5]}

تاريخ اكتشاف ظاهرة الانزياح نحوَ الأحمر

يَعودُ اكتشاف ظاهرة الانزياح نحوَ الأحمر للقرن التاسع عشر، وذلكَ نتيجةً لتطور ميكانيكا الأمواج الكلاسيكية، واكتشاف الظواهر المُرتبطة بتأثير دوبلر، وتمَّ اختبار الفرضية الخاصة بانزياح الأمواج الصوتية، وتأكيدها على يد العالم الهولندي كريستوفروس بالوت في عام 1845، إذ توقَّع أنَّ ظاهرة الانزياح نحوَ الأحمر يُمكن أن تنطبقَ على جميع الأمواج، بما فيها الأمواج الضوئية، حيثُ اقترحَ أنَّ الألوان المُتغيرّة للنجوم يُمكن أن تُعزى إلى حركتها بالنسبة للأرض وليسَ لدرجة حرارة النجم.

وتمَّ إثبات صحة ذلكَ من خلال عمليات رصد الانزياح نحوَ الأحمر من قبل الفيزيائي الفرنسي هيبوليت فيزو عام 1848، الذي لاحظَ التحوُّل في الخطوط الطيفية التي تَظهرُ في النجوم، حيثُ أطلقَ على هذا التأثير أسم “تأثير دوبلر– فيزو”. وفي عام 1868، استطاعَ عالم الفلك البريطاني ويليام هوجينز من تحديد سرعة تحرُّك أحد النجوم المُبتعدة عن الأرض بهذهِ الطريقة، وفي عام 1887، اكتشفَ فوغل وشاينر “تأثير دوبلر السنوي”.

وهوَ التغيُّر السّنوي في إزاحة دوبلر للنجوم الواقعة بالقرب من مَسير الشمس، وذلكَ بسبب السرعة المَدارية للأرض، وفي عام 1901، تحققَ أريستارخ بيلوبولسكي منَ الانزياح البصري نحوَ الأحمر في المُختبر باستخدام نظام المرايا الدوّارة. في عام 1912 اكتشفَ فيستو سليفر أنَّ مُعظم المجرات الحلزونية، والتي كان يُعتقدُ في ذلكَ الوقت أنَّها سدمٌ حلزونية، لديها انزياحات كبيرة نحوَ الأحمر.

وبعدها اكتشف إدوين هابل علاقة تقريبية بينَ الانزياحات نحوَ الأحمر لهذهِ المجرّات والمسافات بينها، وصاغَ وفقاً لها قانون هابل الذي يَحمل اسمهُ، وأيَّدت هذهِ الملاحظات عمل ألكسندر فريدمان عام 1922، والذي اشتقَّ فيهِا معادلات فريدمان- ليميتر، والتي تُعتبر الآن بمثابة دليلاً قوياً على توسُّع الكون ونظرية الانفجار العظيم.

وأفادَ عالم الفلك الأمريكي إدوين باول هابل في عام 1929 أنَّ المجرّات البعيدة كانت تنحسرُ عن مجرّة درب التبانة، وأنَّ انزياحها نحوَ الأحمر يزدادُ بشكلٍ يتناسبُ معَ المَسافة المُتزايدة بينها، وأصبحَ هذا التعميم الأساس لما يُسمّى بقانون هابل، الذي يربطُ بين سرعة المَجرّة وبينَ بعدها عن الأرض.

ومنذُ أوائل الستينيات، اكتشفَ علماء الفلك أجساماً كونية تُعرف باسم النجوم الزائفة أو الكوازارات، والتي تُظهر انزياحاتٍ نحوَ الأحمر أكبر من الانزياحات لأبعد المجرّات التي تمَّ رصدها سابقاً، إذ تُشير هذهِ الانزياحات نحوَ الأحمر الكبيرة للعديد منَ النجوم الزائفة إلى أنَّها تتحركُ بعيداً عن الأرض بسرعاتٍ هائلةٍ (أي حوالي 90 بالمائة من سرعة الضوء)، لذلكَ تُعتبرُ هذهِ النجوم من أبعد الأجسام في الكون.

