استنتج الفيزيائيون تلميحات خفية مفادها أن الطاقة "المظلمة" الغامضة التي تدفع الكون إلى التوسع بشكل أسرع وأسرع قد تضعف قليلاً مع مرور الوقت. إنه اكتشاف لديه القدرة على زعزعة أسس الفيزياء.

وقال: "إذا كان هذا صحيحا، فسيكون أول دليل حقيقي حصلنا عليه حول طبيعة الطاقة المظلمة منذ 25 عاما". آدم ريس، عالم فيزياء فلكية بجامعة جونز هوبكنز، حصل على جائزة نوبل لمشاركته في اكتشاف الطاقة المظلمة عام 1998.

تأتي الملاحظات الجديدة من فريق أداة تحليل الطاقة المظلمة (DESI)، الذي كشف اليوم عن خريطة للكون ذات نطاق غير مسبوق، إلى جانب مجموعة كبيرة من القياسات المستمدة من الخريطة. بالنسبة للعديد من الباحثين، فإن الحدث الأبرز هو مؤامرة توضح أن ثلاث مجموعات مختلفة من الملاحظات تشير جميعها إلى أن تأثير الطاقة المظلمة ربما تآكل على مر العصور.

وقال: "من الممكن أن نرى تلميحات عن تطور الطاقة المظلمة". ديلون بروت من جامعة بوسطن، عضو في فريق DESI.

يؤكد الباحثون داخل وخارج التعاون على أن الأدلة ليست قوية بما يكفي للادعاء بالاكتشاف. تفضل الملاحظات تآكل الطاقة المظلمة بنوع من الأهمية الإحصائية المتوسطة التي يمكن أن تختفي بسهولة مع بيانات إضافية. لكن الباحثين لاحظوا أيضًا أن ثلاث مجموعات مختلفة من الملاحظات تشير جميعها إلى نفس الاتجاه المثير للاهتمام، وهو ما يتعارض مع الصورة القياسية للطاقة المظلمة باعتبارها الطاقة الجوهرية للفراغ في الفضاء - الكمية التي أطلق عليها ألبرت أينشتاين اسم "الثابت الكوني". بسبب طبيعتها غير المتغيرة.

قال: "إنه أمر مثير". سيش ناداثور، عالم الكونيات في جامعة بورتسموث والذي عمل على تحليل DESI. "إذا لم تكن الطاقة المظلمة ثابتة كونية، فسيكون هذا اكتشافًا ضخمًا."

صعود الثابت الكوني

في عام 1998، استخدمت مجموعة ريس، إلى جانب فريق آخر من علماء الفلك بقيادة شاول بيرلماتر، ضوء العشرات من النجوم البعيدة المحتضرة التي تسمى المستعرات الأعظم، لإلقاء الضوء على بنية الكون. واكتشفوا أن توسع الكون ينمو بشكل أسرع مع تقدم العمر.

وفقا للنظرية النسبية العامة لأينشتاين، فإن أي مادة أو طاقة يمكن أن تدفع التوسع الكوني. ولكن مع توسع الفضاء، تصبح جميع أنواع المادة والطاقة المألوفة أقل كثافة مع انتشارها في كون أكثر اتساعًا. ومع انخفاض كثافتها، ينبغي أن يتباطأ توسع الكون، لا أن يتسارع.

ومع ذلك، فإن إحدى المواد التي لا تضعف مع توسع الفضاء هي الفضاء نفسه. إذا كان للفراغ طاقة خاصة به، فمع خلق المزيد من الفراغ (وبالتالي المزيد من الطاقة)، ​​فإن التوسع سوف يتسارع، تمامًا كما لاحظ فريق ريس وبيرلماتر. كشف اكتشافهم للتوسع المتسارع للكون عن وجود كمية ضئيلة من الطاقة المرتبطة بفراغ الفضاء - الطاقة المظلمة.

