Cosmological constraints on extra radiation and early dark energy with lepton asymmetry and varying quark masses
تتقصى هذه الورقة القيود الكونية على الإشعاع الإضافي والطاقة المظلمة المبكرة من خلال دمج عدم التماثل اللبتوني البدئي وتغيير كتل الكواركات في تحليل مشترك لبيانات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والتقلبات الصوتية الباريونية، والمستعرات العظمى، وبيانات الوفرة البدئية، مما يكشف أن عدم التماثل اللبتوني يمكن أن يوفق بين قياسات الهيليوم وثوابت هابل الأعلى في نماذج الإشعاع الإضافي، بينما تعد كتل الكواركات المتغيرة مطلوبة لتخفيف القيود القائمة على الدوتيريوم على الطاقة المظلمة المبكرة.
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
إن الكون في حالة تمدد، وعلى مدى عقود، تمكن علماء الفلك من قياس السرعة التي يحدث بها هذا التمدد. ومع ذلك، فقد ظهر خلاف مستعصٍ بين طريقتين لقياس هذه السرعة. تنظر إحدى الطريقتين إلى أقدم ضوء في الكون، وهو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وهو وهج خافت متبقٍ من اللحظة التي وُلد فيها الكون. أما الطريقة الأخرى، فتنظر إلى النجوم والمجرات القريبة لقياس التمدد بشكل مباشر. وعندما يستخدم العلماء النموذج القياسي لعلم الكونيات لتفسير هذا الضوء القديم، يحصلون على سرعة أبطأ مما يتم قياسه محلياً. هذا التناقض، المعروف باسم "توتر هابل"، يشير إلى أن فهمنا الحالي لتاريخ الكون قد يكون مفتقراً لقطعة من أحجية اللغز. ولحل ذلك، اقترح الباحثون أنه ربما كان هناك شيء إضافي موجود في الكون المبكر، ربما شكل خفي من الإشعاع أو دفعة من الطاقة سرعت التمدد قبيل تشكل الذرات الأولى.
تستقصي دراسة جديدة أجراها يوكو تودا من جامعة كوتشي للتكنولوجيا ما إذا كانت هذه الإضافات المقترحة يمكن أن تعالج بالفعل فجوة السرعة دون كسر القواعد الخاصة بكيفية تشكل العناصر الأولى للكون. كان الكون المبكر عبارة عن حساء ساخن وكثيف حيث اندمجت البروتونات والنيوترونات لتشكل النوى الأولى للهيدروجين والهيليوم والدوتيريوم في عملية تسمى "تخليق العناصر أثناء الانفجار العظيم". هذه العملية حساسة للغاية للظروف التي سادت في ذلك الوقت؛ فإذا تمدد الكون بسرعة كبيرة جداً، أو إذا كانت هناك أنواع كثيرة جداً من الجسيمات، فإن كمية الهيليوم والدوتيريوم المنتجة ستتغير. والآن، تتفق القياسات الحديثة عالية الدقة لهذه العناصر القديمة تماماً مع النموذج القياسي، مما يجعل من الصعب جداً على النظريات الجديدة التسلل دون أن تُلاحظ. يتساءل عمل تودا سؤالاً محدداً: هل يمكننا إدخال إشعاع إضافي أو طاقة مبكرة، وربما تعديل متغيرات خفية أخرى مثل توازن الجسيمات أو كتلة اللبنات الأساسية الصغيرة، لرفع سرعة التمدد مع الاستمرار في مطابقة الكميات المرصودة من هذه العناصر القديمة؟
قام الباحث بدمج أحدث البيانات من قمر "بلانك" الصناعي، الذي رسم خريطة لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي، مع قياسات جديدة لتوزيع المجرات من مسح (DESI) وملاحظات المستعرات الأعظم البعيدة. وبشكل حاسم، تضمنت الدراسة أكثر القياسات دقة والأحدث للهيليوم والدوتيريوم الأوليين. اختبر الفريق عدة سيناريوهات؛ في أحدها، سمحوا بإشعاع إضافي وعدم توازن محدد بين المادة والمادة المضادة في شكل النيوترينوات، وهو ما يُعرف بـ "عدم تماثل الليبتون". وفي سيناريو آخر، بحثوا في شكل من أشكال الطاقة المظلمة المبكرة، وهي حقل طاقة مؤقت سرّع نمو الكون لفترة وجيزة. كما اختبروا ما إذا كانت كتلة الكواركات الخفيفة، وهي الجسيمات التي تشكل البروتونات والنيوترونات، قد كانت مختلفة قليلاً أثناء تشكل العناصر الأولى.