وبدأ أوَّل مسحٍ للانزياح نحوَ الأحمر في عام 1977 للمجرة 2dF، وذلكَ عن طريق قياس الانزياح نحوَ الأحمر لأكثر من 220.000 جرمٍ سماوي؛ وتمَّ الانتهاء من جمع البيانات في عام 2002، وأُعلنت البيانات النهائية في 30 يونيو 2003، وبدأ المسح الذي أطلقَ عليهِ اسم مسح “سلون” الرقمي للسماء (SDSS) منذُ عام 2013، والذي هدفَ إلى قياس الانزياح نحوَ الأحمر لحوالي 3 ملايين جرمٍ سماوي. ^{[6] [7]}

تأثير دوبلر

عندَ سماع سيارة الإسعاف أو صفارات الإنذار الخاصة بالشرطة أثناء مُرورها، نلاحظُ ارتفاعاً في حِدَّة الصوت عندَ توجُّه سيارة الإسعاف نَحونا، وانخفاضاً في حدَّته عندَ ابتعادها عنا. يحدثُ ذلكَ نتيجةً لانضغاط عدد الأمواج إلى مسافةٍ صغيرةٍ، فيزداد عدد الأمواج ضمنَ مسافةٍ مُحددةٍ، مما يُسبّبُ زيادةً في التردُّد، وهذهِ الزيادة في تردُّد الأمواج الصوتية تَجعلُ طبقة الصوت تبدو أعلى، وعندَ تجاوز سيارة الإسعاف وتحركها بعيداً، تنتشرُ الأمواج الصوتية عبرَ مسافةٍ مُتزايدة.

وبالتالي يقلُّ التردُّد، فتبدو طبقة الصوت أقل، وهذا ما يُسمّى بتأثير دوبلر، وذلكَ نسبة لعالم الرياضيات النمساوي كريستيان دوبلر، والذي قدمَ أوَّل تفسير فيزيائي مَعروف لهذهِ الظاهرة في عام 1842. وبما أنَّ الضوء عبارةٌ عن أمواجٍ، مثلَ: الصوت، لذا يَحدثُ تغيُّرٌ في التردُّد والطول الموجي للضوء إذا كان المَصدر يتحرُّك بالنسبة للمراقب، إذ يؤدي تأثير دوبلر إلى إزاحةٍ في الطول الموجي للضوء عندما يبتعدُ المصدر بعيداً عن المراقب، مما يؤدي إلى طولٍ موجي أطول، وبالتالي حدوث انزياح نحوَ الأحمر. ^[8]

تُظهِرُ الأجسام الفلكية، مثل تلكَ المَوجودة داخل مَجرتنا أو المناطق المَجاورة لها، انزياحاتٍ نحوَ الأحمر ناجمة عن تأثير دوبلر نتيجةً لتوسِّع الفضاء. يُمكنُ عن طريق هذهِ الانزياحات مَعرفة حركة النجوم داخل مَجرّتنا، مما يوفِّر أدلَّةً تُساعدنا على فهمِ المجرّة، كما تُساعدنا هذهِ الانزياحات أيضاً في معرفة كتلة مَجرتنا والمَجرات الأخرى، وعلى إيجاد السرعات المَدارية لهذهِ الأجسام حولَ مركز المَجرّة.

كيفَ يُظهِر الانزياح نحوَ الأحمر أنَّ الكون يتوسّع؟

يُمكنُ لعلماء الفلك التعرُّف على حركة الأجسام الكونية من خلال النظر إلى الطريقة التي يَتغيَّرُ فيها لونها بمرورِ الزمن، على سبيل المثال: إذا كان جسماً ما أكثر احمراراً مما توقعنا، فيمكننا أن نستنتج أنَّه يتحرَّك بعيداً عنا، وإذا كان أكثر زرقةً يُمكننا أن نقول أنَّه يتحرَّك نَحونا.

يتمُّ قياس الانزياح نحوَ الأحمر لجسمٍ ما عن طريق فحص خطوط الامتصاص أو خطوط الإصدار في طيفه، وهذهِ الخطوط تكونُ فريدةً لكل عنصر، فعندما يتحرَّك جسمٌ ما في الفضاء باتجاهنا أو بعيداً عنا، يُمكن العثور على الخطوط بأطوالٍ موجيةٍ مُختلفةٍ عما كانت ستكون عليهِ إذا كان الجسم لا يتحرك.

لاحظَ العلماء أنَّ جميع المجرّات التي تمَّ رصدها من الأرض تُعاني من انزياحٍ نحوَ الأحمر، ولذلك فإنَّ جميع المَجرّات تقريباً تبتعدُ عن بعضها البعض، وبالتالي يُمكننا القول بإنَّ الكون يتوسّع، وكان عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل أوَّل من وصفَ ظاهرة الانزياح نحوَ الأحمر وربطها بالكون المتوسِّع.

