TDCOSMO XXVI: Uniform lens modeling of eight doubly imaged quasars

تخيل الكون كبالون ضخم يتمدد. لعقود من الزمن، حاول العلماء قياس سرعة تمدد هذا البالون بدقة الآن. تُسمى هذه السرعة "ثابت هابل"، ومعرفتها أمر بالغ الأهمية لأنها تخبرنا بعمر الكون وكيف سينتهي. ومع ذلك، هناك مشكلة محبطة: فعندما ننظر إلى "صورة الطفولة" للكون (خلفية الإشعاع الميكروي الكوني)، نجد أنها تقول إن البالون يتمدد بسرعة معينة. ولكن عندما ننظر إلى الكون "البالغ" القريب منا (باستخدام النجوم المتفجرة)، نجد أنه يقول إن البالون يتمدد بسرعة أكبر. يُعرف هذا الخلاف باسم "توتر هابل"، وهو يشبه صديقين يتجادلان حول سرعة سيارة، حيث يمتلك كلاهما أسباباً جيدة لكنهما لا يستطيعان الاتفاق. ولحل هذه المعضلة، يحتاج علماء الفلك إلى طريقة ثالثة ومستقلة لقياس السرعة، لا تعتمد على الأدوات القديمة نفسها.

هنا يأتي دور العدسة المكبرة الكونية: "العدسة الجاذبية". فالأجسام الضخمة، مثل المجرات، تحني الزمكان، مما يؤدي إلى انحناء الضوء القادم من الأجسام البعيدة خلفها. إذا وقعت مجرة في المنتصف تماماً بيننا وبين "كوازار" (نجم زائف) ساطع وبعيد، فإنها قد تقسم ضوء الكوازار إلى صور متعددة، مثل مرآة الملاهي التي تشوه الأشكال. أحياناً تحصل على أربع صور، وأحياناً صورتين فقط. ومن خلال قياس الوقت الذي يستغرقه الضوء للسفر عبر هذه المسارات المختلفة والوصول إلى الأرض، يمكن للعلماء حساب معدل تمدد الكون. ولكن العائق هنا هو: لكي تقوم بهذا الحساب الرياضي، يجب أن تعرف بدقة شكل "العدسة" (المجرة) ومدى ثقلها. وحتى الآن، ركزت معظم الفرق على الأنظمة ذات الصور الأربع لأنها أسهل في الحل، تاركة الأنظمة ذات الصورتين الأكثر شيوعاً مهملة في الغالب.

هذه الورقة البحثية، التي أعدها ريان برادي وتعاون TDCOSMO، قررت أخيراً منح تلك الأنظمة ذات الصورتين الاهتمام الذي تستحقه. استخدم الفريق تلسكوب هابل لالتقاط صور حادة للغاية ومتعددة الألوان لثمانية أنظمة مختلفة من الكوازارات ذات الصورتين. وقد بنوا مساراً حاسوبياً موحداً جديداً لنمذجة هذه الأنظمة، حيث عاملوا جميعها بمجموعة واحدة من القواعد لضمان إجراء مقارنة عادلة. لم يكن هدفهم الرئيسي هو حل "توتر هابل" فوراً، بل إثبات إمكانية نمذجة هذه "الثنائيات" بدقة عالية وتحديد ما يجعل النموذج جيداً أو سيئاً.

وجد الباحثون أن طريقة النمذجة الجديدة الخاصة بهم تعمل بشكل رائع. فعندما قارنوا قياساتهم لحجم العدسة (نصف قطر أينشتاين) بالدراسات السابقة، تطابقت النتائج بشكل جيد، بمتوسط فرق قدره 1.5 انحراف معياري فقط—وهي علامة على أن حساباتهم متينة. كما تحققوا من مواقعهم مقابل بيانات القمر الصناعي "غايا" ووجدوا أن قياساتهم كانت بعيدة بمقدار ضئيل جداً، وهو 3.6 مللي ثانية قوسية، وهو ما يعادل رصد عملة معدنية من مسافة ميل واحد. وهذا يؤكد أن مسارهم البرمجي موثوق وجاهز للدراسات المستقبلية الأكبر.

ومع ذلك، فإن الاكتشاف الأكثر إثارة يتعلق بما يجعل هذه النماذج دقيقة. فقد أدرك الفريق أن المفتاح للحصول على إجابة دقيقة ومحكمة ليس مجرد امتلاك نقطتين ساطعتين (صورتي الكوازار)؛ بل يتعلق بالأطياف الضوئية الباهتة والممتدة (الأقواس) التي تربط بينهما. هذه الأقواس هي الصور المشوهة للمجرة الأم للكوازار. ووجد المؤلفون رابطاً قوياً للغاية: كلما كانت هذه الأقواس أكثر سطوعاً ووضوحاً، زادت قدرتنا على تحديد كتلة المجرة العدسة بدقة. الأمر يشبه محاولة تخمين شكل جسم مخفي من خلال النظر إلى ظله؛ فإذا كان الظل ضبابياً، ستكون تخميناتك عشوائية، أما إذا كان الظل حاداً ومفصلاً، فيمكنك وصف الجسم بدقة مثالية.

ولإثبات ذلك، أجروا اختبار "النقطة المترافقة". تخيل أنك تحاول حل لغز باستخدام مواقع نقطتين فقط، مقابل استخدام مواقع النقاط بالإضافة إلى شكل الصورة بأكملها. عندما استخدموا مواقع النقاط فقط، كانت إجاباتهم غامضة للغاية، حيث كان "الحجم الفائق" لعدم اليقين أكبر بـ 109 مرات في المتوسط مما كان عليه عند استخدام الصورة الكاملة. وهذا يعني أنه بدون المعلومات التفصيلية من الأقواس الساطعة، ستكون الأنظمة ذات الصورتين غامضة للغاية بحيث لا يمكن الاستفادة منها في علم الكونيات عالي الدقة.

باختصار، هذه الورقة لا تقول فقط "لقد نموذجنا ثمانية أشياء". بل تضع قواعد جديدة لدراسة عدسات الصورتين وتثبت أنه للحصول على أفضل الإجابات، نحتاج إلى صور عميقة وعالية الجودة تظهر الأقواس الباهتة والممتدة للمجرات الخلفية. ويقترح المؤلفون أنه مع بيانات أفضل وهذا النهج الموحد الجديد، يمكن لهذه الأنظمة ذات الصورتين الوفيرة أن تصبح قريباً أدوات قوية للمساعدة في حسم الجدل حول مدى سرعة تمدد كوننا.