علوم الأرض 12 فصل ثاني

توسع الكون

تباعُد المجرات Moving Away of Galaxies
 الكون يشمل الفضاء، وما يحويه من مادة وطاقة. فهو يتكون من مليارات المجرات، وما فيها من نجوم وكواكب ومذنبات وكويكبات، وغيرِ ذلك.
تتحرك المجرة في الكون بشكل مستقل وحدةً واحدة؛ وتبتعد المجرات بعضُها عن بعض بسرعات مختلفة. أنظر الشكل الآتي والذي يمثل  المجرات في الكون وهي تبتعد بعضها عن بعض.

 

أصف كيف تتحرك المجرة ( 1) مُقابِلَ المجرتين ( 3،2).

تبدو المجرة (1) أنها تبتعد عن المجرة (3) متجهة نحو مجرة (2) التي تتحرك مبتعدة.

نشاط: تباعد المجرات يمثّل الشكلُ الآتي مجموعة من المجرات (س، ص، ع، ف) التي تبعد مسافاتٍ مختلفةً عن الأرض، أدرسه جيّدا، ثم أجيب عن الأسئلة التي تليه.   التحليل والاستنتاج: 1- أحدد المسافة التي تبعدها المجرة (ص) عن الأرض. تبعد المجرة$2.5 ly$. 2- أبين أيُّ المجرات (س، ص، ع، ف) تتحرّك بسرعة أكبرَ؟ (س) سرعتها$60.000 km/s$ 3- أتوقّع: عند تحليل الطّيف الكهرمغناطيسيِّ الصادرِ عن المجرتين (س) و(ف)، لوحِظَ أن الطّيف الكهرمغناطيسيَّ للمجرة(س) ينزاح نحو الطول الموجيّ الأطول. كيف يمكنني تفسيرُ ذلك؟ يمكن ملاحظة العلاقة بين بعد المجرتين (س) و (ف)، وبين الانزياح نحو الطول الموجي الأطول (الانزياح نحو الأحمر)، حيث أن المجرة (س) هي الأبعد، لذلك هي الأكثر انزياحا نحو الأحمر. 4- أستنتِج العلاقةَ بين سرعة المجرات، وبُعدِها عن الأرض. كلما زاد بعد المجرات عن الأرض زادت سرعتها.

 

الربط بالفيزياء

عندما أقِف على جانب الطريق، وتقترب سيارةُ الإسعاف باتجاهي، فإن تردّدَ الصوت الصادر منها يزداد، فيقِلُّ طوله الموجيّ، ويحدث العكس عند ابتعاد سيارة الإسعاف عني،

(والتردّد هو عددُ الموجات الصادرة من الجسم في الثانية الواحدة).

ألاحظ الشكل الآتي:

 

. يلاحَظُ من الشكل أنه عند اقتراب سيارة الإسعاف من الشخص عند النقطة (أ) يزداد تردّدُ الصوت الصادرِ منها، ويقلّ طولُه الموجيّ، وفي الجهة المقابلة فإن الصوت الصادرَ عن سيارة الإسعاف يبتعد عن الشخص عند النقطة (ب)، فيقِلُّ تردُّده ويزداد طوله الموجيّ، وهذا ما يُسَمّى بتأثير دوبلر  Doppler Effect.

 

أتحقّق: أوضّح المقصود بتأثير دوبلر.

ظاهرة سميت باسم العالم دوبلر  يظهر فيها تغير تردد الصوت لجسم متحرك وطوله الموجي، اعتمادا على اتجاه حركته مبتعدا عنا، أو مقتربا منا.

 

اعتمد العلماء تأثير دوبلر في دراسة موجات الضوء (الطيف الكهرمغناطيسي المرئي) الصادرة عن الأجسام المختلفة، ولاحظوا ما يلي:

- إذا كان مصدر الضوء يتجه مبتعدا عنا، فإن عددَ الموجات التي تصلنا منه في الثانية الواحدة تكون قليلة، أي ذات تردّد منخفض وطول موجي طويل.

- ألوان الطّيف المرئي تتراوح بين اللون الأزرق إلى اللون الأحمر، حيث يمثل اللون الأحمر الموجاتِ ذاتَ الطول الموجي الطويل(تردد منخفض)، في حين يمثل اللون الأزرق الموجاتِ ذات الطول الموجي القصير(تردد عالٍ). وبما أن الموجات المرئيةَ (مصدر الضوء) عندما تبتعد عنا بحسب تأثير دوبلر، فإنها تميل نحو الطول الموجيّ الطويل، فهي تميل نحو اللون الأحمر.

- كلما اقتربت منا الموجات المرئية (مصدر الضوء)، فإن عدد الموجات التي تصلنا منها يزداد، أي يزداد تَردُّدها، ويقِلُّ طولها الموجي، أي أن الموجات المرئيةَ القصيرةَ تميل نحو اللون الأزرق.

- عندما تبتعد عنا المجرات، فإن تردُّدَ موجات الطيف الكهرمغناطيسيِّ المرئيّ الذي سترصُده الأجهزة المختلفة الصادرُ منها سيكون أقلَّ، وسيكون طوله الموجيّ أكبرَ، أي أنه ينزاح نحو الأحمر، فنقول: إن المجرات التي تبتعد عنا تنزاح أطيافها نحو الأحمر.

