The road to $H_0$, $\Omega_m$, and $w$ with a global neutrino-telescope network

يتوسع الكون، لكن علماء الفلك لا يتفقون على مدى سرعة هذا التوسع. تشير إحدى الطرق، من خلال النظر في الوهج المتبقي من الانفجار العظيم، إلى سرعة محددة. بينما تشير طريقة أخرى، تعتمد على قياس المسافات إلى النجوم المنفجرة القريبة، إلى سرعة أكبر. هذا الخلاف، المعروف باسم "توتر هابل"، يعد أحد أكثر الألغاز إلحاحاً في علم الكونيات الحديث. ولحل هذه المعضلة، يحتاج العلماء إلى طريقة جديدة تماماً لقياس المسافات الكونية، تعتمد على افتراضات مختلفة وتتجنب الأخطاء المحتملة في الطرق الحالية. ولعقود من الزمن، كانت النيوترينوهات عالية الطاقة — وهي جسيمات شبحية تمر عبر الكون دون أن تتأثر تقريباً بالمادة — تمثل إمكانية مغرية لأداة كهذه، لكنها كانت باهتة ونادرة جداً بحيث لا توفر إجابة واضحة.

تقترح دراسة جديدة طريقة لتحويل هذه الجسيمات المراوغة إلى مسطرة كونية دقيقة. فمن خلال الجمع بين البيانات من شبكة عالمية من كواشف النيوترينو والملاحظات الخاصة بالأشعة السينية من المجرات النشطة، رسم الباحثون مساراً لقياس معدل توسع الكون بدقة أكبر بكثير من أي وقت مضى. ويشير العمل إلى أنه بحلول عام 2030، يمكن لجهد منسق بين التلسكوبات في القطب الشمالي والمتوسط والقارة القطبية الجنوبية أن يحدد معدل التوسع ضمن نسبة مئوية قليلة. وهذا النهج ليس مجرد رقم، بل يقدم منظوراً جديداً للقوى غير المرئية التي تشكل الكون، مما قد يكشف عن تفاصيل جديدة حول كثافة المادة وطبيعة الطاقة المظلمة.

يكمن المفتاح لهذا الأسلوب الجديد في علاقة مفاجئة بين نوعين مختلفين جداً من الضوء. فالمجرات النشطة، وتحديداً نوع يسمى مجرات "سيفرت"، تستمد طاقتها من ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكزها. وبينما تلتف الغازات داخل هذه الثقوب السوداء، فإنها تسخن وتصدر أشعة سينية. وفي الوقت نفسه، تقوم البيئة العنيفة بتسريع الجسيمات لتوليد نيوترينوهات عالية الطاقة. وقد كشفت الملاحظات الأخيرة عن نمط ثابت: فكلما كانت المجرة أكثر سطوعاً في الأشعة السينية، زاد إنتاجها من النيوترينوهات. تعمل هذه العلاقة بمثابة "شمعة قياسية"؛ فإذا عرف العلماء مقدار الضوء السيني الذي يجب أن تصدره المجرة بناءً على ناتج النيوترينو الخاص بها، يمكنهم مقارنة هذا السطوع المتوقع بما يتم رصده فعلياً. وبما أن الضوء والنيوترينوهات يسافران بنفس السرعة ولا تخفت شدتهما بسبب الغبار المتدخل عبر هذه المسافات الشاسعة، فإن أي اختلاف في السطوع يخبرهم بالضبط مدى بعد تلك المجرة.

حتى الآن، كان هذا الأسلوب محدوداً بعدد المجرات التي يمكننا رؤيتها ودقة أدواتنا. تأخذ الدراسة الحالية أول قياس ناجح لهذه التقنية وتتوقع كيف ستتحسن خلال السنوات القليية القادمة. بدأ الباحثون بالبيانات من "آيس كيوب" (IceCube)، وهو كاشف نيوترينو ضخم مدفون في جليد القارة القطبية الجنوبية. ودمجوا ذلك مع تحليل جديد لمجرات السماء الجنوبية، والتي كان من الصعب رصدها سابقاً لأنها تظهر تحت الأفق بالنسبة لكاشف القطب الجنوبي. ومن خلال إضافة بيانات من كاشفين رئيسيين آخرين، وهما "KM3NeT" في البحر الأبيض المتوسط و"Baikal-GVD" في بحيرة بايكال، أنشأ الفريق شبكة عالمية يمكنها رؤية السماء بأكملها.

