Observational Constraints on a Hybrid Expansion Cosmology in f(R, Σ, T) Gravity

على مدار قرن تقريباً، كانت نظرية النسبية العامة لألبرت أينشتاين هي النظرية الأكثر نجاحاً في كيفية عمل الجاذبية. وهي تصف الجاذبية ليس كقوة، بل كانحناء في الزمان والمكان ناتج عن المادة والطاقة. لقد اجتازت هذه النظرية كل اختبار وُضع أمامها، من الطريقة التي ينحني بها الضوء حول النجوم إلى التوقيت الدقيق لأقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). ومع ذلك، عندما وجه علماء الفلك أعينهم نحو الكون بأكمله، وجدوا لغزاً لم تستطع معادلات أينشتاين الأصلية حله بمفردها. فقد كشفت ملاحظات النجوم البعيدة المنفجرة والوهج المتبقي من الانفجار العظيم أن الكون لا يتوسع فحسب، بل يفعل ذلك بسرعة متزايدة باستمرار. ولتفسير هذا التسارع، قدم العلماء فكرة "الطاقة المظلمة"، وهي مادة غامضة تدفع المجرات بعيداً عن بعضها البعض. النسخة الأبسط من هذه الفكرة تعمل بشكل جيد، لكنها تترك الفيزيائيين مع تساؤلات غير مريحة حول سبب تصرف الكون بهذا الشكل. وبسبب ذلك، يستكشف العديد من الباحثين ما إذا كانت الجاذبية نفسها قد تكون أكثر تعقيداً مما تخيله أينشتاين، وربما يتغير سلوكها عبر التاريخ الشاسع للكون.

في دراسة حديثة، شرع فريق من الباحثين بقيادة أنيرود برادهان وزملاؤه في اختبار مثل هذه الفكرة المعقدة. لقد عملوا ضمن إطار يُعرف بالجاذبية المعدلة، وتحديداً نظرية تضيف مكونات إضافية إلى الوصف القياسي للمكان والزمان. وبدلاً من النظر فقط إلى انحناء الفضاء، يتضمن نموذجهم ميزة هندسية إضافية ورابطاً مباشراً بالمادة والطاقة التي تملأ الكون. فكر في هذا الأمر كترقية لخريطة: بينما كانت الخريطة القديمة تظهر فقط شكل التضاريس، فإن هذه الخريطة الجديدة تأخذ في الاعتبار أيضاً كيف يمكن للتربة نفسها أن تغير مسار المسافر. أراد الباحثون معرفة ما إذا كانت هذه النظرية الأكثر مرونة يمكن أن تفسر بشكل طبيعي تحول الكون من توسع بطيء متباطئ في أيامه الأولى إلى التسارع السريع الذي نراه اليوم، دون الحاجة إلى اختراع قوة طاقة مظلمة غامضة.

وللقيام بذلك، استخدم الفريق وصفة رياضية لنمو الكون تُعرف باسم "قانون التوسع الهجين". يجمع هذا النهج بين نوعين مختلفين من النمو: توسع بنمط القوة (power-law) المستقر الذي هيمن على الكون المبكر، وتوسع أسي جامح يميز العصر الحالي. ومن خلال مزج هذين السلوكين، أنشأوا نموذجاً يمكنه الانتقال بسلاسة من النمو البطيء في الماضي إلى النمو السريع في الحاضر. وكان التحدي هو أن هذه الوصفة الرياضية يصعب تحويلها إلى تنبؤ مباشر لما يلاحظه علماء الفلك فعلياً. إن العلاقة بين الوقت المنقضي منذ الانفجار العظيم والانزياح الأحمر للضوء من المجرات البعيدة معقدة للغاية بحيث لا يمكن حلها بمعادلة بسيطة. ولتجاوز ذلك، صاغ البرناجين نسخة مبسطة جديدة من معدل التوسع تحاكي سلوك نموذجهم المعقد. تم تصميم هذه النسخة الجديدة لتبدو مثل الكون المبكر عند مستويات الانزياح الأحمر العالية، ومثل الكون المتسارع عند مستويات الانزياح الأحمر المنخفضة، مما سمح لهم بمقارنة نظريتهم مباشرة مع البيانات الواقعية.

بعد ذلك، وضع الفريق نموذجهم تحت الاختبار باستخدام أكثر مجموعتين من البيانات الكونية موثوقية متاحة اليوم. المجموعة الأولى، المعروفة باسم "بيانات هابل الرصدية"، تقيس معدل توسع الكون في لحظات مختلفة من تاريخه من خلال النظر في أعمار النجوم القديمة. أما المجموعة الثانية، المسماة "مجموعة بانتون+" (Pantheon+ compilation)، فتجمع بيانات من أكثر من 1,700 نجم منفجر من نوع معين، والتي تعمل كشموع قياسية لقياس المسافات الكونية. ومن خلال تغذية نموذجهم الرياضي في هذه المجموعات من البيانات، حسب الباحثون القيم الأكثر احتمالاً للمعلمات التي تحدد نظريتهم. ووجدوا أن النموذج يتوافق مع البيانات بشكل جيد جداً، حيث يشير التحليل المشترك إلى مجموعة محددة من الأرقام التي تصف تاريخ توسع الكون. وتشير النتائج إلى أن الكون يتسارع حالياً، مع معدل توسع في الوقت الحاضر يتوافق مع القياسات الحديثة الأخرى.