أفكر أتأمّل الشكل التاليَ الذي يمثل ثلاثة أطياف تمّ رصدُها لثلاثة أجرام سماوية ( 3،2،1 ) إذا علمت أن الجرم ( 1) يمثل حالة الثبات، أفكّر: أيُّ الأجرام تتحرك مقتربةً منه، وأيُّها تتحرك مبتعدةً عنه؛ مبينا سبب ذلك. الجرم السماوي (2) يتحرك مقتربا من الجرم (1) لأن الأطياف تنزاح نحو الأزرق. الجرم السماوي (3) يتحرك مبتعدا عن الجرم السماوي (1) لأن الأطياف تنزاح نحو الأحمر.

 

أفكر: لماذا تنزاح أطياف المجرات نحو الأحمر ولا تنزاح أطيافها نحو الأزرق؟

سرعة المجرات Galaxies Velocity
درس العالم إدوين هابل الأطياف الكهرمغناطيسية المرئية المنبعثة عن العديد من المجرات التي تبعُد عن الأرض مسافاتٍ مختلفةً، وتبيّن له أن المجرات تتحرك مبتعدةً عنا، ومبتعدًا بعضُها عن بعض وفقا لتأثير دوبلر، وتوصّل إلى علاقة بين بُعد المجرة عنا وسرعتها، عُرِفَتْ هذه العلاقةُ بقانون هابل الذي ينص على أن «سرعة تباعُدِ المجرات تتناسب تناسُبا طرديّا مع بُعدِها عن مجرتنا » أي أنه كلما كانت المجرة أبعدَ، زادت سرعةُ ابتعادها عنا، وتُكتَبُ هذه العلاقةُ رياضيّا وفق القانون:
v = H_o × d
حيث إن:
v : سرعة تباعد المجرة بوحدة كم/ث (km/s)
H_o : ثابت هابل ويقدّر متوسّط قيمتِه نحو( 70 كم/ث. مليون فرسخ فلكي) ( $70 km/s. Mpc$ )
d : بُعد المجرة عنا بوحدة مليون فرسخ فلكي (Mpc)
الفرسخ الفلكي Parsec : وحدة قياس المسافات الكبيرة بين النجوم والمجرات ويساوي $3.1\times {10}^{13} km$ = $3.26 ly$

 

مثال مجرةٌ تبعُد عن الشمس مسافة $99\times {10}^6 ly$ أحسُب سرعة تباعدها، علما بأن ثابت هابل يُقدّر بنحو ( $70 km/s.Mpc$) ، أفترض أن الفرسخ الفلكي =$3.3 ly$ الحل: أوّلا: أحوّل المسافة من وحدة السّنة الضوئية ( ly ) إلى وحدة الفرسخ الفلكي(pc). $1 pc = 3.3 ly$ $? = 99\times {10}^6$ 99× 106×1 / 3.3 = $30 \times {10}^6 pc$ ثانيًا: أحوّل المسافة من وحدة فرسخ فلكي ( pc ) إلى وحدة مليون فرسخ فلكي ( Mpc ) بالقسمة على 106 . (106× 30)/ 106 = $30 Mpc$ أعوض في قانون: v = Ho × d   $=2100 km/s$$30 Mpc$×($70 km/s.Mpc$)

 

تمرين إذا علمتُ أن سرعة تباعُد إحدى المجرات $15400 km/s$، أحسُب بُعْدَها عنا بالفرسخ الفلكي، إذا علمتُ أن ثابت هابل يساوي ( $70 km/s.Mpc$). سرعة التباعد =$15400 Km/s$ ثابت هابل=($70 Km/s.Mpc$ )  $15400 = 70 \times d$ $220 Mpc$=

 

توسّع الكون Expansion of The Universe
استدلّ العلماء بوساطة حركة المجرات وتباعُدِ بعضِها عن بعض أن الكون يتوسع.

هل الأرض مركز الكون؟ 

لا، فلو وقف راصِدٌ في مكان آخرَ من الكون، أو في مجرة أخرى، فسوف يلاحظ الشيء نفسَه، وأن الكون يبتعد عنه.

ولِفهم توسّع الكون، يمكن تخيّلُ عجينة تمثّل الفضاء، وحبّات من الزبيب متناثرة عليها تمثّل المجرات، إن ما يحدث لحبّات الزبيب عند خبْزِ العجينة يشبه تماما توسّعَ الكون، فحبّاتُ الزبيب يتباعد بعضُها عن بعض دون أن تتحرك فعليّا، وتمدُّدُ العجينة وزيادةُ حجمها عند خَبْزِها كان السبب في تباعُدِها. إذ تتباعد جميع الحبّات بنسبة ثابتة. أنظر الشكل الآتي:

 وكذلك المجرات في الكون، يبتعد بعضُها عن بعض وحدةً واحدة؛ لأن مادة الكون (الفضاء) تتمدّد، وهذا يعني أن المجرات كان بعضُها يوما ما أقربَ إلى بعض، وهذا قاد العلماءَ لتفسير نشأة الكون بعدة فرضيات.

سؤال الشكل (11):

أنمذج كيفيّة توسع الكون.

يترك للطالب، ويتوقع من بعض الطلبة نمذجة توسع الكون من خلال تجربة الزبيب والعجينة.

أتحقّق: أصف كيف تتحرك المجرات في الكون؟

تتحرك المجرات مبتعدة عنا ،ومبتعدًا بعضُها عن بعض وفقا لتأثير دوبلر، وكلما زاد بعد المجرات عنا ازدات سرعتها.