Growth, geometry, and early-universe split of the matter density parameter $\Omega_{\rm m}$

تخيل الكون كبالون ضخم يتمدد. لعقود من الزمن، حاول العلماء معرفة مدى سرعة انتفاخ هذا البالون وما الذي يوجد بداخله بالضبط. تشير النظرية الرائدة، المسماة "النموذج القياسي" لعلم الكونيات، إلى أن البالون مملوء بـ "المادة المظلمة" غير المرئية (التي تعمل كغراء كوني يمسك المجرات معاً) و"الطاقة المظلمة" (التي تعمل كقوة غامضة تدفع البالون للتمدد بشكل أسرع). لقد نجح هذا النموذج بشكل مذهل في التنبؤ بما نراه في السماء، من الطريقة التي تتجمع بها المجرات إلى الوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم.

ومع ذلك، بدأت القياسات مؤخراً تهمس بقصة مختلفة. فعندما ينظر العلماء إلى الكون المبكر جداً ("صور الطفولة" للكون)، يحصلون على إجابة واحدة حول كمية المادة الموجودة في البالون. ولكن عندما ينظرون إلى الكون اليوم ("صور المراهقة")، يحصلون على إجابة مختلفة قليلاً. الأمر يشبه إذا وجد محقق بصمة في مسرح جريمة لا تتطابق تماماً مع بصمات المشتبه به المعروفة. هذا التناقض، الذي يُسمى غالباً "التوتر"، ترك علماء الفلك في حيرة من أمرهم. هل النموذج خاطئ؟ أم أن هناك شيئاً جديداً ومثيراً يختبئ في البيانات؟ أم أننا فقط ننظر إلى الشيء نفسه من خلال عدسات مختلفة أو مشوهة قليلاً؟

هنا يأتي دور دراسة جديدة أجراها فيليسيتاس كيل، وإيزاك توتوسوس، وألان بلانشارد. لقد قرروا التوقف عن معاملة تاريخ الكون كقصة واحدة سلسة، وبدلاً من ذلك، قسموها إلى ثلاثة فصول متميزة ليروا ما إذا كانت الثغرات في الحبكة حقيقية أم مجرد وهم. لقد نظروا في "هندسة" الكون (كيف يتمدد الفضاء وينحني)، و"نمو" الهياكل (كيف تتشكل تكتلات المادة لتكوين المجرات)، و"الكون المبكر" (الفيزياء التي تلت الانفجار العظيم مباشرة). ومن خلال فصل هذه الفصول الثلاثة، طرحوا سؤالاً بسيطاً: هل تتفق هذه الأجزاء الثلاثة من القصة على كمية المادة في الكون، أم أنها تروي حكايات مختلفة؟

عمل المحقق عبر ثلاث عدسات

لحل هذا الغموض، تصرف المؤلفون كمحققين يستخدمون ثلاث نظارات مختلفة. في الماضي، كان الباحثون يقارنون غالباً بين عدستين فقط: واحدة لكيفية تمدد الكون (الهندسة) وأخرى لكيفية تكتله (النمو). لكن هذه الورقة البحثية الجديدة أضافت عدسة ثالثة: الكون المبكر.

فكر في كثافة المادة في الكون (كمية "الأشياء" الموجودة في الفضاء) كمكون سري في وصفة طعام.

1. عدسة الكون المبكر: تنظر إلى "صور الطفولة" من الخلفية الكونية الميكروية (CMB). إنها تشبه النظر إلى قائمة المكونات على علبة حبوب الإفطار قبل فتحها حتى. إنها تخبرنا مما كان يتكون الكون فور حدوث الانفجار العظيم.
2. عدسة الهندسة: تنظر إلى المسافات. إنها تشبه قياس مدى تباعد النجوم لمعرفة مدى تمدد البالون. تستخدم هذه العدسة بيانات من المستعرات العظمى (النجوم المتفجرة) وتوزيع المجرات.
3. عدسة النمو: تنظر إلى كيفية تشكل "التكتلات". إنها تشبه مراقبة كيفية استقرار قطع الحبوب في الحليب. إنها تقيس مدى سرعة جذب المجرات لبعضها البعض بفعل الجاذبية.

