Scalar-Tensor Symmetric Teleparallel Gravity: Reconstruct the Cosmological History with a Steep Potential

إن الكون يتمدد، ومنذ العقود القليلة الماضية، عرف علماء الفلك أن هذا التمدد يتسارع. ولتفسير هذا التسارع ضمن أفضل نظرية حالية للجاذبية، يتعين على العلماء ابتكار قوة غامضة وغير مرئية تسمى الطاقة المظلمة تدفع الفضاء بعيدًا عن بعضه البعض. ومع ذلك، يشك العديد من الفيزيائيين في أن الطاقة المظلمة قد لا تكون مادة جديدة على الإطلاق، بل هي إشارة إلى أن فهمنا للجاذبية نفسها غير مكتمل. وهم يقترحون أن الجاذبية قد تسلك سلوكًا مختلفًا على المقاييس الأكبر، وربما تتضمن خصائص هندسية خفية للزمكان لم نقسها بالكامل بعد. وتتضمن إحدى هذه الأفكار مجالًا من الطاقة يتغير بمرور الوقت، ويتفاعل مع نسيج الفضاء بطرق لا يسمح بها قانون الجاذبية القياسي.

لقد استكشف فريق من الباحثين مؤخرًا نسخة محددة من هذه الفكرة، حيث اختبروا ما إذا كان نوع معين من مجالات الطاقة المتغيرة يمكن أن يفسر كلاً من النمو السريع للكون في لحظاته الأولى وتسارعه الحالي. وقد ركزوا على نظرية لا توصف فيها الجاذبية بانحناء الفضاء فحسب، بل وأيضًا بخاصية تسمى "اللا-مترية" (non-metricity)، والتي تقيس كيفية تغير قواعد قياس المسافات من نقطة إلى أخرى. ومن خلال الجمع بين هذا النهج الهندسي وجهد طاقة حاد — وهو وصف رياضي لكيفية تغير مجال الطاقة بسرعة — بحثوا فيما إذا كان هذا النموذج يمكن أن ينتج بشكل طبيعي كونًا يبدأ بدفعة من النمو وينتهي بالتسارع البطيء والثابت الذي نراه اليوم.

بنى الباحثون نموذجًا رياضيًا مفصلاً للكون، بافتراض أنه يبدو متشابهًا في جميع الاتجاهات ومسطحًا على المقاييس الكبيرة. وفي هذا الإطار، لا يكون اتصال الفضاء ثابتًا؛ إذ يمكن أن يتخذ ثلاثة أشكال مختلفة، يؤدي كل منها إلى مجموعة مختلفة من القواعد لكيفية تطور الكون. وقد عامل الفريق الكون كنظام ديناميكي، متتبعين كيف يتغير مجال الطاقة ومعدل التمدد بمرور الوقت. وبحثوا عن حالات محددة، أو "نقاط حرجة"، حيث يمكن للكون أن يستقر لفترات طويلة. تمثل هذه الحالات عصورًا مختلفة من التاريخ الكوني، مثل الوقت الذي سادت فيه المادة، والوقت الذي تحرك فيه مجال الطاقة بسرعة فعمل كأنه سائل صلب، والوقت الذي سيطر فيه مجال الطاقة وتسبب في توسع الكون بمعدل ثابت.

وقد كشف تحليلهم أن النموذج غني بالاحتمالات. فقد نجح في وصف كون يمر بمرحلة يهيمن عليها المادة، وهي مرحلة ضرورية لتشكل المجرات، ثم ينتقل إلى مرحلة تسارع. ومع ذلك، فإن النتيجة تعتمد بشدة على الشكل المحدد لمجال الطاقة وقوة تفاعله مع الجاذبية. ووجد الباحثون أنه لكي يستقر الكون في حالة تسارع مستقرة تشبه كوننا، يجب أن يتبع التفاعل بين مجال الطاقة وهندسة الفضاء نمطًا محددًا من القوة (power-law). وإذا كان التفاعل بسيطًا للغاية، فقد يصبح الكون غير مستقر أو يفشل في التسارع.

تضمن جزء حاسم من عملهم التحقق من استقرار حالات التسارع هذه. ففي العديد من النماذج الرياضية، قد يبدو الحل مستقرًا للوهلة الأولى ولكنه ينهار عند الفحص الدقيق. وباستخدام طريقة متطورة لتحليل سلوك النظام بالقرب من هذه النقاط الحرجة، حدد الفريق أن النموذج يمكنه بالفعل تقديم وصف موحد لتاريخ الكون. ووجدوا أنه تحت ظروف معينة، يسمح جهد الطاقة الحاد للكون بتجنب النهايات الكارثية، مثل تمزق نفسه أو الانهيار على نفسه، وبدلاً من ذلك يستقر في توسع سلس وأبدي.

كما قارنت دراستهم بين نتائجهم ونظريات أخرى تحاول تفسير التسارع الكوني. فالمحاولات السابقة التي استخدمت أفكارًا مماثلة ولكن بأطر هندسية مختلفة غالبًا ما واجهت مشكلات، مثل التنبؤ بسلوكيات غير فيزيائية أو الفشل في إنتاج مرحلة تسارع مستقرة. ويشير هذا العمل الجديد إلى أنه باستخدام هندسة محددة لـ "اللا-مترية" وجهد طاقة حاد، يمكن تجنب هذه المشكلات. ويقدم النموذج مسارًا قابلًا للتطبيق حيث يعمل مكون واحد من مكونات الكون كالمادة العادية في الماضي لبناء الهياكل، ثم يتحول إلى محرك للتسارع في الوقت الحاضر.

وبينما تبدو النتائج الرياضية واعدة، يشير الباحثون إلى أن هذا تحقيق نظري. فالنموذج يعمل ضمن المعادلات، لكن لم يتم اختباره بعد ضد النطاق الكامل للبيانات الرصدية من التلسكوبات والأقمار الصناعية. وتؤكد الدراسة أن فكرة أن هندسة الزمكان نفسها قد تحمل مفتاح التوسع المتسارع للكون هي فكرة متسقة رياضيًا وقادرة على وصف تاريخ كوني واقعي، لكنها تترك الحكم النهائي للملاحظات المستقبلية. ويعد هذا العمل خطوة مهمة نحو فهم كيف يمكن لهندسة الزمكان نفسها أن تحمل مفتاح التوسع المتسارع للكون، مما يقدم بديلًا مقنعًا للطاقة المظلمة الغامضة التي تهيمن حاليًا على نماذجنا الكونية.