🔭 astrophysics

New $H(z)$ measurement at Redshift = 0.12 with DESI Data Release 1

باستخدام الملاءمة كاملة الطيف باستخدام BAGPIPS على أكثر من 4,000 مجرة ضخمة متطورة خاملة من إصدار البيانات الأول لـ DESI، استنتج المؤلفون قياساً جديداً لثابت هابل عند انزياح أحمر قدره 0.12 حيث $H(z=0.12)=71.33 \pm 4.20~{\rm km~s^{-1}~Mpc^{-1}}$ ، وهي نتيجة تتوافق مع الطرق الأخرى.

المؤلفون الأصليون: Ze-fan Wang, Lei Lei, Yi-zhong Fan

نُشر 2026-04-17

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Ze-fan Wang, Lei Lei, Yi-zhong Fan

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: قياس عداد سرعة الكون

تخيل أن الكون عبارة عن سيارة تنطلق بسرعة على طريق سريع. لعقود من الزمن، حاول علماء الفلك معرفة السرعة التي تسير بها تلك السيارة الآن بدقة. تُسمى هذه السرعة ثابت هابل ( $H_0$ ).

ومع ذلك، هناك مشكلة. عندما تقيس مجموعات مختلفة من العلماء السرعة باستخدام طرق مختلفة، يحصلون على إجابات مختلفة قليلاً. الأمر يشبه أن يخبرك تطبيق نظام تحديد المواقع (GPS) أنك تسير بسرعة 65 ميلاً في الساعة، بينما يخبرك تطبيق آخر أنك تسير بسرعة 73 ميلاً في الساعة. يُسمى هذا الخلاف "توتر هابل" (Hubble Tension)، وهو ما يشير إلى أننا قد نكون غافلين عن شيء جوهري حول كيفية عمل الكون.

هذه الورقة البحثية هي محاولة جديدة لحل هذا الغموض من خلال بناء "عداد سرعة" جديد ومستقل باستخدام مجموعة بيانات ضخمة وجديدة.

⏳ الطريقة: استخدام المجرات كـ "ساعات كونية"

لقياس سرعة السيارة (الكون)، تحتاج إلى معرفة المسافة التي قطعتها والوقت الذي استغرقته. في علم الفلك، ننظر إلى الانزياح نحو الأحمر (مدى تمدد الضوء القادم من مجرة ما، مما يخبرنا بمدى بعدها) والزمن (عمر المجرة).

استخدم المؤلفون حيلة ذكية تسمى المؤشرات الزمنية الكونية (Cosmic Chronometers).

التشبيه: تخيل أنك تنظر إلى غابة، وتريد معرفة مدى سرعة نمو الأشجار. إذا وجدت شجرتين متشابهتين للغاية ولكن إحداهما أكبر سناً بقليل من الأخرى، يمكنك قياس الفرق في أعمارهم والفرق في مسافتهم لحساب معدل النمو.
الواقع: اختار المؤلفون مجرات ضخمة "خاملة". وهي مجرات توقفت عن تكوين نجوم جديدة منذ زمن طويل. إنها تشبه "المتقاعدين الهادئين والمسنين" في مجتمع المجرات. ولأنها توقفت عن التطور، فإن قراءة "عمرها" سهلة للغاية، مما يجعلها ساعات مثالية.

📡 البيانات: "الكتاب الضخم" لتلسكوب DESI

استخدم الفريق بيانات من DESI (أداة طيف الطاقة المظلمة)، وهو تلسكوب روبوتي عملاق في أريزونا.

التشبيه: فكر في DESI كمكتبي فائق السرعة يمكنه قراءة "الباركود" (الأطياف) لملايين النجوم والمجرات في وقت واحد.
مجموعة البيانات: استخرجوا البيانات من الإصدار الرئيسي الأول (DR1) لهذه المكتبة، والتي تحتوي على معلومات عن أكثر من 18 مليون جرم سماوي. ومن هذا الجبل من البيانات، اختاروا بعناية أكثر من 4,000 مجرة "متقاعدة" مثالية لاستخدامها كساعات لهم.

