🔭 astrophysics

TDCOSMO. XXIII. Measurement of the Hubble constant from the doubly lensed quasar HE1104-1805

تقدم هذه الورقة أول تحليل لنموذج TDCOSMO لثنائي عدسة كوازار، HE1104-1805، يجمع بين 17 عاماً من بيانات تأخير الزمن، والحركية النجمية، ونمذجة العدسة، وقياسات التقارب الخارجي لاستخلاص ثابت هابل بقيمة $64.2^{+5.8}_{-5.0}$ كم ث $^{-1}$ ميجا بارس $^{-1}$ (مُقاساً بمعامل انحلال صفحة الكتلة الداخلية)، مما يثبت أن الأنظمة ذات العدسات المزدوجة يمكن أن تحقق دقة تضاهي الكوازارات ذات العدسات الرباعية وتعمل كأساس للقيود الكونية المستقبلية واسعة النطاق.

المؤلفون الأصليون: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xian

نُشر 2026-03-24

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Eric Paic, Frédéric Courbin, Christopher D. Fassnacht, Aymeric Galan, Martin Millon, Dominique Sluse, Devon M. Williams, Simon Birrer, Elizabeth J. Buckley-Geer, Michele Cappellari, Frédéric Dux, Xiang-Yu Huang, Shawn Knabel, Cameron Lemon, Anowar J. Shajib, Sherry H. Suyu, Tommaso Treu, Kenneth C. Wong, Lise Christensen, Veronica Motta, Alessandro Sonnenfeld

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

الصورة الكبيرة: حل مشكلة "عداد السرعة" في الكون

تخيل أن الكون عبارة عن سيارة ضخمة تسير على طريق سريع. يريد علماء الفلك معرفة سرعتها بدقة الآن. تُسمى هذه السرعة ثابت هابل ( $H_0$ ).

لفترة طويلة، كان العلماء يتجادلون حول هذه السرعة:

الفريق (أ): ينظر إلى "صور الطفولة" للكون (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) ويحسب أن السرعة يجب أن تكون حوالي 67.
الفريق (ب): ينظر إلى "صور البلوغ" (النجوم القريبة والمستعرات العظمى) ويحسب أن السرعة يجب أن تكون حوالي 73.

إنهما يختلفان بمقدار كبير، وهذا الخلاف يمثل لغزاً كبيراً في الفيزياء. ولحل هذه المشكلة، نحتاج إلى طريقة ثالثة مستقلة تماماً لقياس السرعة، مثل جهاز رادار لا يعتمد على تاريخ السيارة أو موقعها الحالي.

هذه الورقة البحثية تقدم ذلك الرادار: عدسة الجاذبية (Gravitational Lensing).

التشبيه: ازدحام مروري كوني

تخيل شاحنة ضخمة (مجرة) تسير على الطريق السريع. خلفها، تحاول سيارة سباق (كوازارار بعيد) تجاوزها. جاذبية الشاحنة تقوم بثني الفضاء من حولها، مما يجعلها تعمل مثل عدسة ضخمة.

بسبب هذا الانحناء، يسلك الضوء القادم من سيارة السباق مسارين مختلفين للوصول إلى عينيك:

المسار (أ): مسار أقصر وأسرع قليلاً.
المسار (ب): مسار أطول وأبطأ قليلاً.

على الرغم من أن سيارة السباق تومض بأضوائها في نفس اللحظة تماماً، إلا أنك سترى ومضة المسار (أ) تصل قبل ومضة المسار (ب). هذه الفجوة الزمنية تسمى التأخير الزمني (Time Delay).

من خلال قياس عدد الأيام التي تفصل بين الومضتين بدقة، وفهم مدى انحناء الشاحنة للضوء، يمكننا حساب المسافة إلى الشاحنة وسرعة الكون.

التحدي: "المزدوج" مقابل "الرباعي"

لسنوات، كان تعاون TDCOSMO (فريق العلماء الذين كتبوا هذه الورقة) يستخدم الكوازارات ذات العدسات الرباعية.

