في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدا أن علماء الكونيات قد حلوا اللغز الأكبر والأكثر تعقيدًا على الإطلاق: كيف يعمل الكون.

وقال: "كانت هناك تلك اللحظة المذهلة عندما فجأة، اندمجت جميع قطع علم الكونيات معًا". جيه كولن هيل، عالم الكونيات النظري في جامعة كولومبيا.

وقال هيل إن جميع طرق دراسة الكون - رسم خرائط المجرات وهياكلها الأكبر، والتقاط الانفجارات النجمية الكارثية التي تسمى المستعرات الأعظم، وحساب المسافات إلى النجوم المتغيرة، وقياس التوهج الكوني المتبقي من الكون المبكر - تحكي قصصًا "يبدو أنها متداخلة".

تم اكتشاف الغراء الذي يربط القصص معًا قبل بضع سنوات، في عام 1998: الطاقة المظلمة، وهي قوة غامضة، بدلًا من لصق الكون معًا، تتسبب بطريقة ما في توسعه بسرعة أكبر من أي وقت مضى بدلاً من التباطؤ بمرور الوقت. عندما أدرج العلماء هذا الشيء الكوني في نماذجهم للكون، تشابكت النظريات والملاحظات. لقد صاغوا ما يعرف الآن بالنموذج القياسي لعلم الكون، المسمى Lambda-CDM، حيث تشكل الطاقة المظلمة ما يقرب من 70٪ من الكون، في حين أن كيانًا مظلمًا غامضًا آخر - وهو نوع من الكتلة غير المرئية التي يبدو أنها تتفاعل مع المادة العادية فقط من خلال الجاذبية — يشكل حوالي 25%. أما نسبة الـ 5% المتبقية فهي كل ما يمكننا رؤيته: النجوم والكواكب والمجرات التي درسها علماء الفلك منذ آلاف السنين.

لكن تلك اللحظة من الهدوء لم تكن سوى فترة راحة قصيرة بين أوقات الصراع. ومع قيام علماء الفلك بمراقبة الكون بشكل أكثر دقة عبر الزمن الكوني، بدأت الشقوق في الظهور في النموذج القياسي. بعض العلامات الأولى للمشاكل جاءت من قياسات النجوم المتغيرة و السوبرنوفا في حفنة من المجرات القريبة - الملاحظات التي، عند مقارنتها بالتوهج الكوني المتبقي، تشير إلى أن كوننا يلعب بقواعد مختلفة عما كنا نعتقد، وأن المعلمة الكونية الحاسمة التي تحدد مدى سرعة تفكك الكون تتغير عندما وقياسها بمقاييس مختلفة.

كان لدى علماء الكونيات مشكلة، وهو شيء أسموه التوتر، أو في لحظاتهم الأكثر دراماتيكية، أ أزمة.

أصبحت هذه القياسات المتنافرة أكثر وضوحًا خلال العقد أو نحو ذلك منذ ظهور الشقوق الأولى. وهذا التناقض ليس هو التحدي الوحيد الذي يواجه النموذج القياسي لعلم الكونيات. تشير ملاحظات المجرات إلى الطريقة التي لقد تجمعت الهياكل الكونية معًا بمرور الوقت، قد يختلف فهمنا الأفضل لكيفية نمو الكون اليوم من بذور مدمجة في الكون المبكر. وحتى حالات عدم التطابق الأكثر دقة تأتي من الدراسات التفصيلية لأقدم ضوء في الكون.

وتكثر التناقضات الأخرى. وقال: "هناك العديد من المشاكل الأصغر في أماكن أخرى". إليونورا دي فالنتينو، عالم الكونيات النظري في جامعة شيفيلد. "وهذا هو السبب في أنه محير. لأنها ليست مجرد هذه المشاكل الكبيرة.

ولتخفيف هذه التوترات، يتخذ علماء الكونيات نهجين متكاملين. أولاً، يواصلون إجراء ملاحظات أكثر دقة للكون، على أمل أن تكشف البيانات الأفضل عن أدلة حول كيفية المضي قدمًا. بالإضافة إلى ذلك، فإنهم يجدون طرقًا لتعديل النموذج القياسي بمهارة لاستيعاب النتائج غير المتوقعة. لكن هذه الحلول غالبا ما تكون مفتعلة، وإذا حلت مشكلة واحدة فإنها غالبا ما تجعل المشاكل الأخرى أسوأ.

