Metastable cosmic strings are broken at the start

تخيل الكون كبالون ضخم يتمدد. الآن، تخيل أنه بينما ينتفخ هذا البالون، فإن نسيج الفضاء نفسه يتمدد ويتلوى، تاركاً خلفه ندوباً صغيرة غير مرئية. في عالم فيزياء الطاقة العالية، تُسمى هذه الندوب بـ الأوتار الكونية (cosmic strings). هي ليست مصنوعة من القطن أو الفولاذ؛ بل هي خطوط طاقة فائقة الثقل ونحيلة للغاية، خلّفتها اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، عندما انفصلت القوى الأساسية للطبيعة عن بعضها البعض. فكر فيها مثل الشقوق في بركة متجمدة، ولكن بدلاً من الماء، هي شقوق في نسيج الواقع نفسه.

العلماء مهووسون بهذه الأوتار لأنها، إذا وُجدت، ستكون بمثابة وحوش كونية، تهتز وتتكسر مثل أربطة مطاطية عملاقة. وعندما تفعل ذلك، سترسل تموجات في الزمكان تُسمى الموجات الثقالية (gravitational waves). هذه الموجات تشبه صوت رنين جرس عبر الكون، وإذا استطعنا التقاطها، فستخبرنا عن مستويات طاقة عالية جداً لدرجة أن مسرعات الجسيمات الحالية لدينا لن تتمكن أبداً من الوصول إليها. لفترة طويلة، اعتقد الفيزيائيون أن هذه الأوتار كانت مثل كابلات فولاذية غير قابلة للكسر ستدوم للأبد، وتستنزف طاقة الكون ببطء. لكن فكرة جديدة تشير إلى أنها قد تكون أشبه بالزجاج الهش أو "السباغيتي" المبللة—أي أنها عرضة للكسر في وقت أبكر بكثير مما كنا نعتقد، مما يغير "الأغنية" التي تغنيها لتسمعها آذاننا.

---

الانكسار الكوني العظيم: لماذا لا تدوم الأوتار للأبد

في هذه الورقة البحثية، يجادل فريق من الفيزيائيين من جامعة أكسفورد بأن قصة الأوتار الكونية تحتاج إلى إعادة كتابة. لسنوات، كانت الصورة القياسية هي أن هذه الأوتار تشكل شبكة ضخمة ومتشابكة تمتد عبر الكون. كان يُعتقد أنها "شبه مستقرة" (metastable)، بمعنى أنها مستقرة بما يكفي للبقاء لفترة طويلة، ولكنها في النهاية ستنكسر بسبب عملية ميكانيكية كمومية بطيئة تسمى "النفق الكمومي" (tunnelling). وكان يُعتقد أن هذا الانكسار سيحدث في وقت متأخر جداً من تاريخ الكون، ربما مؤخراً بما يكفي لتفسير بعض الإشارات الغامضة التي رصدتها التلسكوبات الراديوية.

ومع ذلك، يرى مؤلفو هذه الورقة أن هذا الانكسار "في وقت متأخر من الليل" هو مجرد أسطورة. بدلاً من ذلك، يوضحون أن هذه الأوتار من المرجح أن تنكسر فور ولادتها تقريباً، في بداية حياة الكون مباشرة. ويقترحون مُسببين رئيسيين لهذا الكسر المبكر، اعتماداً على كيفية تشكل هذه الأوتار.

الانهيار الحراري (التأثيرات الحرارية)
تخيل الكون المبكر كحمام ساخن جداً. عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة، يصبح "الغراء" الذي يمسك الأوتار معاً مهتزاً وغير مستقر. يوضح المؤلفون أنه إذا كان الكون حاراً بما يكفي عند تشكل الأوتار، فإن الحرارة نفسها تعمل مثل مقص، حيث تقطع الأوتار إلى قطع في لحظات معدودة. إنه ليس قطعاً بطيئاً وهادئاً؛ بل هو انكسار عنيف ناتج عن الطاقة الحرارية للكون المبكر.

فخ المونوبول (العيوب الموجودة مسبقاً)
المسبب الثاني يشبه لعبة "الغميضة" أو المطاردة. غالباً ما تتشكل الأوتار الكونية جنباً إلى جنب مع عيوب كونية أخرى تسمى المونوبولات (monopoles) (فكر فيها كأقطاب مغناطيسية شمالية بدون قطب جنوبي). يجادل المؤلفون بأنه بينما تحاول الأوتار النمو والاتصال لتشكل شبكة ضخمة، فإنها تصطدم حتماً بهذه المونوبولات. وعندما يصطدم الوتر بمونوبول، فإنه يتوقف عن النمو ويُقطع. والنتيجة؟ بدلاً من وجود وتر واحد ضخم ولانهائي يمتد عبر الكون، تحصل على مجموعة من القطع القصيرة والمحدودة.