التشبيه: تخيل أن الشاحنة تنشئ أربع صور مختلفة لسيارة السباق. الأمر يشبه امتلاك أربعة مسارات GPS مختلفة للمقارنة بينها، مما يعطيك خريطة دقيقة جداً للطريق.
المشكلة: هذه الأنظمة "ذات الصور الأربع" نادرة جداً. العثور على عدد كافٍ منها للحصول على قياس فائق الدقة يشبه محاولة الفوز باليانصيب كل يوم.

هذه الورقة تمثل طفرة لأنهم نجحوا في استخدام كوازار ذو عدسة مزدوجة (HE 1104−1805).

التشبيه: هذا يشبه امتلاك مسارين فقط من مسارات الـ GPS. من الصعب الحصول على خريطة مثالية بمسارات أقل، ولكن هذه الأنظمة أكثر شيوعاً بخمس مرات من الأنظمة ذات الصور الأربع. إذا استطاعوا إثبات نجاح هذه الطريقة على "المزدوجات"، فيمكنهم بناء عينة ضخمة وحسم قيمة ثابت هابل بدقة 1%.

كيف فعلوا ذلك: المكونات الأربعة

للحصول على سرعة الكون من هذا النظام "ثنائي المسارات"، كان على الفريق خلط أربعة مكونات محددة، مثل طباخ يعد حساءً معقداً:

1. ساعة الإيقاف (التأخير الزمني)
راقبوا الكوازار لمدة 17 عاماً باستخدام ثلاثة تلسكوبات (SMARTS وEuler وWFI). تتبعوا سطوع الصورتين مثل نبضات القلب.

النتيجة: وجدوا أن التأخير الزمني كان 176.3 يوماً. إحدى الصور تصل بعد حوالي نصف عام من الأخرى.

2. فحص المحرك (الحركية النجمية)
لمعرفة وزن "الشاحنة" (المجرة العدسية)، لم يكتفوا بالتخمين. استخدموا أداة MUSE على التلسكوب الكبير جداً (VLT) لقياس سرعة حركة النجوم داخل تلك المجرة.

التشبيه: إذا رأيت سيارة تنحرف بشكل عشوائي، ستعرف ما إذا كان السائق ثقيلاً أو السيارة خفيفة. من خلال قياس "انحراف" (سرعة) النجوم، حسبوا كتلة المجرة. فعلوا ذلك في ثلاث حلقات مختلفة حول المجرة للحصول على ملف تعريف مفصل.

3. خريطة الطريق (نمذجة العدسة)
استخدموا صوراً عالية الدقة من تلسكوب هابل الفضائي لبناء نموذج حاسوبي ثلاثي الأبعاد لجاذبية المجرة. واختبروا نظريتين مختلفتين حول ماهية مكونات المجرة:

النظرية (أ): شكل بسيط ومنتظم (Power-law).
النظرية (ب): مزيج معقد من المادة العادية والمادة المظلمة.
النتيجة: فضلت البيانات بقوة الشكل البسيط والمنتظم (النظرية أ).

4. الضوضاء الخلفية (خط البصر)
الكون ليس فارغاً. هناك مجرات أخرى ومجموعات من المجرات بيننا وبين العدسة قد تؤثر بجاذبيتها على الضوء أيضاً.

التشبيه: تخيل أنك تحاول سماع همس في غرفة، ولكن هناك أشخاص آخرين يتحدثون في الخلفية. كان على الفريق قياس مدى تأثير "الضوضاء الخلفية" (المجرات الأخرى) على الإشارة وطرحها. وجدوا أن خط البصر كان في الواقع "أقل كثافة" (Under-dense)، مما ساعد في تدقيق الحسابات.

النتيجة: قياس جديد

بعد خلط كل هذه المكونات معاً، وإجراء الحسابات بشكل "أعمى" (حتى لا ينحازوا للنتيجة بسبب توقع رقم معين)، حصلوا على إجابتهم:

ثابت هابل هو $64.2 \pm 5.8$ كم/ثانية/ميجابارسيك.

