لماذا “21 سم” هو الطول السحري للكون؟

لماذا “21 سم” هو الطول السحري للكون؟

توجد الفوتونات في كلّ طولٍ موجي يمكنك تخيّله، لكن انتقالٌ كموميٌّ واحد فقط، يُحدث ضوءًا بطولٍ موجي قدره 21 سم تمامًا، وهو شيءٌ سحري.

• عبر الكون المرئي، يوجد 10⁸⁰ ذرة، ومعظمهم من الهيدروجين البسيط -الذي يتكوّن من بروتونٍ واحدٍ وإلكترونٍ واحد كلًّا على حدى-.
• في كلّ مرةٍ تتشكل فيها ذرة هيدروجين، يوجد احتمال 50/50 بأن يتم محاذاة دوران الإلكترون والبروتون، والتي تعدّ حالةً طاقيّةً أعلى قليلاً من طاقة عدم المحاذاة.
• الانتقال الكميّ من حالة المحاذاة إلى حالة عدم المحاذاة تعدّ أصعب حالات الانتقال، والتي تصدر ضوءًا بطولٍ موجي 21 سم، والذي يمكن القول بأنّه أهمُّ طولٍ في الكون.

في كوننا، فإنّ التحوّلات الكمومية هي القاعدة التي تحكم كل ظاهرةٍ نووية وذرية وجزيئية. على عكس كواكب مجموعتنا الشمسية، التي تستطيع أن تدور بانتظام حول الشمس على بعدِ أيّ مسافة إذا وصلت إلى السرعة المطلوبة، كما أنّ البروتونات، النيترونات والإلكترونات التي تشكّل كلّ المادة المألوفة التي نعرفها تستطيع أن ترتبط ببعضها في وضعٍ محدد من الترتيبات. هذه الاحتمالات على الرغم من تعددها، إلا أنّها متناهيةُ العدد، حيث تقيّد القواعد الكمومية التي تحكم القوى الكهرطيسية والنووية إمكانيّة ترتيب نواة الذرة والإلكترونات التي تدور حولها، لنفسها.

في كل الكون، الذرة الأكثر شيوعًا هي الهيدروجين، مع بروتون واحد وإلكترون واحد فقط. أينما تتشكل النجوم الجديدة، تتأيّن ذرات الهيدروجين، وتصبح محايدة مرةً أخرى إذا تمكنت تلك الإلكترونات الحرة من العودة إلى البروتون الحر.

على الرغم من أن الإلكترونات تتسلل عادةً إلى مستويات الطاقة المسموح بها في الحالة الأرضية، إلا أنّ ذلك غالبًا ما ينتج مجموعة محددة فقط من الأشعة تحت الحمراء والمرئية والأشعة فوق البنفسجية، ولكن الأهم من ذلك هو حدوث انتقالٍ خاص في الهيدروجين ينتج عنه ضوءٌ بحجم يدك “21 سم” (حوالي 8¼ “) من الطول الموجي، هذا طول سحري قد يفتح يومًا ما أحلك الأسرار المختبئة في تجاويف الكون.

عندما يتعلق الأمر بالضوء في الكون، فإن طول الموجة هي الخاصية الوحيدة التي يمكنك الاعتماد عليها لتكشف عن كيفية إنشاء ذلك الضوء. على الرغم من أن الضوء يأتي إلينا على شكل فوتونات -كميات فردية بشكل جماعي، تشكّل الظاهرة التي نعرفها بالضوء- إلا أنّ هناك فصلين مختلفين جدًا من العمليات الكمية التي تنشئ الضوء الذي يحيط بنا وهما:

• الفصول المستمرّة
• الفصول المنفصلة

العملية المستمرة هي شيءٌ مثل الضوء الذي ينبعث من الفوتوسفيرة للشمس/photosphere of the Sun، إنّه جسمٌ أسود تم تسخينه إلى درجة حرارة معينة، وينبعث منه ضوءٌ بطولٍ موجي مستمر ومختلف وفقًا لتلك الحرارة، وهو ما يعرفه الفيزيائيون ب “إشعاع الجسم الأسود”.

