كشف سر التوسع المتسارع للكون

يشهد الكون توسعًا متسارعًا، ربما تحت تأثير الطاقة المظلمة. ومع ذلك، فإن توتر هابل، وهو اختلاف في قياسات معدل التوسع، يتحدى النماذج الحالية ويحفز البحث المستمر عن تفسيرات.

لقد عرف علماء الفلك منذ عقود أن الكون يتوسع. وعندما استخدموا التلسكوبات لمراقبة المجرات البعيدة، وجدوا أنها كذلك المجرات تبتعد من الأرض.

بالنسبة لعلماء الفلك، الطول الموجي للضوء المنبعث من المجرة يكون أطول كلما زادت سرعة تحرك المجرة بعيدًا عنا. كلما كانت المجرة أبعد، كلما تحول ضوءها نحو الأطوال الموجية الأطول على الجانب الأحمر من الطيف – وبالتالي كلما زاد “الانزياح نحو الأحمر”.

الوقت والمسافة في الكون

ولأن سرعة الضوء محدودة وسريعة ولكنها ليست سريعة إلى ما لا نهاية، فإن رؤية شيء بعيد يعني أننا ننظر إلى الشيء كما كان يبدو في الماضي. ومع وجود المجرات البعيدة ذات الانزياح الأحمر العالي، فإننا نرصد المجرة منذ وقت كان فيه الكون في حالة أصغر سنا. وبالتالي، فإن “الانزياح الأحمر الكبير” يتوافق مع الأوقات المبكرة للكون، و”الانزياح الأحمر المنخفض” يتوافق مع الأوقات المتأخرة للكون.

تُظهر الصورة العميقة المجال المأخوذة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي كونًا مليئًا بالمجرات المتلألئة. هذه هي أعمق وأدق صورة بالأشعة تحت الحمراء للكون البعيد حتى الآن. تُعرف هذه الصورة باسم حقل ويب العميق الأول، وهي مليئة بالتفاصيل. مصدر الصورة: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وكالة الفضاء الكندية، وSTScI

لكن من خلال دراسة هذه المسافات، اكتشف علماء الفلك أن الكون لا يتوسع فحسب، بل إن معدل توسعه يتسارع. ومعدل التوسع هذا أسرع مما تتنبأ به النظرية السائدة، وهو ما يعني الرحيل علماء الكون مثلي في حيرة وتبحث عن تفسيرات جديدة.

التوسع المتسارع والطاقة المظلمة

ويطلق العلماء على مصدر هذا التسارع الطاقة المظلمة. نحن لا نعرف حقًا ما الذي يحرك الطاقة المظلمة أو كيف تعمل، لكننا نعتقد أنه يمكن تفسير سلوكها ثابت كونيوهو أ خاصية الزمكان مما يساهم في توسع الكون.

اقترح ألبرت أينشتاين في الأصل هذا الثابت، وقد أطلق عليه اسم لامدا في نظريته النسبية العامة. مع الثابت الكوني، مع توسع الكون، تظل كثافة طاقة الثابت الكوني كما هي.

تخيل صندوقًا مليئًا بالجزيئات. إذا زاد حجم الصندوق، فإن كثافة الجزيئات ستقل مع انتشارها لتشغل كل المساحة الموجودة في الصندوق. الآن تخيل نفس الصندوق، ولكن مع زيادة الحجم، تظل كثافة الجسيمات كما هي.

هذا لا يبدو بديهيا، أليس كذلك؟ إن حقيقة أن كثافة طاقة الثابت الكوني لا تتناقص مع توسع الكون هي بالطبع غريبة جدًا، لكن هذه الخاصية تساعد في تفسير تسارع الكون.

Lambda CDM: النموذج القياسي لعلم الكونيات

حاليًا، النظرية السائدة، أو النموذج القياسي، في علم الكونيات هي يسمى “لامدا آلية التنمية النظيفة“. يشير Lambda إلى الثابت الكوني الذي يصف الطاقة المظلمة، بينما يشير CDM إلى المادة المظلمة الباردة. يصف هذا النموذج تسارع الكون في مراحله اللاحقة وكذلك معدل التوسع في مراحله المبكرة.