🔍 العملية: قراءة "قصة حياة" المجرة

بمجرد حصولهم على الـ 4,000 مجرة، احتاجوا إلى معرفة عمر كل واحدة منها بدقة.

الأداة: استخدموا برنامجاً حاسوبياً متطوراً يسمى BAGPIPES.
التشبيه: تخيل أن لديك صورة ضبابية لشخص مسن، وتريد معرفة عمره الدقيق. أنت تنظر إلى تجاعيده، ولون شعره، وملمس جلده. يقوم برنامج BAGPIPS بفعل الشيء نفسه للمجرات؛ حيث يقارن الضوء القادم من المجرة مع ملايين "قصص الحياة" النظرية (النماذج) للعثور على النموذج الذي يتوافق معها بشكل أفضل.
الابتكار: تأكدوا من أن الكمبيوتر لم "يغش" عبر افتراض سرعة معينة للكون مسبقاً، بل تركوا البيانات تتحدث عن نفسها.

📉 النتيجة: قراءة سرعة جديدة

من خلال مقارنة أعمار هذه المجرات عند مسافات مختلفة، حسب الفريق سرعة توسع الكون عند نقطة زمنية محددة (الانزياح نحو الأحمر $z = 0.12$ ).

القياس: وجدوا أن معدل التوسع هو 71.33 كم/ثانية/ميغابارسيك.
- الترجمة: مقابل كل مليون ميغابارسيك (وحدة مسافة) تبتعد فيها، يتوسع الكون بسرعة أكبر بمقدار 71.33 كيلومتراً في الثانية.
نسبة الخطأ: هم واثقون تماماً، مع هامش خطأ يبلغ حوالي ±4.20.

🤝 لماذا هذا مهم؟

هذا القياس الجديد يشبه رأياً ثالثاً في قضية أمام المحكمة.

إنه يتفق مع بعض القياسات السابقة.
يقع في منتصف النقاش حول "توتر هابل".
والأهم من ذلك، أنه تم بشكل مستقل. لم يعتمد على نفس الافتراضات التي تستخدمها الطرق الأخرى والتي تسبب هذا الخلاف.

🏁 الخاتمة

نجح المؤلفون في بناء عداد سرعة جديد وموثوق للكون باستخدام مجموعة بيانات ضخمة وجديدة (DESI) وطريقة ذكية (المؤشرات الزمنية الكونية).

الخلاصة: الكون يتوسع بمعدل تقريبي يبلغ 71 كم/ثانية/ميغابارسيك في هذه الحقبة المحددة. ورغم أن هذا لا يحل "توتر هابل" بالكامل بعد، إلا أنه يضيف قطعة حاسمة وعالية الجودة من الأدلة إلى اللغز، مما يساعد العلماء في معرفة ما إذا كان الخلاف ناتجاً عن أخطاء في القياس أو ما إذا كان يعني أن فهمنا للفيزياء يحتاج إلى تحديث جذري.

باختاً: لقد وجدوا 4,000 مجرة قديمة وهادئة، وسألوهم عن أعمارهم، واستخدموا ذلك للتأكد من السرعة التي تسير بها السيارة الكونية على الطريق السريع.

إليك ملخص تقني مفصل لورقة البحث "قياس جديد لـ $H(z)$ عند انزياح أحمر قدره 0.12 باستخدام بيانات DESI الإصدار الأول" بواسطة وانغ، ولي، وفان.

1. بيان المشكلة

تتناول الورقة البحثية توتر هابل (Hubble Tension)، وهو تباين كبير بين قيمة ثابت هابل ( $H_0$ ) المستمدة من ملاحظات الكون المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، نموذج $\Lambda$ CDM) وقياسات الكون المتأخر (المستعرات العظمীয় من النوع Ia). ولتحديد ما إذا كان هذا التوتر ناتجًا عن أخطاء منهجية أو فيزياء جديدة، يلزم وجود مجسات مستقلة لتاريخ التوسع في الكون.

