Revisiting the Hubble tension with an inverse power-law early dark energy
تقترح هذه الورقة نموذجاً جديداً للطاقة المظلمة المبكرة بجهد ذي قانون قوة عكسي يخفف من توتر هابل عبر تقديم قيمة أفضل ملاءمة لثابت هابل تبلغ حوالي 70.56 كم ث ميجا بارسيك عند مواءمتها مع مجموعات بيانات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والنبضات الباريونية الصوتية، والمستعرات العظمى من النوع Ia، وبيانات المسافات المحلية، بينما تناقش أيضاً قابليتها للاختبار مع الملاحظات المستقبلية وتحديات الضبط الدقيق المرتبطة بها.
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
إن الكون يتمدد، وهي حقيقة تم إثباتها منذ قرابة قرن من الزمان. ولكن عندما يحاول علماء الفلك قياس سرعة هذا التمدد بدقة في يومنا هذا، فإنهم يصطدمون باختلاف مستعصٍ. إذ تعتمد إحدى الطرق على دراسة الوميض المتبقي من الانفجار العظيم، وهو ضوء خافت سافر عبر الكون لمليارات السنين. وعندما يحلل العلماء هذا الضوء القديم، فإنه يشير إلى أن الكون يتمدد بمعدل معين، وهو معدل أبطأ. بينما تعتمد طريقة أخرى على مراقبة النجوم والمجرات هنا في جوارنا الكوني، من خلال قياس مسافاتها وسرعاتها بشكل مباشر. وتشير هذه القياسات المحلية باستمرار إلى معدل تمدد أسرع. والفرق بين هذين الرقمين صغير من الناحية المطلقة، لكنه ذو دلالة إحصائية كافية للإيحاء بأن فهمنا الحالي لتاريخ الكون قد يفتقر إلى قطعة مفقودة من اللغز. يُعرف هذا التباين بـ "توتر هابل"، وقد أصبح أحد أكثر الألغاز إلحاحاً في علم الكونيات الحديث.
ولحل هذه المعضلة، اقترح الباحثون حدوث شيء غير عادي في الكون المبكر جداً، بعد جزء ضئيل من الثانية من الانفجار العظيم. ويطلقون على هذا المكون الافتراضي اسم "الطاقة المظلمة المبكرة". وخلافاً للطاقة المظلمة التي نعرفها اليوم، والتي تدفع الكون للتباعد بمعدل متسارع، فإن هذا النوع المبكر سيكون عبارة عن دفعة طاقة مؤقتة وُجدت للحظة وجيزة قبل أن تتلاشى. وإذا حدثت مثل هذه الدفعة، فإنها ستغير ظروف الكون المبكر بدرجة كافية لتغيير كيفية تفسيرنا للضوء القديم، مما قد يؤدي إلى التوفيق بين معدل التمدد البطيء المرصود في الماضي ومعدل التمدد السريع المقاس اليوم. ومع ذلك، فإن بناء نموذج لهذه الطاقة يتوافق مع البيانات دون خلق مشكلات جديدة قد أثبت صعوبته.
في دراسة حديثة، اقترح الفيزيائيان كوان تشو وسيبو تشنغ من جامعة تشونغتشينغ في الصين طريقة جديدة لوصف هذه الطاقة المظلمة المبكرة. فبدلاً من الأشكال المعقدة المستخدمة في النظريات السابقة، اقترحا جهداً (potential) يتصرف مثل منحدر لطيف ذي ذيل طويل يتضاءل تدريجياً. تخيل تلاً مسطحاً عند قمته ثم ينحدر للأسفل تدريجياً، دون أن يصل تماماً إلى القاع بل يقترب منه إلى ما لا نهاية. في نموذجهم، يستقر مجال من الطاقة بالقرب من قمة هذا المنحدر؛ ولفترة طويلة، يظل المجال عالقاً بالقرب من القمة، ليعمل كمصدر طاقة ثابت. ولكن مع توسع الكون وتبريده، يبدأ المجال في النهاية بالتدحرج نحو الأسفل. وهذه الحركة الدورانية تطلق طاقة، مما يخلق الدفعة المؤقتة اللازمة لتعديل تاريخ الكون المبكر. وبمجرد أن يتدحرج المجال بعيداً بما يكفي، تصبح طاقته ضئيلة، فتختفي فعلياً من المعادلة الكونية وتترك الكون ليتطور كما نراه اليوم.
