قياس جديد يمكن أن يغير فهمنا للكون

الكون يتوسع ، ولكن ما السرعة بالضبط؟ يبدو أن الإجابة تعتمد على ما إذا كنت تقدر معدل التوسع الكوني – المشار إليه باسم ثابت هابل ، أو H₀—بناءً على صدى الانفجار العظيم (الخلفية الميكروية الكونية ، أو CMB) أو تقيس H₀ تعتمد بشكل مباشر على النجوم والمجرات اليوم. هذه المشكلة ، المعروفة باسم توتر هابل ، حيرت علماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكون حول العالم.

دراسة أجرتها مجموعة Stellar Standard Candles and Distances بقيادة ريتشارد أندرسون في معهد EPFL للفيزياء ، تضيف قطعة جديدة إلى اللغز. نُشرت أبحاثهم في علم الفلك والفيزياء الفلكية، قد حقق أدق معايرة لنجوم Cepheid – نوع من النجوم المتغيرة التي يتقلب لمعانها خلال فترة محددة – لقياسات المسافة حتى الآن استنادًا إلى البيانات التي تم جمعها بواسطة مهمة Gaia التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA). تزيد هذه المعايرة الجديدة من تضخيم توتر هابل.

ثابت هابل (H₀) على اسم عالم الفيزياء الفلكية الذي اكتشف هذه الظاهرة مع جورج ليميتر في أواخر عشرينيات القرن الماضي. تقاس بالكيلومترات في الثانية لكل ميجابرسك (كم / ث / Mpc) ، حيث 1 Mpc تساوي حوالي 3.26 مليون سنة ضوئية.

أفضل قياس مباشر لـ H.₀ يستخدم “سلم المسافة الكوني” ، الذي تم تعيين درجته الأولى بواسطة المعايرة المطلقة لسطوع القيفيات ، والتي أعيدت معايرتها الآن بواسطة دراسة EPFL. في المقابل ، تقوم القيفويات بمعايرة الدرجة التالية من السلم ، حيث تتعقب المستعرات الأعظمية – الانفجارات القوية للنجوم في نهاية حياتها – تمدد الفضاء نفسه.

سلم المسافة هذا ، مُقاسًا بالمستعرات الأعظمية ، H.₀، لفريق معادلة حالة الطاقة المظلمة (SH0ES) بقيادة آدم ريس ، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2011 ، يضع H₀ عند 73.0 ± 1.0 كم / ثانية / مليون قطعة.

أول إشعاع بعد الانفجار العظيم

ح₀ يمكن أيضًا تحديده من خلال تفسير الإشعاع CMB – وهو إشعاع الميكروويف المنتشر في كل مكان والذي خلفه الانفجار العظيم منذ أكثر من 13 مليار سنة. ومع ذلك ، يجب أن تفترض طريقة قياس “الكون المبكر” الفهم المادي الأكثر تفصيلاً لكيفية تطور الكون ، مما يجعله يعتمد على النموذج. قدم القمر الصناعي Planck التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) البيانات الأكثر اكتمالًا عن CMB ، ووفقًا لهذه الطريقة ، قدم H₀ 67.4 ± 0.5 كم / ثانية / مليون قطعة.

يشير توتر هابل إلى هذا التناقض البالغ 5.6 كم / ثانية / مليون قطعة ، اعتمادًا على ما إذا كانت طريقة CMB (الكون المبكر) أو طريقة سلم المسافة (الكون المتأخر) مستخدمة. المعنى الضمني ، بشرط أن تكون القياسات التي يتم إجراؤها بالطريقتين صحيحة ، هو أن هناك شيئًا خاطئًا في فهم القوانين الفيزيائية الأساسية التي تحكم الكون. بطبيعة الحال ، تؤكد هذه القضية الرئيسية مدى أهمية أن تكون أساليب علماء الفيزياء الفلكية موثوقة.