تحديدًا، يهدف المؤلفون إلى قياس بارامتر هابل $H(z)$ عند انزياح أحمر منخفض ( $z \approx 0.12$ ) باستخدام طريقة الكرونومترات الكونية (Cosmic Chronometers - CC). تعتمد هذه الطريقة على قياس العمر التفاضلي للمجرات المتطورة سلبًا ($dt/dz $) لحساب$ H(z) = -\frac{1}{1+z} \frac{dz}{dt}$ دون الاعتماد على نموذج كوني محدد (على عكس طرق BAO التي تتطلب معايرة أفق الصوت). ويكمن التحدي في اختيار عينة قوية من "الساعات الكونية" (مجرات ضخمة وهادئة) وتحديد أعمارها بدقة باستخدام البيانات الطيفية الحديثة.

2. المنهجية

مصدر البيانات

DESI DR1: تستخدم الدراسة الإصدار العام الرئيسي الأول من أداة الطيف المظلم (DESI)، والذي يغطي الملاحظات من مايو 2021 إلى يونيو 2022.
المسوحات الموروثة (Legacy Surveys): تُستخدم البيانات الضوئية من مسوحات DESI الموروثة (النطاقات g, r, z, W1-W4) لاختيار الأهداف وملاءمة طيف الطاقة (SED).
الكتالوجات: يستخدم المؤلفون كتالوج الكتلة النجمية وخطوط الانبعاث (بناءً على CIGALE وSTARLIGHT) ويسترجعون الأطياف من SPARCL وAstro Data Lab.

اختيار العينة

تم تطبيق عملية اختيار صارمة لعزل المجرات الضخمة والمتطورة سلبًا والمناسبة لتحليل CC:

الشكل (Morphology): اختيار المجرات من النوع المبكر (MORPHTYPE == DEV).
الكتلة والنشاط: الكتلة النجمية $\log_{10}(M_*/M_\odot) > 11$ ومعدل تشكل النجوم النوعي $\log_{10}(\text{sSFR}) < -11$ .
قص خطوط الانبعاث: التكافؤ (EW) لخطوط [O II]، [H $\beta$ ]، [H $\alpha$ ] أقل من 4 أنجستروم وS/N < 3 لضمان الهدوء (quiescence).
المؤشرات الطيفية: نسبة خطوط الامتصاص Ca II H/K أقل من 1.3.
الانزياح الأحمر والجودة: $z < 0.2$ و FLUX_SCALE > 3 لضمان نسب إشارة إلى ضوضاء عالية.

العينة النهائية: 3,429 مجرة بعد تطبيق عتبات صارمة للكتلة والانحراف المعياري للسرعة ( $\sigma_{vel} > 100$ كم/ثانية).

الملاءمة الطيفية (BAGPIPES)

استخدم المؤلفون نسخة معدلة من BAGPIPES (التحليل البايزي للمجرات للاستدلال الفيزيائي وتقدير المعلمات) لإجراء ملاءمة كاملة للطيف لكل من الأطياف والبيانات الضوئية.

الاستقلال الكوني: تمت إزالة المسبق الكوني (cosmological prior) في BAGPIPES لضمان أن يكون اشتقاق العمر غير معتمد على نموذج معين.
تاريخ تشكل النجوم (SFH): تم اختبار نموذجين لـ SFH:
1. التراجع الأسي المتأخر (DED): $SFR(t) \propto (t-T_0)e^{-(t-T_0)/\tau}$ .
2. قانون القوة المزدوج (DPL): $SFR(t) \propto [(t/\tau)^\alpha + (t/\tau)^{-\beta}]^{-1}$ .
المكونات الفيزيائية: تضمن النموذج تركيب السكان النجميين (BC03 مع توزيع Kroupa IMF)، وتوهين الغبار (قانون Calzetti)، والانبعاثات السديمية (CLOUDY)، ونموذج ضوضاء العملية الجاوسية (GP) لمحاسبة الضوضاء المترابطة في الأطياف.
تعريف العمر: بالنسبة لـ DED، يُعرف العمر بـ $t_U(z_{obs}) - T_0$ . أما بالنسبة لـ DPL، فيُستخدم العمر المرجح بالكتلة.