جمع الفريق بيانات من مجموعة ضخمة من المسوحات الكونية، بما في ذلك مسح الطاقة المظلمة (DES)، وأداة ديسى (DESI) الطيفية للطاقة المظلمة، وقمر بلانك الصناعي، ومجموعات متنوعة من المستعرات العظمى. أخذوا كل هذه البيانات وأجروا عليها نموذجاً حاسوبياً خاصاً يسمح بأن تكون "كمية المادة" مختلفة لكل عدسة من العدسات الثلاث.

النتائج: حكاية عالمين (ونصف)

ماذا وجدوا؟ كانت النتائج مزيجاً من الاتفاق والاختلاف الطفيف المثير للقلق.

أولاً، تبين أن عدسة النمو (التكتل) كانت الأكثر خجلاً بين المجموعة. لم يكن لديها رأي قوي بشأن كثافة المادة مقارنة بالعدسات الأخرى، ولم يبدُ أنها تعارض العدستين الأخريين. كانت متوافقة، ولكن مع الكثير من عدم اليقين، مثل شاهد ليس متأكداً تماماً مما رآه.

الدراما الحقيقية حدثت بين عدسة الكون المبكر وعدسة الهندسة. عادة ما يكون هذان الاثنان صديقين مقربين؛ ففي النموذج القياسي، هما مرتبطان ارتباطاً وثيقاً. ومع ذلك، عندما ترك المؤلفون كل منهما يتحدث عن نفسه، وجدوا انفصالاً طفيفاً. أشارت بيانات "الكون المبكر" إلى كثافة مادة تبلغ حوالي 0.3015، بينما أشارت بيانات "الهندسة" إلى قيمة أعلى قليلاً بلغت 0.3064.

الآن، قد تعتقد: "هذا فرق ضئيل جداً!" وأنت محق. الأرقام قريبة جداً من بعضها. ولكن لأن العلماء تمكنوا من قياس الفرق بين هاتين العدستين بدقة عالية، فقد وجدوا أن هذه الفجوة ذات دلالة إحصائية. إنها تبتعد عن الصفر بمقدار 2σ (انحرافين معياريين). وفي عالم العلوم، هذا ليس دليلاً قاطعاً (طلقة رحمة) على وجود فيزياء جديدة، ولكنه "راية حمراء" تقول: "مهلاً، هناك شيء مثير للاهتمام يحدث هنا".

تشير الورقة البحثية إلى أن التوتر بين الكون المبكر وهندسة الكون حقيقي بما يكفي للملاحظة، حتى لو كانت الأرقام المطلقة لكثافة المادة في كلا النطاقين لا تزال متوافقة ضمن نطاق 1σ. ويلاحظ المؤلفون أن هذا التناقض يشبه التوترات الأخرى المشهودة في هذا المجال، مثل الاختلاف في قيم ثابت هابل المستمدة من طرق مختلفة.

لماذا يهم هذا الأمر؟

يتوخى المؤلفون الحذر في عدم إعلان النصر أو القول بأن النموذج القياسي قد انكسر. بدلاً من ذلك، هم يظهرون أن نهج "العدسات الثلاث" الجديد هو أداة قوية لاختبار فهمنا للكون. لقد وجدوا أنه بينما يعد تاريخ الكون متسقاً في معظمه، فإن قصة كيفية تمدد الكون (الهندسة) وقصة مما كان يتكون منه الكون في بدايته (الكون المبكر) تهمسان بأرقام مختلفة قليلاً حول كمية المادة.

تخلص الدراسة إلى أن جميع النطاقات الثلاثة متوافقة، لكن الفرق بمقدار 2σ بين نطاقي الهندسة والكون المبكر هو إشارة إلى أننا قد نحتاج إلى النظر بعمق أكبر. ويقترح المؤلفون أنه لحل هذا اللغز، نحتاج إلى بيانات أفضل حول كيفية نمو الهياكل، ربما من خلال مراقبة عناقيد المجرات أو عدسات الجاذبية للخلفية الكونية الميكروية، والتي لم يتضمنها هذا التحليل تحديداً.

باختصار، ليس بالضرورة أن الكون يكذب علينا، ولكنه قد يتحدث بلهجة أكثر تعقيداً قليلاً مما اعتقدنا. ومن خلال تقسيم القصة إلى ثلاثة فصول، وجد المؤلفون طريقة جديدة للاستماع، وقد سمعوا نغمة خافتة ولكنها مثيرة للاهتمام من عدم الانسجام، والتي ستساعد التلسكوبات المستقبلية -على أمل- في فهمها.