Resolving the Hubble Tension in the Early Dark Energy Framework with JWST and DESI Data

إن الكون يتوسع، وعلى مدى عقود، تمكن علماء الفلك من قياس سرعة هذا التوسع بدقة متناهية. هذه السرعة، المعروفة باسم ثابت هابل، تعمل كمسطرة كونية، تحدد حجم وعمر كل ما نراه. ومع ذلك، فقد ظهر خلاف مستعصٍ بين طريقتين لقياس هذه السرعة. فعندما ينظر العلماء إلى الوراء نحو بداية الكون، باستخدام الوميض الخافت المتبقي من الانفجار العظيم، يحسبون معدل توسع أبطأ. ولكن عندما ينظرون إلى الكون القريب، عبر قياس الضوء المنبعث من النجوم المتفجرة والشموس النابضة، يجدون معدل توسع أسرع. هذا الفجوة، المعروفة باسم "توتر هابل"، قد استمرت رغم عمليات التحقق التي لا تحصى من البيانات، مما يشير إلى أن نموذجنا القياسي لعلم الكونيات قد يفتقر إلى قطعة مفقودة من اللغز.

ولحل هذا الغموض، اقترح الباحثون أن شكلاً من أشكال "الطاقة المظلمة المبكرة" ربما كان موجوداً لفترة وجيزة في الكون الوليد، مما أدى إلى تغيير تاريخ توسعه بما يكفي للتوفيق بين القياسين. والآن، وضع فريق من العلماء هذه الفكرة قيد الاختبار باستخدام أقوى الأدوات المتاحة: تلسكوب جيمس ويب الفضائي، الذي يسترق النظر إلى الماضي السحيق لرؤية المجرات الأولى، وأداة طيف الطاقة المظلمة (DESI)، التي ترسم خريطة لبنية الكون القريب. ومن خلال دمج هذه الملاحظات الجديدة مع البيانات المستمدة من الخلفية الكونية الميكروية، وجد الفريق أن نسخة محددة من الطاقة المظلمة المبكرة لا تسهل التوتر بين معدلي التوسع فحسب، بل توفر أيضاً وصفاً أفضل للكون المبكر مقارنة بالنموذج القياسي.

ركز الباحثون على سيناريو وجود مكون طاقة مؤقت، يتصرف مثل "حقل سلمي" (scalar field)، هيمن لفترة وجيزة على الكون قبل أن يتلاشى. هذا النوع من الطاقة كان سيعمل مثل "يد خفية"، تسرع التوسع قبيل أن يبرد الكون بما يكفي ليتحرك الضوء بحرية، مما يؤدي فعلياً إلى تقليص المسافة التي يمكن للموجات الصوتية قطعها في الكون المبكر. هذا التعديل يسمح لعمليات القياس من الكون المبكر بأن تتوافق بشكل أوثق مع معدلات التوسع الأسرع المشهودة اليوم. وللتحقق مما إذا كانت هذه النظرية تصمد، قام الفريق بتحليل بيانات من قمر "بلانك" الصناعي، وتلسكوب "أتاكاما" الكوني، وتلسكوب "القطب الجنوبي"، والتي توفر خريطة مفصلة لتقلبات درجات الحرارة في الكون المبكر. ثم قاموا بدمجها مع أحدث القياسات من أداة طيف الطاقة المظلمة، التي تتبع توزيع المجرات لفهم كيف تمدد الكون بمرور الوقت.

وعلى نحو حاسم، أضافت هذه الدراسة بُعداً جديداً عبر إدراج ملاحظات من تلسكوب جيمس ويب الفضائي. فخلافاً للدراسات السابقة التي اعتمدت حصرياً على الكون المبكر أو الجوار المحلي، استخدم هذا الفريق قدرة "ويب" على رؤية المجرات الضخمة والساطعة التي تتشكل بعد بضع مئات الملايين من السنين فقط من الانفجار العظيم. وتعمل هذه المجرات البعيدة كاختبار لنظرية الطاقة المظلمة المبكرة، لأن وجود مثل هذه الهياكل الثقيلة والمبكرة يعتمد على كيفية توسع ونمو الكون خلال طفولته. فإذا كان نموذج الطاقة المظلمة المبكرة صحيحاً، فإنه لا ينبغي أن يحل مشكلة معدل التوسع فحسب، بل يجب أن يتنبأ أيضاً بوفرة هذه المجرات القديمة بدقة أكبر من النموذج القياسي.