حساب $H(z)$

التجميع (Binning): تم تقسيم العينة إلى فئات بناءً على الانزياح الأحمر والكتلة النجمية (التقسيم عند الوسيط الكتلي $\log_{10}(M_*) = 11.16$ ).
تقدير المشتق: تم بناء علاقة العمر-الانزياح الأحمر ( $t(z)$ ). ولتقليل التغاير، استُخدم نهج الفرق غير المتتالي لحساب $dz/dt$.
المنهجية النظامية: تم تقييم الأخطاء المنهجية عبر تغيير استراتيجيات التجميع (ثابت مقابل كمي، 2 مقابل 4 فئات) ونماذج SFH.

3. المساهمات الرئيسية

أول قياس CC لـ DESI DR1: تعد هذه واحدة من أولى الدراسات التي تستخدم مجموعة بيانات DESI DR1 الضخمة لاستخراج قياس الكرونومتر الكوني، مما يزيد بشكل كبير من حجم العينة مقارنة بالأعمال السابقة.
الملاءمة الكاملة للطيف: يوفر تطبيق BAGPIPES مع إزالة المسبق الكوني اشتقاقًا قويًا وغير معتمد على النموذج لأعمار النجوم وتواريخ تشكل النجوم.
تحديد الخطأ المنهجي: توضح الورقة صراحةً الأخطاء المنهجية الناجمة عن استراتيجيات التجميع ( $\Delta H_{bin} \approx \pm 1.71$ كم/ث/ميجا بارسيك) واختيارات نماذج SFH ( $\Delta H_{SFH} \approx \pm 1.67$ كم/ث/ميجا بارسيك).
التحقق من "تضاؤل الكتلة" (Mass-Downsizing): تؤكد النتائج أنه عند انزياح أحمر ثابت، تكون المجرات الأكثر كتلة هي الأقدم، وهو ما يتوافق مع سيناريو تضاؤل الكتلة.

4. النتائج

خصائص العينة: تمتلك المجرات المختارة 3,429 مجرة ذات كتل نجمية عالية ( $\log_{10}(M_*/M_\odot) \approx 11.16$ )، وتوهين غبار منخفض ( $A_V \approx 0.1$ mag)، ومعادنية أعلى من الشمس ( $Z/Z_\odot \approx 1.33$ ).
علاقة العمر-الانزياح الأحمر: تظهر الأعمار النجمية المستمدة اتجاهًا تنازليًا واضحًا مع زيادة الانزياح الأحمر، وهو ما يتوافق مع توقعات نموذج $\Lambda$ CDM.
القياس الأساسي:
$H(z = 0.12) = 71.33 \pm 3.45 \text{ (stat.)} \pm 1.71 \text{ (bin)} \pm 1.67 \text{ (SFH)} \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$
بدمج الأخطاء في التربيع، نحصل على النتيجة النهائية:
$H(z = 0.12) = 71.33 \pm 4.20 \text{ km s}^{-1} \text{ Mpc}^{-1}$
الاتساق: هذه القيمة متسقة مع قياسات الكرونومتر الكوني الأخرى وتوقعات $\Lambda$ CDM من Planck 2018، وتقع ضمن هوامش الخطأ في الأدبيات الحالية.

5. الأهمية

يبرهن هذا العمل على قوة مسح DESI في تحسين تاريخ التوسع الكوني. ومن خلال توفير قياس دقيق وغير معتمد على النموذج لـ $H(z)$ عند انزياح أحمر منخفض، فإنه يساهم في الجهود المستمرة لحل توتر هابل. توفر المنهجية إطارًا قويًا لاستخدام الملاءمة الكاملة للطيف على المسوحات الطيفية الكبيرة لمعايرة الكرونومترات الكونية. تدعم النتيجة نموذج $\Lambda$ CDM القياسي عند انزياح أحمر منخفض، لكنها تسلط الضوء على الحاجة إلى قياسات دقيقة مستمرة عند انزياحات حمراء أعلى ( $z > 1$ ) باستخدام مسوحات مستقبلية مثل Euclid وWide-field Spectroscopic Telescope لرسم خريطة تاريخ التوسع بالكامل وتقييد خصائص الطاقة المظلمة.