ومن الملائم أن أينشتاين قد فكر في مثل هذا الاحتمال أثناء تطوير النسبية العامة. ولإيقاف تخفيف المادة من انهيار الكون، تخيل أن الفضاء بأكمله قد يكون مشحونًا بكمية ثابتة من الطاقة الإضافية، ممثلة بالرمز Λ، المسمى لامدا، ويشار إليه بالثابت الكوني. تبين أن حدس أينشتاين معطل، لأن الكون غير متوازن بالطريقة التي تخيلها. ولكن بعد اكتشاف عام 1998 أن الفضاء يبدو أنه يدفع كل شيء إلى الخارج، عاد الثابت الكوني واحتل مكانه في قلب النموذج القياسي الحالي لعلم الكونيات، وهو مجموعة من المكونات المتشابكة تسمى "نموذج Lambda CDM".

"انه سهل. إنه رقم واحد. لديها بعض القصة التي يمكنك إرفاقها بها. وقال: "لهذا السبب يعتقد أنه ثابت". ليسيا فيردي، عالم كونيات نظري وعضو في تعاون DESI.

والآن، ربما يكون جيل جديد من علماء الكونيات الذين يستخدمون جيلًا جديدًا من التلسكوبات قد التقطوا الهمسات الأولى لقصة أكثر ثراءً.

رسم خرائط السماوات

يقع أحد تلك التلسكوبات على قمة كيت في ولاية أريزونا. قام فريق DESI بتجهيز مرآة التلسكوب التي يبلغ طولها أربعة أمتار بـ 5,000 من الألياف الآلية التي تدور تلقائيًا نحو أهدافها السماوية. تتيح الأتمتة جمع البيانات بسرعة البرق مقارنة بمسح المجرة الرئيسية السابق، وهو مسح سلون الرقمي للسماء (SDSS)، والذي اعتمد على ألياف مماثلة كان لا بد من توصيلها بألواح معدنية منقوشة يدويًا. في إحدى الليالي التي تم فيها تسجيل الأرقام القياسية مؤخرًا، تمكن DESI من تسجيل مواقع ما يقرب من 200,000 مجرة.

ومن مايو 2021 إلى يونيو 2022، ابتلعت الألياف الروبوتية الفوتونات الواصلة إلى الأرض من عصور مختلفة من التاريخ الكوني. ومنذ ذلك الحين، قام باحثو DESI بتحويل تلك البيانات إلى الخريطة الكونية الأكثر تفصيلاً على الإطلاق. وهو يعرض المواقع الدقيقة لحوالي 6 ملايين مجرة ​​كما كانت موجودة منذ ما يقرب من 2 إلى 12 مليار سنة (من تاريخ الكون البالغ 13.8 مليار سنة). قال ريس: "إن DESI هي تجربة رائعة حقًا لإنتاج بيانات هائلة".

يكمن سر دقة رسم الخرائط في DESI في قدرته على جمع أطياف المجرات، وهي مخططات غنية بالبيانات تسجل شدة كل لون من الضوء. يكشف الطيف عن مدى سرعة ابتعاد المجرة عنا، وبالتالي في أي عصر من التاريخ الكوني الذي نراها فيه (كلما زادت سرعة تراجع المجرة، أصبحت أقدم). يتيح لك ذلك تحديد موقع المجرات بالنسبة لبعضها البعض، ولكن لمعايرة الخريطة بالمسافات الصحيحة بالنسبة إلى الأرض - وهي معلومات أساسية لإعادة بناء التاريخ الكوني بالكامل - فأنت بحاجة إلى شيء آخر.

بالنسبة لتعاون DESI، كان هذا الشيء عبارة عن خليط من تموجات الكثافة المتجمدة التي خلفتها الكون المبكر. خلال أول مائتي ألف سنة بعد الانفجار الكبير، كان الكون عبارة عن حساء ساخن وسميك من المادة والضوء في الغالب. سحبت الجاذبية المادة إلى الداخل بينما دفعها الضوء إلى الخارج، وأدى الصراع إلى انتشار تموجات الكثافة إلى الخارج من مجموعة صغيرة من البقع الكثيفة الأولية في الحساء. وبعد أن برد الكون وتشكلت الذرات، أصبح شفافاً. يتدفق الضوء إلى الخارج، تاركًا التموجات - التي تسمى التذبذبات الصوتية الباريونية (BAOs) - مجمدة في مكانها.