اختبر الباحثون هذه الفكرة من خلال تغذية نموذجهم في محاكاة حاسوبية قوية تتبع تطور الكون من الانفجار العظيم إلى يومنا هذا. وقارنوا نتائج عمليات المحاكاة هذه مع مجموعة واسعة من البيانات الواقعية. وشملت هذه البيانات الخريطة التفصيلية للخلفية الكونية الميكروية، وقياسات كيفية توزيع المجرات عبر الكون، وملاحظات النجوم البعيدة المتفجرة، وأحدث القياسات المباشرة لمعدل التمدد من تعاون يُعرف باسم H0DN. وعندما قاموا بتشغيل الأرقام، وجدوا أن نموذجهم الجديد يمكنه بالفعل تقريب قياسات معدل التمدد المتضاربة من بعضها البعض. وتحديداً، بالنسبة لنسخة معينة من نموذجهم حيث تكون درجة انحدار "تلة الطاقة" ذات شدة معينة، استقر معدل التمدد المتوقع عند قيمة تقارب 70.20 كيلومتر في الثانية لكل ميجابارسيك، مع قيمة أفضل ملاءمة بلغت 70.56. وتستقر هذه النتيجة براحة بين القيمة المنخفضة التي توقعها الضوء القديم والقيمة الأعلى المقاسة محلياً، مما يقلل فعلياً من حدة التوتر بينهما.
ومع ذلك، فإن هذا الحل لا يخلو من تكاليفه الخاصة. فبينما ينجح النموذج في تخفيف توتر هابل، فإنه يستحدث نوعاً آخر من الاحتكاك. إذ إن التعديلات ذاتها التي ترفع معدل التمدد تميل أيضاً إلى زيادة تكتل المادة في الكون. وهذا يخلق صراعاً جديداً مع الملاحظات المتعلقة بكمية المادة المتكتلة، وهي مشكلة تُعرف باسم "توتر S8". ويقر الباحثون بأن نموذجهم يجعل هذه المشكلة الموجودة تزداد سوءاً قليلاً، حتى في الوقت الذي يحل فيه لغز معدل التمدد. علاوة على ذلك، يعتمد النموذج على ظروف أولية محددة تتطلب درجة من "الضبط الدقيق"، مما يعني أن الإعدادات البدئية لمجال الطاقة يجب أن تُضبط بدقة عالية لكي تعمل بشكل صحيح. وهذا يشير إلى أنه على الرغم من أن الشكل الرياضي لجهدهم يعد مرشحاً واعداً، إلا أن الأسباب النظرية الأعمق لسبب بدء الكون في مثل هذا التكوين الدقيق لا تزال غير واضحة.
كما تسلط الدراسة الضوء على أن هذا النموذج الجديد يترك بصمة مميزة على الكون يمكن للتلسكوبات المستقبلية رصدها. فقد حسب الباحثون أن وجود دفعة الطاقة المبكرة هذه سيؤدي إلى حدوث انحرافات طفيفة ومحددة في أنماط الخلفية الكونية الميكروية وفي كيفية توزيع المادة عبر الكون. وهذه الانحرافات صغيرة جداً بحيث لا يمكن رؤيتها بالبيانات الحالية، لكنها كبيرة بما يكفي لتتمكن المهمات القادمة، التي سترسم خرائط للكون بدقة أكبر بكثير، من رصدها. وإذا أكدت الملاحظات المستقبلية هذه الأنماط المحددة، فسوف يوفر ذلك دليلاً قوياً على أن هذا النوع من الطاقة المظلمة المبكرة قد وُجد حقاً. وإذا لم يحدث ذلك، فمن المرجح أن يتم استبعاد النموذج.
في نهاية المطاف، يمثل هذا العمل خطوة للأمام في الجهود المستمرة لفهم تمدد الكون. فهو يقدم بديلاً ملموساً وقابلاً للاختبار للنموذج القياسي لعلم الكونيات، وهو بديل متميز رياضياً عن المحاولات السابقة. ورغم أنه لا يقدم حلاً مثالياً وشاملاً، إلا أنه يوضح أن مجالاً طاقياً ذا شكل "قانون القوة العكسي" البسيط يمكنه بنجاح سد الفجوة بين القياسات المتضاربة لثابت هابل. ويتضمن المسار المستقبلي جمع بيانات أكثر دقة لمعرفة ما إذا كان تاريخ الكون يحمل حقاً علامة هذه الطاقة المبكرة العابرة، أم أن لغز توتر هابل يتطلب تفسيراً أكثر جذرياً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.