Constraints on the Thomson optical depth to the CMB from the Lyman-$\alpha$ forest

لفهم تاريخ الكون، غالبًا ما ينظر علماء الفلك إلى الوراء إلى زمن كان فيه الكون مكانًا مظلمًا وضبابيًا مليئًا بغاز الهيدروجين المتعادل. فلقد حجب هذا الغاز الضوء لمئات الملايين من السنين بعد الانفجار العظيم، مما جعل الكون معتمًا. ثم حدث تحول: اشتعلت النجوم والمجرات الأولى، مطلقةً إشعاعًا فوق بنفسجي مكثفًا جرد ذرات الهيدروجين من إلكتروناتها، محولةً الضباب إلى بلازما شفافة. تُعرف هذه الحقبة باسم "عصر إعادة التأين". وبينما لا يمكننا رؤية هذه الفترة مباشرة بأعيننا، يمكننا قياس آثارها من خلال دراسة مدى تشتت الضوء القادم من الأجرام البعيدة بواسطة الإلكترونات الحرة. يخلق هذا التشتت "عمقًا بصريًا" محددًا، وهو مقياس لمدى كثافة الضباب خلال ذلك التحول. ويعد تحديد القيمة الدقيقة لهذا العمق أمرًا بالغ الأهمية لأنه يساعد العلماء على اختبار النموذج المعياري لعلم الكونيات. مؤخرًا، أشارت بيانات جديدة من مسوحات المجرات إلى أن الكون قد يكون يتوسع بشكل أسرع أو يحتوي على مادة أقل مما كان يُعتقد سابقًا، لكن هذه التلميحات تعتمد بشكل كبير على افتراضات حول مدى كثافة الضباب الكوني. فإذا كان الضباب أكثر سمكًا مما اعتقدنا، فقد يغير ذلك فهمنا للطاقة المظلمة والقوانين الأساسية للفيزياء.

لقد اتبع فريق من الباحثين الآن نهجًا جديدًا لقياس هذا الضباب الكوني، متجاوزين الطرق التقليدية التي تعتمد على أقدم ضوء في الكون. فبدلاً من النظر إلى إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو الصدى الخافت للانفجار العظيم، وجهوا اهتمامهم إلى "غابة ليمان-ألفا". تظهر هذه الظاهرة عندما ننظر إلى الضوء القادم من الكوازارات (النجوم الزائفة) البعيدة جدًا، وهي النوى الساطعة للمجرات النشطة. وبينما ينتقل هذا الضوء عبر مليارات السنين الضوئية ليصل إلينا، فإنه يمر عبر سحب شاسعة من غاز الهيدروجين. يمتص الغاز ألوانًا محددة من الضوء، تاركًا سلسلة من الخطوط الداكنة في الطيف تبدو مثل الغابة. وتترك كثافة ودرجة حرارة هذه السحب الغازية بصمة مميزة على الضوء. أدرك الباحثون أن درجة حرارة هذا الغاز مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بكيفية إعادة تأين الكون؛ فعندما اشتعلت النجوم الأولى، لم تكتفِ بتأين الغاز فحسب، بل سخنته أيضًا. وقد غير هذا التسخين ضغط الغاز، مما أدى بدوره إلى تسوية أصغر تكتلات المادة. ومن خلال دراسة الأنماط في غابة ليمان-ألفا، استطاع الفريق تتبع التاريخ الحراري للغاز، ومن خلال ذلك، استنتج مقدار تشتت الإلكترونات الذي حدث أثناء إعادة التأين.

استخدم الفريق عمليات رصد عالية الدقة للكوازارات لرسم خريطة لدرجة حرارة وكثافة الغاز في وقت محدد من التاريخ الكوني، تقريبًا عندما كان عمر الكون حوالي مليار سنة. ودمجوا هذه القياسات الواقعية مع محاكاة حاسوبية متطورة صممت لنمذجة كيفية سلوك الهيدروجين والهيليوم تحت سيناريوهات مختلفة لإعادة التأين. واختبروا نوعين رئيسيين من النماذج: أحدهما حيث تم تحديد نهاية عصر إعادة التأين بناءً على ما نعرفه بالفعل من غابة ليمان-ألفا، والآخر حيث تم تحديد مدة العصر، وهو افتراض شائع في الدراسات الأخرى. ومن خلال حل المعادلات التي تحكم كيفية تسخين الغاز وتأينه، أنشأوا رابطًا مباشرًا بين درجة حرارة الغاز التي رصدوها وإجمالي مقدار تشتت الإلكترونات الذي لا بد أنه حدث. وقد سمح لهم ذلك بحساب العمق البصري دون الحاجة إلى الاعتماد على بيانات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي التي كانت هي المعيار لعقود.

تشير نتائجهم إلى أن الكون مر بعملية إعادة تأين سريعة ومتأخرة نسبيًا. فقد حسبوا العمق البصري ليكون حوالي 0.040، مع نطاق ضئيل من عدم اليقين. وهذه القيمة أقل بكثير من الأرقام الأعلى، التي تقارب 0.09، والتي اقترحتها بعض الدراسات الحديثة لحل التوترات بين مجموعات البيانات الكونية المختلفة. ووجد الباحثون أنه لو تم إعادة تأين الكون بطريقة أنتجت مثل هذا العمق البصري المرتفع، لكان الغاز ساخنًا جدًا ولتكونت هياكل صغيرة في غابة ليمان-ألفا أكثر تسوية مما نلاحظه بالفعل. بعبارة أخرى، الأدلة الفيزيائية من السحب الغازية تستبعد فكرة أن الضباب الكوني كان سميكًا كما تتطلبه بعض النظريات لسد الفجوات في بيانات توزيع المجرات. وتشير الدراسة إلى أن النموذج المعياري، الذي يفترض عمقًا بصريًا أقل، يظل متسقًا مع الحالة الحرارية للغاز بين المجرات.

وبالنظر إلى المستقبل، قام الفريق بمحاكاة ما سيحدث إذا توفرت لديهم عينة أكبر بكثير من الكوازارات، على غرار ما ستوفره التلسكوبات المستقبلية مثل مسح "جيميني لخط الطيف البصري عالي الدقة". ووجدوا أنه مع توفر المزيد من البيانات، ستصبح قيودهم أكثر إحكامًا، مما قد يستبعد قيم العمق البصري الأعلى بيقين أكبر. يوضح هذا العمل أن غابة ليمان-ألفا هي أداة مستقلة وقوية لفهم تاريخ الكون؛ فهي تقدم وسيلة للتحقق من ظروف الكون المبكر باستخدام الغاز نفسه، بدلاً من الاعتماد فقط على صدى الانفجار العظيم. وتعزز النتائج صورة كون شهد انتقالًا من الظلام إلى الضوء بشكل سريع وانتهى في وقت متأخر نسبيًا، مما يوفر أساسًا أكثر وضوحًا واتساقًا لفهمنا للتطور الكوني.