إن “توتر هابل” الأخير في علم الكونيات، والذي تميز بقياسات متضاربة لمعدل التوسع، يثير تساؤلات حول النموذج الكوني القياسي. تفترض نظرية جديدة أن فراغًا عملاقًا وكثيفًا يمكن أن يفسر هذه التناقضات، مما يتحدى وجهات النظر التقليدية حول توزيع المادة في الكون، ويقترح مراجعة محتملة لنظرية الجاذبية لأينشتاين.
يقترح علماء الكون وجود فراغ عملاق في الفضاء كحل لـ “توتر هابل”، ويشككون في النماذج التقليدية ويقترحون مراجعة نظرية أينشتاين للجاذبية.
أحد أعظم أسرار علم الكونيات هو مدى سرعة توسع الكون. ويمكن التنبؤ بذلك باستخدام النموذج القياسي لعلم الكونيات، المعروف أيضًا باسم مادة لامدا المظلمة الباردة (ΛCDM). يعتمد هذا النموذج على الملاحظات التفصيلية للضوء الذي خلفه الانفجار العظيم – ما نسميه الخلفية الكونية الميكروية (CMB).
توسع الكون يدفع المجرات بعيدا عن بعضها البعض. كلما كانوا بعيدين عنا، كلما تحركوا بشكل أسرع. العلاقة بين سرعة المجرة وبعدها يحكمها “ثابت هابل”، وهو ما يقرب من 70 كم في الثانية لكل ميجابارسيك (وحدة الطول في علم الفلك). وهذا يعني أن المجرة تكسب حوالي 50000 ميل في الساعة لكل مليون سنة ضوئية فهو بعيد عنا.
لكن لسوء الحظ بالنسبة للنموذج القياسي، فقد تم تحدي هذه القيمة مؤخرًا، مما أدى إلى ما يسميه العلماء “جهد هابل.” عندما نقيس معدل التوسع باستخدام المجرات القريبة والمستعرات الأعظمية (النجوم المنفجرة)، فهو أعلى بنسبة 10% مما كان عليه عندما توقعناه بناءً على الإشعاع CMB.
تصور فني للفراغ العملاق والخيوط والجدران المحيطة به. الائتمان: بابلو كارلوس بوداسي
عندنا ورقة جديدة، نقدم تفسيرًا محتملاً: أننا نعيش في فراغ عملاق في الفضاء (منطقة ذات كثافة أقل من المتوسط). نظهر أن هذا يمكن أن يؤدي إلى تضخيم القياسات المحلية بسبب تدفقات المواد من الفراغ. قد تحدث التدفقات عندما تفصله المناطق الأكثر كثافة المحيطة بالفراغ، حيث تمارس قوة جذب أكبر من المادة ذات الكثافة المنخفضة داخل الفراغ.
في هذا السيناريو، سنحتاج إلى أن نكون بالقرب من مركز الفراغ الذي يبلغ نصف قطره حوالي مليار سنة ضوئية وكثافته أقل بنحو 20% من متوسط الكون بأكمله، وبالتالي ليس فارغًا تمامًا.
إن مثل هذا الفراغ الشاسع والعميق غير متوقع في النموذج القياسي ــ وبالتالي فهو مثير للجدل. توفر الإشعاعات CMB نظرة ثاقبة على بنية الكون الناشئ، مما يشير إلى أن المادة اليوم يجب أن تكون موزعة بالتساوي إلى حد ما. ومع ذلك، من خلال حساب عدد المجرات في مناطق مختلفة بشكل مباشر يقترح بالفعل نحن في فراغ محلي.
تغيير قوانين الجاذبية
أردنا اختبار هذه الفكرة بشكل أكبر من خلال مطابقة العديد من الملاحظات الكونية المختلفة على افتراض أننا نعيش في فراغ كبير ينشأ من تقلبات كثافة صغيرة في البداية.
للقيام بذلك، لدينا نموذج لم تتضمن ΛCDM ولكن نظرية بديلة تسمى ديناميات نيوتن المعدلة (الاثنين).
تم اقتراح MOND في البداية لشرح الحالات الشاذة في سرعات دوران المجرات، مما أدى إلى اقتراح وجود مادة غير مرئية تسمى “المادة المظلمة”. يقترح MOND بدلاً من ذلك أن هذه الحالات الشاذة يمكن تفسيرها بانهيار قانون نيوتن للجاذبية عندما يكون سحب الجاذبية ضعيفًا جدًا – كما هو الحال في المناطق الخارجية للمجرات.
سيكون التاريخ العام للتوسع الكوني في MOND مشابهًا للنموذج القياسي، لكن البنية (مثل مجموعات المجرات) ستنمو بسرعة أكبر في MOND. يجسد نموذجنا الشكل الذي قد يبدو عليه الكون المحلي في كون MOND. ووجدنا أن هذا من شأنه أن يسمح للمقاييس المحلية لمعدل التوسع الحالي بالتقلب اعتمادًا على موقعنا.
تقلبات درجة الحرارة CMB: صورة مفصلة لسماء الكون الناشئ بأكملها تم إنشاؤها من بيانات WMAP لمدة تسع سنوات تكشف عن تقلبات في درجات الحرارة عمرها 13.77 مليار سنة (كما هو موضح من خلال اختلافات اللون). الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي
قدمت عمليات رصد المجرات الأخيرة اختبارًا جديدًا حاسمًا لنموذجنا استنادًا إلى السرعة المتوقعة في مواقع مختلفة. ويمكن القيام بذلك عن طريق قياس ما يسمى معدل التدفق الإجمالي، وهو متوسط سرعة المادة في مجال معين، سواء كانت كثيفة أم لا. وهذا يختلف مع نصف قطر الكرة، مع المشاهدات الأخيرة عرض تواصل ما يصل إلى مليار سنة ضوئية.
