Investigating The Effects of Early Dark Energy on Large-scale Structure Within the EDENS Suite

إن الكون يتمدد، وعلى مدى عقود، استطاع علماء الفلك سرد قصة متسقة للغاية حول كيفية بدايته، وكيف تطور، ومما يتكون. هذه القصة، المعروفة بالنموذج القياسي لعلم الكونيات، تعتمد على بضعة مكونات رئيسية: المادة العادية، والمادة المظلمة غير المرئية التي تمسك المجرات معاً، وقوة غامضة تسمى الطاقة المظلمة التي تدفع الكون للتباعد. لفترة طويلة، كان هذا النموذج يتوافق مع البيانات بشكل مثالي. ومع ذلك، ظهر تباين مقلق؛ فعندما يقيس العلماء سرعة تمدد الكون اليوم باستخدام النجوم والمستعرات العظمى القريبة، يحصلون على رقم معين. وعندما ينظرون إلى الوراء إلى بدايات الكون الأولى باستخدام الوهج المتبقي من الانفجار العظيم، يحصلون على رقم مختلف وأبطأ. هذه الفجوة، المعروفة باسم "توتر هابل"، تشير إلى أن قصتنا الحالية قد تفتقر إلى فصل ما. أحد الإضافات المقتر้อมة للقصة هو "الطاقة المظلمة المبكرة"، وهي نظرية تقترح وجود دفعة من الطاقة المظلمة وُجدت لفترة وجيزة في اللحظات الأولى للكون قبل أن تتلاشى، مما قد يغير معدل التمدد بما يكفي لحل هذا الصراع.

ولاختبار مدى صحة هذه الفكرة، أجرى فريق من الباحثين في مختبر أرغون الوطني عمليات محاكاة حاسوبية ضخمة لمعرفة كيف ستغير مثل هذه الدفعة من الطاقة الطريقة التي يبدو بها الكون اليوم. لقد بنوا كونين افتراضيين: أحدهما يتبع القواعد القياسية، والآخر يتضمن هذه الدفعة المبكرة من الطاقة. ثم راقبوا كيف تجذب الجاذبية المادة معاً لتشكيل الشبكة الكونية الشاسعة من المجرات والعناقيد التي نراها الآن. ووجد الباحثون أن الكونين لم يبدوا متطابقين تماماً؛ فالنسخة التي تحتوي على الدفعة المبكرة من الطاقة شكلت عناقيد مجرية أكثر ضخامة، وخلقت نمطاً مختلفاً قليلاً في كيفية توزيع المجرات. هذه الاختلافات، رغم دقتها، كبيرة بما يكفي لتمكن التلسكوبات المستقبلية من رصدها، مما يوفر وسيلة لتحديد ما إذا كان النموذج القياسي يحتاج إلى مكون إضافي أو إذا كان التوتر ناتجاً عن شيء آخر تماماً.

استخدم الباحثون، بقيادة صوفي هودجسون وزملائها، مجموعة قوية من عمليات المحاكاة تسمى (EDENS) لاستكشاف هذه الأفكار. لم يكتفوا بالنظر في الرياضيات فحسب، بل بنوا خرائط ثلاثية الأبعاد مفصلة لكيفية تكتل المادة عبر مليارات السنين. في عوالمهم الافتراضية، بدأوا بتوزيع سلس للمادة وتركوا الجاذبية تقوم بعملها، متتبعين تكوين "الهالات" — وهي كرات ضخمة غير مرئية من المادة المظلمة تعمل كدعامة للمجرات. ومن خلال مقارنة الكون القياسي بالكون الذي يحتوي على طاقة مظلمة مبكرة، تمكنوا من قياس سمات محددة، مثل عدد العناقيد المجرية التي تشكلت ومدى كثافة المادة داخلها. كما قاموا بتسكين مجرات اصطناعية في هذه الأكوان الافتراضية، واضعين إياها داخل هالات المادة المظلمة تماماً كما تظهر في السماء الحقيقية، ليروا ما إذا كان توزيع الضوء سيكشف عن الاختلافات الخفية بين النموذجين.

أظهرت النتائج أن الكون الذي يحتوي على طاقة مظلمة مبكرة تصرف بشكل مختلف في عدة جوانب رئيسية. في هذا السيناريو، شكل الكون عناقيد مجرية أكثر ضخامة مما توقعه النموذج القياسي. وتحديداً، كان عدد هذه العناقيد الثقيلة أعلى بنسبة اثني عشر بالمائة في الوقت الحاضر، وارتفع ليصل إلى ثمانية عشر بالمائ المئة عند النظر إلى الوراء إلى زمن كان فيه الكون أصغر سناً. يحدث هذا لأن الدفعة المبكرة من الطاقة تغير ظروف الكون المبكر، مما يؤدي إلى قوة جذب أقوى قليلاً في وقت لاحق، وهو ما يشجع المادة على التكتل بكفاءة أكبر. كما نظر الباحثون في مدى إحكام ضغط المادة داخل هذه العناقيد؛ وبينما كانت العناقيد في كون الطاقة المظلمة المبكرة أكثر تركيزاً بشكل عام، إلا أن الفرق كان ضئيلاً وأصبح أصعب في التمييز في العناقيد الأكثر ضخامة، مما يشير إلى أن هذه السمة تحديداً قد لا تكون أفضل طريقة للتمييز بين النموذجين.