وكانت النتيجة النهائية عبارة عن سلسلة من المجالات المتداخلة ذات الأصداف الأكثر كثافة قليلًا، والتي يبلغ قطرها حوالي مليار سنة ضوئية، وهي المسافة التي كان لدى الكائنات BAO الوقت الكافي لقطعها قبل التجمد. استمرت هذه الأصداف الكثيفة في تشكيل مجرات أكثر بقليل من المواقع الأخرى، وعندما قام باحثو DESI برسم خريطة لملايين المجرات، يمكنهم اكتشاف آثار هذه المجالات. تبدو المجالات الأقرب أكبر من تلك البعيدة، ولكن بما أن الباحثين في DESI يعرفون أن المجالات كلها بنفس الحجم، فيمكنهم معرفة مدى بعد المجرات عن الأرض وتغيير حجم الخريطة وفقًا لذلك.

ولتجنب التأثير دون وعي على نتائجهم، أجرى الباحثون تحليلًا "أعمى"، باستخدام قياسات تم خلطها بشكل عشوائي لإخفاء أي أنماط فيزيائية. ثم اجتمع فريق التعاون في هاواي في ديسمبر الماضي لتحليل النتائج ومعرفة نوع الخريطة التي لاحظتها ألياف كيت بيك الآلية.

وشعر ناداثور، الذي كان يشاهد البث المباشر عبر تطبيق Zoom من منزله في المملكة المتحدة، بالإثارة عندما تم الكشف عن الخريطة، لأنها بدت غريبة بعض الشيء. وقال ناداثور: "إذا كان لديك ما يكفي من الخبرة مع بيانات BAO، فيمكنك أن ترى أنه ستكون هناك حاجة إلى شيء مختلف قليلاً عن النموذج القياسي". "كنت أعلم أن Lambda CDM لم تكن الصورة الكاملة تمامًا."

خلال الأسبوع التالي، أثناء قيام الباحثين بتمشيط مجموعة البيانات الجديدة، وتحليلها ومزجها مع مجموعات البيانات الكونية الكبيرة الأخرى، اكتشفوا مصدر الغرابة وتبادلوا موجة من رسائل Slack.

"نشر أحد زملائي مخططًا يوضح قيد الطاقة المظلمة ولم يكتب أي كلمات. قال ناداثور: “فقط الحبكة والرمز التعبيري للرأس المنفجر”.

بيانات الأيام

يهدف DESI إلى تحديد كيفية توسع الكون مع مرور الوقت من خلال مراقبة أنواع مختلفة من المجرات كما ظهرت خلال سبع حقب من التاريخ الكوني. ثم يرون مدى توافق هذه اللقطات السبع مع التطور الذي تنبأ به نظام Lambda CDM. كما أنهم يأخذون في الاعتبار مدى نجاح النظريات الأخرى، مثل النظريات التي تسمح للطاقة المظلمة بالتنوع بين اللقطات.

مع السنة الأولى من بيانات DESI وحدها، تناسب Lambda CDM اللقطات تقريبًا بالإضافة إلى نموذج المادة المظلمة المتغير. فقط عندما يجمع التعاون بين خريطة DESI واللقطات الأخرى - الضوء المعروف باسم الخلفية الكونية الميكروية وسلسلة من ثلاث خرائط المستعرات الأعظم الحديثة - تبدأ النظريتان في الابتعاد عن بعضهما البعض.

