Cosmological dynamics and structure formation in Tsallis-Cirto entropy-inspired modified gravity

على مدى عقود، اعتمدت أنجح قصة لدينا لنرويها عن الكون على مجموعة بسيطة، وإن كانت غامضة، من الشخصيات. نحن نعلم أن المادة العادية، وهي المكونات التي تتألف منها النجوم والبشر، لا تشكل سوى جزء ضئيل من الكون. أما البقية فهي مخفية في شكلين: المادة المظلمة، وهي سقالة غير مرئية تمسك المجرات معاً، والطاقة المظلمة، وهي قوة غريبة تدفع الكون للتباعد بوتيرة متسارعة. هذه القصة القياسية، المعروفة باسم نموذج "لامدا-المادة المظلمة الباردة"، قد فسرت مجموعة واسعة من الملاحظات، من صدى الانفجار العظيم إلى توزيع المجرات. ومع ذلك، بدأت تظهر بعض الشقوق؛ إذ يواجه النموذج صعوبة في التوفيق بين سرعة توسع الكون اليوم وسرعة توسعه في طفولته، كما يجد صعوبة في تفسير مدى "تكتل" الكون بدقة. وعندما يصطدم النموذج القياسي بحائط مسدود، غالباً ما يتطلع الفيزيائيون إلى القواعد الأساسية للعبة، وتحديداً العلاقة بين الجاذبية والحرارة.

في السنوات الأخيرة، برزت فكرة رائعة تشير إلى أن الجاذبية قد لا تكون قوة أساسية على الإطلاق، بل هي نتيجة لكيفية سلوك المعلومات والحرارة عند حواف الكون. ينظر هذا المنظور إلى الكون كنظام ديناميكي حراري عملاق، حيث يعمل حدُّ كوننا المرئي كأفق له درجة حرارة وإنتروبيا (مقياس للاضطراب). وبينما يفترض المنظور التقليدي أن هذه الإنتروبيا تنمو بالتناسب المباشر مع مساحة ذلك الحد، فإن نهجاً أحدث مستوحى من الإحصاء غير الممتد يقترح علاقة مختلفة. تقترح هذه النظرية أن الإنتروبيا تتناسب مع المساحة مرفوعة لقوة محددة، وهو مفهوم يسمح بوجود كون أكثر تعقيداً وترابطاً، حيث لا يكون الكل مجرد مجموع أجزائه. هذا التحول في كيفية حساب اضطراب الكون يمكن أن يغير جذرياً المعادلات التي تحكم توسعه وتشكيل بنياته.

قام باحثان من جامعة "بردوان" في الهند بأخذ هذا الإطار النظري واختباره مقابل النموذج القياسي. لقد استكشفا نسخة معدلة من الجاذبية مدفوعة بهذه الإنتروبيا غير الممتدة، من خلال إدخال معلمة واحدة قابلة للضبط تحدد كيفية تناسب الإنتروبيا. ومن خلال تطبيق قوانين الديناميكا الحرارية على حافة الكون، استخرجا معادلات جديدة لكيفية توسع الكون عبر الزمن. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه الجاذبية المعدلة يمكنها تفسير تاريخ الكون وطريقة تكتل المادة بشكل أفضل من النموذج القياسي الحالي، أم أنها ستفشل ببساء تحت التدقيق. لم يكتفوا بالنظر في التوسع فحسب، بل تتبعوا قصة حياة البنى الكونية بأكملها، من الكون المبكر الأملس إلى العناقيد المجرية الشاسعة التي نراها اليوم.

وجد الباحثون أن نموذج الجاذبية المعدل هذا يسلك سلوكاً مختلفاً اعتماداً على قيمة تلك المعلمة الواحدة. فعندما يتم ضبط المعلمة على قيمة محددة، يعود النموذج ليتطابق مع القصة القياسية التي نعرفها بالفعل. ومع ذلك، عندما تتغير القيمة ولو قليلاً، يتغير تاريخ الكون. في هذا السيناريو الجديد، يحدث الانتقال من التوسع المتباطئ إلى التوسع المتسارع في وقت مختلف من التاريخ الكوني. كما يتنبأ النموذج بأن الكون سيصل في النهاية إلى حالة من التوازن الديناميكي الحراري، وهي حالة نهاية هادئة ومستقرة، مما يتماشى مع ما نتوقعه للمستقبل البعيد. والأهم من ذلك، طور المؤلفون مجموعة من الأدوات التشخيصية للتمييز بين هذا النموذج الجديد والنموذج القياسي؛ حيث وجدوا أنه لأي قيمة للمعلمة بخلاف القيمة القياسية، يفشل النموذج في اجتياز الاختبارات المصممة لتأكيد الكون المسطح القياسي، مما يؤدي فعلياً إلى استبعاد التفسير التقليدي لتلك الحالات المحددة. وهذا يشير إلى أنه إذا كان هذا التعديل القائم على الإنتروبيا حقيقياً، فإن الكون لا يتبع السيناريو القياسي.