وقال هيل: "يبدو الوضع الآن وكأنه فوضى كبيرة". "لا أعرف ماذا أفعل به."

ضوء مشوه

لتوصيف كوننا، يستخدم العلماء مجموعة من الأرقام، والتي يسميها علماء الكونيات المعلمات. إن الكيانات المادية التي تشير إليها هذه القيم هي جميعها تروس في آلة كونية عملاقة، كل جزء منها متصل بالآخر.

تتعلق إحدى هذه العوامل بمدى قوة تكتل الكتلة معًا. وهذا بدوره يخبرنا شيئًا عن كيفية عمل الطاقة المظلمة، حيث يتعارض دفعها المتسارع نحو الخارج مع قوة الجذب للكتلة الكونية. لقياس التكتل، يستخدم العلماء متغيرًا يسمى S₈. وأوضح أنه إذا كانت القيمة صفرًا، فلن يكون للكون تنوع ولا بنية سوناو سوجياما، عالم الكونيات الرصدي في جامعة بنسلفانيا. إنها مثل مرج مسطح بلا ملامح، ولا يوجد حتى عش النمل لتقسيم المناظر الطبيعية. لكن اذا S₈ أقرب إلى 1، فإن الكون يشبه سلسلة جبال ضخمة متعرجة، بها كتل ضخمة من المادة الكثيفة تفصلها أودية من العدم. الملاحظات التي قامت بها مركبة بلانك الفضائية للكون المبكر جدًا - حيث ترسخت البذور الأولى للبنية - وجدت قيمة 0.83.

لكن ملاحظات التاريخ الكوني الحديث لا تتفق تمامًا.

ولمقارنة التكتل في الكون اليوم مع قياسات الكون الوليد، يقوم الباحثون بمسح كيفية توزيع المادة على مساحات كبيرة من السماء.

إن حساب المجرات المرئية هو شيء واحد. لكن رسم خريطة للشبكة غير المرئية التي تقع عليها تلك المجرات هو أمر آخر. وللقيام بذلك، ينظر علماء الكونيات إلى التشوهات الصغيرة في ضوء المجرات، لأن المسار الذي يسلكه الضوء أثناء نسجه عبر الكون يكون ملتويًا عندما ينحرف الضوء بسبب ثقل جاذبية المادة غير المرئية.

من خلال دراسة هذه التشوهات (المعروفة باسم عدسة الجاذبية الضعيفة)، يمكن للباحثين تتبع توزيع المادة المظلمة على طول المسارات التي سلكها الضوء. يمكنهم أيضًا تقدير مكان وجود المجرات. ومع توفر هاتين المعلومتين، ينشئ علماء الفلك خرائط ثلاثية الأبعاد لكتلة الكون المرئية وغير المرئية، مما يتيح لهم قياس كيفية تغير مشهد البنية الكونية ونموها بمرور الوقت.

على مدى السنوات القليلة الماضية، قامت ثلاثة مسوحات باستخدام العدسات الضعيفة برسم خرائط لبقع كبيرة من السماء: مسح الطاقة المظلمة (DES)، الذي يستخدم تلسكوبًا في صحراء أتاكاما في تشيلي؛ ومسح الدرجات المئوية (KIDS)، في شيلي أيضًا؛ ومؤخرًا، دراسة استقصائية مدتها خمس سنوات أجرتها كاميرا Hyper Suprime-Cam (HSC) التابعة لتلسكوب سوبارو في هاواي.

قبل بضع سنوات، تم إنتاج استطلاعات DES وKIDS S₈ قيم أقل من قيم بلانك، مما يعني ضمنًا سلاسل جبلية أصغر وقممًا أقل مما أنشأه الحساء الكوني البدائي. لكن تلك كانت مجرد تلميحات مثيرة للعيوب في فهمنا لكيفية نمو الهياكل الكونية وتكتلها. احتاج علماء الكونيات إلى مزيد من البيانات وكانوا ينتظرون بفارغ الصبر نتائج Subaru HSC، التي تم نشرها في سلسلة من خمس أوراق في ديسمبر كانون الاول.

