يقترح معهد نيلز بور استخدام الكيلونوفا (الانفجارات الناتجة عن اندماج النجوم النيوترونية) لمعالجة التناقضات في قياس معدل توسع الكون. النتائج الأولية واعدة، ولكن هناك حاجة إلى التحقق من صحة المزيد من الحالات.
في السنوات الأخيرة، وجد علم الفلك نفسه في أزمة: على الرغم من أننا نعلم أن الكون يتوسع، وحتى لو كنا نعرف مدى سرعته تقريبًا، فإن الطريقتين الرئيسيتين لقياس هذا التوسع لا تتفقان. يقترح علماء الفيزياء الفلكية في معهد نيلز بور الآن طريقة جديدة يمكن أن تساعد في حل هذا التوتر.
الكون يتوسع
لقد عرفنا ذلك منذ أن قام إدوين هابل وعلماء فلك آخرون بقياس سرعة عدد من المجرات المحيطة منذ حوالي 100 عام. يتم “إبعاد” مجرات الكون عن بعضها البعض من خلال هذا التوسع وبالتالي تبتعد عن بعضها البعض.
كلما زادت المسافة بين مجرتين، زادت سرعة تباعدهما، والسرعة الدقيقة لهذه الحركة هي واحدة من أهم الكميات الأساسية في علم الكونيات الحديث. الرقم الذي يصف التوسع يسمى “ثابت هابل”، ويظهر في العديد من المعادلات والنماذج المختلفة للكون ومكوناته.
المجرات ثابتة نسبيًا في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع. وهذا يتسبب في ابتعاد المجرات عن بعضها البعض بمعدل متزايد باستمرار. ومع ذلك، فإن السرعة الدقيقة لا تزال غامضة بعض الشيء. الائتمان: إسو/ل. كالسادا. المجرات ثابتة نسبيًا في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع. وهذا يتسبب في ابتعاد المجرات عن بعضها البعض بمعدل متزايد باستمرار. ومع ذلك، فإن السرعة الدقيقة لا تزال غامضة بعض الشيء. الائتمان: إسو/ل. كالسادا
مشكلة هابل
لفهم الكون، يجب علينا معرفة ثابت هابل بأكبر قدر ممكن من الدقة. توجد عدة طرق لقياسه؛ طرق مستقلة بشكل متبادل ولكنها لحسن الحظ تعطي نفس النتيجة تقريبًا.
يعني تقريبا…
الطريقة الأسهل بديهيًا للفهم هي، من حيث المبدأ، نفس الطريقة التي استخدمها إدوين هابل وزملاؤه قبل قرن من الزمان: تحديد موقع مجموعة من المجرات وقياس المسافات والسرعات بينها. ومن الناحية العملية، يتم ذلك من خلال البحث عن المجرات ذات النجوم المنفجرة، والتي تسمى المستعرات الأعظم. وتستكمل هذه الطريقة بطريقة أخرى تقوم بتحليل المخالفات في ما يسمى إشعاع الخلفية الكونية; شكل قديم من الضوء يعود تاريخه إلى ما بعد فترة وجيزة الانفجار العظيم.
الطريقتان – طريقة المستعر الأعظم وطريقة إشعاع الخلفية – كانتا تعطيان دائمًا نتائج مختلفة قليلًا. ولكن أي قياس ينطوي على قدر من عدم اليقين، وقبل بضع سنوات كانت حالات عدم اليقين كبيرة إلى الحد الذي يجعلنا نستطيع أن نلومها على هذا التفاوت.
يُظهر النصف الأيسر من الكرة الأرضية البقايا المتوسعة للمستعر الأعظم الذي اكتشفه تايكو براهي عام 1572، والتي تم رصدها هنا بالأشعة السينية (الائتمان: NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). على اليمين، خريطة لإشعاع الخلفية الكونية من نصف السماء، والتي يتم رصدها في الموجات الدقيقة. الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي
ومع ذلك، مع تحسن تقنيات القياس، انخفضت حالات عدم اليقين ووصلنا الآن إلى نقطة يمكننا أن نقول فيها بدرجة عالية من الثقة أن كلا الأمرين لا يمكن أن يكونا دقيقين.
إن جذر “مشكلة هابل” هذه – سواء كانت تأثيرات غير معروفة تنحاز بشكل منهجي لإحدى النتائج، أو تلميحات إلى فيزياء جديدة لم يتم اكتشافها بعد – هي واحدة من أهم المواضيع حاليًا في علم الفلك.