ومن المثير للاهتمام أن التدفق الهائل للمجرات بهذا الحجم ضاعف السرعة المتوقعة في النموذج القياسي أربع مرات. ويبدو أيضًا أنها تتزايد مع حجم المنطقة قيد النظر، على عكس ما يتوقعه النموذج القياسي. واحتمال أن يتوافق هذا مع النموذج القياسي هو أقل من واحد في المليون.
دفعنا هذا إلى رؤية ما تنبأت به دراستنا للتدفق الهائل. وجدنا أن هذا يعطي جيد جدا مباراة إلى الملاحظات. وهذا يتطلب أن نكون قريبين تمامًا من مركز الفراغ، وأن يكون الفراغ في مركزه أكثر فراغًا.
القضية مغلقة؟
تأتي نتائجنا في وقت تواجه فيه الحلول الشائعة لتوتر هابل مشكلة. يعتقد بعض الناس أننا نحتاج فقط إلى قياسات أكثر دقة. ويرى آخرون أن هذه المشكلة يمكن حلها بافتراض أن معدل التوسع المرتفع الذي نقيسه محليًا هو في الواقع الحق. لكن هذا يتطلب تعديلًا طفيفًا في تاريخ التوسع في الكون المبكر لجعل CMB لا يزال يبدو صحيحًا.
ولسوء الحظ، تسلط دراسة مؤثرة الضوء على سبعة مشاكل مع هذا النهج. ولو كان الكون قد توسع بسرعة أكبر بنسبة 10% خلال الغالبية العظمى من التاريخ الكوني، لكان أيضًا أصغر سنًا بنحو 10%، وهو ما يتعارض مع هذه الفرضية. عمر من أقدم النجوم.
إن وجود فراغ محلي عميق وواسع النطاق في عدد المجرات والتدفقات الهائلة السريعة المرصودة يشير بقوة إلى أن البنية تنمو بشكل أسرع من المتوقع في ΛCDM على نطاقات تتراوح بين عشرات ومئات الملايين من السنين الضوئية.
هذه صورة التقطها تلسكوب هابل الفضائي لأكبر مجموعة مجرات شوهدت على الإطلاق عندما كان عمر الكون نصف عمره الحالي البالغ 13.8 مليار سنة فقط. يحتوي العنقود على عدة مئات من المجرات التي تعج بتأثير الجاذبية الجماعية. تُقدر الكتلة الإجمالية للعنقود، كما تم تحسينها في قياسات هابل الجديدة، بحوالي 3 ملايين مليار نجم مثل شمسنا (حوالي 3000 مرة أكبر من مجرتنا، درب التبانة) – حسنًا، معظم الكتلة مخفية. كمادة مظلمة. يظهر موقع المادة المظلمة في التراكب الأزرق. نظرًا لأن المادة المظلمة لا تصدر أي إشعاعات، فقد قام علماء فلك هابل بقياس دقيق لكيفية تشويه جاذبيتها لصور المجرات البعيدة، مثل مرآة المرح. وقد سمح لهم ذلك بالتوصل إلى تقدير شامل للكتلة. أطلق على العنقود اسم El Gordo (“الكبير” باللغة الإسبانية) في عام 2012، عندما أشارت ملاحظات الأشعة السينية والدراسات الحركية لأول مرة إلى أنها كانت ضخمة بشكل غير عادي في الوقت الذي كانت فيه موجودة في الكون البدائي. وأكدت بيانات هابل أن العنقود يتعرض لاندماج عنيف بين مجموعتين أصغر منه. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وج. جي (جامعة كاليفورنيا، ديفيس)
ومن المثير للاهتمام أننا نعلم أن العنقود المجري الضخم El Gordo (انظر الصورة أعلاه) قد تشكل باكرا جدا في التاريخ الكوني وله كتلة وسرعة تصادم عالية جدًا بحيث لا تتوافق مع النموذج القياسي. وهذا يثبت مرة أخرى أن البنية تتشكل ببطء شديد في هذا النموذج.
وبما أن الجاذبية هي القوة المهيمنة على مثل هذه المقاييس الكبيرة، فمن المرجح أننا سنحتاج إلى توسيع نظرية أينشتاين للجاذبية، النسبية العامة، ولكن فقط إلى مقاييس أكبر. أكبر من مليون سنة ضوئية.
ومع ذلك، ليس لدينا طريقة فعالة لقياس سلوك الجاذبية على مستويات أكبر بكثير: لا توجد أجسام ضخمة ذات جاذبية كبيرة. يمكننا أن نفترض أن النسبية العامة تظل صالحة ونقارنها بالملاحظات، لكن هذا النهج بالتحديد هو الذي يؤدي إلى التوترات الخطيرة للغاية التي تواجه حاليًا أفضل نموذج لدينا لعلم الكونيات.
ويعتقد أن أينشتاين قال أننا لا نستطيع حل المشاكل بنفس التفكير الذي أدى إلى المشاكل في المقام الأول. وحتى لو لم تكن التغييرات المطلوبة جذرية، فقد نرى أول دليل موثوق به منذ أكثر من قرن على الحاجة إلى تعديل نظريتنا في الجاذبية.
كتبه إندرانيل بانيك، باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية، جامعة سانت أندروز.
مقتبس من مقالة نشرت أصلا في الحوار.
