The Redshift-Space Cluster-Galaxy Cross-Correlation as a Probe of Gravity on Cosmic Scales
تقدم هذه الورقة توقعاً لمصفوفة فيشر يوضح أن مسح المجرات الساطعة التابع لأداة طيف ميكانيكا الطاقة المظلمة (DESI) يمكنه تقييد الانحرافات عن النسبية العامة بدقة عند من خلال تحليل دالة الارتباط المتبادل بين العناقيد والمجرات في فضاء الانزياح نحو الأحمر، وهي قدرة كافية للتمييز بين نماذج الجاذبية المعدلة مثل وGalileon والنسبية العامة عند مستوى .
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
على مدى عقود، ظل اللغز الأكثر إلحاحاً في علم الكونيات هو التوسع المتسارع للكون. يعلم العلماء أن الكون يتمدد بشكل أسرع فأسرر، لكنهم يختلفون حول السبب. أحد الاحتمالات هو أن الكون مليء بطاقة طاردة غامضة تدفع الفضاء بعيداً عن بعضه البعض. والاحتمال الآخر هو أن فهمنا للجاذبية نفسها غير مكتمل. لقد اجتازت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين كل اختبار وُضع في طريقها، من حركة الكواكب إلى تصادم الثقوب السوداء، ولكنها قد تفشل في المقاييس الشاسعة للكون. إذا كانت الجاذبية تسلك سلوكاً مختلفاً على هذه المقاييس الضخمة، فإن ذلك سيعيد كتابة قوانين الفيزياء. ولإيجاد الإجابة، يحتاج الباحثون إلى مراقبة الجاذبية وهي تعمل، وتحديداً كيف تجذب المادة معاً لتشكيل الهياكل الضخمة التي تنقط الكون.
الكون ليس فراغاً أملساً وخاوياً؛ بل هو شبكة من الخيوط والتكتلات. وعند تقاطعات هذه الشبكة تقع العناقيد المجرية، وهي أكثر الهياكل ضخامة في الوجود، حيث تحتوي على مئات أو آلاف المجرات المرتبطة ببعضها البعض بفعل الجاذبية. ومع سقوط المجرات نحو هذه العناقيد الضخمة، فإنها تزداد سرعة، مما يخلق تدفقاً للمادة يُعرف باسم "التدفق نحو الداخل" (infall). في نظرية الجاذبية القياسية، يتم تحديد سرعة هذا التدفق بدقة بناءً على كتلة العنقود. ومع ذلك، إذا كانت الجاذبية أقوى مما توقعه أينشتاين في بيئات معينة، فإن هذه المجرات ستسقط بسرعة أكبر. ومن خلال قياس مدى سرعة سقوط المجرات نحو العناقيد، يمكن لعلماء الفلك اختبار ما إذا كانت الجاذبية تتصرف تماماً كما هو متوقع، أم أنها تظهر علامات على وجود "قوة خامسة" تعدل قواعد اللعبة.
استخدم فريق من الباحثين الآن محاكاة حاسوبية قوية للتنبؤ بمدى قدرة مسح تلسكوبي جديد وضخم على إجراء هذا الاختبار. تركز الدراسة على أداة طيف الطاقة المظلمة (DESI)، والتي تقوم حالياً برسم خرائط لمواقع وسرعات ملايين المجرات. بنى الباحثون كوناً افتراضياً مفصلاً باستخدام محاكاة "AbacusSummit"، وهي مجموعة من النماذج الحاسوبية الفائقة التي تتبع حركة المادة المظلمة والمجرات. قاموا بملء هذا العالم الافتراضي بمجرات وعناقيد وهمية، محاكيين الأنواع المحددة من الأجرام التي ستلاحظها أداة DESI. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت البيانات من DESI ستكون دقيقة بما يكفي لاكتشاف حتى الانحرافات الطفيفة في سرعة المجرات المتدفقة نحو الداخل، وهو ما سيشير إلى انهيار النسبية العامة.
ركز الباحثون على طريقة محددة للنظر في البيانات: الارتباط المتبادل في فضاء الإزاحة الحمراء بين المجرات والعناقيد. في علم الفلك، "الإزاحة الحمراء" هي مقياس لسرعة ابتعاد جسم ما عنا بسبب توسع الكون، ولكنها تتأثر أيضاً بحركة الجسم نفسه عبر الفضاء. عندما تسقط المجرات نحو عنقود ما، فإن حركتها تشوه الشكل الظاهري للعنقود في البيانات، مما يؤدي إلى تمدده أو انضغاطه اعتماداً على اتجاه التدفق. هذا التشوه هو بصمة مباشرة لقوة الجاذبية العاملة. قام الفريق بمحاكاة هذا التأثير، حيث أنشأوا خريطة افتراضية لكيفية ترتيب المجرات والعناقد وكيف تؤدي حركاتها إلى تشويه ذلك الترتيب. ثم اختبروا مدى حساسية هذه الخريطة للتغيرات في قوة الجاذبية، والتي تم تمثيلها بعامل واحد يمكنه تسريع أو إبطاء عملية التدفق نحو الداخل.
