🔭 astrophysics

The oldest Milky Way stars: New constraints on the age of the Universe and the Hubble constant

تستخدم هذه الورقة تقديرات عمرية متينة لـ 3,000 نجم قديم من فهرس Gaia DR3 لتحديد حد أدنى ذي دلالة إحصائية لعمر الكون، مما يوفر حداً أقصى مستقلاً عن علم الكونيات لثابت هابل.

المؤلفون الأصليون: Elena Tomasetti, Cristina Chiappini, Samir Nepal, Michele Moresco, Carmela Lardo, Andrea Cimatti, Friedrich Anders, Anna B. A. Queiroz, Guilherme Limberg

نُشر 2026-03-11

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Elena Tomasetti, Cristina Chiappini, Samir Nepal, Michele Moresco, Carmela Lardo, Andrea Cimatti, Friedrich Anders, Anna B. A. Queiroz, Guilherme Limberg

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

تخيل الكون كمكتبة ضخمة وقديمة. لعقود من الزمن، حاول علماء الكونية معرفة متى فتحت هذه المكتبة أبوابها بالضبط (الانفجار العظيم) وبأي سرعة تتوسع رفوفها (ثابت هابل). لكن هناك مشكلة، فالمسلكان الرئيسيان اللذان حاولا بهما قياس هذا الوقت يعطيان إجابات مختلفة، تماماً مثل ساعتين في نفس الغرفة تدكان بسرعات مختلفة. هذا الخلاف يسمى "توتر هابل".

في هذه الورقة البحثية الجديدة، قرر فريق من علماء الفلك تجربة نهج مختلف تماماً. فبدلاً من النظر إلى الصورة الكبيرة للمكتبة بأكملها، قرروا النظر إلى أقدم الكتب على الرفوف ليعرفوا كم يجب أن يكون عمر المكتبة.

إليك قصة اكتشافهم، مقسمة ببساء:

1. البحث عن "أقدم الكتب"

استخدم الباحثون بيانات من قمر "جايا" (Gaia) الاصطناعي، وهو بمثابة نظام تحديد مواقع (GPS) فائق الدقة للنجوم في مجرة درب التبانة الخاصة بنا. كان لديهم فهرس يحتوي على حوالي 200,000 نجم.

فكر في النجوم كأنها أشخاص. تماماً كما يمكنك معرفة عمر شخص ما من خلال النظر إلى تجاعيده أو لون شعره، يستطيع علماء الفلك معرفة عمر النجم من خلال النظر إلى سطوعه، ودرجة حرارته، وتكوينه الكيميائي. ومع ذلك، تماماً كما قد يكون تقدير عمر الإنسان أمراً صعباً، فإن تقدير عمر النجم مليء بـ "الأخطاء المنهجية" (مثل استخدام مسطرة خاطئة).

لم يكتفِ الفريق باختيار أي نجوم قديمة، بل ذهبوا في رحلة بحث عن الكنز للعثور على أقدم وأكثر نجوم "التسلسل الرئيسي" (Main Sequence Turn-off) و"فرع شبه العملاق" (Subgiant Branch) موثوقية.

التشبيه: تخيل مدرسة من الطلاب. "التسلسل الرئيسي" هو الوقت الذي يقضونه في الجلوس في الفصل للتعلم. "نقطة التحول" (Turn-off) هي اللحظة التي يتخرجون فيها ويغادرون الفصل ليتخذوا مساراً مختلفاً. "شبه العملاق" هو الخطوة الأولى في مسيرتهم المهنية الجديدة. هذه المراحل المحددة هي "النقطة المثالية" لتحديد العمر لأن النجوم تتغير بشكل مرئي ومتوقع في هذه اللحظة، مما يجعلها ساعات كونية مثالية.

2. المصفاة الكبرى (تنقية البيانات)

بدأ الفريق بـ 200,000 نجم لكنهم احتاجوا لأن يكونوا شديدي الانتقائية. طبقوا سلسلة من "المصافي" لإزالة البيانات السيئة، تماماً مثل أمين المكتبة الذي يزيل الكتب التالفة أو المصنفة بشكل خاطئ.

خلل الـ "19 مليار سنة": في البداية، أظهرت بياناتهم ارتفاعاً غريباً لنجوم تبلغ أعمارها 19 مليار سنة. لكننا نعلم أن عمر الكون هو حوالي 13.8 مليار سنة فقط! كان هذا "شبحاً" في الآلة — خطأ رياضياً حيث ارتبك الكمبيوتر. أدرك الفريق أن هذه كانت على الأرجح "ملوثات" (نجوم بدت قديمة ولكنها ليست كذلك، أو نجوم ثنائية استمدت كتلة من بعضها البعض).
الفحص البصري: بعد تشغيل الأرقام عبر اختبارات رياضية صارمة، فعل الفريق شيئاً بشرياً للغاية: نظروا إلى المخططات بأعينهم. لقد تحققوا من "توزيعات الاحتمال البعدي" (طريقة معقدة لقول: "هل يبدو عمر هذا النجم كمنحنى جرس سلس وجميل، أم أنه فوضى مشتتة؟"). إذا بدا المنحنى غريباً، كانوا يستبعدون النجم.

