Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

إن انتقال الضوء عبر الفراغ الشاسع للفضاء ليس مجرد شعاع مستقيم؛ بل يحمل توجهاً خفياً، استقطاباً يشير إلى اتجاه محدد. تخيل هذا الضوء كموجة تهتز في مستوى واحد، مثل حبل يتم هزه للأعلى وللأسفل. لعقود من الزمن، درس علماء الفلك أقدم ضوء في الكون، وهو الخلفية الإشعاعية للكون الميكروي، وهي وهج خافت من اللحظة التي أصبح فيها الكون شفافاً. عندما يصل هذا الضوء القديم إلينا، يمكن لمستوى استقطابه أن يدور بفعل مجالات غير مرئية تتخلل الكون. هذا الدوران، المعروف باسم "الاستقطاب الكوني ثنائي الانكسار" (cosmic birefringence)، يعمل مثل إبرة بوصلة كونية تم تدويرها ببطء بفعل تاريخ الكون. وقد رصدت قياسات حديثة من تلسكوبات قوية التواءً صغيراً ولكن ذا دلالة في هذا الضوء، مما يشير إلى أن شيئاً غير مرئي يتفاعل مع الفوتونات أثناء سفرها عبر مليارات السنين. والسؤال الذي يحرك الأبحاث الحالية هو ما قد تكون هذه القوة الخفية. هل هي شكل من أشكال الطاقة المظلمة التي تدفع الكون للتباعد، أم ربما نوع من المادة المظلمة التي تتكتل معاً؟ أم يمكن أن يكون شيئاً مختلفاً تماماً، أثراً من زمن ما قبل أن يستقر الكون في إيقاعه الحالي؟

لقد اقترح فريق من الباحثين من جامعة تورينو والمعهد الوطني الإيطالي للفيزياء النووية إجابة جديدة لهذا اللغز. فهم يقترحون أن دوران الضوء المرصود ناتج عن نوع محدد من المجال الخفي الذي يسلك سلوكاً مختلفاً عن المادة المظلمة والطاقة المظلمة التي نناقشها عادة. يوصف هذا المجال بأنه "صلب" (stiff)، مما يعني أنه يمارس نوعاً فريداً من الضغط الذي يجعل كثافة طاقته تتغير بسرعة مع توسع الكون. في الكون المبكر جداً، كان هذا المجال الصلب سيسيطر على كل شيء، مدفوعاً بمرحلة من التوسع السريع تُعرف باسم "الكيناتيشن" (kination)، قبل أن يتلاشى ليصبح مكوناً ثانوياً في الكون اليوم. وقد حسب الباحثون أنه إذا وجد هذا المجال، فإنه سيتفاعل مع الضوء بطريقة تطابق تماماً زاوية الدوران التي رصدتها التجارب الحديثة، وتحديداً بيانات قمر "بلانك" الصناعي وتلسكوب "أتاكاما" الكوني.

تكمن روعة هذا النموذج في قابليته للاختبار وقدرته على استبعاد الاحتمالات الأخرى. فقد وجد الباحثون أنه لكي يتمكن هذا المجال الصلب من تفسير دوران الضوء المرصود دون كسر قوانين الفيزياء كما نعرفها، يجب أن يقع تفاعله مع الضوء ضمن نطاق ضيق للغاية. فإذا كان التفاعل ضعيفاً جداً، فلن يدور الضوء بما يكفي لمطابقة البيانات. وإذا كان قوياً جداً، فإنه كان سيؤدي إلى تعطيل تكوين النوى الذرية الأولى في الكون المبكر، وهي عملية تُعرف باسم "تخليق العناصر في الانفجار العظيم" (Big Bang Nucleosynthesis)، والتي يمكننا ملاحظتها اليوم من خلال وفرة عناصر مثل الهيليوم. ومن خلال موازنة هذه القيود، حدد الفريق نافذة محددة لقوة هذا التفاعل، تتراوح تقريباً بين 8.9 و50 مضروبة في عشرة مرفوعة للقوة سالب ثلاثة (10^-13) من الجيجا إلكترون فولت العكسي. يوفر هذا النطاق الضيق هدفاً واضحاً للتجارب المستقبلية التي تبحث عن الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات (axion-like particles)، وهي جسيمات فرضية يمكن أن تشكل هذا المجال.

