فكّر في المكان الذي تجلس فيه. وعدّ بالزمن إلى الوراء لربما كانت هذه المنطقة مدفونة في قاع البحر سابقًا، أو تحت كمية كبيرة من الحجار، أو تطفو فوق سطح مُلتهب، وبركاني. وعُدّ بالزمن إلى فترة أقدم... بما يقارب 4,6 مليار سنة، وستجد نفسك عالقًا في غُمامة مؤلفة من الغبار والغازات هائلة الحجم تَدور حول نجمٍ حديث الولادة. هذا أساس العديد من نظريات الفيزياء الغامضة سواء صغيرة أو كبيرة: ومنها لُغز أرانب الغُبار الكونية.
Consider the spot where you’re sitting. Travel backwards in time and it might’ve been submerged at the bottom of a shallow sea, buried under miles of rock, or floating through a molten, infernal landscape. But go back far enough— about 4.6 billion years, and you’d be in the middle of an enormous cloud of dust and gas orbiting a newborn star. This is the setting for some of the biggest, smallest mysteries of physics: the mysteries of cosmic dust bunnies.
والتي هي عبارة عن مناطق فارغة في الفضاء بين النجوم تحتوي على غيوم من الغاز والغبار، والتي دُفِعت إلى تلك الأماكن بسبب انفجار النجوم. عند وصول غيمة كثيفة إلى حدّ معين يُدعى تكّتل جينز، تنطوي على بعضها. وتدور الغيمة المتضائلة الحجم بسرعة متزايدة، وترتفع نسبة الحرارة فيها، حتى تُصبح حارةً بما يكفي لحرق الهديروجين في نواتها. ويولد نجمٌ جديدٌ بعد ذلك. أثناء عملية الانصهار التي تحدث في النجم الجديد، يتدفق من النجم غازٌ يدفع الطبقة العلوية والسفلية من الغيمة بعيدًا، تاركًا حلقة من الغاز والغبار تدور حول الغيمة وتدعى قرصًا كوكبيًا. ومن المفاجئ أنًّ هذا المكان مليء بالرياح؛ دوامات من الغاز تحمل معها الجزيئات، وترميها لتتحطم ببعضها البعض. ويتألف الغبار من أجزاءٍ معدنيةٍ بسيطة وقليل من الصخر والغاز، وحتى، قطع من الثلج.
Seemingly empty regions of space between stars actually contain clouds of gas and dust, usually blown there by supernovas. When a dense cloud reaches a certain threshold called the Jeans mass, it collapses in on itself. The shrinking cloud rotates faster and faster, and heats up, eventually becoming hot enough to burn hydrogen in its core. At this point a star is born. As fusion begins in the new star, it sends out jets of gas that blow off the top and bottom of the cloud, leaving behind an orbiting ring of gas and dust called a protoplanetary disk. This is a surprisingly windy place; eddies of gas carry particles apart, and send them smashing into each other. The dust consists of tiny metal fragments, bits of rock, and, further out, ices.
لقد راقبنا الآلاف من هذه الأقراص في السماء، خلال مراحل التشكل المختلفة حيث تجتمع كتل الغبار سويًا لتشكل أجسامًا متزايدة الضخامة.
We’ve observed thousands of these disks in the sky, at various stages of development as dust clumps together into larger and larger masses.
يتشكل الغبار بحجمٍ أصغر من عرض شعرة إنسان بما يعادل 100 مرة بوساطة ما نسميه قوى فان دير فالس. وهو ما يحدث عند تحرك غمامة من الإلكترونات إلى أحد جوانب الجزيء، ممّا يؤدي إلى خلق شحنة سلبية في طرف، وشحنة موجبة في الطرف الآخر. والمتضادات تنجذب إلى بعضها، لكن قوى فان دير فالس تستطيع احتواء أشياء صغيرة فقط،
Dust grains 100 times smaller than the width of a human hair stick to each other through what’s called the van der Waals force. That’s where a cloud of electrons shifts to one side of a molecule, creating a negative charge on one end, and a positive charge on the other. Opposites attract, but van der Waals can only hold tiny things together.
وهنالك مشكلة: حينما تصل مجموعات الغبار إلى حجمٍ معين، فيجب أن يقوم الغلاف الرياحي المحيط بالقرص بتقسيم هذه المجموعات باستمرار أثناء اصطدامها ببعضها البعض. يُعَد التساؤل حول كيفية استمرار نمو هذه المجموعات أول لغز يتعلق بأرانب الغبار.
And there’s a problem: once dust clusters grow to a certain size, the windy atmosphere of a disk should constantly break them up as they crash into each other. The question of how they continue to grow is the first mystery of dust bunnies.