النتيجة: من بين 200,000 نجم، قاموا بتصفية العدد ليصل إلى "عينة ذهبية" مكونة من 160 نجماً فقط. هذه هي أكثر الساعات الزمنية القديمة والموثوقة التي تمكن الفريق من العثور عليها.

3. الاكتشاف الكبير: الكون "قديم بما يكفي"

عندما قاسوا أعمار هذه النجوم الـ 160، جاء المتوسط ليكون 13.6 مليار سنة.

الآن، إليك الخطوة المنطقية الحاسمة:

يجب أن يكون الكون أكبر سناً من أقدم الأشياء الموجودة بداخله.
إذا كانت أقدم النجوم عمرها 13.6 مليار سنة، فيجب أن يكون عمر الكون على الأقل بهذا القدر، مضافاً إليه القليل من الوقت لكي تتشكل النجوم فعلياً بعد الانفجار العظيم.
بإضافة "تأخير تكوين" صغير (حوالي 0.2 مليار سنة)، استنتجوا أن عمر الكون هو 13.8 مليار سنة على الأقل.

4. حل "توتر هابل"

لماذا يهم هذا؟ لأن عمر الكون مرتبط مباشرة بمدى سرعة توسعه (ثابت هابل، أو $H_0$ ).

الصراع: تقول مجموعة من العلماء (باستخدام الخلفية الإشعاعية للكون) إن الكون يتوسع بمعدل يجعل عمره 14.0 مليار سنة. وتقول مجموعة أخرى (باستخدام المستعرات العظمى القريبة) إنه يتوسع بشكل أسرع، مما يجعل عمره 12.9 مليار سنة فقط.
الحكم: إذا كان عمر الكون 12.9 مليار سنة فقط، فسيكون أصغر سناً من أقدم النجوم (13.6 مليار سنة). وهذا أمر مستحيل! لا يمكن أن يكون الطفل أكبر سناً من والديه.
الاستنتاج: تعمل هذه الدراسة الجديدة كـ "اختبار للواقع". فهي تشير إلى أن الكون على الأرجح أقدم من 13.8 مليار سنة. وهذا يميل بقوة نحو قياس "التوسع الأبطأ" (تقدير الـ 14.0 مليار سنة) ويستبعد تقدير "التوسع الأسرع" (الـ 12.9 مليار سنة) لكونه أصغر من أن يتناسب مع الأدلة.

الخلاصة

هذه الورقة البحثية تشبه العثور على أحفورة تثبت أن الأرض أقدم مما توقعت نظرية جيولوجية معينة. من خلال استخدام النجوم الفردية كساعات دقيقة، قدم الفريق حداً أدنى لعمر الكون.

لقد وجدوا أن الكون قديم بما يكفي لاحتواء هذه النجوم القديمة. هذا لا يحل "توتر هابل" بالكامل، لكنه يضع علامة واضحة تقول: "لا يمكن أن يكون عمر الكون أقل من 13.8 مليار سنة."

إنها خطوة كبيرة للأمام، تثبت أنه يمكننا استخدام النجوم نفسها كشهود مستقلين على تاريخ الكون، بمعزل عن النماذج المعقدة التي تسببت في الجدل. ومع استمرار قمر "جايا" في إرسال المزيد من البيانات، سيكون لدينا المزيد من "الكتب القديمة" لقراءتها، مما يجعل خطنا الزمني الكوني أكثر دقة.

إليك ملخص تقني مفصل لورقة Tomasetti et al. (2025) بعنوان "أقدم نجوم مجرة درب التبانة: قيود جديدة على عمر الكون وثابت هابل".

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة البحثية "توتر هابل" (Hubble Tension)، وهو تباين كبير (4–5 $\sigma$ ) بين قياسات ثابت هابل ( $H_0$ ) المستمدة من الكون المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، مثل بيانات Planck) والكون المتأخر (النجوم المتغيرة القيفاوية والمستعمرات المستعرة، مثل دراسات Riess et al.).

