ربما وجدنا الحل لأكبر أزمة في علم الكونيات!

حل مشكلة توتر هابل

ربما وجدنا حل لمشكلة توتر هابل، ويرجع الفضل في ذلك كله إلى تلسكوب جيمس ويب الفضائي. لعقود من الزمن، كان العلماء يتصارعون مع “توتر هابل” (the Hubble tension)، وهو تناقض في قياسات معدل توسع الكون. حيث أدت الأساليب المختلفة إلى نتائج متضاربة. ومع ذلك، تشير القياسات الجديدة التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي إلى أن الكون يتوسع بمعدل حوالي 70 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي، وهو ما قد يحل هذه المشكلة طويلة الأمد.

واستخدم الباحثون الذين أجروا الدراسة، بقيادة عالمة الفلك ويندي فريدمان من جامعة شيكاغو، ثلاثة أنواع مختلفة من النجوم لإجراء قياساتهم، ولكل منها خصائصه الفريدة. ومن خلال التحقق من نتائجهم، تمكنوا من الحصول على قياس مستقل لثابت هابل (the Hubble constant)، وهي قيمة حاسمة تصف المعدل الذي يتوسع به الكون. تشير نتائج الدراسة، التي تم تقديمها إلى مجلة الفيزياء الفلكية والمتاحة على موقع (arXiv)، إلى أن النموذج الكوني القياسي صامد، وأن التناقض بين القياسات قد يكون بسبب الاختلافات بين مختلف العناصر القابلة للرصد وليس الحاجة إلى فيزياء جديدة. في حين أن هذا تطور مثير، فمن الضروري ملاحظة أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتأكيد هذه النتائج واستبعاد الأخطاء المنهجية

محتويات المقال :

فهم ثابت هابل

أنت تحاول قياس سرعة قطار جامح، ولكنك تحصل على إجابات مختلفة في كل مرة تسأل فيها شخصًا ما. هذا هو الوضع الذي يواجهه علماء الكونيات تقريبًا عندما يتعلق الأمر بسرعة توسع الكون، والمعروفة باسم ثابت هابل. منذ ما يقرب من قرن من الزمان، ظل العلماء في حيرة بشأن التناقض بين قياسات هذا الثابت. وتنشأ هذه المشكلة لأن طرق الحساب المختلفة تنتج قيمًا مختلفة لثابت هابل، وهو جانب أساسي من فهمنا لتطور الكون.

لفهم أهمية هذا اللغز، دعونا ننظر في الطريقتين الرئيسيتين لقياس ثابت هابل. تعتمد إحدى الطرق على مراقبة إشعاع الأمواج الصغرية للخلفية الكونية (CMB)، وهو الإشعاع المتبقي من الضوء الأول الذي تدفق عبر الكون. والتذبذبات الصوتية الباريونية (baryon acoustic oscillations)، وهي أنماط في انتشار المجرات البعيدة تتوافق مع الموجات التي انتشرت ذات يوم عبر الكون المبكر. توفر هذه “المساطر القياسية” (standard rulers) لمحة سريعة عن الكون المبكر، مما يسمح للباحثين بحساب معدل التوسع بدقة، هذا ينتج عنه قيمة تبلغ حوالي 67.4 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي.

أما الطريقة الأخرى، والتي تستخدم “الشموع القياسية” (standard candles)، فتتضمن مراقبة سطوع النجوم والمستعرات العظمى في المجرات القريبة. تعمل هذه الأجرام السماوية كمنارات، مما يمكّن العلماء من قياس المسافات وحساب معدل التوسع، مما يؤدي إلى قيمة تبلغ حوالي 74 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي. وقد أثارت الفجوة بين هاتين القيمتين جدلاً وأبحاثًا مكثفة، حيث اقترح البعض أن فهمنا للفيزياء قد يحتاج إلى إصلاح كبير.

تاريخ موجز لثابت هابل

يتمتع ثابت هابل بتاريخ غني يمتد لما يقرب من قرن من الزمان. في عشرينيات القرن العشرين، حقق إدوين هابل، عالم الفلك الرائد، اكتشافًا رائدًا غيّر فهمنا للكون. ولاحظ أن الضوء القادم من المجرات البعيدة ينزاح نحو الطرف الأحمر من الطيف، وهي ظاهرة تعرف باسم الانزياح نحو الأحمر (Redshift). أدرك هابل أن هذا الانزياح نحو الأحمر لم يكن بسبب حركة المجرات نفسها، بل بسبب توسع الكون ككل.