ولعل الاختلافات الأكثر دلالة ظهرت عندما نظر الباحثون إلى الأنماط واسعة النطاق للكون. فقد قاسوا "طيف القدرة"، وهو في الأساس خريطة توضح كمية المادة الموجودة على مسافات مختلفة من بعضها البعض. في النموذج القياسي، تتبع القمم والوديان في هذه الخريطة إيقاعاً يمكن التنبؤ به. أما في نموذج الطاقة المظلمة المبكرة، فقد انزاح هذا الإيقاع قليلاً، خاصة عند المقياس الذي يكون فيه أثر الموجات الصوتية من الكون المبكر أكثر وضوحاً. ووجد الباحثون أن المسافة بين هذه الأنماط المتكررة كانت مختلفة قليلاً، حيث أدت إلى إزاحة القمم بمقدار ضئيل ولكن يمكن قياسه. وتعد هذه الإزاحة مهمة لأنها تقدم "بصمة" محتملة يمكن للمسوحات المستقبلية، مثل تلك المخطط لها بواسطة مرصدي "إقليدس" و"روبين"، استخدامها لاختبار هذه النظرية.

ولجعل هذه النتائج أكثر صلة بما يراه علماء الفلك فعلياً، ملأ الفريق عمليات المحاكاة الخاصة بهم بمجرات افتراضية، مع التركيز على نوع محدد يُعرف باسم "المجرات الحمراء المضيئة". وهي نجوم قديمة ساطعة يسهل رصدها وتعمل كعلامات ممتازة للهيكل الكوني الكامن. وعند عد هذه المجرات الافتراضية، وجدوا أن كون الطاقة المظلمة المبكرة أنتج حوالي واحد وعشرين بالمائة أكثر منها مقارنة بالنموذج القياسي. ولم يكن هذه الزيادة عشوائية، بل كانت نتيجة مباشرة لتشكل المزيد من الهالات الضخمة لاستضافتها. كما أظهرت الطريقة التي تجمعت بها هذه المجرات اختلافاً متميزاً؛ إذ كان الارتباط بين مواقعها، والذي يصف احتمالية وجودها بالقرب من بعضها البعض، أضعف قليلاً في نموذج الطاقة المظلمة المبكرة، وكان ذروة نمط التكتل هذا مزاحاً إلى مسافة أصغر قليلاً.

لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت "توتر هابل"، ولا تثبت أن الطاقة المظلمة المبكرة هي الإجابة الصحيحة. بدلاً من ذلك، هي تقدم مجموعة حاسمة من التوقعات. لقد أظهر الباحثون أنه إذا وجدت الطاقة المظلمة المبكرة، فإنها تترك بصمة محددة على البنية واسعة النطاق للكون: عناقيد أكثر ضخامة، وتوزيعاً مختلفاً للمجرات، وإزاحة طفيفة في الإيقاع الكوني. هذه الاختلافات صغيرة، وغالباً ما تحوم حول علامة الخمسة بالمائ، مما يعني أنها تتطلب قياسات دقيقة للغاية لرصدها. ومع ذلك، فإن حقيقة أن النماذج تتباعد بهذه الطرق المحددة تعطي علماء الفلك هدفاً واضحاً. فإذا تطابقت ملاحظات الكون الحقيقي مع الأنماط التي وجدتها محاكاة الطاقة المظلمة المبكرة، فإن ذلك سيشير بقوة إلى أن فهمنا للكون يحتاج إلى تحديث. أما إذا تطابق الكون الحقيقي مع النموذج القياسي، فمن المرجح أن يتم استبعاد نظرية الطاقة المظلمة المبكرة.

في نهاية المطاف، يعمل هذا العمل كجسر بين النظرية والرصد. فمن خلال إجراء عمليات المحاكاة المعقدة هذه، أنشأ الفريق مكتبة مرجعية لما يجب أن يبدو عليه الكون تحت قواعد مختلفة. لقد أظهروا أن الاختلافات بين النموذج القياسي ونموذج الطاقة المظلمة المبكرة حقيقية وقابلة للقياس، حتى وإن كانت دقيقة. ومع تدفق بيانات جديدة من التلسكوبات التي تمسح السماء، سيتمكن العلماء من مقارنة الشبكة الكونية الحقيقية مقابل هذه النسخ الافتراضية. وإذا توافق الكون الحقيقي مع النسخة التي تتضمن الدفعة المبكرة من الطاقة، فإن ذلك سيحل التوتر القائم منذ فترة طويلة حول معدل التمدد ويفتح فصلاً جديداً في فهمنا للكون. وإذا لم يكن الأمر كذلك، فسيظل النموذج القياسي قائماً، لكن البحث عن الطبيعة الحقيقية للطاقة المظلمة سيستمر.