ماذا يعني هذا؟ إنه يقع في المنتصف تماماً بين الجدل القائم بين الفريق (أ) (67) والفريق (ب) (73).
ما مدى جودته؟ الدقة تبلغ حوالي 8.5%. وهي مقاربة لأفضل القياسات التي حصلوا عليها من الأنظمة النادرة "ذات الصور الأربع".

لماذا يهم هذا؟

هذه الورقة هي حجر زاوية.

قبل ذلك: كانوا مقيدين بندرة الكوازارات "ذات الصور الأربع".
الآن: أثبتوا أن الكوازارات "ذات الصورتين" تعمل بنفس الكفاءة.
المستقبل: بما أن الكوازارات "ذات الصورتين" أكثر شيوعاً بكotثير، فإن الورقة البحثية الكبرى القادمة ستدمج البيانات من العديد من هذه المزدوجات. سيتيح ذلك لهم تقليص هامش الخطأ البالغ 8.5% ليصل إلى 1% فقط، مما يحل أخيراً لغز سرعة توسع الكون.

باختة: لقد أخذوا قطعة أحجية صعبة ونادرة (العدسة المزدوجة)، وحلوها بدقة مذهلة، وأثبتوا أنه يمكننا الآن استخدام آلاف القطع المماثلة لحل أكبر لغز في علم الكونيات.

إليك ملخص تقني مفصل لورقة البحث بعنوان "TDCOSMO XXIII. قياس ثابت هابل من الكوازار المزدوج العدسة HE 1104−1805".

1. المشكلة والسياق

لا يزال التوتر في ثابت هابل ( $H_0$ ) يمثل أحد أهم التحديات في علم الكونيات الحديث. فقياسات الخلفية الكونية الميكروية (CMB) تعطي $H_0 \approx 67.4$ كم ث $^{-1}$ ميجا بارس $^{-1}$ ، بينما تعطي قياسات سلم المسافات المحلية (القيثارات والسنوبير) $H_0 \approx 73.2$ كم ث $^{-1}$ ميجا بارس $^{-1}$ . يتجاوز هذا التفاوت عتبة $5\sigma$ .

تقدم علم كونيات تأخير الزمن (TDC) باستخدام الكوازارات ذات العدسات القوية طريقة مستقلة لقياس $H_0$ . وبينما ركز تعاون TDCOSMO سابقًا على الكوازارات ذات العدسات الرباعية (quads) نظرًا لوفرتها في المسوحات المبكرة وما توفره من قيود إضافية من تعدد الصور، فإن هذه الأنظمة نادرة. أما الكوازارات ذات العدسات الثنائية (doubles) فهي أكثر وفرة بكثير (تمثل ~75% من العدسات المعروفة) وتوفر تأخيرات زمنية دقيقة. ومع ذلك، لم تُستغل تاريخيًا بشكل كافٍ في قياسات $H_0$ بسبب قلة القيود على نمذجة الكتلة وصعوبة كسر تعدد صور الكتلة (Mass-Sheet Degeneracy - MSD). تهدف هذه الورقة إلى إثبات أن العدسات الثنائية يمكن أن تحقق دقة مقاربة للعدسات الرباعية، مما يجعلها خطوة نحو قياس $H_0$ بدقة 1%.

2. المنهجية

أجرى المؤلفون تحليلًا أعمى للكوازار ذي الصور المزدوجة HE 1104−1805 ( $z_s = 2.32$ , $z_d = 0.729$ ). تطلب القياس أربعة مكونات مستقلة:

أ. قياس تأخير الزمن ( $\Delta t_{AB}$ )

البيانات: دمج 17 عامًا من المراقبة الضوئية من ثلاثة تلسكوبات: SMARTS (2003–2016)، وEuler/ECAM (2013–2018)، وWFI (2017).
التقنية: استُخدم حزمة PyCS (Python Curve Shifting) مع ملاءمة الـ spline ذات العقد الحرة.
العملية:
- فصل التباين الذاتي للكوازار عن تباين الميكرولينسينج (microlensing) الخارجي.
  Ob* تم تهميش المعلمات الفائقة ( $\eta$ للـ splines الذاتية، $n_{ml}$ للميكرولينسينج) لضمان المتانة.
- إنشاء منحنيات ضوئية وهمية لتقدير الارتياب المنهجي والإحصائي.
النتيجة: $\Delta t_{AB} = 176.3^{+11.4}_{-10.3}$ يومًا (دقة 5.8%).

