يمكن لتحليل جديد لكيفية تطور مجموعات المجرات على مدى تاريخ الكون الممتد لـ 13.8 مليار سنة أن يساعد في حل التوتر طويل الأمد المحيط بـ “تكتل” محتوى المادة في عالمنا. وفي المستقبل، قد يساعد العلماء أيضًا على حل مجموعة من الألغاز الكونية الأخرى.
البيانات الأولى من مسح eROSITA الشامل للسماء لمصادر الأشعة السينية الكونية، والذي أكمل 4.5 مسوحًا كاملة للسماء في فبراير من عام 2022، احتوت على قياسات دقيقة لكل من كمية المادة الإجمالية في الكون ومستوى نعومة المادة، أو ” تجانس.”
يمكن أن تساعد هذه النتائج في حل التباين بين التنبؤات النظرية للنموذج القياسي لعلم الكونيات وملاحظات الحفرية الكونية التي ولدت بعد الانفجار الكبير مباشرة والتي تسمى الخلفية الكونية الميكروية (CMB). ويختلف الاثنان حاليًا حول مدى تكتل مادة الكون.
أصبح هذا التباين يُعرف باسم التوتر S8، حيث يعتبر S8 هو المعلمة التي يستخدمها العلماء لقياس سعة تقلبات المادة على مقياس حوالي 26 مليون سنة ضوئية. وبعبارة أخرى، فإن تكتل الكون على نطاق واسع.
متعلق ب: صورة الأشعة السينية للكون تكشف ما يقرب من مليون جسم عالي الطاقة: “هذه أرقام مذهلة”
في حين أن توتر S8 قد لا يمثل مشكلة بارزة في علم الكونيات مثل “توتر هابل”، الذي يصف التباين الذي يراه العلماء في حسابات معدل توسع الكون، إلا أنه لا يزال يمثل عاصفة تختمر. لقد تم اقتراح أننا قد نحتاج إلى إيجاد فيزياء جديدة تمامًا لحل اللغز. ومع ذلك، فإن بيانات eROSITA الجديدة توفر الأمل في إمكانية تخفيف التوتر S8 دون مثل هذه التدابير الجذرية.
وقالت إسراء بلبل، العالمة الرئيسية في فريق إيروسيتا وفريق علم الكونيات، في بيان: “لقد أنشأت إيروسيتا الآن قياس تطور العنقود كأداة لعلم الكون الدقيق”. “إن المعلمات الكونية التي نقيسها من عناقيد المجرات تتوافق مع أحدث تكنولوجيا CMB، مما يدل على أن نفس النموذج الكوني يستمر منذ وقت قصير بعد الانفجار الكبير وحتى اليوم.”
حل أزمة كونية تختمر مع eROSITA
يشير النموذج القياسي لعلم الكونيات، أو “نموذج لامبدا للمادة المظلمة الباردة (ΛCDM)” إلى أن الكون مباشرة بعد الانفجار الكبير كان بحرًا حارًا وكثيفًا من الفوتونات، أو جسيمات الضوء، والإلكترونات والبروتونات الحرة.
يُعتقد أن هذه الإلكترونات كانت لديها فوتونات متناثرة إلى ما لا نهاية في هذا الوقت، مما يعني أن الكون كان معتمًا بشكل أساسي. كان ذلك حتى حوالي 400 ألف سنة لاحقة، عندما توسع الكون وتبرد بدرجة كافية للسماح للإلكترونات والبروتونات بالاقتراب من بعضها البعض بما يكفي للترابط وإنشاء أول ذرات الهيدروجين.
خلال عصر إعادة التأين هذا، سُمح للفوتونات فجأة بالسفر، وأصبح الكون شفافًا للضوء. يملأ هذا “الضوء الأول” الكون الآن بشكل موحد تمامًا ويُعرف باسم CMB، أو “سطح التشتت الأخير”. ولأن هذا الضوء كان موجودًا منذ ما قبل ظهور النجوم والمجرات الأولى، فإن الإشعاع CMB يعد أداة ممتازة لتتبع كيفية تطور الكون.
مع تقدم الزمن الكوني، تجمعت الذرات الأولى لتشكل السحب الغازية الأولى، ثم النجوم الأولى، التي تجمعت في مجرات احتشدت هي نفسها في العناقيد المجرية الأولى، مما أدى في النهاية إلى بعض أكبر الهياكل في الكون المعروف.
