يُطلق على “النموذج القياسي” الحالي للكون وتاريخه وتطوره اسم نموذج لامدا للمادة المظلمة الباردة (LCDM)، لكن سيادة هذا النموذج، الذي تمثل فيه لامدا الثابت الكوني والطاقة المظلمة، قد تكون الآن تحت السيطرة. تهديد خطير.
باختصار، يرجع ذلك إلى أن الملاحظات الجديدة للكون تشير إلى أن الطاقة المظلمة، وهي القوة التي تسبب توسع الكون بشكل أسرع وأسرع، يبدو أنها تضعف. قد لا يبدو هذا كثيرًا في حد ذاته، لكن هذا الاكتشاف في الواقع لديه القدرة على التسبب في أول تحول نموذجي كبير في علم الكونيات منذ اكتشاف التوسع المتسارع للكون قبل ما يزيد قليلاً عن 25 عامًا. يمكن أن يشير أيضًا إلى أن الكون لن ينتهي بـ “تمزق كبير” أو “برد كبير”، بل “انسحاق كبير”. المزيد عن ذلك قريبًا، أولاً، دعنا نتعمق في هذه النتائج الرائعة.
متعلق ب: أكبر خريطة ثلاثية الأبعاد لكوننا يمكن أن تشير إلى أن الطاقة المظلمة تتطور مع مرور الوقت
جاءت القرائن الجديدة حول تطور الطاقة المظلمة كجزء من واحدة من أعمق خرائط الكون التي تم إنشاؤها على الإطلاق، والتي تم تصميمها باستخدام بيانات السنة الأولى التي تم جمعها بواسطة أداة تحليل الطاقة المظلمة (DESI). تقوم العيون الآلية التي يبلغ عددها 5000 جهاز بجمع الضوء من ملايين المجرات عبر أكثر من ثلث السماء بأكملها كما نراها من الأرض. ثم يتم تقسيم هذا الضوء إلى طيف من الألوان، مما يسمح للعلماء بقياس توسع الكون على مدى مليارات السنين عن طريق قياس التغير في الطول الموجي للضوء الذي يسمى “الانزياح الأحمر”.
تم جمع البيانات التي تم جمعها خلال ما لا يزيد عن خُمس وقت تشغيل مهمة DESI، وتعد البيانات التي تم جمعها من خلال المسح بتغييرات كبيرة، وقد أثارت اهتمام علماء الكونيات بشأن ما سيأتي بعد ذلك.
“كان إصدار هذه النتائج يومًا عظيمًا لعلم الكونيات، حيث أشار إلى تأثير “متناقص” للطاقة المظلمة مع مرور الوقت، مما يعني أنها تتطور، وبالتالي ليست ثابتة على الإطلاق،” لوز أنجيلا غارسيا بينالوزا، عضو سابق في فريق DESI. وقال عالم الكونيات في جامعة ECCI في كولومبيا لموقع Space.com. “إن اكتشاف الطاقة المظلمة المتطورة سيكون ثوريًا مثل اكتشاف التوسع المتسارع للكون نفسه، إذا تم تأكيده من خلال البيانات المستقبلية.”
ما هو النموذج القياسي لعلم الكونيات؟
يشير نموذج LCDM إلى أنه، مباشرة بعد الانفجار الكبير، كان الكون كثيفًا إلى حد كبير وحارًا بشكل لا يصدق، ولكنه أيضًا سلس بشكل ملحوظ ومتماثل إلى حد ما، أو متجانس، في جميع الاتجاهات.
ومع توسع الكون، بدأت تظهر تقلبات صغيرة في الكثافة، ونمت هذه البقع الكثيفة. بدأت كتل المادة المظلمة في التكاثف مع تطور الكون، وتجمعت الذرات المتكونة حديثًا وحفزت جزيئات الغاز داخل هذه الكتل. وأدى ذلك إلى كون مليء بما يزيد قليلاً عن الهيدروجين والهيليوم (أخف وأبسط عنصرين كيميائيين) والمادة المظلمة.
