Regular Cosmologies: Three Distinct Routes
تتقصى هذه الورقة ثلاثة وصفات متميزة لتوسيع مقاييس الثقوب السوداء المنتظمة لتشمل علم الكونيات، وتجد أنه في حين تنجح جميع النماذج في استبدال التفرد الأولي بمرحلة دي سيتر وتجنب سلوك الطاقة الوهمية، إلا أنها تتباعد في الأوقات المتأخرة ولا يمكنها تفسير كل من التضخم والطاقة المظلمة في آن واحد باستخدام طول تنظيم واحد.
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
بدأ الكون في حالة من الكثافة والحرارة التي لا يمكن تصورها، وهي لحظة تنهار فيها قوانين الفيزياء المعروفة ويبدو أن الزمكان نفسه يتمزق. لعقود من الزمن، ظل علماء الفيزياء مسكونين بهذه "التفردية" (singularity)، وهي نقطة ذات كثافة لانهائية تمثل بداية الزمن في نموذج الانفجار العظيم القياسي. ومثلما يُتوقع لنجم منهار أن يسحق نفسه في نقطة مماثلة من الكثافة اللانهائية في مركز ثقب أسود، يُتوقع أن الكون المبكر قد بدأ من واحدة أيضاً. ولإصلاح هذا، استكشف العديد من الباحثين فكرة الثقوب السوداء "المنتظمة" (regular black holes). هذه الأجسام النظرية هي التي يتم فيها استبدال المركز الساحق بنواة محدودة وسلسة، تشبه كرة كثيفة من الطاقة بدلاً من كونها نقطة رياضية من العدم. تتصرف هذه النواة كقطعة من الفضاء تدفع نحو الخارج، وهي حالة تُعرف باسم فضاء "دي سيتر" (de Sitter space)، والتي تمنع الانهيار من أن يصبح لانهائياً حقاً.
إن السؤال الذي يحرك هذا البحث الجديد هو ما إذا كانت نفس الحيلة المستخدمة لإنقاذ مركز الثقب الأسود يمكن أن تنقذ أيضاً بداية الكون. إذا كان الكون المبكر بالفعل في حالة منتظمة وغير متفردة، فكيف سيكون تاريخه؟ هل سيظل يتمدد ويبرد بالطريقة التي نلاحظها اليوم، أم أن القواعد ستتغير؟ وضع فريق من البحثين اختباراً لهذه الفكرة عبر أخذ ستة نماذج رياضية مختلفة لهذه الثقובات السوداء المنتظمة وطرح سؤال بسيط: إذا عاملنا الكون بأكمله كما لو كان مكوناً من "مادة" داخل إحدى هذه النوى، فكيف سيتطور؟ لم يكتفوا بالنظر في الرياضيات فح Bul، بل اتبعوا ثلاث طرق متميزة لترجمة الهندسة الساكنة للثقب الأسود إلى قصة كون متمدد، مما يعني فعلياً تشغيل الكون للأمام في الزمن لمعرفة ما إذا كان يطابق ما نراه بالفعل في السماء.
وجد الباحثون أنه عندما طبقوا الترجمة الأكثر مباشرة لهذه النماذج، فإن الكون يتصرف بطريقة محددة للغاية. يبدأ في مرحلة من التوسع السريع والسلس، مدفوعاً بالكامل بالطاقة المحدودة للنواة. يبدو هذا تماماً مثل فترة "التضخم" (inflation) التي يعتقد علماء الكونيات أنها حدثت في أجزاء من الثانية بعد الانفجار العظيم، وهي الفترة التي نما فيها الكون بشكل أسي سريع. ومع ذلك، بينما يتمدد الكون، تتلاشى هذه القوة الدافعة، ويتباطأ الكون، ليستقر في النهاية في حالة يهيمن عليها مادة تشبه الغبار. والأهم من ذلك، أن هذا النموذج لا ينتج التسارع المتأخر الذي نراه اليوم، حيث يتسارع توسع الكون مرة أخرى بسبب "الطاقة المظلمة". بدلاً من ذلك، يشير النموذج إلى أن النواة المنتظمة هي حدث لمرة واحدة: فهي توفر الدفعة الأولية للتضخم ولكنها تختفي بعد ذلك، تاركة الكون يترحل بسلام. وقد أظهر الباحثون أنه بالنسبة لخمسة من النماذجة الستة التي اختبروها، فإن مرحلة التضخم المبكرة هذه نظيفة رياضياً وخالية من التفردات، مما يعني أن الكون كان يمكن أن يوجد إلى الأبد في الماضي دون أن يصطدم أبداً بنقطة ذات كثافة لانهائية، رغم أنه سيظل هناك حد لكيفية تتبع شعاع ضوئي إلى الوراء.
