Oscillatory dark energy with phantom crossings in Einstein-Gauss-Bonnet gravity

إن الكون يتمدد، وليس مجرد ابتعاد بطيء، بل يتسارع بمعدل متزايد باستمرار. لعقود من الزمن، عرف علماء الفلك أن المادة العادية — النجوم والكواكب والغازات التي نراها — لا تشكل سوى جزء ضئيل من الكون؛ فالباقي عبارة عن مادة غامضة تسمى الطاقة المظلمة، والتي تدفع المجرات بعيدًا عن بعضها البعض. لفترة طويلة، كان التفسير الأبسط هو أن هذه الطاقة هي قوة ثابتة وغير متغيرة مدمجة في نسيج الفضاء نفسه. ومع ذلك، بدأت القياسات الحديثة والدقيقة للغاية لبنية الكون تلمح إلى أن هذه الطاقة قد لا تكون ساكنة تمامًا؛ بل قد تكون متطورة، وتغير سلوكها بمرور الوقت، وربما تنتقل حتى بين حالات مختلفة من الضغط.

هذا السلوك المتغير هو أين يدخل مفهوم "الطاقة الشبحية" (phantom energy) في الصورة. في لغة علم الكونيات، عادة ما يكون للطاقة المظلمة قيمة محددة تصف كيفية دفعها أو جذبها. وإذا انخفضت هذه القيمة عن عتبة معينة، تصبح الطاقة "شبحية"، وهي حالة شديدة العدوانية لدرجة أنها ستؤدي في النهاية إلى تمزيق الكون في نهاية كارثية. وبينما تشير بعض البيانات إلى أن الكون ربما تقارب لفترة وجيزة من هذه الحالة الشبحية في الماضي القريب، قبل أن يعود إلى حالة أكثر هدوءًا، فإن مثل هذا الانتقال يصعب تفسيره بالفيزياء القياسية؛ إذ غالبًا ما يتطلب نظريات تكسر القواعد الأساسية للاستقرار، مما يؤدي إلى فوضى رياضية. وقد اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لنمذجة هذا السلوك تتجنب هذه العثرات، مشيرين إلى أن تمدد الكون يمكن أن يكون مدفوعًا بمجال يتذبذب، أو يهتز، بينما يستقر في مكانه.

عمل الباحثون، ضمن إطار يوسع نظرية أينشتاين للجاذبية، بهدف معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء نموذج تعبر فيه الطاقة المظلمة بشكل طبيعي حدود الحالة الشبحية دون التسبب في انهيار الكون إلى حالة عدم استقرار. وقد ركزوا على نوع محدد من نظريات الجاذبية يتضمن حدًا هندسيًا إضافيًا، يُعرف باسم "ثابت غاوس-بونيه" (Gauss-Bonnet invariant)، والذي يرتبط بمجال قياسي (scalar field) — وهو نوع من مجالات الطاقة التي تتخلل الفضاء. ولإنجاح الحسابات الرياضية، صمموا مشهد طاقة كامنة يشبه واديًا ضحلًا ذو أرضية مسطحة. تخيل كرة تتدحرج من منحدر إلى وادٍ؛ في هذا النموذج، تتدحرج الكرة نحو القاع، ولكن نظرًا لأن شكل الوادي مصمم بطريقة معينة، فإنها لا تتوقف فحسب، بل تكتسب زخمًا كافيًا للتدحرج نحو الجانب الآخر، لتتدحرج عائدة مرة أخرى، مما يخلق حركة ذهاب وإياب.

في عمليات المحاكاة التي أجروها، وجد العلماء أنه عندما يتذبذب هذا المجال حول قاع وادي طاقته الكامنة، فإنه يخلق تغيرًا إيقاعيًا في ضغط الطاقة المظلمة. ومن الأهمية بمكان أنهم أدخلوا نوعًا محددًا من الاتصال بين المجال وهندسة الفضاء، وهو اتصال يكون نشطًا فقط عندما يكون المجال قريبًا من قاع الوادي. يعمل هذا الاتصال كمضخم مؤقت؛ فبينما يهتز المجال، يدفع هذا الاقتران الضغط الفعلي للطاقة المظلمة إلى الهبوط تحت العتبة الشبحية، مما يجعله يعبر هذا الحد عدة مرات. نجح النموذج في إعادة إنتاج نوع السلوك التذبذبي الذي تشير إليه البيانات الفلكية الأخيرة، حيث يبدو أن الكون كان في حالة شبيهة بالحالة الشبحية عند مستويات "الإزاحة الحمراء" العالية (أي في زمن أبعد)، قبل أن ينتقل إلى حالة أكثر هدوءًا في الماضي القريب.

ومع ذلك، فقد توخى الباحثون الحذر للتأكد مما إذا كان هذا التذبذب يأتي على حساب استقرار النموذج. ففي العديد من النماذج النظرية، يؤدي عبور الحد الشبحِي إلى عدم استقرار "الأشباح" (ghost instabilities)، حيث تصبح الطاقة غير محدودة ويصبح الكون غير منطقي فيزيائيًا، أو عدم استقرار "التدرج" (gradient instabilities)، حيث تنمو التموجات الصغيرة في الفضاء بشكل أسي وتدمر بنية الكون. واكتشف الفريق أنه بينما يمكن للاقترانات القوية أن تسبب بالفعل هذه عدم الاستقرارات القاتلة، إلا أن هناك منطقة ضيقة ومحددة من معاملات النموذج تظل فيها التذبذبات سليمة. في هذه المنطقة الآمنة، يعبر المجال الحد الشبحِي، لكن سرعات الصوت للتموجات في الكون تظل موجبة، وتظل الطاقة محدودة. وهذا يعني أن النموذج يمكنه وصف كون يتأرجح بين معدلات تمدد مختلفة دون أن يمزق نفسه.

تخلص الدراسة إلى أن هذا السيناريو التذبذبي يعد مرشحًا صالحًا لتفسير الإشارات الأخيرة حول تطور الطاقة المظلمة. ويتنبأ النموذج بأن الكون سيتوقف في النهاية عن التذبذب مع فقدان المجال لطاقته والاستقرار في حالة تمدد ثابتة ومستقرة تُعرف باسم مرحلة "دي سيتر" (de Sitter phase). يوفر هذا صورة متسقة حيث يمر الكون بفترة انتقالية من السلوك المعقد والمتذبذب قبل أن يتجه نحو مستقبل هادئ ومستقر. وبينما يتوافق النموذج مع المتطلبات النظرية ويتماشى مع الخطوط العريضة للملاحظات الأخيرة، أشار المؤلفون إلى أن القيم المحددة المطلوبة ليبقى النموذج مستقرًا دقيقة للغاية. وسيتعين على الملاحظات المستقبلية تحديد ما إذا كان الكون الحقيقي يتبع هذا المسار المحدد أم أن السلوك التذبذبي هو مجرد إمكانية رياضية لا يستخدمها الواقع الطبيعي. أما الآن، فإن هذا العمل يقدم آلية ملموسة ومستقرة لكيفية عبور الطاقة المظلمة للحد الشبحِي، محولًا إياها من مجرد فضول نظري إلى قصة فيزيائية معقولة للتطور الكوني.