إن ربط الإلكترونات بالبروتونات لتكوين الذرات الأولى يعني أن الضوء أصبح فجأة حرًا في السفر، ويُنظر إلى هذا الضوء الأول اليوم على أنه إشعاع الخلفية الكونية الميكروي (CMB)، وهو إشعاع “أحفوري” يمكن أن يخبرنا الكثير عن تاريخ الكون. الكون.
قامت المناطق ذات الكثافة العالية بجمع الغاز والمادة المظلمة معًا، لتشكل بذور المجرات الأولى في نموذج LCDM الذي انهار لولادة المجرات الأولية. في هذه المجرات المبكرة، قام غاز الهيدروجين والهيليوم بتكوين النجوم الأولى. وأخيرا، اندمجت المجرات الأولية والهالات المحيطة بها لتشكل مجرات أكبر وأكبر.
لكن الأهم من ذلك، أنه في هذا النموذج، يتم تمثيل الطاقة المظلمة بواسطة لامدا. ومن المفترض أن تظل لامدا ثابتة مع مرور الوقت.
قال غارسيا بينالوزا: “لقد رأى DESI أن معادلة حالة الكون لا تتوافق مع نموذج LCDM المعتاد، ولكنها بدلاً من ذلك تظهر تلميحًا إلى أن الطاقة المظلمة تتغير مع مرور الوقت”. “تفتح هذه النتائج نافذة لنماذج الطاقة المظلمة المتغيرة لأنها تظهر انحرافًا عن المعادلة الثابتة للحالة.
“كان هذا مفاجئًا جدًا لأن معظم الملاحظات الكونية حتى الآن فضلت نموذج LCDM. لقد صُدم المجتمع الكوني بأكمله حقًا.”
إذا ثبت أن هذه النتائج الجديدة من DESI دقيقة – وهي قوية للغاية حاليًا، على ما يبدو – فقد لا يعد الثابت الكوني ممثلًا مناسبًا للقوة الغامضة للطاقة المظلمة.
ومع ذلك، قد يرحب بعض الفيزيائيين بالتخلص من الثابت الكوني. لم يكن الأمر بمثابة صداع لعقود من الزمن فحسب، بل لم تكن هذه هي المرة الأولى التي يستدعي فيها فهمنا المزدهر للكون التخلص منها.
العودة إلى سلة المهملات النظرية
لقد شكل الثابت الكوني، الذي يمثله الحرف اليوناني Lambda، مشكلة كبيرة للفيزيائيين منذ أوائل القرن العشرين.
في عام 1915، أطلق ألبرت أينشتاين ما يمكن اعتباره نظريته الأكثر ثورية، النسبية العامة، والتي وصفت الجاذبية كمفهوم ينبثق من انحناء المكان والزمان – وهو انحناء ناجم عن الأجسام ذات الكتلة.
بعد ذلك بعامين، في عام 1917، أثبت أينشتاين وعالم الفلك الهولندي ويليم دي سيتر أن معادلات النسبية العامة يمكن استخدامها لوصف الكون، وإن كان كونًا مبسطًا للغاية. كانت هناك مشكلة، ولكن؛ الكون الذي وصفته معادلات النسبية العامة لم يصف كونًا ساكنًا. في ذلك الوقت، في الفيزياء، كان الإجماع العام هو أن الكون ثابت، لا يتوسع ولا ينكمش، وقد وافق أينشتاين على هذا الإجماع. لذلك، أضاف نوعًا من “عامل التصحيح” إلى معادلاته: الثابت الكوني، أو لامدا.
أدى هذا إلى موازنة الكون، مضيفًا الدفع والسحب المناسبين لإبقائه ثابتًا.