وعندما قارن الباحثون نتائجهم بالنموذج القياسي لعلم الكونيات، الذي يعتمد على ثابت كوني ثابت، وجدوا أن نظرية الجاذبية المعدلة الخاصة بهم قدمت أداءً أفضل قليلاً. أظهرت الاختبارات الإحصائية أن نموذجهم وفر مطابقة أقرب للبيانات المرصودة، مع درجة خطأ أقل من النموذج القياسي. كان هذا التحسن كبيراً بما يكفي ليشير إلى أن الميزات الهندسية الإضافية التي ضمنوها ليست مجرد ضوضاء رياضية، بل هي جوانب حقيقية محتملة لكيفية عمل الجواذب. كما بحثت الدراسة في سلوك توسع الكون بمرور الوقت؛ حيث وجدوا أن النموذج يتنبأ بشكل طبيعي بماضٍ كان فيه الكون يتباطأ، وهو ما يتوافق مع عصر تشكل المجرات، وحاضر يتسارع فيه. علاوة على ذلك، يشير النموذج إلى أنه في المستقبل البعيد، سيستمر الكون في التوسع بشكل أسي، ليستقر في حالة يهيمن عليها هذا النمو المتسارع.

وبعيداً عن معدل التوسع، حلل الفريق الخصائص الفيزيائية للكون ضمن إطار عملهم. لقد قاموا بحساب كثافة الطاقة وضغط المائع الكوني الذي يقود التوسع. وأظهرت نتائجهم أن كثافة الطاقة تظل إيجابية طوال تاريخ الكون، وهو مطلب أساسي لنموذج واقعي فيزيائياً. والأهم من ذلك، وجدوا أن الضغط يصبح سالباً في الحقبة الحالية، وهو شرط ضروري للتسارع الكوني. ينشأ هذا الضغط السلبي بشكل طبيعي من التفاعل بين المادة وهندسة الفضاء في نظريتهم، بدلاً من فرضه عبر افتراض خارجي. كما نظرت الدراسة في "معادلة الحالة"، وهي مقياس لكيفية ارتباط الضغط بكثافة الطاقة. ووجدوا أنه في اللحظة الحالية، تكون هذه النسبة قريبة جداً من القيمة المتوقعة للثابت الكوني، مما يعني أن نظريتهم المعقدة يمكنها محاكاة سلوك النموذج القياسي مع تقديم آلية مختلفة في الأساس.

استخدم الباحثون أيضاً مجموعة من الأدوات الهندسية لتمييز نموذجهم عن النظريات الأخرى للطاقة المظلمة. وتتتبع هذه الأدوات كيفية تغير معدل التوسع بمر over الزمن، مما يوفر بصمة لنوع القوة التي تقود الكون. وكشف التحليل أن نموذجهم لا يتصرف تماماً مثل الثابت الكوني القياسي؛ بل يظهر تطوراً ديناميكياً، مما يشير إلى أن القوة التي تقود التسارع تتغير ببطء بمرور الوقت. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يعني أن مستقبل الكون قد يختلف عن التنبؤ البسيط وغير المتغير للنموذج القياسي. ويظهر مسار النموذج في هذه المخططات الهندسية طريقاً سلساً من الماضي المتباطئ إلى الحاضر المتسارع، مما يؤكد أن النظرية يمكنها وصف التاريخ الكامل للكون دون تناقضات.

في النهاية، يوضح هذا العمل أن نظرية الجاذبية المعدلة، التي تتضمن ميزات هندسية إضافية ورابطاً مباشراً بالمادة، يمكنها بنجاح وصف تاريخ توسع الكون. يتوافق النموذج مع أحدث البيانات الرصدية بقدر النموذج القياسي أو حتى بشكل أفضل قليلاً، بينما يقدم صورة أكثر ديناميكية لكيفية تطور الكون. وجد الباحثون أن الكون مر على الأرجح بمرحلة انتقالية من مرحلة سيطرة المادة البطيئة إلى عصر التسارع السريع الحالي، مدفوعاً بالتفاعل بين الهندسة والمادة. وبينما لا تثبت الدراسة أن هذه النظرية المحددة هي الإجابة النهائية، إلا أنها تظهر أن مثل هذه التعديلات المعقدة هي نماذج قابلة للتطبيق وتستحق المزيد من الاستكشاف. ويقترح المؤلفون أن العمل المستقبلي يمكن أن ينظر في كيفية تأثير هذه النظرية على تشكل الهياكل واسعة النطاق أو كيفية اختبارها باستخدام موجات الجاذبية. وفي الوقت الحالي، تقف هذه الدراسة كدليل قوي على أن الكون قد يكون محكوماً بمجموعة من القواعد الأكثر ثراءً وتعقيداً مما كان يُعتقد سابقاً، وهي قواعد قد تفسر أخيراً التسارع الغامض دون الاعتماد على قوى غير مرئية وغير مفسرة.