ب. الحركية النجمية (تشتت السرعة، $\sigma_{LOS}$ )

البيانات: مطيافية وحدة المجال المتكامل (IFU) من MUSE (VLT) مع البصريات التكيفية.
العملية:
- طرح المصادر النقطية للكوازار لعزل ضوء مجرة العدسة.
- تقسيم مجرة العدسة إلى ثلاث فئات شعاعية متمركزة (بعرض 0.53 بوصة).
- استخدام pPXF (الضبط النقطي المعاقب) مع مكتبات متعددة للقوالب النجمية (Indo-US, MILES, X-shooter) لقياس تشتت السرعة على طول خط البصر.
- تطبيق تصحيحات للميل وتراكب دالة انتشار النقطة (PSF).
النتيجة: قياس $\sigma_{LOS}$ في ثلاث فئات بدقة تتراوح بين 5-13% (على سبيل المثال، $278 \pm 15$ كم ث $^{-1}$ في الفئة الداخلية).

ج. نمذجة العدسة (جهد فيرما - Fermat Potential)

البيانات: تصوير عالي الدقة من HST/WFC3 (مرشح F160W).
النمذجة:
- نمذجة المبدل الرئيسي باستخدام عائلتين من ملفات تعريف الكتلة: القانون القوي (PEMD) والمركب (الباريوني + المادة المظلمة).
- تضمين 9 من المزعجات (P1–P9) ضمن 5 بوصات و6 مجموعات مجرية صراحة في نموذج الكتلة باستخدام صياغة العدسات متعددة المستويات.
- نمذجة دالة انتشار النقطة (PSF) بشكل تكراري باستخدام Lenstronomy.
- تهميش استراتيجيات تضمين المزعجات المختلفة باستخدام معيار معلومات بايز (BIC) للترجيح.
النتيجة: اشتقاق فرق جهد فيرما ( $\Delta \phi$ ) بين الصورتين A وB.

د. التقارب على طول خط البصر (LOS Convergence - $\kappa_{ext}$ )

البيانات: تصوير واسع المجال من Subaru/SuprimeCam (نطاق i).
العملية:
- بناء كتالوج تعداد المجرات حتى 120 بوصة من العدسة.
- مقارنة كثافة المجرات على طول خط البصر مع الحقول المرجعية والمحاكاة (محاكاة Millennium) لتقدير مساهمة التقارب الخارجي من الكتلة التي لم يتم نمذجتها صراحة.
النتيجة: $\kappa_{ext} = -0.019^{+0.058}_{-0.020}$ ، مما يشير إلى خط بصر أقل كثافة قليلاً.

هـ. الاستدلال الكوزمولوجي

دمج تأخير الزمن، وجهد فيرما، $\sigma_{LOS}$ ، و $\kappa_{ext}$ لحل مسافة تأخير الزمن ( $D_{\Delta t}$ ) والمسافة الزاوية القطرية ( $D_d$ ).
التحليل الأعمى: تم إخفاء قيمة $H_0$ النهائية حتى اكتمال سلسلة التحليل لمنع انحياز التجربة.
الافتراض: تم تثبيت معامل تعدد صور الكتلة الداخلي عند $\lambda_{int} = 1$ (ليتم تقييده في التحليلات الهرمية المستقبلية).