الصراع: تشير بيانات Planck إلى أن $H_0 \approx 67.4$ كم/ثانية/ميجا بارسيك (عمر الكون $t_U \approx 14.0$ مليار سنة)، بينما تشير القياسات المحلية إلى أن $H_0 \approx 73.0$ كم/ثانية/ميجا بارسيك ( $t_U \approx 12.9$ مليار سنة).
الحاجة: هناك حاجة لقيود مستقلة عن النماذج الكونية لعمر الكون ( $t_U$ ) لتعمل كـ "نقطة ارتكاز". وبما أن الكون يجب أن يكون أقدم من مكوناته الأقدم، فإن القياسات الدقيقة لأقدم النجوم يمكن أن تضع حداً أدنى لـ $t_U$ ، والذي بدوره يضع حداً أقصى لـ $H_0$ .
القيود السابقة: اعتمدت الدراسات السابقة على عينات صغيرة (عشرات من العناقيد النجمية الكروية أو حفنة من النجوم) أو كانت محدودة بالشكوك المنهجية في النماذج النجمية واستخدام الأولويات الكونية (افتراض $t_U$ محدد أثناء اشتقاق العمر).

2. المنهجية

مصدر البيانات

تستخدم الدراسة مجموعة بيانات ضخمة مكونة من ~200,000 نجم من مرحلة "انعطاف التسلسل الرئيسي" (MSTO) و"فرع شبه العملاق" (SGB) من كتالوج Nepal et al. (2024)، استناداً إلى بيانات Gaia DR3.

المعلمات المدخلة: المعلمات الغلافية ( $T_{\text{eff}}$ , $\log g$ , $[M/H]$ ) المستمدة عبر نموذج هجين (hybrid-CNN) من أطياف Gaia RVS، مدمجة مع قياسات Gaia الضوئية ( $G, B_p, R_p$ ) وبيانات الأشعة تحت الحمراء من 2MASS ( $J, H, K_s$ ).
اشتقاق العمر: استخدم المؤلفون كود مطابقة المسارات الاندماجية البايزي (Bayesian isochrone fitting) المعروف باسم StarHorse.
- تعديل جوهري: على عكس عمل Nepal et al. (2024) الأصلي، الذي فرض أولوية كونية ( $t_U = 13.73$ مليار سنة)، قام هذا البحث بإزالة الحد الأعلى للعمر، مما سمح لعملية مطابقة المسارات باستكشاف نطاق موحد من 0.025 إلى 20 مليار سنة. وهذا يضمن أن تقديرات العمر مستقلة عن أي نموذج كوني محدد.

عملية اختيار صارمة

لعزل عينة من النجوم القديمة "الموثوقة" وتقليل التحيزات المنهجية، طبق المؤلفون عملية تصفية متعددة المراحل على المرشحين الـ 2,911 الأوليين (النجوم التي عمرها > 12.5 مليار سنة والشك فيها < 1 مليار سنة):

قطع مخطط كيل (Kiel Diagram Cut): تم تطبيق قطع أكثر صرامة في مستوى $\log g$ – $T_{\text{eff}}$ لاستبعاد الملوثات مثل العمالق منخفضة اللمعان، ونجوم التسلسل الرئيسي، والثنائيات. أدى ذلك إلى إزالة ذروة زائفة عند ~19 مليار سنة.
اتساق المعلمات: فرض قيود صارمة على الفرق بين المعلمات النجمية المدخلة والمخرجة ( $\Delta[M/H]$ , $\Delta T_{\text{eff}}$ , $\Delta \log g$ , $\Delta A_V$ ) للتخفيف من التداخل بين العمر والمعدنية.
جودة توزيع الاحتمال اللاحق (Posterior Distribution): استبعاد النجوم ذات عدم اليقين غير المتماثل في الكتلة/العمر أو توزيعات الاحتمال (PDFs) التي انحرفت بشكل كبير عن التوزيع الطبيعي (اختبار Kolmogorov-Smirnov).
الفحص البصري: إجراء فحص "أعمى" لمخططات الزوايا (corner plots) لتحديد القمم المزدوجة أو الشذوذ، وتصنيف النجوم إلى فئات: "ممتازة"، "جيدة"، و"سيئة".
إزالة الملوثات: استخدام نموذج الخليط الغاوسي (Gaussian Mixture Model) والتحليل البايزي الهرمي لتحديد مجموعة ثانوية من النجوم القديمة "الزائفة" (التي يُرجح أنها ثنائيات فقدت جزءاً من كتلتها). تم استبعاد هذه المجموعة بعتبة محافظة.

العينة النهائية: 160 نجماً (بما في ذلك "العينة الذهبية" المكونة من 78 نجماً من أعلى جودة).

3. المساهمات الرئيسية

أول استخدام إحصائي للنجوم الفردية: تعد هذه أول دراسة تستخدم عينة ذات دلالة إحصائية (160 نجماً) من النجوم الحقلية الفردية كساعات كونية، متجاوزة العينات الصغيرة من العناقيد النجمية الكروية.
اشتقاق مستقل عن الكونيات: من خلال إزالة أولوية $t_U$ أثناء عملية مطابقة StarHorse، تصبح أعمار النجوم الناتجة قيوداً رصدية بحتة، وليست حججاً دائرية تعتمد على نموذج كوني محدد.
تحديد عدم اليقين المنهجي: توفر الورقة تفصيلاً للشكوك المنهجية، لا سيما تلك الناجمة عن النماذج النجمية (مثل معامل طول الخلط $\alpha_{ML}$ ) وافتراضات تعزيز الألفا ( $\alpha$ -enhancement).