تستند أحد النظريات إلى فكرة الشحنة الكهربائية الثابتة للإجابة عن هذا اللغز. تقوم إشعاعات الغاما المشحونة والإشعاعات السينية وفوتونات الأشعة فوق البنفسجية بالإطاحة بالإكترونات لتبعدها عن ذرات الغاز الموجودة ضمن القرص، ممّا يؤدي إلى خلق أيوناتٍ موجبة وإلكتروناتٍ سالبة. وتتوجه الإلكترونات إلى الغبار وتلتصق بها، ممّا يجعلها ذات شحنة سالبة. عندما تدفع الرياح المجموعات نحو بعضها، تتنافر المتماثلات وتبطء المجموعات أثناء الإصطدام. لا تتجزء هذه المجموعات عندما تخف قوة الارتطام، ولكن إن كان الارتطام قويًا، فلن تنمو بتاتًا. نجد في إحدى النظريات فكرة أن الجزيئات المليئة بالطاقة قد تُبعد بعض الإلكترونات بعيدًا عن تجمعات كتل الغبار، ممّا يجعلها ذات شحنة موجبة. ومجددًا نجد المتضطادات تنجذب إلى بعضها، وتنمو كتل ومجموعات الغبار بسرعة.
One theory looks to electrostatic charge to answer this. Energetic gamma rays, x-rays, and UV photons knock electrons off of gas atoms within the disk, creating positive ions and negative electrons. Electrons run into and stick to dust, making it negatively charged. Now, when the wind pushes clusters together, like repels like and slows them down as they collide. With gentle collisions they won’t fragment, but if the repulsion is too strong, they’ll never grow. One theory suggests that high energy particles can knock more electrons off of some dust clumps, leaving them positively charged. Opposites again attract, and clusters grow rapidly.
ولكن بعد هذه التساؤلات نجد المزيد من الغموض. نحن نعلم بفضل الأدلة الموجودة في النيازك أنَّ هذه الأرانب الغبارية المحشوة تسخن، وتنصهر وتَبرد لتصبح كريات صلبة تسمى الكوندرولات. وليست لدينا فكرة عن سبب حدوث ذلك أو حتى كيف يحدث. وأيضًا، عند تشكل هذه الكريات، كيف تلتصق ببعضها؟ قوى الكهرباء الثابتة التي ذكرناها سابقًا ضعيفة جدًا لجعل الكريات تلتصق، ولا يمكن للصخور الصغيرة أنّ تبقى متماسكة بفعل الجاذبية فحسب. تزداد الجاذبية تناسبًا مع كتلة حجم الأشياء الموجودة. وهذا يفسر إمكانية تفادي نيزك يبلغ حجمه حجم جبلٍ صغيرٍ بسهولة باستخدام القوة التي تُنتجها ساقي الإنسان فقط. فإذا لم تكن الجاذبية هي التي تجعل الصخور مُتماسكة، فماذا تكون؟ ربما الغبار. قد يعمل إطارٌ دائري من الغبار مُتركز حول الجوانب الخارجية للصخور كَمُثَبت. والدليل على ذلك موجود في دراسة النيازك، حيث نجد العديد من الكوندرولات محاطة بإطار رفيع من مادةٍ ثمينة... ربما طبقة غبار كثيفة.
But before long we reach another set of mysteries. We know from evidence found in meteorites that these fluffy dust bunnies eventually get heated, melted and then cooled into solid pellets called chondrules. And we have no idea how or why that happens. Furthermore, once those pellets do form, how do they stick together? The electrostatic forces from before are too weak, and small rocks can’t be held together by gravity either. Gravity increases proportionally to the mass of the objects involved. That’s why you could effortlessly escape an asteroid the size of a small mountain using just the force generated by your legs. So if not gravity, then what? Perhaps it’s dust. A fluffy dust rim collected around the outside of the pellets could act like Velcro. There’s evidence for this in meteors, where we find many chondrules surrounded by a thin rim of very fine material– possibly condensed dust.
ومع الوقت تلتصق الكوندرولات ببعضها داخل صخور أكبر حجمًا منها، ويبلغ طولها كيلومترًا واحدًا ممّا يجعلها ضخمة بما يكفي لتبقى متماسكة بالرغم من وجود الجاذبية. وتستمر بالتصادم والنمو لتصبح أجسامًا متزايدة الحجم، ويشمل ذلك الكرُيات التي ندرسها اليوم.
Eventually the chondrule pellets get cemented together inside larger rocks, which at about 1 kilometer across are finally large enough to hold themselves together through gravity. They continue to collide and grow into larger and larger bodies, including the planets we know today.
وبالنهاية، أساس وجود كل شيء نحن على دراية به... وذلك يشمل حجم كوكبنا وموقعه ضمن المجموعة الشمسية، وتكوينه... أمورٌ حددتها سلسلة من الاصطدامات العشوائية التي لا تعد ولا تحصى. لو غيرنا بعض الأشياء داخل غُمامة الغبار قليلًا، لكان من الممكن عدم توفر الشروط المناسبة لتشكل الحياة على كوكبنا.
Ultimately, the seeds of everything familiar– the size of our planet, its position within the solar system, and its elemental composition– were determined by an uncountably large series of random collisions. Change the dust cloud just a bit, and perhaps the conditions wouldn’t have been right for the formation of life on our planet.