تظهر عمليات رصد هذه العناقيد بواسطة eROSITA، الأداة الرئيسية على متن المركبة الفضائية الروسية-الألمانية Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG)، أن المادة المرئية والمادة المظلمة تشكلان 29% من إجمالي كثافة الطاقة في الكون، وهو ما يتوافق مع قياسات الكون. CMB.
وفي مراقبة العناقيد المجرية، تمكنت eROSITA أيضًا من توفير قياس لتكتل المادة باستخدام المعلمة S8. في حين أن تجارب CMB السابقة اقترحت قيمة أعلى لـ S8 مما تنبأ به النموذج القياسي، فإن ملاحظات eROSITA لهذه الحفرية الكونية تتوافق أكثر مع تلك التنبؤات النظرية.
وقال فيتوريو جيرارديني، قائد الأبحاث وباحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض، في البيان: “يخبرنا إيروسيتا أن الكون تصرف كما هو متوقع عبر التاريخ الكوني”. “ليس هناك أي توتر مع الإشعاع CMB، ربما يستطيع علماء الكونيات الاسترخاء قليلاً الآن.”
صيد الأشباح الكونية
كما ساعدت عمليات رصد إيروسيتا للمجموعات المجرية العلماء على تعلم المزيد عن الجسيمات الصغيرة التي تسمى النيوترينوات، والتي لها كتلة وشحنة قليلة جدًا لدرجة أنها تنتقل بشكل أساسي تحت الرادار. وفي الواقع، يمر 100 تريليون منها عبر أجسامنا كل ثانية، دون أن نلاحظها. وهذا لا يجعل من الصعب اكتشاف النيوترينوات فحسب، بل إنه أكسبها لقب “جسيمات الشبح”.
وتسمح هذه الجسيمات ذات الكتل الصغيرة أيضًا بالسباق عبر الكون بسرعة تقترب من سرعة الضوء، ويصفها علماء الفلك بأنها “ساخنة” بسبب هذه الحقيقة. درجة الحرارة هي في الأساس قياس لمدى سرعة حركة الجسيمات. وهذا يعني أن النيوترينوات يمكنها تسهيل توزيع المادة في الكون، ويمكن قياس هذا الإجراء من خلال دراسة تطور أكبر الهياكل الكونية التي نعرفها.
وهكذا، فإن الجمع بين قياسات eROSITA للعناقيد المجرية وملاحظات الإشعاع CMB قد وفر القياسات الأكثر دقة حتى الآن لقيمة كتلة النيوترينو الإجمالية التي تم تحقيقها باستخدام مسبار كوني.
وقال غيرارديني: “قد يبدو الأمر متناقضا، لكننا حصلنا على قيود صارمة على كتلة أخف الجسيمات المعروفة من وفرة أكبر هالات المادة المظلمة في الكون”. “نحن حتى على شفا تحقيق اختراق لقياس الكتلة الإجمالية للنيوترينوات عند دمجها مع تجارب النيوترينو الأرضية.”
قصص ذات الصلة:
– سيتمكن القمر الصناعي الجديد من رؤية “قوس قزح الأشعة السينية” من الأجسام الضخمة في الفضاء
– لا تزال المئات من بقايا المستعر الأعظم مخفية في مجرتنا. يريد هؤلاء الفلكيون العثور عليهم
– أكبر محاكاة حاسوبية للكون على الإطلاق تؤدي إلى تفاقم معضلة علم الكون
لا تنتهي رؤى eROSITA حول الكون عند هذا الحد؛ يجب أن تكون البيانات الصادرة عن الأداة قادرة على الكشف عن معدل نمو أكبر الهياكل في الكون أيضًا، وهو ما تنبأت به نظرية الجاذبية العامة لأينشتاين عام 1915.
يبدو أن التحليل المبكر لـ 12,247 مجموعة مجرية تم تحديدها بصريًا والتي شاهدتها eROSITA يُظهر أن معدل النمو هذا أبطأ قليلاً في العصور الكونية اللاحقة مما تتنبأ به النسبية العامة.
وقال إيمانويل أرتيس، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء خارج الأرض، في البيان: “قد نكون على شفا اكتشاف جديد”. “إذا أمكن تأكيد ذلك، فإن eROSITA سيمهد الطريق لنظريات جديدة مثيرة تتجاوز النسبية العامة.”