3. المساهمات الرئيسية

أول كوازار ذو عدسة ثنائية في TDCOSMO: هذه هي أول ورقة بحثية لـ TDCOSMO تنجح في قياس $H_0$ باستخدام نظام ذي صور مزدوجة، مما يثبت أن العدسات الثنائية يمكن أن تعطي دقة تنافسية.
تأخير زمني قوي: قدمت أدق قياس لتأخير الزمن لـ HE 1104−1805 حتى الآن، باستخدام أطول وأعلى مجموعة بيانات وتيرة متاحة.
حركية محلولة مكانياً: نجحت في استخراج ملفات تعريف تشتت السرعة عالية الجودة من عدسة ثنائية، متجاوزة تحدي تلوث ضوء العدسة بصورة الكوازار الساطعة A.
مقارنة النماذج: أظهرت الورقة أنه بالنسبة لهذا النظام تحديدًا، فإن نموذج الكتلة ذو القانون القوي هو المفضل بقوة على النموذج المركب عند مقارنته بالبيانات الحركية. فشل النموذج المركب في ملاءمة فئة تشتت السرعة الداخلية.
بروتوكول التحليل الأعمى: طبقت بروتوكول التحليل الأعمى بصرامة لضمان نزاهة نتيجة $H_0$ .

4. النتائج

تأخير الزمن: $\Delta t_{AB} = 176.3^{+11.4}_{-10.3}$ يومًا.
المسافات:
- مسافة تأخير الزمن: $D_{\Delta t} = 5083^{+504}_{-487}$ ميجا بارس.
- المسافة الزاوية القطرية للعدسة: $D_d = 1921^{+254}_{-236}$ ميجا بارس.
ثابت هابل:
- $H_0 = 64.2^{+5.8}_{-5.0} \times \lambda_{int}$ كم ث $^{-1}$ ميجا بارس $^{-1}$ .
- بافتراض $\lambda_{int} = 1$ ، تكون النتيجة $64.2^{+5.8}_{-5.0}$ كم ث $^{-1}$ ميجا بارس $^{-1}$ .
- الدقة: 8.5% (مقاربة لأفضل قياسات TDCOSMO للعدسات الرباعية، والتي تحقق عادةً 4-6%).
تفضيل النموذج: خصص الوزن المرجح للاحتمالية 95% لنموذج القانون القوي، مما أدى فعليًا إلى استبعاد النموذج المركب بسبب عدم قدرته على مطابقة البيانات الحركية.

5. الأهمية

التحقق من صحة العدسات الثنائية: يؤكد هذا العمل أن الكوازارات ذات العدسات الثنائية هي عينة قابلة للاستخدام وقوية لعلم كونيات تأخير الزمن. ونظرًا لأن العدسات الثنائية أكثر وفرة بنحو 4 مرات من الرباعية، فإن دمجها يمكن أن يوسع عينة TDCOSMO بمعامل قدره 5.
الطريق نحو دقة 1%: من خلال إضافة العدسات الثنائية إلى العينة، يمكن تقليل الضوضاء الإحصائية بشكل كبير، مما يسرع الطريق نحو هدف التعاون المتمثل في قياس $H_0$ بدقة 1%.
تخفيف الانحياز: يساعد تضمين العدسات الثنائية في اختبار انحيازات الاختيار المتأصلة في عينات الرباعيات فقط (مثل متطلبات المحاذاة أو الإهليلجية المحددة)، مما يضمن متانة قياس $H_0$ عبر مختلف مورفولوجيات العدسات.
العمل المستقبلي: سيكون المعلم التالي لـ TDCOSMO هو إجراء تحليل هرمي لجميع العدسات (بما في ذلك هذه الثنائية) لتقييد $\lambda_{int}$ و $H_0$ معًا، مما سيقلل من عدم اليقين بشكل أكبر.

في الختام، نجحت هذه الورقة في إثبات أن كوازارً واحدًا ذا عدسة ثنائية، عند تحليله ببيانات عالية الجودة ونمذجة صارمة، يمكن أن يوفر قياسًا لـ $H_0$ بدقة تضاهي أكثر الأنظمة تعقيدًا من العدسات الرباعية.