أما العملية المنفصلة، لا ينبعث منها أشعة بطول موجي مستمر، بل فقط طول موجي محدد للغاية. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك: (الضوء الذي يتم امتصاصه من قبل الذرات المتعادلة الموجودة في الطبقات الخارجية الشديدة للشمس). عندما يصطدم الإشعاع الجسمي الأسود بتلك الذرات المتعادلة، ستكون لدى بعض الفوتونات طول موجي محدد فقط ليتم امتصاصها من قبل الإلكترونات الموجودة داخل الذرات المتعادلة التي تصادفها. وعندما نقسّم ضوء الشمس إلى أطوال موجيّة فرديّة، فإن خطوط الامتصاص المتعدّدة الموجودة تعاكس خلفية الإشعاع المستمر للجسم الأسود كاشفةً لنا عن كلا العمليتين.

كل ذرة لها خصائص محددة من خلال نواتها المكوّنة من البروتونات (التي تحدد شحنتها) والنيوترونات (التي تحدد كتلتها مع البروتونات). تحتوي الذرات أيضًا على إلكترونات تدور حول النواة وتحتل مجموعةً محددة من مستويات الطاقة.

عندما تكون معزولة، ستظهر كل ذرة في الحالة الأرضية، حيث تتدرج الإلكترونات إلى أسفل حتى تحتل أدنى مستويات الطاقة المسموح بها، مقيّدة فقط بالقواعد الكمومية التي تحدد الخصائص المختلفة التي (يُسمح أو لا يُسمح) للإلكترونات بامتلاكها.

يمكن أن تحتل الإلكترونات الحالة الأرضية – المدار 1- للذرة حتى تمتلئ، والتي يمكن أن تحمل إلكترونين. يتكون مستوى الطاقة التالي من مدارات كروية (2 s) وعمودية (2 p)، والتي يمكن أن تحتوي على إلكترونين أو ستة إلكترونات على التوالي، ليصبح المجموع ثمانية. يمكن أن يحتوي مستوى الطاقة الثالث على 18 إلكترونًا (3 S) بإلكترونين، و (3 P) بستة إلكترونات، و (3 d) بعشرة إلكترونات، ويستمر النمط بالصعود.

بشكلٍ عام، تعتمد التحولات “الصاعدة” على امتصاص فوتون ذو أطوالٍ موجيّةٍ معيّنة، بينما تؤدي التحولات “الهابطة” إلى إصدار فوتونات بنفس الأطوال الموجية بالضبط.

هذا هو الهيكل الأساسي للذرة، ويُشار إليه أحيانًا باسم “البنية الخشنة”. عندما تنتقل من مستوى الطاقة الثالث إلى مستوى الطاقة الثاني في ذرة الهيدروجين على سبيل المثال، فإنك تنتج فوتونًا أحمر اللون بطولٍ موجيّ يبلغ 656.3 نانومتر بالضبط، أي في نطاق الضوء المرئي للعين البشرية.

ولكن هناك اختلافاتٌ طفيفة جدًا بين الطول الموجي الدقيق للفوتون الذي ينبعث إذا انتقلت من:

• مستوى الطاقة الثالث نزولاً إما إلى 2 s أو 2 p المداري.
• مستوى طاقة يتم فيه محاذاة الزخم الزاوي المغزلي والزخم الزاوي المداري مع مستوى يكونان فيه غير محاذيين.
• مستوى طاقة حيث يتم محاذاة الدوران النووي ودوران الإلكترون مقابل عدم المحاذاة.

هناك قواعدٌ بشأن ما هو مسموحٌ به مقابل ما هو محظور في ميكانيكا الكم أيضًا، مثل حقيقة أنه يمكنك نقل إلكترون من مدار d إلى مدار s أو مدار p، ومن مدار s إلى مدار p، ولكن ليس من المدار s إلى مدار s آخر.