ويُعد ثابت هابل، الذي يُشار إليه بالرمز (H₀)، مقياسًا لمعدل التوسع هذا. وهو يمثل مدى سرعة تحرك المجرات بعيدًا عن بعضها البعض لكل وحدة مسافة. تم تسمية الثابت على اسم إدوين هابل، الذي قدّر قيمته لأول مرة بنحو 500 كيلومتر في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي. ومع ذلك، كشفت القياسات اللاحقة أن هذه القيمة كانت مرتفعة للغاية. وعلى مر السنين، قام العلماء بتحسين أساليبهم لقياس ثابت هابل، وذلك باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات والملاحظات.

القياس الرائد الذي أجراه تلسكوب جيمس ويب الفضائي

أجرى تلسكوب جيمس ويب الفضائي قياسًا رائدًا يمكننا من حل مشكلة توتر هابل التي طال أمدها. باستخدام ثلاثة أنواع مختلفة من النجوم، حصل الفريق بقيادة عالمة الفلك ويندي فريدمان من جامعة شيكاغو على قياس لثابت هابل الذي يقع ضمن أعمدة الخطأ (تمثيلات بيانية لاختلافية البيانات وتُستخدم للإشارة إلى الخطأ أو عدم اليقين في القياسات المقررة) (Error bar) لكل من المساطر القياسية والشموع القياسية. يُعد هذا القياس الجديد مهمًا لأنه يوفر التحقق المستقل من معدل توسع الكون، دون الاعتماد على الشموع القياسية التقليدية.

أحد أنواع النجوم المستخدمة في هذه الدراسة هو نجم العملاق الاحمر (TRGB) (نجم عملاق مضيء يبلغ نصف قطره أكبر 15 إلى 45 مرة من نصف قطر الشمس، ويعادل إضاءته نحو مائة مرة أو أكثر إضاءةً مقارنة بإضاءة الشمس). وتتميز هذه النجوم بأنها تصل إلى حجم وسطوع موحد، مما يجعلها أداة دقيقة لقياس المسافات.

كما استخدموا تلسكوب جيمس ويب الفضائي لقياس النجوم القيفاوية المتغيرة (أحد النّجوم النّابضة وأشهرها على الإطلاق) (Cepheid variable stars) ونوع جديد من الشموع القياسية المعتمدة على نوع من النجوم العملاقة الغنية بالكربون. حيث تتمتع هذه النجوم بسطوع ثابت، مما يجعلها مثالية لقياس المسافات.

ومن خلال قياس المسافات إلى الأنواع الثلاثة من النجوم بشكل مستقل، حصل الباحثون على ثروة من البيانات التي يمكنهم استخدامها للتحقق من الأخطاء المنهجية. بالنسبة لنجوم (TRGB)، حصل الباحثون على قيمة 69.85 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي. وبالنسبة للنجوم الكربونية، حصلوا على 67.96. وكانت المتغيرات القيفاوية شاذة بعض الشيء، عند 72.05، لكن أعمدة الخطأ لجميع النجوم الثلاثة تتداخل.

يعد الحصول على نتائج متسقة من ثلاثة أنواع مختلفة من النجوم مؤشرًا قويًا على أن الفريق يسير على الطريق الصحيح. وتشير القياسات الجديدة إلى أن الكون يتوسع بمعدل حوالي 70 كيلومترًا في الثانية لكل مليون فرسخ فلكي، مما قد يؤدي أخيرًا إلى حل توتر هابل.

الآثار المترتبة على حل مشكلة توتر هابل

يمثل الحل المحتمل لتوتر هابل علامة بارزة في السعي لفهم توسع الكون. إذا تم تأكيد هذا الاكتشاف، فإنه يمكن أن يبشر بعصر جديد من علم الكونيات، حيث يمكن للعلماء تحسين فهمهم لتطور الكون بدقة غير مسبوقة. وتمتد الآثار المترتبة على هذا الاكتشاف إلى ما هو أبعد من عالم علم الكونيات، مع تأثيرات محتملة على حياتنا اليومية.

على سبيل المثال، الفهم الدقيق لثابت هابل يمكن أن يؤدي إلى تطور في مجالات مثل تكنولوجيا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، حيث تعد القياسات الدقيقة للمسافة أمرًا بالغ الأهمية. علاوة على ذلك، فإن الفهم الدقيق لتوسع الكون يمكن أن يسلط الضوء على الطبيعة الغامضة للطاقة المظلمة، وهي ظاهرة يعتقد أنها مسؤولة عن تسارع توسع الكون.

علاوة على ذلك، يمكن لهذا الاكتشاف أن يلهم أجيالًا جديدة من العلماء والمهندسين لاستكشاف المساحة الشاسعة للكون، مما يدفع الابتكار ويعزز فهمنا للكون. وبينما نتخطى حدود المعرفة الإنسانية، قد نكشف أسرارًا جديدة للكون، مما يؤدي في النهاية إلى تقدير أعمق للرقص المعقد للأجرام السماوية التي تحكم وجودنا.