القياس الجديد يمكن أن يغير فهمنا للكون

الكون يتوسع ، ولكن ما السرعة بالضبط؟ يبدو أن الإجابة تعتمد على ما إذا كنت تقدر معدل التوسع الكوني ، المسمى بثابت هابل ، أو H₀—بناءً على صدى الانفجار العظيم (خلفية الميكروويف الكونية ، أو CMB) حيث تقيس H₀ تعتمد بشكل مباشر على النجوم والمجرات اليوم. هذه المشكلة ، المعروفة باسم إجهاد هابل ، حيرت علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكون حول العالم.

تضيف دراسة أجرتها مجموعة الأبحاث Stellar Standard Candles and Distances بقيادة ريتشارد أندرسون من معهد الفيزياء في EPFL قطعة جديدة إلى اللغز. نُشرت أبحاثهم في علم الفلك والفيزياء الفلكية، أجرى المعايرة الأكثر دقة للنجوم Cepheid – نوع من النجوم المتغيرة التي يتقلب سطوعها خلال فترة محددة – لقياسات المسافة حتى الآن بناءً على البيانات التي جمعتها بعثة Gaia للفضاء الأوروبي (ESA) التابعة للوكالة. تزيد هذه المعايرة الجديدة من تضخيم توتر هابل.

ثابت هابل (H₀) على اسم عالم الفيزياء الفلكية الذي اكتشف هذه الظاهرة مع جورج ليميتر في أواخر العشرينات من القرن الماضي ، ويقاس بالكيلومترات في الثانية لكل ميجابرسك (km / s / Mpc) ، حيث 1 Mpc هي حوالي 3 ، 26 مليون سنة ضوئية.

أفضل مقياس مباشر لـ H.₀ يستخدم “مقياس المسافة الكونية” ، حيث يتم تحديد الدرجة الأولى من خلال المعايرة المطلقة لسطوع Cepheids ، والتي تمت إعادة معايرتها الآن بواسطة دراسة EPFL. في المقابل ، تقوم Cepheids بمعايرة الدرجة التالية من السلم ، حيث تتعقب المستعرات الأعظمية – الانفجارات القوية للنجوم التي تقترب من نهاية حياتها – توسع الفضاء نفسه.

مقياس المسافة هذا ، مُقاسًا بالمستعر الأعظم ، H.₀فريق معادلة حالة الطاقة المظلمة (SH0ES) بقيادة آدم ريس ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2011 ، يطرح H₀ عند 73.0 ± 1.0 كم / ثانية / مليون قطعة.

أول إشعاع بعد الانفجار العظيم

ح₀ يمكن أيضًا تحديده من خلال تفسير الإشعاع CMB ، وهو إشعاع الميكروويف المنتشر في كل مكان والذي خلفه الانفجار العظيم منذ أكثر من 13 مليار سنة. ومع ذلك ، يجب أن تفترض هذه الطريقة في قياس “الكون المبكر” الفهم المادي الأكثر تفصيلاً لكيفية تطور الكون ، مما يجعله يعتمد على النموذج. قدم القمر الصناعي Planck التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) البيانات الأكثر شمولاً عن CMB ، ووفقًا لهذه الطريقة ، قدم H₀ 67.4 ± 0.5 كم / ثانية / مليون قطعة.

يشير توتر هابل إلى هذا التباين البالغ 5.6 كم / ثانية / مليون قطعة ، اعتمادًا على ما إذا كانت طريقة CMB (الكون المبكر) أو طريقة سلم المسافة (الكون المتأخر) مستخدمة. المعنى الضمني ، بشرط أن تكون القياسات التي تم إجراؤها بالطريقتين صحيحة ، هو أن هناك خطأ ما في فهم القوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم الكون. بطبيعة الحال ، تؤكد هذه القضية الرئيسية إلى أي مدى تعد موثوقية أساليب علماء الفيزياء الفلكية أمرًا ضروريًا.