تُعرف الاختلافات الطفيفة في الطاقة بين الأنواع المختلفة من المدارات ضمن نفس مستوى الطاقة ب “البنية الدقيقة للذرة”، والتي تنشأ من التفاعل بين دوران كل جسيم داخل الذرة والزخم الزاوي المداري للإلكترونات حول النواة، الذي يتسبب في حدوث تحول في الطول الموجي أقل من 0.1% “صغير ولكنه قابل للقياس وهام”.

لكن في ميكانيكا الكم، حتى الانتقالات “المحظورة” يمكن أن تحدث أحيانًا، بسبب ظاهرة “النفق الكمومي”.

بالتأكيد، قد لا تتمكن من الانتقال من مدار s إلى مدار s آخر مباشرةً، ولكن إذا كان بإمكانك:

• الانتقال من المدار s إلى المدار p ثم العودة إلى المدار s.
• الانتقال من المدار s إلى المدار d ثم العودة إلى المدار s.
• الانتقال من المدار s إلى أيّ حالةٍ أخرى مسموحٍ بها ثم العودة إلى المدار s.

حينها يمكن أن يحدث هذا الانتقال.

الشيء الوحيد الغريب في النفق الكمومي هو أنه ليس من الضروري حدوث انتقال “حقيقي” مع طاقة كافية لتحقيق ذلك في الحالة المتوسطة، وإنّما يمكن أن يحدث افتراضيًا، بحيث ترى الحالة النهائية تنبثق من الحالة الأولية فقط (وهو شيءٌ سيكون ممنوعًا دون استدعاء النّفق الكميّ).

يسمح لنا هذا بالانتقال إلى ما هو أبعد من مجرد “البنية الدقيقة”، كالبينة فائقة الدقة، حيث يبدأ دوران النواة الذرية وأحد الإلكترونات التي تدور حولها في حالة “محاذاة”، حيث يكون كلاهما في نفس الاتجاه على الرغم من كون الإلكترون في الحالة الأقلّ طاقةً “الحالة الأرضية (1 s)” إلى حالة عدم المحاذاة، حيث يتم عكس الدورات.

تحدث أشهر هذه التحولات في أبسط أنواع الذرة على الإطلاق -الهيدروجين مع بروتون واحد وإلكترون واحد- في كل مرة تقوم فيها بتكوين ذرة هيدروجين محايدة ويتدفق الإلكترون إلى الحالة الأرضية (الأقل طاقة)، هناك احتمال بنسبة 50% أن يكون دوران البروتون المركزي والإلكترون في حالة محاذاة، مع وجود احتمال بنسبة 50% أن يكون الدوران في حالة عدم المحاذاة.

إذا كانت الدورات معاكسة لبعضها، فهذه حقًا أقلّ حالة طاقة، ولا يوجد مكان نذهب إليه من خلال الانتقال الذي سيؤدي إلى انبعاث الطاقة على الإطلاق. ولكن إذا تمت محاذاة الدوران، يصبح من الممكن إنشاءُ نفقٍ كميّ يؤدّي إلى حالة عدم المحاذاة، وعلى الرغم من أن عملية الانتقال المباشر ممنوعة، فإنّ النفق يسمح لك بالانتقال مباشرةً من نقطة البداية إلى نقطة النهاية، ممّا يؤدّي إلى إصدار فوتون في هذه العملية.

يستغرق هذا الانتقال، وبسبب طبيعته “المحظورة”، وقتًا طويلاً للغاية ليحدث -ما يقارب 10 ملايين سنة للذرة المتوسطة- ومع ذلك، فإنّ هذا العمر الطويل للحالة المحفّزة قليلاً والمحاذية لذرة الهيدروجين لها جانبٌ مفضل وهو أنّ: “الفوتون الذي ينبعث عند 21 سم في الطول الموجي وبتردد 1420 ميغا هرتز، في جوهره ضيّقٌ للغاية”.