كشفت النتياج عن انقسام واضح في كيفية صمود هذه الأفكار المختلفة. فعندما نظر الفريق إلى نموذج الإشعاع الإضافي، وجدوا أنه يمكنه بالفعل المساعدة في حل التوتر، ولكن فقط إذا سمحوا بذلك الخلل المحدد في توازن الجسيمات. فبدون هذا الخلل، كان الإشعاع الإضافي سينتج كمية كبيرة جداً من الهيليوم، مما يتناقض مع القياسات الدقيقة الجديدة. ومع ذلك، عند تضمين هذا الخلل، أمكن أن يكون الإشعاع الإضافي أعلى، وارتفعت السرعة المستنتجة لتمدد الكون إلى 69.24 كيلومتراً في الثانية لكل ميجابارسيك. هذه القيمة أقرب بكثير إلى القياسات المحلية من توقعات النموذج القياسي، مما قلل من التناقض الإحصائي بين الطريقتين من قرابة ست درجات معيارية إلى ما يزيد قليلاً عن ثلاث درجات. وهذا يشير إلى أن كوناً يحتوي على قدر أكبر قليلاً من الإشعاع مع ميل طفيف في توازن النيوترينوات هو مسار قابل للتطبيق، شريطة أن تظل قياسات الهيليوم كما هي.
كانت القصة مختلفة بالنسبة لنموذج الطاقة المظلمة المبكرة. يقترح هذا النموذج وجود حقل طاقة مؤقت يسرع التمدد، ولكنه يميل إلى تفضيل كثافة أعلى للمادة العادية في الكون المبكر. وتؤدي الكثافة الأعلى للمادة بدورها إلى إنتاج كمية أقل من الدوتيريوم. والقياسات الجديدة والدقيقة للدوتيريوم صارمة جداً بشأن هذه الكمية. وجدت الدراسة أن إضافة عدم تماثل الليبتون لم تساعد نموذج الطاقة المظلمة المبكرة؛ إذ أثر هذا الخلل على الهيليوم ولكنه لم يحل مشكلة الدوتيريوم. ومع ذلك، نجحت عملية تعديل أخرى؛ فعندما سمح الباحثون لكتلة الكواركات الخفيفة بالتغير قليلاً أثناء تشكل العناصر الأولى، استطاع النموذج استيعاب جزء أكبر من الطاقة المظلمة المبكرة. إذ إن زيادة صغيرة في كتلة الكواركات تعزز إنتاج الدوتيريوم، مما يعوض النقص الناتج عن الكثافة العالية للمادة. سمح هذا التعديل لنموذج الطاقة المظلمة المبكرة بالوصول إلى سرعة تمدد أعلى قليلاً، رغم أنه لم يحل التوتر بالفعالية التي حققها نموذج الإشعاع الإضافي مع عدم تماثل الليبتون.
كما بحثت الدراسة في الكتلة الإجمالية للنيوترينوات، وهي الجسيمات الشبحية التي تخترق الكون. ومن خلال السماح لعدم تماثل الليبتون بالتغير، وجد الباحثون أن الحد الأعلى للكتلة المشتركة لهذه النيوترينوات يمكن تخفيفه قليلاً، لينتقل من قيد صارم جداً إلى قيد أكثر مرونة. وهذا يعني أنه إذا كان الكون يحتوي بالفعل على إشعاع إضافي، فقد يكون قادراً على دعم كتلة نيوترينو أكبر مما كان يُعتقد سابقاً دون التناقض مع البيانات.
في الختام، تخلص الورقة البحثية إلى أن المسار لحل توتر هابل يعتمد بشكل كبير على التغييرات الفيزيائية المحددة التي يتم إدخالها. ويبرز نموذج الإشعاع الإضافي، عندما يقترن بعدم توازن محدد في الجسيمات، كأكثر المرشحين واعدة لرفع سرعة التمدد مع البقاء متسقاً مع البصمات الكيميائية الدقيقة للكون المبكر. كما يمكن تحسين نموذج الطاقة المظلمة المبكرة، ولكن فقط إذا كانت الكتل الأساسية للجسيمات نفسها مختلفة قليلاً في الماضي. هذه النتائج لا تعلن حل اللغز، لكنها تقدم خريطة أوضح للمكان الذي قد يكمن فيه الحل. إنها تظهر أن تاريخ الكون على الأرجح أكثر تعقيداً مما يوحي به النموذج القياسي، وأن المفتاح لفك لغز سرعة التمدد قد يكون مخبأً في الكيمياء الدقيقة للدقائق القليلة الأولى بعد الانفجار العظيم.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.