وقام فريق Subaru HSC بمسح عشرات الملايين من المجرات التي تغطي حوالي 416 درجة مربعة في السماء، أو ما يعادل 2,000 قمر كامل. في رقعة السماء الخاصة بهم، قام الفريق بحساب قيمة S₈ بقيمة 0.78، وذلك تماشيًا مع النتائج الأولية من المسوحات السابقة، وأصغر من القيمة المقاسة من ملاحظات تلسكوب بلانك لإشعاع الكون المبكر. يحرص فريق سوبارو على القول بأن قياساتهم "تلمح" فقط إلى وجود توتر، لأنها لم تصل تمامًا إلى مستوى الأهمية الإحصائية التي يعتمد عليها العلماء، على الرغم من أنهم يعملون على إضافة ثلاث سنوات أخرى من الملاحظات إلى بياناتهم.

"اذا هذا S₈ قال سوجياما، الذي قاد أحد تحليلات Subaru HSC: "التوتر حقيقي حقًا، هناك شيء لم نفهمه بعد".

يعكف علماء الكون الآن على دراسة تفاصيل الملاحظات لاكتشاف مصادر عدم اليقين. بالنسبة للمبتدئين، قام فريق سوبارو بتقدير المسافات إلى معظم مجراتهم بناءً على لونها العام، مما قد يؤدي إلى عدم الدقة. قال عضو الفريق: "إذا أخطأت في تقديرات المسافة [المتوسطة]، فستخطئ أيضًا في بعض المعلمات الكونية التي تهمك". راشيل ماندلباوم من جامعة كارنيجي ميلون.

علاوة على ذلك، ليس من السهل إجراء هذه القياسات، مع وجود تعقيدات دقيقة في تفسيرها. وقال إن الفرق بين مظهر المجرة المشوه وشكلها الفعلي - وهو المفتاح لتحديد الكتلة غير المرئية - غالبًا ما يكون صغيرًا جدًا. ديانا سكوجناميجليو من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي عدم وضوح الغلاف الجوي للأرض إلى تغيير شكل المجرة قليلاً، وهذا أحد الأسباب التي دفعت سكوجناميجليو إلى إجراء تحليل للعدسة الضعيفة باستخدام تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا.

ومما يزيد من الارتباك العلماء مع فرق DES و KIDS إعادة تحليل قياساتها مؤخرا معا ومشتقة S₈ القيمة أقرب إلى نتائج بلانك.

لذا فإن الصورة فوضوية في الوقت الحالي. وبعض علماء الكونيات ليسوا مقتنعين بعد بوجود هذه الاختلافات S₈ القياسات في التوتر. وقال هيل: "لا أعتقد أن هناك إشارة واضحة إلى فشل كارثي كبير هناك". لكنه أضاف: "ليس من المستبعد أن يكون هناك شيء مثير للاهتمام يحدث".

حيث الشقوق واضحة

منذ اثنتي عشرة سنة مضت، رأى العلماء أولى التلميحات لوجود مشكلة في قياسات معلمة كونية أخرى. لكن الأمر استغرق سنوات لتجميع ما يكفي من البيانات لإقناع معظم علماء الكونيات بأنهم يتعاملون مع أزمة شاملة.

باختصار، قياسات مدى سرعة توسع الكون اليوم - المعروفة باسم ثابت هابل - لا تتطابق مع القيمة التي تحصل عليها عند الاستقراء من الكون المبكر. أصبح اللغز معروفًا باسم توتر هابل.

لحساب ثابت هابل، يحتاج علماء الفلك إلى معرفة مدى بعد الأشياء. وفي الكون القريب، يقيس العلماء المسافات باستخدام نجوم تسمى المتغيرات القيفاوية التي يتغير سطوعها بشكل دوري. هناك علاقة معروفة بين مدى سرعة تأرجح أحد هذه النجوم من الأكثر سطوعًا إلى الأضعف ومقدار الطاقة التي يشعها. هذه العلاقة، التي تم اكتشافها في أوائل القرن العشرين، تسمح لعلماء الفلك بحساب السطوع الجوهري للنجم، ومن خلال مقارنة ذلك بمدى سطوعه، يمكنهم حساب المسافة التي يفصلها.

وباستخدام هذه النجوم المتغيرة، يستطيع العلماء قياس المسافات إلى المجرات التي تصل إلى حوالي 100 مليون سنة ضوئية منا. ولكن لرؤية مسافة أبعد قليلًا، ورجوعًا قليلًا بالزمن إلى الوراء، يستخدمون علامة ميل أكثر سطوعًا - وهو نوع محدد من الانفجارات النجمية يسمى المستعر الأعظم من النوع Ia. يمكن لعلماء الفلك أيضًا حساب السطوع الجوهري لهذه "الشموع القياسية"، مما يسمح لهم بقياس المسافات إلى المجرات التي تبعد مليارات السنين الضوئية.