4. النتائج

توزيع أعمار النجوم

يبلغ ذروة توزيع أعمار العينة النهائية 13.6 ± 1.0 (إحصائي) ± 1.3 (منهجي) مليار سنة.
تظهر العينة توزيعاً ثنائي المنوال: ذروة ضيقة عند ~13.4 مليار سنة، وذروة ملوثة أوسع عند ~14.8 مليار سنة. بعد إزالة ذيل الملوثات، يظل التوزيع قوياً.
الحد الأدنى لـ $t_U$ : بافتراض انزياح أحمر للتكوين $z_f = 20$ (تأخير قدره ~0.2 مليار سنة بين الانفجار العظيم وتكون النجوم)، فإن الحد الأدنى لعمر الكون هو:
$t_U \ge 13.8 \pm 1.0 \text{ (stat)} \pm 1.3 \text{ (syst) Gyr}$
قيود النجوم الفردية: عند مستوى ثقة 90% (CL)، تشير 70 نجماً في العينة إلى أن $t_U > 13$ مليار سنة، بينما لا يوجد نجم يتجاوز 14.1 مليار سنة.

قيود ثابت هابل ( $H_0$ )

عند ترجمة قيد العمر إلى حد أقصى لـ $H_0$ (بافتراض نموذج $\Lambda$ CDM مسطح حيث $\Omega_m = 0.3$ و $z_f = 20$ ):
$H_0 \le 68.3^{+5.4}_{-4.7} \text{ (stat)} ^{+7.2}_{-5.9} \text{ (syst) km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$

هذا الحد الأقصى يتوافق مع قيمة Planck ($67.4 $) ولكنه أقل بكثير من قيمة سلم المسافات المحلي ($ 73.0$).
يوضح التحليل أنه لكي تدعم البيانات قيم $H_0$ الأعلى (التي تعني كوناً أصغر سناً)، يجب أن يزيح كامل ميزانية الخطأ المنهجي الأعمار للأسفل بنحو 1 مليار سنة، وهو أمر لا تدعمه النماذج النجمية الحالية (التي غالباً ما تتوقع أعماراً أقدم مع اختلاف أطوال الخلط).

الحساسية للافتراضات الكونية

تستكشف الورقة كيف يؤثر تغيير $\Omega_m$ و $z_f$ على $H_0$ المشتق.

تؤدي قيم انزياح الأحمر للتكوين ( $z_f$ ) الأعلى المفترضة إلى حدود $H_0$ مشتقة أعلى.
تؤدي كثافة المادة ( $\Omega_m$ ) الأعلى إلى حدود $H_0$ أقل.
العينة تدعم فقط أن $H_0$ أقل من قيمة CMB إذا كان $\Omega_m = 0.35$ و $z_f = 10$ . ومع ذلك، بالنسبة للافتراضات القياسية ( $\Omega_m \ge 0.3$ )، تشير أعمار النجوم باستمرار نحو $H_0$ أقل من قياسات سلم المسافات المحلي.

5. الأهمية

مسبار كوني مستقل: يثبت هذا العمل أن أعمار النجوم هي طريقة قوية ومستقلة لتقييد المعلمات الكونية، بعيداً عن الأخطاء المنهجية التي تؤثر على إشعاع الخلفية الكونية الميكروي أو سلالم المسافات للمستعرات العظمة.
حل التوتر: تشير النتائج إلى أن الكون على الأرجح أقدم من 13.8 مليار سنة، مما يدعم قيم $H_0$ الأدنى (Planck) ويتحدى قيم $H_0$ المحلية الأعلى، مما قد يشير إلى فيزياء جديدة أو أخطاء منهجية خفية في قياسات الكون المتأخر.
الإمكانات المستقبلية: يشير المؤلفون إلى أنه رغم كون هذه خطوة أولى كبيرة، فإن إصدارات بيانات Gaia المستقبلية (مثل مهمة Haydn) ستسمح بعينات أكبر وتقليل الأخطاء المنهجية، مما سيؤدي إلى تشديد هذه القيود بشكل أكبر.

باختصار، يقدم Tomasetti et al. أول حد أدنى إحصائي صارم ومستقل عن النماذج لعمر الكون باستخدام النجوم الفردية، مما يضع فعلياً حداً أقصى لثابت هابل يتوافق بشكل وثيق مع قياسات الكون المبكر.