وبعد حوالي 12 عامًا، في عام 1929، كان إدوين هابل يدرس المجرات البعيدة ووجد أن الضوء الصادر منها يتمدد أو “ينزاح نحو الأحمر”. ورأى أنه كلما كانت المجرة أبعد، كان هذا التأثير أكبر. ويشير هذا إلى أن الكون لم يكن ساكنًا، بل كان في الواقع يتوسع. سيقضي العلماء العقود السبعة التالية في محاولة قياس معدل هذا التوسع، والذي تحدده قيمة تسمى “ثابت هابل”.
لم يعد أينشتاين بحاجة إلى وصف الكون الساكن، وقام بإزالة الثابت الكوني من معادلاته الخاصة بالكون، زاعمًا أنه وصف إدخال لامدا بأنه “أعظم خطأ ارتكبه”. لكن الثابت الكوني لن يبقى في سلة المهملات الكونية لفترة طويلة. قبل نهاية القرن العشرين، ستعود لامدا بشكل كبير وبدور جديد.
في عام 1998، كان فريقان منفصلان من علماء الفلك يقومون بمراقبة المستعرات الأعظم البعيدة من النوع 1a ويستخدمونها لقياس المسافة الكونية عندما اكتشفوا أن توسع الكون لا يتباطأ في الواقع كما قد يتوقع المرء. إنها تتسارع. بعد ذلك، تم تقديم الطاقة المظلمة كعنصر نائب لكل ما يبدو أنه يسبب هذا التوسع المتسارع.
وقال غارسيا بينالوزا: “على الرغم من حقيقة أنها تشكل 70% من إجمالي ميزانية المادة والطاقة في الكون، إلا أنه لا أحد يعرف ما هي”.
في العديد من نماذج الكون، بما في ذلك نموذج LCDM السائد، يتم تمثيل الطاقة المظلمة بواسطة الثابت الكوني المنقذ، أو لامدا، الذي يعمل الآن على مقاومة الجاذبية ودفع نسيج المكان والزمان بعيدًا بمعدل متسارع.
ومع ذلك، بعد تقديمه كقيمة للتوسع المتسارع للفضاء، ظل الثابت الكوني يمثل مشكلة. تستمر القيم التي يتم الحصول عليها من خلال مراقبة المستعرات الأعظمية البعيدة والقيمة التي تنبأت بها نظريات فيزياء الكم في التغير بشكل كبير، حيث تتباعد بما يصل إلى 10 أس 121 (1 متبوعًا بـ 121 صفرًا).
هل هناك أي أقرب إلى فهم الطاقة المظلمة؟
لفهم السبب الذي يجعل الطاقة المظلمة والتوسع المتسارع للكون صادمين للغاية، فكر في هذا التشبيه الأرضي للغاية: تخيل إعطاء طفل على أرجوحة دفعة واحدة كبيرة. وهذا مشابه للانفجار الكبير الذي أدى إلى توسع الكون. بمرور الوقت، من المحتمل أن يتباطأ التأرجح ويصل تدريجيًا إلى نقاط أقل في قوسه، أليس كذلك؟ وهذا يشبه تباطؤ توسع الكون مع تقدم الكون في العمر.
ولكن بعد ذلك، فجأة، دون أن تقوم بدفعة أخرى عندما تكون التأرجحة على وشك التوقف، تخيل أنها تستأنف الحركة فجأة. ليس هذا فحسب، بل تخيل أنه يتأرجح بشكل أسرع وأسرع، ويصل إلى نقاط أعلى وأعلى. وهذا يعادل عمل الطاقة المظلمة التي يستخدم الثابت الكوني لوصفها.
فلا عجب أن العلماء حريصون على تحديد سبب هذه الدفعة الكونية الإضافية؛ إن اكتشاف أن الطاقة المظلمة تبدو أضعف يضيف طبقة من التعقيد إلى الموقف.
