Mutated hilltop inflation in light of Planck/ACT observations

بدأ الكون في حالة من الحرارة والكثافة التي لا يمكن تصورها، متوسعاً بسرعة تفوق سرعة الضوء في لحظة عابرة تُعرف بالتضخم. هذا النمو السريع سوّى الكون، مما حلّ ألغازاً حول سبب ظهور الكون بشكل متماثل في جميع الاتجاهات ولماذا هو مسطح للغاية. لكن التضخم لم يحدث ويتوقف فحسب؛ بل كان لزاماً عليه أن ينتهي، ناقلاً طاقة ذلك التوسع إلى الجسيمات التي ستشكل في النهاية النجوم والمجرات. تُسمى هذه المرحلة الانتقالية بـ "إعادة التسخين"، وهي مرحلة فوضوية حيث يتذبذب المجال الذي يقود التضخم، والمعروف باسم "الإنفلاتون"، ويتحلل إلى الحساء الساخن للكون المبكر. يدرس العلماء البصمات التي تركتها هذه العملية، وتحديداً الأنماط في الخلفية الكونية الميكروية — وهي الوهج المتبقي من الانفجار العظيم — والتموجات الخافتة في الزمكان المسماة بالموجات الثقالية. ومن خلال قياس هذه الإشارات باستخدام تلسكوبات مثل "بلانك" وتلسكوب "أتاكاما الكوني"، يمكن للباحثين اختبار نظريات مختلفة حول كيفية عمل التضخم وكيف بدا الكون في أجزاء من الثانية الأولى.

لقد أخضع فريق من الباحثين مؤخراً نظرية محددة، تُسمى "تضخم التل المتحور"، لاختبار صارم باستخدام أدق البيانات المتاحة. تقترح هذه النموذج أن مجال الإنفلاتون بدأ بالقرب من قمة تلة طاقة وضعية ثم تدحرج نحو الحد الأدنى، مما دفع عملية التوسع. أما الجزء "المتحور" فيشير إلى تعديل رياضي محدد في شكل تلك التلة، مما يسمح للنظرية بأن تسلك سلوكاً مختلفاً اعتماداً على رقم واحد قابل للتعديل، يُعرف باسم "ألفا". أراد الباحثون معرفة ما إذا كان هذا النموذج يمكنه الصمود أمام تدقيق الملاحظات الحديثة. لم يكتفوا بالنظر إلى الخلفية الكونية الميكروية فحسب؛ بل تتبعوا أيضاً تبعات مرحلة إعادة التسخين والعصر اللاحق الذي ساد فيه الإشعاع. قاموا بحساب المدة التي استغرقها التضخم، ودرجة الحرارة التي وصل إليها الكون عندما أعيد تسخينه، ونوع الموجات الثقالية التي سينتجها النموذج. ومن خلال دمج كل هذه العوامل، حصروا القيم الممكنة لمعلمات النموذج في نطاق محدد للغاية.

وجد البحث أن نموذج التل المتحور متوافق بالفعل مع الملاحظات الحالية، ولكن تحت شروط صارمة. فعندما قارن الباحثون تنبؤات النموذج مع بيانات القمر الصناعي "بلانك" وتجربة "BICEP/Keck"، حددوا أن التضخم يجب أن يكون قد استمر لعدد معين من الدورات، المعروف باسم "إي-فولدز" (e-folds). وقد استبعدت البيانات السيناريوهات التي كان فيها التضخم قصيراً جداً، مما أرسى حداً أدنى للمدة يبلغ حوالي 44 دورة بثقة تصل إلى 95%. ومع ذلك، عندما أضافوا بيانات من تلسكوب "أتاكاما الكوني"، الذي يوفر رؤية أكثر حدة للخلفية الكونية، ضاقت القيود بشكل كبير؛ حيث قفز الحد الأدنى للمدة إلى 54 دورة، وضاقت مجموعة القيم المسموح بها لمعلمة "ألفا" بشكل ملحوظ. وهذا يعني أنه لكي يكون هذا النموذج صحيحاً، يجب أن يكون الكون قد توسع لمدة زمنية محددة للغاية، ويجب أن يكون شكل تلة الطاقة ضمن نافذة ضيقة من الاحتمالات.

كما فحص الباحثون ما بعد التضخم للتأكد من أن النموذج منطقي فيزيائياً. فقد حسبوا مدة مرحلة إعادة التسخين ودرجة الحرارة التي وصل إليها الكون عندما انتقل إلى الحقبة التي يهيمن عليها الإشعاع. ووجدوا أن النموذج يضع حداً طبيعياً لطول مدة التضخم؛ فإذا استمر لفترة طويلة جداً، فستكون مرحلة إعادة التسخين سالبة، وهو أمر مستحيل. هذا الحد النظري وضع سقفاً لأقصى مدة للتضخم عند 56 دورة. وبناءً على ذلك، أصبحت النافذة الصالحة لهذا النموذج محصورة بين 54 و56 دورة عند إدراج أحدث بيانات التلسكوبات. كما رسمت الدراسة كيف تعتمد معادلة الحالة أثناء إعادة التسخين، والتي تصف كيفية تفاعل الضغط والكثافة في الكون، على معلمة "ألفا". ووجدوا أن هذه العلاقة تقيد قيمة "ألفا" لتكون أقل من 1.485، مما أدى إلى تنقيح شكل النموذج بشكل أكبر.

لعل الجانب الأكثر إثارة في النتائج هو التنبؤ المتعلق بالموجات الثقالية. فقد حسب الباحثون طيف هذه التموجات في الزمكان التي من شأنها أن تتركها هذه السيناريو التضخمي المحدد. واكتشفوا أنه بالنسبة لنطاق مدد التضخم وقيم "ألفا" المسموح بها، فإن الموجات الثقالية الناتجة ستكون ضمن نطاق حساسية كواشف مستقبلية مثل BBO وDECIGO. وهذا يعني أنه إذا كان هذا النموذج صحيحاً، فإن الجيل القادم من مراصد الموجات الثقالية يجب أن يكون قادراً على رصد الإشارة. وتخلص الدراسة إلى أن نموذج تضخم التل المتحور يظل مرشحاً قوياً لوصف الكون المبكر، بشرط أن يعمل ضمن هذه الحدود الجديدة والضيقة. ومن خلال الجمع بين بيانات الخلفية الكونية وفيزياء إعادة التسخين وإمكانية الكشف المستقبلي عن الموجات الثقالية، قدم الباحثون اختباراً قوياً ومتعدد الطبقات يمكن للتجارب المستقبلية تأكيده أو دحضه.