تعتبر دراسة EPFL الجديدة مهمة جدًا لأنها تعزز الدرجة الأولى من مقياس المسافة من خلال تحسين معايرة Cepheids كمتتبع للمسافات. في الواقع ، تسمح لنا المعايرة الجديدة بقياس المسافات الفلكية في حدود ± 0.9٪ ، مما يوفر دعمًا قويًا للقياس المتأخر للكون. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النتائج التي تم الحصول عليها في EPFL ، بالتعاون مع فريق SH0ES ، جعلت من الممكن تحسين H₀ القياس ، مما أدى إلى دقة أفضل وأهمية متزايدة لجهد هابل.

يوضح أندرسون: “تؤكد دراستنا معدل التوسع البالغ 73 كم / ثانية / Mpc ، ولكن الأهم من ذلك أنها توفر أيضًا المعايرات الأكثر دقة وموثوقية للقيفيات كأدوات لقياس المسافات حتى الآن”.

“لقد طورنا طريقة بحثت عن Cepheids التي تنتمي إلى عناقيد نجمية تتكون من عدة مئات من النجوم عن طريق اختبار ما إذا كانت النجوم تتحرك معًا في مجرة ​​درب التبانة. وبفضل هذه الحيلة ، تمكنا من الاستفادة من أفضل قياسات اختلاف المنظر المعرفي لـ Gaia أثناء الاستفادة من الزيادة في الدقة التي يوفرها العديد من النجوم الأعضاء في العنقود. وقد سمح لنا ذلك بدفع دقة مناظر غايا إلى أقصى حد لها ويوفر أقوى أساس يمكن أن يرتكز عليه مقياس المسافة “.

إعادة التفكير في المفاهيم الأساسية

ما سبب أهمية الاختلاف البالغ بضعة كيلومترات / ثانية / مليون متر مكعب ، بالنظر إلى النطاق الواسع للكون؟ يقول أندرسون: “لهذه الفجوة أهمية هائلة”.

“لنفترض أنك تريد بناء نفق عن طريق حفر جانبين متقابلين من الجبل. إذا كنت قد فهمت نوع الصخرة بشكل صحيح وحساباتك صحيحة ، فإن الفتحتين اللتين تحفرهما ستلتقيان في المركز. ليس هذا هو الحال ، إنه يعني أنك ارتكبت خطأ – إما أن حساباتك خاطئة أو أنك مخطئ بشأن نوع الصخرة.

“هذا ما يحدث مع ثابت هابل. وكلما حصلنا على مزيد من التأكيد على دقة حساباتنا ، استنتجنا أن التناقض يعني أن فهمنا للكون خاطئ ، وأن الكون ليس كما كنا نعتقد. ”

الفجوة لها العديد من الآثار الأخرى. إنه يتحدى الأساسيات ، مثل الطبيعة الدقيقة للطاقة المظلمة ، والتواصل الزماني ، والجاذبية. يقول أندرسون: “هذا يعني أنه يتعين علينا إعادة التفكير في المفاهيم الأساسية التي تشكل أساس فهمنا العام للفيزياء”.

تقدم دراسة مجموعته البحثية أيضًا مساهمة مهمة في المجالات الأخرى. يقول موريسيو كروز رييس ، طالب دكتوراه في مجموعة أندرسون البحثية والمؤلف الرئيسي للدراسة: “نظرًا لأن قياساتنا دقيقة جدًا ، فإنها تعطينا نظرة ثاقبة حول هندسة مجرة ​​درب التبانة”. “ستسمح لنا المعايرة الدقيقة للغاية التي قمنا بتطويرها بتحديد حجم وشكل مجرة ​​درب التبانة بشكل أفضل كمجرة ذات قرص مسطح وبعدها عن المجرات الأخرى ، على سبيل المثال. وقد أكد عملنا أيضًا بيانات الموثوقية من Gaia من خلال مقارنة إلى البيانات المأخوذة من التلسكوبات الأخرى “.