في الواقع، إنّه أضيقُ خطٍّ انتقالي، وأكثرُ خطٍّ دقةً معروف في جميع الفيزياء الذريّة والنوويّة!

إذا عدتَ إلى مراحل الانفجار الكبير الحارّ في بدايته، قبل تكون أي نجم، فستكتشف أن 92% من الذرات في الكون كانت تحتوي بالضبط على نوع الهيدروجين هذا -نواةٌ واحدة وإلكترونٌ واحد-. بمجرد تشكل الذرات المحايدة بشكلٍ مستقر -بعد بضع مئات الآلاف من السنين من الانفجار الكبير- تتشكل ذرات الهيدروجين المحايدة هذه بفرصة 50/50 ليكون لديها دورانٌ “موازٍ أو معاكس” للدوران.

ستبقى تلك التي تشكلت باتجاه متعارض، وستخضع التي تشكلت بدورانها الموازي لهذه الانتقالات المتعلقة بالدوران، فينبعث عنها إشعاعٌ بطولٍ موجي يبلغ 21 سنتيمترًا.

على الرغم من أن هذا لم يتم بعد، إلا أن ذلك يمنحنا طريقةً مثيرةً للغاية لقياس الكون المبكر من خلال البحث عن سحابةٍ من الغاز الغني بالهيدروجين، حتى لو أنّها لم تشكّل أي نجوم، يمكننا البحث عن إشارةٍ للانتقال المتعلق بالدوران هذه -مع مراعاة تمدد الكون والانحراف نحو الأحمر المقابل للضوء- لقياس الذرات في الكون من أقرب الأوقات التي شوهدت فيها.

ال “توسيع” الوحيد الذي يمكن توقعه للخط الذي نتوقع رؤيته سيأتي من التأثيرات الحرارية والحركية -من درجة الحرارة غير الصفرية وحركة الذرات المتحرّضة بالجاذبيّة- التي تنبعث منها إشارات طولها الموجي 21 سنتيمترًا.

بالإضافة إلى تلك الإشارات الأولية، ينشأ انبعاث الإشعاع بطول 21 سنتيمتر كنتيجةٍ لإنتاج نجومٍ جديدة. في كلّ مرةٍ يحدث فيها تشكّلٌ للنجوم، تُنتِج النجوم الحديثةُ الأكبر حجماً كميّاتٍ كبيرةً من الإشعاع فوق البنفسجي -الإشعاع الذي تكون طاقته كافية لتأيين ذرات الهيدروجين-.

وفي لحظةٍ ما، يمتلئ الفضاء -الذي كان يمتلئ بذرات الهيدروجين المحايدة- بالبروتونات الحرة والإلكترونات الحرة.

ولكن هذه الإلكترونات الحرّة سيتم إعادة القبض عليها في نهاية المطاف من قبل تلك البروتونات. وعندما لا يكون هناك ما يكفي من الإشعاع فوق البنفسجي لتأيينها عدة مرات، سوف تغرق الإلكترونات مرةً أخرى في الحالة الأرضية، حيث سيكون لديها فرصة 50/50 لتكون محاذية أو معاكسة لدوران النواة الذرية.

مرةً أخرى، يتم إنتاج نفس الإشعاع -بطولٍ موجي قدره 21 سنتيمتر- وفي كل مرة نقيس طول الموجة المتمركز في منطقةٍ معيّنةٍ من الفضاء، وحتّى لو حدث عليه انزياحٌ نحو الأحمر بسبب توسّع الكون، فإنّ ما نراه هو دليلٌ على التشكيل الأخير النجوم.

في أي مكان يحدث فيه تشكيل النجوم، يتم تأيين الهيدروجين، وعندما تصبح تلك الذرات محايدة وتخرج من الإثارة مرةً أخرى، فإنّ هذا الإشعاع ذو طول الموجة المحدد سيستمر لعشرات الملايين من السنين.