على وجه التحديد، تشرح Lambda CDM عمليات رصد إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الشفق اللاحق لإشعاع الميكروويف منذ نشأة الكون. كان في “حالة حارة وكثيفة”.“بعد حوالي 300 ألف سنة الانفجار العظيم. الملاحظات باستخدام القمر الصناعي بلانكالذي يقيس خلفية الميكروويف الكونيةقاد العلماء إلى إنشاء نموذج Lambda CDM.

إن ضبط نموذج Lambda CDM على خلفية الموجات الميكروية الكونية يسمح للفيزيائيين بالتنبؤ بقيمة ثابت هابلوهو ليس في الواقع ثابتًا ولكنه مقياس يصف معدل التوسع الحالي للكون.

لكن نموذج Lambda CDM ليس مثاليًا. قام العلماء بحساب معدل التوسع عن طريق قياس المسافات إلى المجرات، ومعدل التوسع كما هو موضح في Lambda CDM باستخدام ملاحظات الخلفية الكونية الميكروية، لا تنتظر في الطابور. يطلق علماء الفيزياء الفلكية على هذا الخلاف اسم توتر هابل.

يتوسع الكون بشكل أسرع مما تتنبأ به نماذج علم الكونيات الشائعة. الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي

جهد هابل

على مدى السنوات القليلة الماضية لقد كنت البحث عن طرق لتفسير هذا التوتر هابل. يمكن أن يشير التوتر إلى أن نموذج Lambda CDM غير مكتمل وأنه يجب على الفيزيائيين تعديل نموذجهم، أو أن الوقت قد حان للباحثين للتوصل إلى أفكار جديدة حول كيفية عمل الكون. والأفكار الجديدة هي دائمًا الأشياء الأكثر إثارة بالنسبة للفيزيائي.

إحدى طرق تفسير سلالة هابل هي تعديل نموذج Lambda CDM عن طريق تغيير معدل التوسع عند انزياح أحمر منخفض، في العصور المتأخرة من الكون. تعديل النموذج بهذه الطريقة يمكن أن يساعد الفيزيائيين على التنبؤ بنوع الظاهرة الفيزيائية التي قد تسبب جهد هابل.

على سبيل المثال، ربما لا تكون الطاقة المظلمة ثابتًا كونيًا، بل هي نتيجة للجاذبية التي تعمل بطرق جديدة. إذا كان الأمر كذلك، فإن الطاقة المظلمة سوف تتطور مع توسع الكون – والخلفية الكونية الميكروية، التي تظهر كيف بدا الكون بعد سنوات قليلة من خلقه، سيكون لها تنبؤ مختلف لثابت هابل.

لكن، أحدث الأبحاث لفريقي اكتشف أن الفيزيائيين لا يستطيعون تفسير جهد هابل ببساطة عن طريق تغيير معدل التوسع في الكون المتأخر – هذه الفئة بأكملها من الحلول غير كافية.

استكشاف نماذج جديدة

لدراسة أنواع الحلول التي يمكن أن تفسر توتر هابل، قمنا تطوير الأدوات الإحصائية وقد سمح لنا هذا باختبار صلاحية فئة النماذج بأكملها التي تغير معدل التوسع في الكون المتأخر. تتميز هذه الأدوات الإحصائية بالمرونة الشديدة، وقد استخدمناها لمطابقة أو تقليد نماذج مختلفة يمكن أن تتطابق مع ملاحظات معدل توسع الكون وتقدم حلاً لتوتر هابل.

تتضمن النماذج التي اختبرناها نماذج تطورية للطاقة المظلمة، حيث تعمل الطاقة المظلمة بشكل مختلف في أوقات مختلفة في الكون. اختبرنا أيضًا نماذج التفاعل بين الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، حيث تتفاعل الطاقة المظلمة مع المادة المظلمة، ونماذج الجاذبية المعدلة، حيث تعمل الجاذبية بشكل مختلف في أوقات مختلفة في الكون.

ولكن لا شيء من هذه يمكن أن يفسر بشكل كامل توتر هابل. تشير هذه النتائج إلى أنه يجب على الفيزيائيين دراسة الكون المبكر لفهم مصدر التوتر.

كتبه ريان كيلي، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء، جامعة كاليفورنيا، ميرسيد.

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في الحوار.