تعتبر دراسة EPFL الجديدة مهمة للغاية لأنها تقوي الدرجة الأولى من سلم المسافة من خلال تحسين معايرة Cepheids كمتتبع للمسافات. في الواقع ، تسمح لنا المعايرة الجديدة بقياس المسافات الفلكية في حدود ± 0.9٪ ، وهذا يوفر دعمًا قويًا لقياس الكون المتأخر. بالإضافة إلى ذلك ، ساعدت النتائج التي تم الحصول عليها في EPFL ، بالتعاون مع فريق SH0ES ، على تحسين H.₀ القياس ، مما أدى إلى تحسين الدقة وزيادة أهمية توتر هابل.

يقول أندرسون: “تؤكد دراستنا معدل التوسع البالغ 73 كم / ثانية / Mpc ، ولكن الأهم من ذلك أنها توفر أيضًا المعايرات الأكثر دقة وموثوقية للقيفيات كأدوات لقياس المسافات حتى الآن”.

“لقد طورنا طريقة بحثت عن Cepheids التي تنتمي إلى مجموعات النجوم المكونة من عدة مئات من النجوم عن طريق اختبار ما إذا كانت النجوم تتحرك معًا عبر مجرة ​​درب التبانة. وبفضل هذه الحيلة ، يمكننا الاستفادة من أفضل معرفة بقياسات Gaia للمنظر أثناء الاستفادة من الزيادة في الدقة التي توفرها العديد من نجوم أعضاء الكتلة. وقد سمح لنا ذلك بدفع دقة مناظر Gaia إلى أقصى حد لها ويوفر أقوى أساس يمكن أن يرتكز عليه سلم المسافة “.

إعادة التفكير في المفاهيم الأساسية

لماذا يعتبر اختلاف بضعة كيلومترات / ثانية / Mpc مهمًا ، بالنظر إلى النطاق الواسع للكون؟ يقول أندرسون: “هذا التناقض له أهمية كبيرة”.

“لنفترض أنك أردت بناء نفق عن طريق الحفر في وجهين متقابلين من الجبل. إذا كنت قد فهمت نوع الصخرة بشكل صحيح وإذا كانت حساباتك صحيحة ، فإن الفتحتين اللتين تحفرهما ستلتقيان في المركز. لكن إذا لم يفعلوا ذلك ، فهذا يعني أنك ارتكبت خطأ – إما أن حساباتك خاطئة أو أنك مخطئ بشأن نوع الصخرة.

“هذا ما يحدث مع ثابت هابل. وكلما حصلنا على مزيد من التأكيد على دقة حساباتنا ، استنتجنا أن التناقض يعني أن فهمنا للكون خاطئ ، وأن الكون ليس تمامًا كما كنا نعتقد.”

التناقض له العديد من الآثار الأخرى. إنه يدعو إلى التساؤل عن الأساسيات ، مثل الطبيعة الدقيقة للطاقة المظلمة ، والتواصل الزماني ، والجاذبية. يقول أندرسون: “هذا يعني أنه يتعين علينا إعادة التفكير في المفاهيم الأساسية التي تشكل أساس فهمنا العام للفيزياء”.

تقدم دراسة مجموعته البحثية مساهمة مهمة في مجالات أخرى أيضًا. يقول موريسيو كروز رييس ، دكتوراه: “نظرًا لأن قياساتنا دقيقة جدًا ، فإنها تعطينا نظرة ثاقبة حول هندسة مجرة ​​درب التبانة”. طالب في مجموعة أندرسون البحثية والمؤلف الرئيسي للدراسة. “المعايرة عالية الدقة التي طورناها ستتيح لنا تحديد حجم وشكل مجرة ​​درب التبانة بشكل أفضل كمجرة ذات قرص مسطح وبعدها عن المجرات الأخرى ، على سبيل المثال. أكد عملنا أيضًا موثوقية بيانات Gaia من خلال مقارنتها مع تلك المأخوذة من التلسكوبات الأخرى “.