إن التمثيل الفني للمادة في الكون المبكر يندمج ببطء في هياكل كونية كبيرة في الكون المتأخر. الائتمان: مينه نجوين، جامعة ميشيغان وثانه نجوين (الزوج)
اكتشف العلماء أن الهياكل الكونية تتطور بشكل أبطأ مما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين، حيث تلعب الطاقة المظلمة دورًا مثبطًا مهيمنًا أكثر مما كان يعتقد سابقًا. يمكن لهذا الاكتشاف أن يعيد تشكيل فهمنا للمادة المظلمة والطاقة المظلمة والنظريات الكونية الأساسية.
مع تطور الكون، يتوقع العلماء أن تتوسع الهياكل الكونية الكبيرة بمعدل معين: المناطق الكثيفة مثل مجموعات المجرات ستصبح أكثر كثافة، في حين أن فراغ الفضاء سوف يفرغ.
ومع ذلك، فقد وجد الباحثون في جامعة ميشيغان أن المعدل الذي تنمو به هذه الهياكل الكبيرة أبطأ مما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين.
وأظهروا أيضًا أنه بينما تعمل الطاقة المظلمة على تسريع التوسع الشامل للكون، فإن قمع النمو في البنية الكونية الذي يراه الباحثون في بياناتهم أكبر مما تتنبأ به النظرية. ونشرت نتائجهم في 11 سبتمبر في المجلة رسائل الفحص البدني.
الشبكة الكونية
تمتد المجرات عبر كوننا مثل شبكة العنكبوت الكونية العملاقة. توزيعهم ليس عشوائيا. وبدلا من ذلك، فإنها تميل إلى التجمع معا. في الواقع، بدأت الشبكة الكونية بأكملها ككتل صغيرة من المادة في الكون المبكر، والتي توسعت تدريجيًا إلى مجرات فردية، وفي النهاية عناقيد وخيوط مجرية.
“على مدار الزمن الكوني، تجذب كتلة كتلة صغيرة وتراكم المزيد والمزيد من المادة من منطقتها المحلية من خلال تفاعل الجاذبية. وقال مينه نغوين، المؤلف الرئيسي للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء في جامعة ميريلاند: “عندما تصبح المنطقة أكثر كثافة، فإنها تنهار في النهاية تحت جاذبيتها الخاصة”.
“وبالتالي، عندما تنهار، تصبح الكتل أكثر كثافة. وهذا ما نعنيه بالنمو. إنه مثل النول حيث الانهيارات الأحادية والثنائية والثلاثية تشبه ورقة الشجر والخيط والعقدة. الواقع عبارة عن مزيج من الحالات الثلاث، ولديك مجرات تعيش على طول الخيوط بينما توجد مجموعات من المجرات – مجموعات من آلاف المجرات، وهي أضخم الأجسام في كوننا والتي تحدها الجاذبية – في العقد.
الطاقة المظلمة والتوسع الكوني
الكون لا يتكون فقط من المادة. ومن المحتمل أيضًا أنه يحتوي على مكون غامض يسمى الطاقة المظلمة. تعمل الطاقة المظلمة على تسريع توسع الكون على نطاق عالمي. في حين أن الطاقة المظلمة تعمل على تسريع توسع الكون، إلا أن لها تأثيرًا معاكسًا على الهياكل الكبيرة.
وقال نجوين: “إذا كانت الجاذبية تعمل كمضخم يعزز اضطرابات المادة لتنمو إلى بنية واسعة النطاق، فإن الطاقة المظلمة تعمل كمخفف لهذه الاضطرابات وتبطئ نمو البنية”. “من خلال دراسة كيفية تجمع البنية الكونية ونموها، يمكننا أن نحاول فهم طبيعة الجاذبية والطاقة المظلمة.”
المنهجية والمسابير
قام نجوين وأستاذ الفيزياء في جامعة ميريلاند دراجان هوتيرر وطالب الدراسات العليا في جامعة ميريلاند يووي وين بفحص النمو الزمني لبنية واسعة النطاق طوال الزمن الكوني باستخدام العديد من المجسات الكونية.