خداع "ما وراء الأفق"
هذا هو الجزء المعقد الذي يجعل الأمر مثيراً للغاية. على الرغم من أن هذه الأوتار مكسورة، إلا أن قطعها يمكن أن تكون ضخمة. يوضح المؤلفون أن هذه القطع المكسورة يمكن أن تكون أكبر من "الأفق" (المسافة التي يمكن للضوء قطعها في زمن معين). بالنسبة لنا، ونحن ننظر إليها من بعيد، ستظل تبدو وكأنها أوتار لانهائية لأن نهاياتها بعيدة جداً عن بعضها لدرجة أنها لم "تلتقِ" بعد. ستتصرف مثل شبكة أوتار طبيعية لفترة طويلة، تهتز وتخلق موجات ثقالية. ولكن في النهاية، ستلحق نهايات هذه القطع ببعضها البعض، وسينكسر الوتر تماماً، وتختفي الشبكة.

لعبة الأرقام: لماذا نحتاج لإعادة التفكير في المقياس

أهم نتيجة لهذه الورقة هي التحول الهائل في الأرقام المطلوبة لجعل هذه النظرية تعمل. سابقاً، لتفسير إشارات الموجات الثقالية التي نراها اليوم (تحديداً الإشارة الأولية من تجربة NANOGrav)، اعتقد الفيزيائيون أن النسبة بين كتلة المونوبولات وتوتر الأوتار يجب أن تكون حوالي 60.

ولكن لأن هذه الأوتار تنكسر مبكراً، فقد حسب المؤلفون أن هذه النسبة يجب أن تكون أكبر بكثير، وتحديداً 1,00est (أو $10^3$). هذه قفزة هائلة. وهذا يعني أنه لكي تنجو الأوتار لفترة كافية ليراها تلسكوباتنا، يجب أن تكون آلية "القطع" أضعف بكثير مما كنا نعتقد، أو يجب أن تكون الأوتار "أثقل" بكثير مقارنة بالمونوبولات.

مفاجأة "الحلقة الأضعف": ليست كل الأوتار متساوية

تلقي الورقة أيضاً نظرة جديدة على "الكسر المتأخر" الذي كان يُعتقد أنه يحدث عبر النفق الكمومي. الفكرة القديمة افترضت أن الوتر عبارة عن سلك منتظم تماماً، مثل قطعة نحاس مستقيمة. لكن المؤلفين أجروا محاكاة حاسوبية لمعرفة ما يحدث في شبكة واقعية وفوضوية.

وجدوا أن الأوتار ليست منتظمة؛ فهي تحتوي على تعرجات، ونتوءات، وزوايا حادة حيث تتركز الطاقة. الأمر يشبه شريطاً مطاطياً تعرض للالتواء؛ فالجزء الملتوي يكون تحت توتر أكبر بكثير من بقية الشريط. اكتشف المؤلفون أن الوتر من المرجح أن ينكسر عند هذه "التعرجات" النادرة وعالية التوتر بدلاً من الأجزاء الناعمة والمستقيمة. وبما أن معدل الكسر يعتمد بشدة على التوتر، فإن هذه البقع النادرة والمتعرجة تكسر الوتر بشكل أسرر مما توقعته حسابات السلك الناعم والمنتظم. وهذا يشير إلى أنه حتى بدون الحرارة أو المونوبولات، قد لا تدوم الأوتار كما كنا نأمل، ببساطة لأنها "متعرجة" للغاية.

ماذا يعني هذا بالنسبة لنا؟

إذاً، ماذا يعني هذا بالنسبة للبحث عن الأوتار الكونية؟

1. الإشارة تتغير: إذا انكسرت الأوتار مبكراً، فإن "الأغنية" التي تغنيها (طيف الموجات الثقالية) تتغير. الجزء ذو التردد المنخفض من الإشارة سيتم قطعه في وقت أبكر.
2. رهانات أعلى: لمطابقة الإشارات التي نراها اليوم، نحتاج إلى فرق أكبر بكثير بين كتلة المونوبول وتوتر الوتر مما كان يُعتقد سابقاً.
3. أسرار خفية: تذكر الورقة أيضاً أن هذا المنطق قد ينطبق على "القطاعات المظلمة" في الكون—عوالم الفيزياء الخفية التي لا نستطيع رؤيتها بعد. إذا كانت هذه العوالم الخفية تمتلك "أنابيب تدفق" خاصة بها (مشابهة للأوتار)، فقد تنكسر هي أيضاً مبكراً، مما يخفي إشاراتها عنا.

باختصار، يقترح المؤلفون أن شبكة الأوتار الكونية ليست شبكة طويلة الأمد وغير قابلة للكسر، بل هي هيكل هش يتحطم في وقت مبكر من حياة الكون. وبينما يجعل هذا مهمة العثل عليها أصعب (لأنها قد تختفي قبل أن ننظر إليها)، إلا أنه يفتح طرقاً جديدة لفهم الفيزياء القصوى للكون المبكر. ويشير المؤلفون بحذر إلى أنهم لم يثبتوا أن حلقات الأوتار لا يمكن أن تعود لتتصل وتكون أوتاراً كبيرة مرة أخرى، لكن محاكاتهم ومنطقهم يشيران إلى أن هذا أمر غير مرجح. قصة الأوتار الكونية لم تعد تتعلق بانهيار بطيء وثابت؛ بل تتعلق بانهيار درامي ومبكر يعيد تشكيل الطريقة التي نستمع بها إلى الكون.