على مدى العقدين الماضيين، ساعدت هذه الملاحظات علماء الفلك على تحديد قيمة لمدى سرعة تمدد الكون القريب: ما يقرب من 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي، مما يعني أنه عندما تنظر بعيدًا، فإن كل ميجا فرسخ فلكي (أو 3.26 مليون سنة ضوئية) ) من المسافة، يطير الفضاء بسرعة أكبر بمقدار 73 كيلومترًا في الثانية.

لكن هذه القيمة تتعارض مع قيمة مشتقة من حاكم آخر متجذر في الكون الوليد.

في البداية، كان الكون يحرق البلازما، وهي عبارة عن حساء من الجسيمات الأساسية والطاقة. قال: "لقد كانت فوضى عارمة". فيفيان بولين ديتول، عالم الكونيات في جامعة مونبلييه.

بعد جزء من الثانية من التاريخ الكوني، أدت بعض الأحداث، ربما فترة من التسارع الشديد المعروف باسم التضخم، إلى إرسال هزات - موجات ضغط - عبر البلازما الغامضة.

ثم، عندما برد الكون، تحرر الضوء الذي كان محاصرًا في ضباب البلازما العنصري أخيرًا. وقال بولان ديتول إن هذا الضوء - إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، أو CMB - يكشف عن موجات الضغط المبكرة، تمامًا كما يتشبث سطح البحيرة المتجمدة بالقمم المتداخلة للأمواج المتجمدة بمرور الوقت.

قام علماء الكون بقياس الطول الموجي الأكثر شيوعًا لموجات الضغط المتجمدة واستخدموه لحساب قيمة ثابت هابل 67.6 كم / ثانية / مليون قطعةمع عدم اليقين أقل من 1٪.

وقد أشعلت القيم المتنافرة بشكل غريب - حوالي 67 مقابل 73 - نقاشًا حادًا في علم الكونيات لا يزال دون حل.

يتجه علماء الفلك إلى علامات الميل الكوني المستقلة. على مدى السنوات الست الماضية، ويندي فريمان من جامعة شيكاغو (الذي عمل على ثابت هابل لمدة ربع قرن) ركز على نوع من النجوم الحمراء القديمة التي تعيش عادة في الأجزاء الخارجية من المجرات. في الخارج، يمكن لعدد أقل من النجوم الساطعة المتداخلة وقليل من الغبار أن يؤدي إلى قياسات أكثر وضوحًا. وباستخدام تلك النجوم، قامت فريدمان وزملاؤها بقياس معدل تمدد يبلغ حوالي 70 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ فلكي، "وهو في الواقع يتوافق جيدًا مع النجوم القيفاوية"، على حد قولها. "لكنه أيضًا يتوافق جيدًا مع خلفية الميكروويف."

لقد لجأت الآن إلى عين الأشعة تحت الحمراء القوية في تلسكوب جيمس ويب الفضائي للتعامل مع المشكلة. تقوم مع زملائها بقياس المسافات إلى هذه النجوم الحمراء العملاقة في 11 مجرة ​​قريبة بينما تقيس في نفس الوقت المسافات إلى النجوم القيفاوية ونوع من نجوم الكربون النابضة في تلك المجرات نفسها. ويتوقعون نشر النتائج في وقت ما من هذا الربيع، ولكن بالفعل، كما قالت، "تبدو البيانات مذهلة حقًا".

وقال هيل، الذي يعمل على فهم نماذج الكون: "أنا مهتم جدًا برؤية ما وجدوه". هل ستؤدي هذه الملاحظات الجديدة إلى توسيع الشقوق في النموذج المفضل لعلم الكونيات؟

نموذج جديد؟

ومع استمرار عمليات الرصد في تقييد هذه المعلمات الكونية الحاسمة، يحاول العلماء ملاءمة البيانات مع أفضل نماذجهم لكيفية عمل الكون. ربما تحل القياسات الأكثر دقة مشاكلهم، أو ربما تكون التوترات مجرد قطعة أثرية لشيء عادي، مثل المراوغات في الأدوات المستخدمة.

أو ربما تكون النماذج خاطئة، وستكون هناك حاجة لأفكار جديدة - "فيزياء جديدة".

قال هيل: "إما أننا لم نكن أذكياء بما فيه الكفاية للتوصل إلى نموذج يناسب كل شيء بالفعل"، أو "قد يكون هناك، في الواقع، أجزاء متعددة من الفيزياء الجديدة قيد التنفيذ".