نتائج هذه الشبكة العالمية مذهلة. فالقياس الحالي لمعدل توسع الكون، والمعروف بثابت هابل، يعاني من هامش خطأ كبير ويتراوح على نطاق واسع. يقوم التحليل الجديد، باستخدام البيانات الموجودة، بتنقيح هذا القياس بقيمة مركزية قدرها 66. وبالنظر إلى المستقبل في عام 2030، عندما تكون الكواشف الجديدة تعمل بكامل طاقتها ويتم جمع المزيد من البيانات، من المتوقع أن يتقلص عدم اليقين بشكل كبير. تشير التوقعات إلى أن القياس سيصبح أكثر إحكاماً، مع قيمة مركزية قدرها 66، مما يمثل تقليلاً في عدم اليقين بنسبة تقارب الثلثين، مما يضع القياس القائم على النيوترينو في بؤرة تركيز أكثر حدة.

إلى جانب معدل التوسع، توضح الدراسة أيضاً العلاقة بين انبعاثات الأشعة السينية والنيوترينو. تشير البيانات إلى وجود ميل رياضي محدد يصف كيفية تناسب النوعين من الضوء مع بعضهما البعض. تشير البيانات الحالية إلى أن هذا الميل يبلغ حوالي 0.72، مما يعني أن ناتج النيوترينو ينمو ببطء أكثر من ناتج الأشعة السينية. وبحلول عام 2030، يتوقع الباحثون أن يكون بمقدورهم قياس هذا الميل بدقة تجعلهم قادرين على استبعاد النموذج "الكلوريمتري" (الحراري) الأبسط الذي ينمو فيه الاثنان بنفس المعدل بشكل قاطع. إن تأكيد هذا الميل المحدد أمر بالغ الأهمية لأنه يثبت النموذج الفيزيائي المستخدم لتحويل تعداد النيوترينو إلى قياسات للمسافة.

إن قوة هذه الشبكة تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد قياس مدى سرعة توسع الكون اليوم. يقترح الباحثون أنه إذا ظلت هذه العلاقة صحيحة لمجموعة من المجرات البعيدة جداً ذات الإزاحة الحمراء العالية — وتحديداً فئة من الأجسام المدمجة والحمراء التي اكتشفها تلسكوب جيمس ويب الفضائي مؤخراً — فيمكن استخدام هذه النيوترينوهات لسبر تاريخ توسع الكون. ومن خلال تمديد "سلم المسافات" إلى هذه المصادر البعيدة، يمكن لشبكة النيوترينو توفير قياسات مستقلة لكثافة المادة وخصائص الطاقة المظلمة، وهي القوة الغامضة التي تدفع التوسع المتسارع. وبينما يعتمد هذا التطبيق المستقبلي على افتراض أن هذه الأجسام البعيدة تتبع نفس قواعد المجرات القريبة، فإن القدرة على اختبار هذه المعايات الكونية الأساسية باستخدام نوع جديد من الرسائل الكونية تعد خطوة كبيرة للأمام.

يتطلب تحقيق هذه النتائج تعاوناً وثيقاً بين مجتمعي النيوترينو والأشعة السينية. إذ تعتمد دقة قياسات المسافة بشكل كبير على معرفة السطوع الدقيق للأشعة السينية لعدد قليل من المجرات "المرجعية". إن تحسين النماذج التي تفسر كيفية امتصاص الغاز للأشعة السينية في هذه المجرات، وتخصيص المزيد من وقت التلسكوبات لمراقبتها، سيكون بنفس أهمية بناء كواشف نيوترينو أفضل. إن الطريق نحو فهم أوضح لتوسع الكون لا يقتصر فقط على التقاط المزيد من الجسيمات، بل يتعلق بتنقية سلسلة الملاحظة بأكملها، بدءاً من امتصاص الضوء في المجرات البعيدة وصولاً إلى اكتشاف الجسيمات الشبحية على الأرض. ومع دخول الشبكة العالمية حيز التشغيل في العقد القادم، فإنها تعد بتحويل النيوترينوهات من مجرد ظواهر نادرة إلى أداة قوية ومستقلة لرسم خرائط الكون.