كانت النتائج مذهلة. فعندما دمج الفريق بيانات الخلفية الكونية الميكروية، ورسم خرائط المجرات من أداة طيف الطاقة المظلمة، وإحصاءات المجرات عالية الانزياح من تلسكوب جيمس ويب، برز النموذج المحدد المعروف باسم "نموذج أكسيون-EDE" كمرشح قوي. في هذا السيناريو، يتم حساب معدل توسع الكون بـ 71.58 كيلومتراً في الثانية لكل ميجابارسيك، وهي قيمة تقع بوضوح بين القياسات المتضاربة وتقلل التوتر المتبقي إلى مستوى 0.6σ. ويعد هذا تحسناً كبيراً مقارنة بالنموذج القياسي، الذي لا يزال، عند مواجهته بنفس البيانات المجمعة، يتنبأ بمعدل توسع أبطأ بكثير يتعارض مع الملاحظات المحلية.

وفضلاً عن إصلاح معدل التوسع، حسن النموذج الجديد أيضاً من ملاءمة البيانات فيما يتعلق بالمجرات المبكرة. إذ يميل النموذج القياسي إلى التقليل من تقدير عدد المجرات الساطعة والضخمة التي يرصدها تلسكوب جيمس ويب عند أعلى مستويات الانزياح الأحمر. ومع ذلك، فإن نموذج "أكسيون-EDE" تنبأ بوفرة أعلى قليلاً لهذه الهياكل المبكرة، مما جعل المنحنيات النظرية أقرب بكثير إلى الملاحظات الفعلية. ووجد الباحثون أن هذا النموذج قدم وصفاً متفوقاً إحصائياً للكون مقارنة بالنموذج القياسي، مع مطابقة أفضل بكثير للبيانات عبر جميع أنواع الملاحظات الثلاثة: وهج الكون المبكر، والبنية واسعة النطاق للكون، والجيل الأول من المجرات.

كما فحصت الدراسة متغيرات أخرى لنظرية الطاقة المظلمة المبكرة، بما في ذلك النماذج ذات الأشكال الرياضية المختلفة للحقل الطاقي. وبينما ساعدت هذه البدائل أيضاً في تقليل التوتر — حيث خفضته إلى 1.0σ و1.9σ و1.8σ على التوالي — إلا أنها لم تكن بفعالية نموذج "أكسيون-EDE". ووجد الفريق أن نموذج "أكسيون-EDE" كان الأكثر نجاحاً في حل صراع معدل التوسع، حيث قلص التوتر إلى مستوى 0.6σ، مع تحسين الاتفاق مع إحصاءات المجرات من تلسكوب جيمس ويب بشكل ملحوظ. وهذا يشير إلى أنه إذا كانت الطاقة المظلمة المبكرة هي بالفعل القطعة المفقودة في لغز علم الكونيات، فمن المرجح أن تأخذ الشكل المحدد الموصوف في هذا النموذج.

تقدم هذه النتائج مساراً مقنعاً لعلم الكونيات. فمن خلال دمج أعمق الرؤى للكون المبكر مع أدق الخرائط للكون القريب، أثبت الباحثون أن توتر هابل ليس بالضرورة علامة على خطأ في القياسات، بل هو دليل يشير نحو فيزياء جديدة. وحقيقة أن النموذج نفسه الذي يصلح معدل التوسع يفسر أيضاً التكوين المبكر للمجرات الضخمة تعزز من قوة هذه النظرية. ومع استمرار تلسكوب جيمس ويب في جمع البيانات وتوسع المسوحات التي ترسم الكون بمزيد من التفصيل، سيتم اختبار سيناريوهات الطاقة المظلمة المبكرة هذه بدقة أكبر، مما قد يؤدي إلى فهم منقح لكيفية بدء كوننا وتطوره.