إذا كان لدينا القدرة على تحديد تفاعلات انبعاث ال 21 سنتيمتر بدقّةٍ في جميع الاتجاهات وفي جميع المسافات في الفضاء، فإننا حقًّا نستطيع كشف تاريخ تكوين النجوم في الكون بأكمله، وكذلك إزالة الإثارة عن الذرات الهيدروجينية التي تشكلت للمرة الأولى بعد الانفجار الكبير الساخن.

ومع الملاحظات الدقيقة بما فيه الكفاية، يمكننا الإجابة على أسئلةٍ مثل:

• هل توجد نجومٌ في الفراغات المظلمة في الفضاء تحت عتبة ما يمكننا ملاحظته، والتي تنتظر أن تُكتشف بواسطة ذرات الهيدروجين الغير مثارة؟
• في المجرات التي لا يُلاحَظ فيها تشكُّل نجومٍ جديدة، هل تمرُّ عملية تشكُّل النجوم بالفعل بمرحلة الانتهاء، أم أنها تشهد مستوياتٍ منخفضةً من تشكُّل النجوم الجديدة، تنتظر فقط أن تُكتشف من هذه الإشارة الواضحة لذرات الهيدروجين؟
• هل هناك أي أحداثٍ تسبب ارتفاع درجة الحرارة وتؤدي إلى تأيين الهيدروجين قبل تشكُّل النجوم الأولى؟
• هل هناك انفجاراتٌ في تشكُّل النجوم تتجاوز قدرات مراصدنا -الأشعة تحت الحمراء- الأقوى في الكشف عنها مباشرةً؟

بقياس الضوء بالطول الموجي الصحيح -21.106114053 سنتيمتر- بالإضافة إلى أي تأثيرات تمدد لتوسّع الكون، يمكننا الكشف عن إجابات جميع هذه الأسئلة وأكثر.

في الواقع، هذا هو أحد أهداف العلوم الرئيسية لمجموعة التردد المنخفض “LOFAR”، والذي يمثّل حالةً علميةً قوية لوضع نسخة مُوَسّعة من هذه المجموعة على الجانب البعيد المحمي من الإشعاع على سطح القمر.

بالطبع، هناك احتمالٌ آخر يأخذنا بعيداً عن علم الفلك عندما يتعلق الأمر باستخدام هذا الطول المهم، وهو خلق وقياس عددٍ كافٍ من ذرات الهيدروجين الموجّهة بنفس الاتجاه في المختبر للكشف عن هذا الانتقال المنعكس مباشرةً بطريقةٍ محكومة. يستغرق الانتقال حوالي 10 ملايين سنة للانقلاب وسطيّاً، وهذا يعني أنّنا سنحتاج إلى حوالي 10^15 ذرةٍ محضرة، والتي يتم إبقاؤها ساكنةً وتقليلِ حرارتها إلى درجات حرارةٍ مبرّدة، ليس لقياسِ خط الانبعاث فقط، بل وعرضه أيضاً.

إذا كان هناك ظواهر تسبب توسع الخط الدقيق، مثل إشارة موجات الجاذبية الأولية، فإن هذه التجربة ستكون قادرةً على كشف وجودها وشدتها بشكلٍ ملحوظ.

في الكون بأسره، لا يوجد سوى عدد قليل من الانتقالات الكمومية المعروفة بالدقّة المتأصّلة في انتقال الدوران النووي النصفي للهيدروجين، مما يؤدي إلى انبعاث إشعاعٍ بطولٍ موجي يبلغ 21 سنتيمتراً. إذا أردنا التعرف على عمليات تكوين النجوم الجارية والحديثة في جميع أنحاء الكون، أول إشارات الذرات قبل تكوين النجوم الأولى، أو قوة بقايا الموجات الجاذبية من التضخّم الكونيّ التي لم يتم الكشف عنها بعد، فمن الواضح أن انتقال ال 21 سنتيمتر هو أهم اكتشافٍ لدينا في جميع أنحاء الكون.

بكلّ الطرق، إنه “الطول السحري” للكشف عن بعض أكبر أسرار الطبيعة.