مسبار الطاقة المظلمة يؤكد نظرية الكون المتوسع باستمرار

[عبدالله أسحاق]

تتوافق النتائج الأولى من الأداة الآلية مع التوقعات حول كيفية تطور الكون على مدى 11 مليار سنة الماضية

لقد اجتازت النظرية القياسية لعلم الكونيات - التي تقول إن 95% من الكون يتكون من أشياء غير معروفة لا يمكننا رؤيتها - الاختبار الأكثر صرامة حتى الآن. تؤكد النتائج الأولى الصادرة عن أداة مصممة لدراسة التأثيرات الكونية لهذه الطاقة المظلمة الغامضة، أن الكون قد تطور على مدى الـ 11 مليار سنة الماضية، تمامًا كما توقع المنظرون، لأقرب 1%.

النتائج، التي تم تقديمها اليوم في سلسلة من المحادثات في اجتماع الجمعية الفيزيائية الأمريكية في سكرامنتو، كاليفورنيا، واجتماع موريوند في إيطاليا، وكذلك في مجموعة من المطبوعات الأولية المنشورة على arXiv، تأتي من أداة تحليل الطاقة المظلمة (DESI). ، والتي سجلت أكثر من 6 ملايين مجرة في الفضاء السحيق لإنشاء أكبر خريطة ثلاثية الأبعاد للكون تم تجميعها حتى الآن.

يقول إريك جاوايسر، عالم الكونيات في جامعة روتجرز، والذي لم يشارك في هذا العمل: "إنها أداة هائلة ونتيجة عظيمة". "إن الكون الذي يجده DESI معقول جدًا، مع تلميحات محيرة عن عالم أكثر إثارة للاهتمام."

لقد تم تجميع النظرية الكونية القياسية منذ حوالي 25 عامًا للتوفيق بين الملاحظات المتضاربة، وقد أثبتت مرونتها بشكل ملحوظ. كان الباحثون في أواخر التسعينيات يتوقعون العثور على كون يتباطأ بسبب سحب الجاذبية المستمر من المادة المرئية بالإضافة إلى المادة المظلمة الباردة غير المرئية (CDM). وبدلا من ذلك، وجدوا دليلا على أن توسع الكون كان يتسارع. أبسط تفسير لهذه "الطاقة المظلمة" هو أن الفضاء الفارغ مشبع بكمية ثابتة من الطاقة، مما يمنحه مرونة تدفع المادة إلى بعضها البعض. ويمكن للنظريين تفسير هذه القوة عن طريق إضافة الثابت الكوني، لامدا، إلى نظرية ألبرت أينشتاين في الجاذبية.

لكن العديد من المنظرين يجدون نموذج لامدا-آلية التنمية النظيفة غير مرضٍ لأنه لا يفسر لماذا يجب أن يحتوي الفضاء الفارغ على هذه الكمية المحددة من الطاقة، أو لماذا يحتوي على طاقة في المقام الأول. لذلك طور الباحثون سلسلة من الأدوات رفيعة المستوى في الفضاء وعلى الأرض لقياس مدى سرعة تفكك الكون. الهدف هو معرفة ما إذا كان الثابت الكوني ثابتًا بالفعل عبر التاريخ. إذا لم يكن الأمر كذلك، فقد يفتح ذلك الباب أمام نظريات كونية أخرى.

إحدى أقوى الطرق لقياس التوسع هي عبر توزيع المجرات. على المقاييس الأكبر، لا تنتشر المجرات بشكل متساوٍ، ولكنها تميل إلى التجمع معًا في مجموعات. هذه قطعة أثرية من العصر الذي أعقب الانفجار الأعظم مباشرة قبل 13.8 مليار سنة، عندما لم تكن هناك مجرات أو حتى نجوم، بل مجرد غاز متدفق من الجسيمات، بما في ذلك نوى الهيدروجين والهيليوم، وهي أنواع من الجسيمات المعروفة باسم الباريونات.

