Marked statistics across the cosmic web: Environmental dependent clustering in modified gravity simulations

تخيل الكون كشبكة عملاقة غير مرئية تمتد عبر الفضاء، تربط كل شيء ببعضه البعض. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن هذه الشبكة منسوجة وفق مجموعة من القواعد تسمى "النسبية العامة"، والتي تشرح كيف تعمل الجاذبية مثل يد خفية ولطيفة تسحب المادة معاً. لكن مؤخراً، تشير بعض الأدلة إلى أن الكون يتمدد بشكل أسرع مما تتنبأ به هذه القواعد القديمة، كما لو كانت هناك "طاقة مظلمة" غير مرئية تدفعه بعيداً. ولحل هذا الغموض، يتساءل بعض العلماء: ماذا لو تغيرت قواعد الجاذبية نفسها عندما تصبح الأشياء ضخمة جداً أو فارغة جداً؟ هذا هو عالم "الجاذبية المعدلة"، حيث قد تصبح الجاذبية أقوى قليلاً في المساحات الفارغة، لتعمل كقوة خامسة خفية لا تظهر إلا عندما يكون الحي الكوني هادئاً.

ولاختبار ذلك، لا ينظر الباحثون إلى النجوم فحسب؛ بل ينظرون إلى شكل الكون نفسه. لقد قسموا الشبكة الكونية إلى أربعة أحياء متميزة: العقد (وهي مراكز المدن المزدحمة حيث تعيش عناقيد المجرات)، والخيوط (وهي الطرق السريعة الطويلة والخيطية التي تربط المدن ببعضها)، والجدران (وهي الصفائح الشاسعة والمسطحة من المادة)، والفراغات (وهي الصحاري الشاسعة والفارغة بين كل شيء). السؤال الكبير هو: إذا كانت للجاذبية قوة خامسة سرية، فأين سنرى تأثيرها؟ هل سيكون في المدن المزدحمة، أم أنها ستهمس بأعلى صوت في الصحاري الخاوية؟

تتعمق هذه الورقة البحثية في هذا السؤال باستخدام محاكاة حاسوبية عملاقة للكون. قام المؤلفان، خواكين أرميجو ولوكاس دا كوستا، بإنشاء كون رقمي يتبع قواعد نظرية جاذبية معدلة محددة (تسمى Hu-Sawellicki $f(R)$)، وقارنه بكون قياسي تحكمه الجاذبية العادية. لم يكتفوا فقط بعدّ المجرات؛ بل استخدموا أداة إحصائية ذكية تسمى "دالة الارتباط المميّزة". فكر في هذه الأداة كوسيلة لوزن كل زوج من المجرات بناءً على بيئتها المحلية. الأمر يشبه التساؤل: "هل يتصرف زوجان من المجرات يعيشان في تجمع مدينة مزدحم بشكل مختلف عن زوج يعيش في فراغ وحيد؟"

وجد الفريق أن نظرية الجاذبية المعدلة تترك بصمة محددة للغاية. في محاكاتهم، تجعل "القوة الخامسة" الجاذبية أقوى في المناطق ذات الكثافة المنخفضة، مما يؤدي إلى تشكيل الهياكل بشكل مختلف عن النموذج القياسي. ومع ذلك، لم يكن الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة هو أن الفراغات هي المكان الوحيد للبحث، بل إن الدراسة كشفت أنه في النظام المعقد وغير الخطي حيث تتشكل الهياكل بنشاط، فإن الخيوط (الطرق السريعة الكونية) والعقد (مراكز المدن) هي التي تحمل في الواقع أكبر قدر من المعلومات حول هذه القوة الجديدة. وعندما دمج الباحثون البيانات من هذين البيئتين المحددتين، وجدوا أن إشارة الجاذبية المعدلة أصبحت أقوى بأكثر من أربعة أضعاف مما لو كانوا قد نظروا إلى جميع المجرات مختلطة معاً.

بينما أظهرت الفراغات بعض التغييرات، تشير الدراسة إلى أن "الدليل القاطع" الحقيقي لرصد هذه التعديلات في الجاذبية في النظام غير الخطي يكمن في الأجزاء المزدحمة والمترابطة من الشبكة. وقد استخدم المؤلفون هذه المحاكاة في صندوق فضاء عرضه 1536 Mpc $h^{-1}$، ويحتوي على 2048$^3$ من الجسيمات، واختبروه مقابل عينات مجرية مشابهة للمسوحات الحقيقية مثل CMASS وDESI. ووجدوا أنه بالنسبة لمسح مثل DESI، فإن النظر تحديداً في الجمع بين الخيوط والعقد يمكن أن يعزز القدرة على رصد هذه الانحرافات في الجاذبية بمعامل قدره أربعة أضعاف مقارنة بالطرق الحالية.

إذن، ماذا يعني هذا للمستقبل؟ يشير هذا إلى أننا إذا أردنا الإمساك بالجاذبية وهي تكسر القواعد، فلا ينبغي لنا فقط التحديق في الفراغات الخاوية أو تجاهل العناقيد المزدحمة. نحن بحاجة إلى إعطاء اهتمام أكبر للطرق السريعة الكونية والعناقيد الصاخبة حيث تتجمع المجرات، خاصة عند تحليل الأجزاء المعقدة وغير الخطية من الشبكة. ومن خلال التعامل مع هذه الأحياء المختلفة كأدلة منفصلة بدلاً من كونها كتلة واحدة مختلطة، قد يتمكن العلماء أخيراً من معرفة ما إذا كان فهمنا للجاذبية مكتملاً، أم أن هناك قوة خامسة خفية تنتظر الاكتشاف في خيوط الشبكة الكونية.