فجوة هابل الثابتة
يتم قياس توسع الكون بـ “السرعة لكل مسافة” وهو ما يزيد قليلاً عن 20 كم / ثانية لكل مليون سنة ضوئية. وهذا يعني أن مجرة تبعد عنا 100 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 2000 كم/ث، بينما مجرة أخرى تبعد عنا 200 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 4000 كم/ث.
ومع ذلك، فإن استخدام المستعرات الأعظم لقياس مسافات المجرات وسرعاتها يعطي 22.7 ± 0.4 كم/ث، بينما يعطي تحليل إشعاع الخلفية للكون 20.7 ± 0.2 كم/ث.
قد يبدو من الصعب التركيز على مثل هذا الخلاف البسيط، لكنه قد يكون مهمًا للغاية. على سبيل المثال، يظهر الرقم في حساب عمر الكون، وتعطي الطريقتان عمرًا قدره 12.8 و13.8 مليار سنة على التوالي.
كيلونوفا: نهج جديد للقياس
أحد أكبر التحديات هو التحديد الدقيق لمسافة المجرات. لكن في دراسة جديدة، يقترح ألبرت سنيبن، طالب الدكتوراه في الفيزياء الفلكية في مركز الفجر الكوني في معهد نيلز بور في كوبنهاغن، طريقة جديدة لقياس المسافات، مما يساعد على تسوية النزاع المستمر.
“عندما يدور نجمان نيوترونيان مضغوطان للغاية – وهما بقايا المستعرات الأعظم – حول بعضهما البعض ويندمجان في النهاية، ينفجران في انفجار آخر؛ يشرح ألبرت سنيبن ما يسمى بالكيلونوفا. “لقد أظهرنا مؤخرًا مدى تناسق هذا الانفجار بشكل ملحوظ، وتبين أن هذا التماثل ليس جميلًا فحسب، بل إنه مفيد أيضًا بشكل لا يصدق.”
في دراسة ثالثة والذي تم نشره للتو، يوضح طالب الدكتوراه غزير الإنتاج أن الكيلونوفا، على الرغم من تعقيدها، يمكن وصفها بدرجة حرارة واحدة. وقد اتضح أن تناظر وبساطة الكيلونوفا يسمحان لعلماء الفلك باستنتاج مقدار الضوء الذي تنبعث منه بالضبط.
ومن خلال مقارنة هذا السطوع مع كمية الضوء التي تصل إلى الأرض، يمكن للباحثين حساب مدى بعد الكيلونوفا. وهكذا حصلوا على طريقة مستقلة جديدة لحساب المسافة إلى المجرات التي تحتوي على الكيلونوفا.
داراش واتسون هو أستاذ مشارك في مركز الفجر الكوني ومؤلف مشارك في الدراسة. ويوضح: «المستعرات الأعظم، التي كانت تُستخدم حتى الآن لقياس المسافات بين المجرات، لا تبعث دائمًا نفس الكمية من الضوء. بالإضافة إلى ذلك، يطلبون منا أولاً معايرة المسافة باستخدام نوع آخر من النجوم، وهو النجم القيفاوي، والذي يجب معايرته أيضًا. باستخدام الكيلونوفا، يمكننا التحايل على هذه التعقيدات التي تسبب عدم اليقين في القياسات.
النتائج الأولية والخطوات المستقبلية
ولإثبات إمكاناتها، طبق علماء الفيزياء الفلكية الطريقة على الكيلونوفا المكتشفة في عام 2017. والنتيجة هي ثابت هابل أقرب إلى طريقة إشعاع الخلفية، ولكن إذا كانت طريقة الكيلونوفا قادرة على حل مشكلة هابل، فإن الباحثين لا يجرؤون بعد على التأكيد:
يحذر ألبرت سنيبن قائلاً: “لدينا دراسة حالة واحدة فقط حتى الآن ونحتاج إلى المزيد من الأمثلة قبل أن نتمكن من التوصل إلى نتيجة قوية”. “لكن طريقتنا تتجاوز على الأقل بعض مصادر عدم اليقين المعروفة، وهي نظام “نظيف” للغاية للدراسة. وهذا لا يتطلب أي معايرة، ولا عامل تصحيح.
المرجع: “قياس ثابت هابل بالكيلونوفات باستخدام طريقة الغلاف الضوئي المتوسع” بقلم ألبرت سنيبن، وداراش واتسون، ودوفي بوزنانسكي، وأوليفر جاست، وأندرياس باوزاين، ورادوسلاف فوجتاك، 2 أكتوبر 2023، علم الفلك والفيزياء الفلكية.
دوى: 10.1051/0004-6361/202346306