النتائج المتوقعة واعدة. تشير الدراسة إلى أن مسح DESI سيكون قادراً على قياس قوة الجاذبية في مناطق التدفق نحو الداخل هذه بدقة تبلغ حوالي 3.3 في المئة. ويمثل هذا المستوى من الدقة قفزة نوعية للأمام مقارنة بالمحاولات السابقة باستخدام المسوحات القديمة، التي كانت محدودة بالضجيج الإحصائي ولم تستطع استبعاد العديد من نظريات الجاذبية البديلة. ومع هذه الدقة الجديدة، وجد الباحثون أن DESI يمكنه التمييز بين النسبية العامة القياسية والعديد من نظريات الجاذبية المعدلة الشائعة، مثل جاذبية f(R) وجاذبية غاليليون، بدرجة عالية من الثقة. وتحديداً، ستكون البيانات قوية بما يكفي لرفض هذه النماذج البديلة إذا كانت صحيحة، أو تأكيدها إذا كان الكون يتصرف بالفعل بشكل مختلف عما توقعه أينشיין.
يتمثل أحد التحديات الرئيسية في هذا النوع من الأبحاث في فصل إشارة الجاذبية عن التفاصيل المعقدة لكيفية تشكل المجرات وعيشها داخل هالات المادة المظلمة. كان على الباحثين مراعاة العديد من حالات عدم اليقين، مثل كيفية توزيع المجرات داخل العناقيد ومدى دقة تقدير كتلة العنقود بناءً على ما نراه. ووجدوا أنه بينما تعقد هذه الشكوك الصورة، إلا أنها لا تحجب إشارة الجاذبية. تبين أن العقبة الأكثر أهمية هي عدم اليقين في العلاقة بين الخصائص المرئية للعنقود وكتلته الحقيقية. وإذا لم تكن هذه العلاقة مفهومة جيداً، فقد تحاكي تأثير الجاذبية المعدلة. ومع ذلك، من خلال الجمع بين قياس حركة المجرات وإجمالي عدد العناقيد المرصودة، أظهر الباحثون أنه يمكن حل هذا الالتباس، مما يسمح لإشارة الجاذبية الحقيقية بالظهور بوضوح.
نظرت الدراسة أيضاً في مدى قدرة المسح على قياس الخصائص الأساسية للكون، مثل كمية المادة التي يحتوي عليها ومدى تكتل تلك المادة. يشير التنبؤ إلى أن نفس البيانات المستخدمة لاختبار الجاذبية ستوفر أيضاً قيوداً وثيقة جداً على هذه المعلمات الكونية، بدقة تبلغ حوالي 1 في المئة. والأهم من ذلك، أن قياسات الجاذبية وقياسات تكوين الكون ليست متشابكة؛ إذ يمكن تحديدهما بشكل مستقل. وهذا يعني أن العلماء لن يضطروا إلى التخمين بشأن كمية المادة في الكون لاختبار الجاذبية، كما لن يضطروا إلى افتراض نظرية معينة للجاذبية لقياس محتويات الكون.
وبالنظر إلى المستقبل، يؤكد الباحثون أن هذا التنبؤ هو محاكاة لما سيحدث، وليس قياساً لما حدث بالفعل. الخطوة التالية هي تطبيق هذه الأساليب على البيانات الحقيقية التي تجمعها DESI حالياً. يخطط الفريق لبناء أدوات أكثر تطوراً لتفسير البيانات، بما في ذلك نماذج أفضل لكيفية اختيار العناقيد وكيفية حركة المجرات داخلها. كما يعتزمون اختبار هذه الأفكار عبر مسافات مختلفة في الكون، للتحقق مما إذا كانت قوة الجاذبية تتغير بمرور الوقت. وإذا صحت التوقعات، فإن مسح DESI سيوفر واحداً من أكثر الاختبارات المباشرة والقوية للجاذبية على الإطلاق، حيث يسبر أغوار القوى الخفية التي تشكل الكون في المقاييس التي قد تظهر فيها حدود نظرية أينشتاين أخيراً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.