وأوضح غارسيا بينالوزا: “هذا مؤشر جيد حقًا على أن نموذج LCDM ربما لا يكون بالضبط “الإجابة النهائية” لطبيعة الطاقة المظلمة”. “إنه تقدم هائل، لكن هذه النتائج ربما لا تقربنا كثيرًا من هذه الإجابة؛ فهي تخبرنا أكثر بكيفية وصف الطاقة المظلمة فيما يتعلق بالزمن، ربما كسائل يملأ الكون ويمكن وصفه مع معادلة حالة غير ثابتة.”
وبالعودة إلى تشبيه الأرجوحة، فإن اكتشاف سبب الدفع الإضافي غير المرئي أمر بالغ الأهمية لفهم مصير الطفل على تلك الأرجوحة: هل سيهبط في الأدغال، أو على الأرض بأمان، أو سيتم إطلاقه إلى الفضاء؟ وبالمثل، فإن فهم الطاقة المظلمة أمر بالغ الأهمية لأن تطورها، أو عدم وجودها، سيحدد مصير الكون. ويمكن أن يوضح لنا أيضًا كيف قد تبدو وجهة نظرنا من الأرض في المستقبل.
وقال غارسيا بينالوزا: “هناك سيناريو واحد، إذا كانت الطاقة المظلمة هي الثابت الكوني الذي لا يتغير، خلال دهور، فإن جميع المجرات ستكون قد تحركت بعيدًا عن بعضها البعض بحيث تصبح سماء الليل فوق الأرض فارغة”.
قد يؤدي هذا إلى نهاية الكون ككون بارد من المجرات الميتة المنفصلة على نطاق واسع، وهو ما يسمى بسيناريو “البرد الكبير”. وبدلاً من ذلك، فإن التوسع المتسارع المستمر يمكن أن يتسبب في تمزق نسيج الزمكان، وهو سيناريو يسمى “التمزق الكبير”.
ومع ذلك، يمكن لخريطة DESI الجديدة أن تشير إلى مصير كوني مختلف، حيث ينهار الكون مرة أخرى إلى الحالة الساخنة والكثيفة التي شوهدت بعد لحظات من الانفجار الكبير. وأضاف غارسيا بينالوزا: “إذا كان ما تقترحه نتائج السنة الأولى من DESI صحيحًا، فإن التوسع المتسارع للكون سيتوقف وينعكس في النهاية، ويمكن أن يبدأ الكون في التقارب تحت تأثير الجاذبية”. “قد يؤدي هذا في النهاية إلى نهاية الكون في سيناريو “الانسحاق الكبير”.”
قصص ذات الصلة:
– يشير تصادم النجوم النيوترونية إلى فيزياء جديدة يمكن أن تفسر المادة المظلمة
– النجوم النيوترونية “المستحيلة” يمكن أن تفسر الومضات الغريبة
– كيف غمرت اصطدامات النجوم النيوترونية الأرض بالذهب والمعادن الثمينة الأخرى
يحرص غارسيا بينالوزا وغيره من علماء الكونيات على رؤية ما ستجلبه عمليات رصد DESI خلال السنوات الأربع المقبلة إلى فهمنا للكون وأصوله ومصيره.
على وجه الخصوص، قال غارسيا بينالوزا إن السنتين الثانية والثالثة من عمليات DESI يجب أن تشهدا استكشاف التلسكوب لتشوهات الفضاء ذات الانزياح الأحمر، حيث تجعل هذه البيانات نتائج DESI القوية بالفعل أكثر إثارة للإعجاب. يجب أن تتزامن السنة الأخيرة من نتائج DESI مع إصدار بيانات السنة الأولى من تلسكوب إقليدس الفضائي، الذي تم إطلاقه في 1 يوليو 2023، مما يوفر “ضربة مزدوجة” قوية لفهمنا للكون.
وخلص غارسيا بينالوزا إلى القول: “ستكون لدينا رؤية متكاملة للغاية للكون من خلال مهمتين مختلفتين تمامًا”. “سوف يقدمون لنا رؤية جديدة تمامًا لكيفية تصرف الكون وكيف تشكل الطاقة المظلمة البنية العالمية على نطاق أوسع.”