علاوة على ذلك، يقدم هذا النموذج تنبؤاً مميزاً يفصله عن النظريات الأخرى. فبينما تقترح بعض التفسيرات أن تأثير الدوران سيكون متشابهاً في أزمنة مختلفة من تاريخ الكون، يتنبأ نموذج المجال الصلب هذا بأن زاوية الدوران للضوء المنبعث خلال عصر "إعادة التأين" (epoch of reionization) — عندما اشتعلت النجوم الأولى — ستكون أصغر بكثير من الدوران المشاهد في أقدم الضوء. وإذا أكدت الملاحظات المستقبلية أن زاوية الدوران تنخفض عند هذه الأوقات الأبكر، فإن ذلك سيعزز بقوة تفسير المجال الصلب على التفسيرات المتعلقة بالطاقة المظلمة. كما استكشف الباحثون العواقب الجاذبية لهذا السيناريو، حيث وجدوا أن الانتقال من عصر المجال الصلب المبكر إلى عصر الإشعاع القياسي سيولد تموجات في الزمكان، تُعرف بالموجات الثقالية. واعتماداً على المدة الدقيقة لهذه المرحلة المبكرة، يمكن رصد هذه الموجات بواسطة مراصد مستقبلية، مما يوفر طريقة ثانية ومستقلة لتأكيد النظرية.

ومع ذلك، فإن الدراسة تثير أيضاً الشكوك حول فكرة شائعة تتعلق بالرصد الأخير لخلفية موجات ثقالية بواسطة مصفوفات توقيت النبضات (pulsar timing arrays). فقد اقترح بعض العلماء أن هذه التموجات منخفضة التردد قد تكون ناتجة عن نفس نوع فيزياء الكون المبكر التي تخلق دوران الضوء. وقد اختبر مؤلفو الورقة هذه الفكرة ووجدوا أنها غير مرجحة؛ حيث أظهروا أنه إذا كانت الموجات الثقالية قوية بما يكفي لتفسير بيانات النبضات، فإن كثافة الطاقة المرتبطة بها ستكون عالية جداً، مما ينتهك الحدود المفروضة على عدد أنواع النيوترينو في الكون. بعبارة أخرى، لا يمكن للكون أن يستوعب كلاً من دوران الضوء المرصود وإشارة الموجات الثقالية للنبضات إذا كان كلاهما ناتجاً عن هذا النوع المحدد من هيمنة المجال الصلب المبكر. وهذا يقصي فعلياً أي تفسير موحد لكلتا الظاهرتين تحت هذا النموذج المحدد.

يختتم العمل برسم صورة لكون مرّ بفترة قصيرة ومكثفة من هيمنة المجال الصلب قبل أن يستقر في عصور الإشعاع والمادة التي نعرفها. لقد ترك هذا العصر العابر بصمة دقيقة على استقطاب الضوء القديم، وربما همهمة خافتة من الموجات الثالية. لم يثبت الباحثون وجود هذا المجال الصلب، لكنهم رسموا بدقة مكان البحث عنه. لقد حددوا القوة الدقيقة لتفاعله مع الضوء وتنبأوا بكيفية تغير توقيعه عبر العصور الكونية المختلفة. ومع دخول تلسكوبات جديدة الخدمة واستمرار الأبحلة الفيزيائية الفلكية عن الجسيمات الشبيهة بالأكسيونات، سيتم اختبار هذا النطاق الضيق من الاحتمالات. فإذا وقعت قوة التفاعل ضمن النطاق المتوقع وسلكت زاوية الدوران السلوك المتوقع، فإن ذلك سيكشف عن فصل جديد في تاريخ الكون، فصلٌ حكم فيه مجال صلب وخفي الكون ذات يوم قبل أن يتلاشى في خلفية القطاع المظلم.