Renormalization group corrections to $\Lambda$CDM model and observational consequences for $H_0$ tension

إن الكون يتمدد، وعلى مدى عقود، تمكن علماء الفلك من رسم خريطة لهذا النمو بدقة متزايدة. ومن خلال النظر في وهج ما بعد الانفجار العظيم، المعروف باسم إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، ومن خلال قياس المسافات إلى النجوم المنفجرة في الكون القريب، استطاع العلماء بناء نموذج معياري لعلم الكونيات. يعمل هذا النموذج ككتاب قواعد كوني، يصف كيفية تفاعل المادة والطاقة والجاذبية عبر مليارات السنين. ومع ذلك، برزت مشكلة كبيرة في السنوات الأخيرة؛ فعندما يستخدم العلماء النموذج المعياري للتنبؤ بمدى سرعة تمدد الكون اليوم، يحصلون على رقم واحد، وعندما يقيسون هذه السرعة مباشرة باستخدام ملاحظات محلية، يحصلون على رقم مختلف وأسرع. هذا التباين، المعروف باسم "توتر هابل"، أصبح كبيراً لدرجة تشير إلى أن فهمنا الحالي للكون قد يفتقد إلى قطعة حاسمة من اللغز.

اقترح فريق من الباحثين من البرازيل طريقة جديدة لحل هذا الصراع من خلال إعادة النظر في القوانين الأساسية للجاذبية وطبيعة الفضاء الفارغ. ويشير عملهم إلى أن ثوابت الطبيعة، التي نعتبرها عادةً ثابتة، قد تتغير بالفعل بشكل طفيف اعتماداً على مقياس طاقة الكون. وفي هذه الرؤية، فإن قوة الجاذبية وكثافة طاقة الفراغ ليست قيماً ثابتة، بل تخضع لتحولات دقيقة ناتجة عن التأثيرات الكمومية. وقد طور الباحثون إطاراً رياضياً يعتمد على "مجموعة إعادة التطبيع"، وهي أداة من الفيزياء الكمومية تصف كيفية تطور الكميات الفيزيائية. وقد طبقوا ذلك على الكون، مما سمح للثابت الجاذبي والثابت الكوني بالتغير مع توسع الكون وتبريده.

اختبر الفريق هذه الفكرة مقابل أحدث وأدق البيانات الكونية المتاحة، بما في ذلك قياسات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي من قمر "بلانك" الصناعي، وتوزيع المجرات من أداة الطيف المظلم للطاقة (DESI)، وملاحظات المستعرات العظمة البعيدة. ووجدوا أن نموذجهم، الذي يقدم معلماً جديداً واحداً لوصف كيفية تغير أو "جريان" هذه الثوابت، يتوافق مع البيانات بشكل أفضل من النموذج المعياري. وتحديداً، تفضل البيانات سيناريو يكون فيه هذا المعلم الجديد سالباً قليلاً. يشير هذا الانحراف الطفيف إلى أنه في الكون المبكر، كان سلوك الطاقة المظلمة مختلفاً قليلاً عما هو عليه اليوم، حيث عمل بطريقة تشبه الحلول المقترحة الأخرى لتوتر هابل.

وتشير النتائج إلى أن هذا التباين يساعد في سد الفجوة بين تنبؤات الكون المبكر والقياسات المحلية. فبينما يتنبأ النموذج المعياري بثابت هابل يبلغ حوالي 67 كيلومتراً في الثانية لكل ميجابارسيك، فإن النموذج الجديد، عند دمجه مع أحدث البيانات، يدفع هذه القيمة لتصل إلى حوالي 68 كيلومتراً في الثانية لكل ميجابارسيك. هذه الإزاحة تنقل التنبؤ النظري ليقترب من القياسات المحلية، التي تحوم حول 73 كيلومتراً في الثانية لكل ميجابارسيك، مما يقلل من التوتر الإحصائي بين الاثنين. ويؤكد الباحثون أنه رغم أن هذا لا يحل المشكلة تماماً، إلا أنه يقدم مساراً متسقاً ومدفوعاً نظرياً للمضي قدماً، مما يشير إلى أن تاريخ تمدد الكون يتأثر بتأثيرات كمومية تم التغاضي عنها.

كما توضح الدراسة ما ليس عليه هذا النموذج؛ فهي تستبعد فكرة تبادل الطاقة بين فراغ الفضاء والمادة بطريقة قد تنتهك قانون حفظ الطاقة. بدلاً من ذلك، ينشأ التباين في الثوابت بشكل طبيعي من البنية الرياضية لنظرية المجال الكمومي في زمكان منحني، دون الحاجة إلى جسيمات أو قوى غريبة جديدة. ويستعيد النموذج السلوك الكوني المعياري في الأوقات المتأخرة، مما يعني أنه يبدو مثل الكون المألوف الذي نراه اليوم، ولكنه يقدم اختلافاً محدداً وقابلاً للحساب في الكون المبكر يترك بصمة يمكن رصدها في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي.

ومن خلال تحليل البيانات، حدد الباحثون أن القيمة الأكثر احتمالاً لمعلمهم الجديد هي رقم سالب صغير، حوالي -0.00025. وهذه القيمة ذات دلالة إحصائية كافية للإشارة إلى أن النموذج المعياري ليس القصة بأكملها، رغم أنها ليست دليلاً قاطعاً بعد. وتقتضي هذه النتات أن نظرية الكم للمجالات المادية تتضمن مقاييس كتلة أقل بكثير من مقياس بلانك، ولكنها قد تكون أعلى من تلك الموجودة في النظريات الموحدة الكبرى. وهذا الربط بين أكبر المقاييس في الكون وأصغر مقاييس فيزياء الجسيمات يقدم سبباً مقنعاً لأخذ هذه التصحيحات الكمومية على محمل الجد.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل بديلاً قوياً من الناحية النظرية للنموذج المعياري ويتوافق مع جميع الملاحظات الحالية. وهو يشير إلى أن الكون لا تحكمه ثوابت جامدة وغير متغيرة، بل كميات ديناميكية تتطور مع البيئة الكونية. وبينما لا تزال الأدلة تتراكم والدلالة الإحصائية ليست ساحقة بعد، فإن التفضيل المستمر لهذا التباين عبر مجموعات البيانات المختلفة يشير إلى وجود تأثير فيزيائي حقيقي. ومع دخول عمليات الرصد من التلسكوبات والمسوحات من الجيل التالي حيز التنفيذ، ستكون قادرة على اختبار هذه الفكرة بدقة أكبر، مما قد يؤكد ما إذا كان جريان الثوابت الجاذبية هو المفتاح لفك لغز توتر هابل.