ترددت الموجات الصوتية عبر الغاز مثل التموجات في البركة، مما تسبب في تكتل الباريونات معًا، وتشكيل بذور المجرات المستقبلية ومجموعات المجرات. ومع تبريد الغاز، تجمدت الموجات - التذبذبات الصوتية الباريونية (BAOs) - كمسافة مميزة في توزيع المادة. واليوم يتم الحفاظ على هذه المسافة باعتبارها ميلًا للمجرات للفصل بينها بمقدار 490 مليون سنة ضوئية. والسؤال المطروح على المنظرين هو: هل تسارع نمو ذلك المقياس الكوني بشكل مطرد، وفقًا للثابت الكوني، أم أن التسارع يتغير بمرور الوقت؟

لقد حددت المسوحات المجرية السابقة الطاقة المظلمة بقيمة ثابتة بدقة متزايدة، ولكن باستخدام التلسكوبات الصغيرة نسبيًا، لم يتمكنوا من الرؤية إلا لمسافة بعيدة. تم تصميم DESI لاتخاذ الخطوة التالية: تسجيل المزيد من المجرات والبحث في الماضي عبر 11 مليار سنة، أي 80% من تاريخ الكون. وهو يستخدم تلسكوبًا موجودًا يبلغ قطره 4 أمتار في Kitt Peak في أريزونا، وقد تم تجهيزه بمنظار طيفي يجمع الضوء من 5000 مجرة في نفس الوقت. تعمل أذرع الروبوت الصغيرة على وضع نهايات 5000 من الألياف الضوئية لتتناسب مع مواقع المجرات على المستوى البؤري للتلسكوب، وتغير موضعها بسرعة عندما يتحرك التلسكوب إلى جزء مختلف من السماء. ومن خلال تقسيم الضوء القادم من كل مجرة إلى طيف، يستطيع الباحثون قياس المسافة بينها بشكل أفضل.

يمكن للأداة اكتشاف المجرات التي يعود تاريخها إلى أكثر من 9 مليارات سنة. علاوة على ذلك، اعتمد الفريق على أكثر من 700 ألف نجم زائف، وهي قلوب المجرات المتوهجة ذات الثقوب السوداء الهائلة. لا يوجد ما يكفي من النجوم الزائفة للحصول على تحديد جيد لمقياس BAO من خلال رسم مواقعها، لذلك استخدم فريق DESI النجوم الزائفة كإضاءة خلفية. عندما يمر ضوء الكوازار عبر سحب غاز الهيدروجين المتداخلة بين المجرات، فإنه يخلق سلسلة من خطوط الامتصاص الطيفية المعروفة باسم غابة ليمان ألفا. إن موقع كل خط في الطيف يمنح الباحثين القدرة على تحديد مدى بعد سحب الغاز. ويمكن حساب إشارة BAO من توزيع تلك السحب.

بدأت DESI في رسم خرائط المجرات والكوازارات في عام 2019، وفي العمل الجديد، يصف التعاون المكون من 900 شخص النتائج من عامه الأول من جمع البيانات. تُظهر نتائج DESI بمفردها أن الكون نما وفقًا لـ lambda-CDM بدقة أفضل من 1%. يقول المتحدث المشارك كايل داوسون من جامعة يوتا إنه "مسرور" لأن DESI تمكن من تحسين دقة جميع الاستطلاعات السابقة بشكل كبير باستخدام بيانات لمدة عام واحد فقط.

عند دمجها مع مجموعات البيانات من أدوات أخرى، مثل القمر الصناعي الأوروبي بلانك، تقدم بيانات DESI تلميحًا محيرًا بأن تسارع الطاقة المظلمة قد يختلف قليلاً عبر التاريخ الكوني، وبعبارة أخرى، أن الثابت الكوني ليس ثابتًا تمامًا. هذا الانحراف ليس ذا دلالة إحصائية كافية للباحثين ليقولوا بحزم أن lambda-CDM خاطئ - فقد يختفي عندما يجمع DESI المزيد من البيانات - لكنه يمنح المنظرين غذاءً للتفكير. يقول داوسون: "إنه تحدٍ يجب أن نفهمه".
سوف تعالج DESI هذا التحدي قريبًا بمجموعة بيانات مدتها 3 سنوات تليها مجموعة مدتها 5 سنوات. سيكون للأدوات الجديدة الأخرى أيضًا كلمتها، بما في ذلك القمر الصناعي الأوروبي إقليدس، الذي تم إطلاقه العام الماضي، ومرصد فيرا سي روبين الأمريكي، وهو تلسكوب مسح بطول 8 أمتار يبدأ بالمراقبة من تشيلي في عام 2025، وتلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي التابع لناسا. ومن المقرر إطلاقه في عام 2027. ويقول جاواسر: "لقد وصل عصر علم الكونيات الدقيق مع مسوحات المجرات".