كما تناولت الدراسة لغزاً كبيراً في علم الكونيات الحديث: فقد لمحت الملاحظات الأخيرة من أداة طيف الطاقة المظلمة (DESI) إلى أن "الطاقة المظلمة" التي تقود التسارع الحالي قد تكون متغيرة بمرور الوقت، وربما تعبر عتبة حرجة حيث يتسارع توسع الكون بشكل أسرع مما يسمح به ثابت بسيط. أثبت الباحثون أن النوى المنتظمة والسلسة التي كانوا يدرسونها لا يمكنها القيام بذلك. ولأن كثافة هذه النوى تتناقص ببساطة مع نمو الكون، فإنها لا يمكن أبداً أن تعبر تلك العتبة. للحصول على السلوك الذي تشير إليه البيانات الجديدة، سيحتاج الكون إلى "غلاف" من الطاقة — وهو عبارة عن انتفاخ في ملف الكثافة يرتفع ثم ينخفض — وهو ما لا تمتلكه النواة المنتظمة القياسية. وهذا يعني أنه إذا كانت البيانات الجديدة صحيحة، فإن الطاقة المظلمة التي نراها اليوم لا يمكن أن تأتي من نفس الآلية المنتظمة والسلسة التي قد تكون أصلحت الانفجار العظيم.
عندما جرب الفريق طريقتين أخريين لربط نماذج الثقوب السوداء بالكون المتمدد، كانت النتائج مختلفة قليلاً ولكنها تحكي قصة متسقة. تعاملت هذه الطرق البديلة مع طاقة النواة كـ "فراغ جارٍ" (running vacuum)، وهو نوع من الطاقة يتغير قوته مع نمو الكون. في هذه السيناريوهات، يمكن للنماذج أن تنتج شكلاً من أشكال الطاقة المظلمة يتناسب مع البيانات الحالية بشكل معقول، ويطابق معدل التسارع المرصود. ومع ذلك، حتى مع هذه التعديلات، لم تستطع النماذج تجاوز العتبة الحرجة نحو نظام "الفانتوم" (phantom regime) الذي تشير إليه القياسات الأخيرة. وجد الباحثون أنه بينما اتفقت الطرق المختلفة في مرحلة التضخم المبكرة، إلا أنها اختلفت في تفاصيل التوسع المتأخر. هذا الاختلاف مهم لأنه يوضح أن توقعاتنا لمستقبل الكون تعتمد بشكل كبير على كيفية اختيارنا لترجمة هندسة الثقب الأسود إلى لغة علم الكونيات.
في النهاية، ترسم الورقة صورة لكون منتظم وآمن من الكثافات اللانهائية في الماضي، ولكنه يتطلب نوعاً معيناً من البنية لتفسير الحاضر. تعمل النوى المنتظمة والسلسة كمحرك مثالي للبداية، حيث توفر بداية نظيفة للكون، لكنها بسيطة للغاية لتفسير الطبيعة المعقدة والمتغيرة للطاقة المظلمة التي نراها اليوم. إذا كان الكون يتصرف بالفعل بالطريقة التي تشير إليها أحدث البيانات، فهذا يعني أن الطاقة المظلمة التي تملأ الفضاء ليست فراغاً بسيطاً وسلساً، بل هي شيء أكثر تعقيداً، ربما يحتوي على غلاف من الطاقة لا يمتلكه الثقب الأسود المنتظم القياسي. العمل لا يحل لغز الطاقة المظلمة، لكنه يرسم خطاً فاصلاً في الرمال: الحلول المنتظمة والسلسة التي تعالج مشكلة الانفجار العظيم لا يمكن أن تكون هي نفسها التي تقود التسارع الحالي للكون.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.