ماذا يمكن أن يكونوا؟ ربما يكون هناك مجال قوة أساسي جديد، كما قال هيل، أو التفاعلات بين جسيمات المادة المظلمة التي لم نفهمها بعد، أو المكونات الجديدة التي لم تشكل بعد جزءًا من وصفنا للكون.

تعمل بعض النماذج الفيزيائية الجديدة على تعديل الطاقة المظلمة، مما يضيف موجة من التسارع الكوني في اللحظات الأولى من نشوء الكون، قبل أن تتكتل الإلكترونات والبروتونات فوق بعضها البعض. وقال: "إذا كان من الممكن زيادة معدل التوسع بطريقة أو بأخرى، فقط قليلا لفترة قصيرة في الكون المبكر". مارك كاميونكوفسكيعالم الكونيات في جامعة جونز هوبكنز، "يمكنك حل توتر هابل".

اقترح كاميونكوفسكي وأحد طلابه في الدراسات العليا الفكرة في عام 2016، وبعد عامين قاموا بذلك أوجز بعض التوقيعات يجب أن يكون تلسكوب الخلفية الكونية الميكروية عالي الدقة قادرًا على رؤيته. وقد رأى تلسكوب أتاكاما لعلم الكونيات، الموجود على جبل في تشيلي، بعضًا من تلك الإشارات. ولكن منذ ذلك الحين، أظهر علماء آخرون أن هذا النموذج يخلق المشاكل مع قياسات كونية أخرى.

وقال إن هذا النوع من النماذج المضبوطة بدقة، حيث يرتفع نوع إضافي من الطاقة المظلمة للحظة ثم يتلاشى، معقد للغاية بحيث لا يمكن تفسير ما يحدث. دراغان هوتيرر، عالم الكونيات النظري في جامعة ميشيغان. وتميل الحلول الأخرى المقترحة لتوتر هابل إلى مطابقة الملاحظات بشكل أكثر سوءًا. وقال إنها "مضبوطة بشكل ميؤوس منه"، مثل القصص المحددة جدًا بحيث لا تتماشى مع الفكرة السائدة منذ فترة طويلة والتي تقول إن النظريات الأبسط تميل إلى الفوز على النظريات المعقدة.

البيانات القادمة في العام المقبل قد تساعد. أولاً، ستكون النتائج التي توصل إليها فريق فريدمان تبحث في تحقيقات مختلفة لمعدل التوسع القريب. ثم في أبريل، سيكشف الباحثون عن البيانات الأولى من أكبر مسح للسماء الكونية حتى الآن، وهو أداة تحليل الطاقة المظلمة. في وقت لاحق من هذا العام، من المرجح أن يقوم فريق تلسكوب أتاكاما لعلم الكونيات - والباحثون الذين يصنعون خريطة خلفية بدائية أخرى باستخدام تلسكوب القطب الجنوبي - بإصدار نتائجهم التفصيلية لخلفية الموجات الميكروية بدقة أعلى. وسوف تأتي عمليات الرصد في الأفق البعيد من تلسكوب إقليدس التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، وهو التلسكوب الفضائي الذي أُطلق في يوليو/تموز، ومرصد فيرا سي روبين، وهو عبارة عن آلة لرسم خرائط السماء بالكامل يجري بناؤها في تشيلي، ومن المقرر أن تعمل بكامل طاقتها في عام 2025.

قد يكون عمر الكون 13.8 مليار سنة، لكن سعينا لفهمه وفهم مكاننا فيه لا يزال في بداياته. كل شيء في علم الكونيات كان متوافقًا مع بعضها البعض قبل 15 عامًا فقط، في فترة قصيرة من الهدوء تحولت إلى سراب. لقد انقسمت الشقوق التي ظهرت قبل عقد من الزمن على مصراعيها، مما أدى إلى حدوث انقسامات أكبر في النموذج المفضل لعلم الكونيات.

وقال دي فالنتينو: "الآن، تغير كل شيء".

ملاحظة المحرر: تلقى العديد من العلماء المذكورين في هذه المقالة تمويلًا من مؤسسة سايمونز، التي تمول هذه المجلة المستقلة تحريريًا أيضًا. لا تؤثر قرارات تمويل مؤسسة Simons على تغطيتنا. مزيد من التفاصيل متوفرة هنا.