أولاً، استخدم الفريق شيئًا يسمى الخلفية الكونية الميكروية. تتكون الخلفية الكونية الميكروية، أو CMB، من الفوتونات المنبعثة مباشرة بعد الانفجار العظيم. توفر هذه الفوتونات لمحة سريعة عن الكون المبكر جدًا. أثناء انتقال الفوتونات نحو تلسكوباتنا، يمكن أن يتشوه مسارها بسبب الجاذبية أو يتأثر ببنية واسعة النطاق على طول الطريق. ومن خلال فحصها، يمكن للباحثين استنتاج كيفية توزيع البنية والمادة بيننا وبين الخلفية الكونية الميكروية.
استفاد نجوين وزملاؤه من ظاهرة مشابهة تتمثل في عدسة الجاذبية الضعيفة لأشكال المجرات. يتشوه الضوء القادم من المجرات الخلفية بسبب تفاعلات الجاذبية مع المادة الأمامية والمجرات. ثم يقوم علماء الكونيات بفك تشفير هذه التشوهات لتحديد كيفية توزيع المادة المتداخلة.
قال نجوين: “بشكل حاسم، نظرًا لأن إشعاع الخلفية الكونية الميكروية والمجرات الخلفية تقع على مسافات مختلفة عنا وعن تلسكوباتنا، فإن عدسة الجاذبية الضعيفة للمجرات عادةً ما تستكشف توزيعات المادة في وقت لاحق عما تستكشفه عدسة الجاذبية الضعيفة لإشعاع الخلفية الكوني المضخم”.
ولتتبع نمو البنية حتى تاريخ لاحق، استخدم الباحثون أيضًا حركات المجرات في الكون المحلي. عندما تقع المجرات في آبار الجاذبية للهياكل الكونية الأساسية، فإن حركاتها تتبع مباشرة نمو البنية.
وقال نجوين: “إن الفرق بين معدلات النمو التي من المحتمل أن نكتشفها يصبح أكثر أهمية مع اقترابنا من الوضع الحالي”. “تشير هذه التحقيقات المختلفة بشكل فردي وجماعي إلى تثبيط النمو. إما أننا نفتقد الأخطاء المنهجية في كل من هذه التحقيقات، أو أننا نفتقد الفيزياء الجديدة المتأخرة في نموذجنا القياسي.
حل الجهد S8
من المحتمل أن تعالج النتائج ما يسمى بالتوتر S8 في علم الكونيات. S8 هي معلمة تصف نمو الهيكل. ينشأ التوتر عندما يستخدم العلماء طريقتين مختلفتين لتحديد قيمة S8 ويختلفون. الطريقة الأولى، باستخدام الفوتونات من الخلفية الكونية الميكروية، تشير إلى قيمة S8 أكبر من القيمة المستنتجة من قياسات عدسات الجاذبية الضعيفة وتكتلات المجرات.
لا يقيس أي من هذه المجسات حاليًا نمو الهيكل. وبدلاً من ذلك، قاموا بفحص البنية في العصور السابقة ثم استقراء تلك القياسات للوقت الحاضر، بافتراض النموذج القياسي. تستكشف الخلفية الكونية الميكروية بنية الكون المبكر، في حين أن بنية عدسة الجاذبية ومسبارات تجميع المجرات ضعيفة في الكون المتأخر.
إن النتائج التي توصل إليها الباحثون حول قمع النمو المتأخر من شأنها أن تضع قيمتي S8 في توافق تام، وفقًا لنغوين.
وقال هوتيرر: “لقد فوجئنا بالأهمية الإحصائية العالية لقمع النمو غير الطبيعي”. “بصراحة، أشعر أن الكون يحاول أن يخبرنا بشيء ما. إن مهمتنا الآن، كعلماء كون، هي تفسير هذه الاكتشافات.
“نود تعزيز الأدلة الإحصائية لقمع النمو. نود أيضًا أن نفهم إجابة السؤال الأكثر صعوبة وهو لماذا تنمو الهياكل بشكل أبطأ مما هو متوقع في النموذج القياسي مع المادة المظلمة والطاقة المظلمة. وقد يعود سبب هذا التأثير إلى الخصائص الجديدة للطاقة المظلمة والمادة المظلمة، أو امتداد آخر للنسبية العامة والنموذج القياسي لم نفكر فيه بعد.
المرجع: “الدليل على قمع نمو البنية في النموذج الكوني المتوافق” بقلم نهات مينه نغوين ودراغان هوتيرر ويويوي وين، 11 سبتمبر 2023، رسائل الفحص البدني.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.131.111001