إذ اكتشفَ أنَّه كلما كانت المجرّة أبعد، كلما زادَ انزياح ضوؤها نحوَ الأحمر، وهذا يعني أنَّه كلما كانت المجرة أبعد، كلما كانَ ابتعادها عن الأرض أسرع، وهذا يعني أنَّ المجرّات نفسها لا يُمكن أن تتحرك، ولكن المَسافة بينها يجبُ أن تكبر، فإذا كانت جميع المجرّات تقريباً تنزاحُ نحوَ الأحمر، وتتوسَّع بعيداً عن بعضها البعض.

فلا بدَّ أنَّها كانت أقرب لبعضها البعض في الماضي البعيد، وهذا أحد الأدلة الرئيسية لنظرية الانفجار العظيم كأفضل تفسيرٍ مُمكن لأصل الكون، والأهمّ من ذلكَ أنَّه يُشير إلى أنَّ الكون يتوسَّع. هذا التوسُّع، والطريقة التي يَظهرُ بها لنا على الأرض، يُمكنُ تشبيههُ بتضخم البالون المُنقط، فمعَ نمو البالون، تتباعدُ النقاط عن بعضها البعض، وبالتالي تزدادُ مساحة سطحِ البالون. ^[9]

بعض تطبيقات الانزياح نحوَ الأحمر

يَستخدم علماء الفلك الانزياح نحو الأحمر لاكتشاف وجود كواكب جديدة غير مُكتشفةٍ خارج المجموعة الشمسية أو خارج المجرّة، تُسمّى هذهِ التقنية بطريقة التحليل الطيفي. تَعتمدُ هذهِ الطريقة على حقيقة أنَّه إذا كان النجم يمتلك كوكب (أو مجموعة كواكب) مرافقة لهُ، فليسَ منَ الصحيح القول بأنَّ الكوكب يدورُ حولَ النجم، وإنَّما يدورُ الكوكب والنجم حولَ مركز كتلتهما المُشترك، وبما أنَّ كتلة النجم أكبر بكثير منَ كتلة الكوكب.

لذا فإنَّ مركز الكتلة يقعُ داخل النجم، ويبدو أنَّ النجم يتذبذبُ قليلاً أثناء دوران الكوكب حولهُ، لذا يُمكن لعلماء الفلك قياس هذا التذبذب باستخدام التحليل الطيفي، فإذا كانَ النجم يُسافرُ نحونا، فسيظهر ضوؤهُ منزاحاً إلى اللون الأزرق، وإذا كان يُسافر بعيداً عنا، فسوفَ يبدو ضوؤهُ مُنزاحاً إلى الأحمر.

وهذا التحوُّل في اللون لن يغيّر اللون الظاهري للنجم بما يكفي لرؤيتهُ بالعين المُجردة، لذا يُستخدم التحليل الطيفي للكشف عن هذا التغير في لون النجم أثناء تَحركهِ نحونا أو بعيداً عنا. وبشكلٍ عام يَستخدم علماء الفلك الانزياح نحوَ الأحمر لدراسة الأجسام المُتحركة، مثل: النجوم الثنائية التي تدورُ حولَ بعضها البعض، ودوران المجرّات، وحركة المجرّات في العناقيد، وحتى حركة النجوم داخل مجرّتنا، كما يُساعد الانزياح نحوَ الأحمر على استنتاج كتل النجوم والمجرّات، ومَعرفة بنية الكون، وتاريخه.

كما يُستخدم الانزياح نحوَ الأحمر لقياس المَسافات التقريبية إلى المجرّات البعيدة جداً، فكلما كانَ الجسم أبعد، كلما زادت إزاحتهُ نحوَ الأحمر. قد تبعثُ بعضُ الأجسام البعيدةِ جداً الأشعة فوقَ البنفسجية أو حتى أطوالاً موجيةً أعلى من ذلك، ولكن عندما يُسافر الضوء مسافاتٍ كبيرةٍ ينزاحُ طول موجتهِ إلى الأشعة تحت الحمراء عندما يصلُ إلينا.

وحالياً يُعتبر استخلاص معلومات الانزياح نحوَ الأحمر من أمواج الجاذبية أحد المَجالات البحثية الحديثة، فأمواج الجاذبية هيَ اضطرابات في الزمكان تَحدثُ عندما يتسارع جسمٌ ضخمٌ أو يضطرب. اقترحَ آينشتاين وجود هذهِ الموجات للجاذبية نظرياً لأوَّل مرَّة في عام 1916، ثمَّ اكتشفها مَرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) مخبرياً لأوَّل مرَّة في عام 2016. ^{[10] [11]}