ثم انتقلت الدراسة للتركيز على كيفية تكتل المادة لتشكيل الشبكة الكونية. وباستخدام طريقة تعامل مع المناطق المنهارة من المادة ككرات متجانسة، حسب الفريق سرعة نمو هذه المناطق لتصبح مجرات وعناقيد. واكتشفوا أن معدل تشكل هذه البنى يعتمد بشدة على معلمة الإنتروبيا. فإذا كانت المعلمة أعلى من القيمة القياسية، تتشكل البنى الكبيرة في وقت متأخر من تاريخ الكون، ويكون نمو المادة أبطأ في العصور الحديثة. أما إذا كانت المعلمة أقل، فتتشكل البنى في وقت مبكر. هذه النتيجة مهمة لأنها تتماشى مع النموذج الهرمي لتشكل البنى، حيث تتشكل الأجسام الصغيرة أولاً ثم تندمج لتصبح أجساماً أكبر. كما نظر الباحثون في وفرة العناقيد المجرية، ووجدوا أن عدد العناقيد الضخمة الذي يتنبأ به هذا النموذج يختلف عن النموذج القياسي؛ وتحديداً، يشير سيناريو الجاذبية المعدلة إلى أن البنى الأكثر ضخامة هي أقل شيوعاً وتظهر في وقت متأخر عما قد تكون عليه في الكون القياسي.

ولضمان متانة نتائجهم، قارن الباحثون نتائجهم بمجموعة واسعة من القياسات الكوزموغرافية، التي تصف هندسة وحركية الكون دون افتراض نظرية محددة للجاذبية. لقد فحصوا المعلمات التي تصف التسارع، ومعدل تغير ذلك التسارع، وحتى التغيرات من الرتب العليا. وفي كل حالة، أظهر النموذج المعدل بمعلمة غير قياسية بصمة متميزة تفصله عن النموذج القياسي. نجح النموذج في اجتياز كل هذه الاختبارات، مما أثبت أنه بديل قابل للتطبيق ويمكنه الصمود أمام الفحوصات الصارمة المطبقة على النظريات الكونية. وأشار المؤلفون إلى أنه رغم كون عملهم نظرياً، إلا أنه يوفر مساراً واضحاً للمراقبة المستقبلية؛ فمن خلال عد عدد العناقيد المجرية في نطاقات كتلة مختلفة وعلى مسافات مختلفة، يمكن لعلماء الفلك تأكيد أو استبعاد هذا التعديل المدفوع بالإنتروبيا.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد معادلة جديدة لتوسع الكون. فهي تقدم حلاً محتملاً لبعض التوترات الأكثر استمراراً في علم الكونيات الحديث، مثل الخلاف حول معدل توسع الكون ودرجة "التكتل" في الكون. فمن خلال تعديل كيفية تناسب الإنتروبيا، يمكن للنموذج بطبيعة الحال إنتاج كون يتوسع وينظم نفسه بطريقة قد تحل هذه النزاعات. ويؤكد الباحثون أن نموذجهم لا يتطلب إدخال سوائل أو جسيمات غريبة جديدة لتفسير سلوك الكون، بل يقوم بتعديل القواعد الأساسية لكيفية تفاعل الجاذبية والديناميكا الحرارية. يشير هذا النهج إلى أن السلوك الغريب للكون قد لا يكون بسبب مكونات مفقودة، بل بسبب سوء فهم للمبادئ الديناميكية الحرارية الأساسية التي تحكم الكون.

في الختام، تقدم هذه الدراسة رؤية مقنعة لكون تشكل فيه قواعد الحرارة والاضطراب مصير المجرات. إنها تتحدى الافتراض القائل بأن النموذج القياسي هو الوصف الوحيد الممكن لتاريخنا الكوني. ومن خلال إظهار أن تغييراً بسيطاً في كيفية حساب إنتروبيا الكون يؤدي إلى تاريخ كوني مختلف ولكنه متسق، فتح الباحثون باباً جديداً. الخطوة التالية ستكون مواجهة هذه التنبؤات النظرية ببيانات حقيقية من المسوحات السماوية القادمة التي سترسم خريطة لتوزيع العناقيد المجرية بدقة غير مسبوقة. وإذا كان الكون محكوماً حقاً بهذه الإنتروبيا غير الممتدة، فإن أعداد العناقيد المجرية الضخمة ستحكي قصة مختلفة ببراعة عن تلك التي كنا نرويها لعقود، لتكشف عن كون أكثر ترابطاً وتعقيداً مما تخيلناه سابقاً.