ووجدوا أن النتائج تختلف عن توقعات Lambda CDM بمقدار 2.5، أو 3.5، أو 3.9 "سيجما"، اعتمادًا على أي من كتالوجات المستعرات الأعظم الثلاثة التي تم تضمينها. تخيل أنك تقلب عملة معدنية 100 مرة. التنبؤ بالعملة العادلة هو 50 صورة و50 كتابة. إذا حصلت على 60 رأسًا، فهذا يبعد 1 سيجما عن المتوسط؛ احتمالات حدوث ذلك عن طريق الصدفة (على عكس العملة التي يتم تزويرها) هي 20 في 75. إذا حصلت على 1 صورة - والتي لديها فرصة 2 في XNUMX مليون لحدوثها بشكل عشوائي - فهذه نتيجة خمسة سيجما، المعيار الذهبي للمطالبة باكتشاف في الفيزياء. تقع قيم سيجما التي تم الحصول عليها من DESI في مكان ما بينهما؛ يمكن أن تكون تقلبات إحصائية نادرة أو دليل حقيقي على أن الطاقة المظلمة تتغير.

وبينما يجد الباحثون أن هذه الأرقام محيرة، إلا أنهم يحذرون أيضًا من المبالغة في المبالغة في القيم الأعلى. الكون أكثر تعقيدًا بكثير من العملة المعدنية، وتعتمد الدلالات الإحصائية على افتراضات دقيقة في تحليل البيانات.

السبب الأقوى للحماس هو حقيقة أن جميع كتالوجات المستعرات الأعظم الثلاثة - والتي تشمل مجموعات مستقلة إلى حد ما من المستعرات الأعظم - تشير إلى أن الطاقة المظلمة تختلف بنفس الطريقة: قوتها تتضاءل، أو كما يقول علماء الكونيات، "تذوب". وقال بروت: "عندما نستبدل كل مجموعات البيانات التكميلية هذه، فإنها تميل جميعها إلى التقارب على هذا الرقم السلبي قليلاً". إذا كان التناقض عشوائيًا، فمن المرجح أن تشير مجموعات البيانات إلى اتجاهات مختلفة.

جوشوا فريمانقال عالم الكونيات في جامعة شيكاغو وعضو في تعاون DESI الذي لم يعمل على تحليل البيانات، إنه سيكون سعيدًا برؤية Lambda CDM تنهار. بصفته مُنظرًا، اقترح نظريات ذوبان الطاقة المظلمة في التسعينيات، وشارك مؤخرًا في تأسيس مشروع مسح الطاقة المظلمة - وهو مشروع بحث عن الانحرافات عن النموذج القياسي من عام 1990 إلى عام 2013 وأنشأ أحد كتالوجات المستعرات الأعظم الثلاثة DESI. مستخدم. لكنه يتذكر أيضًا أنه تأثر باختفاء الشذوذات الكونية في الماضي. قال فريمان مازحاً: "رد فعلي على هذا هو أن أكون مفتوناً"، ولكن "إلى أن تصبح الأخطاء أقل، لن أكتب خطاب قبولي لجائزة نوبل".

وقال بروت عن التناقض مع نموذج Lambda CDM: "من الناحية الإحصائية، يمكن أن يختفي". "نحن الآن نبذل قصارى جهدنا لمعرفة ما إذا كان الأمر كذلك."

بعد اختتام عامهم الثالث من الملاحظات في وقت سابق من هذا الأسبوع، يتوقع باحثو DESI أن تحتوي خريطتهم التالية على ما يقرب من ضعف عدد المجرات التي تم الكشف عنها في الخريطة اليوم. والآن بعد أن أصبح لديهم المزيد من الخبرة في إجراء تحليل BAO، فإنهم يخططون لإصدار خريطة الثلاث سنوات المحدثة بسرعة. وتأتي بعد ذلك خريطة خمسية لـ 40 مليون مجرة.

بالإضافة إلى DESI، سيتم إطلاق عدد كبير من الأدوات الجديدة في السنوات القادمة، بما في ذلك مرصد فيرا روبين الذي يبلغ قطره 8.4 متر في تشيلي، وتلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي التابع لناسا، ومهمة إقليدس التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية.

وقال فريمان: "لقد حققت بياناتنا في علم الكونيات قفزات هائلة على مدى السنوات الـ 25 الماضية، وهي على وشك تحقيق قفزات أكبر".

وبينما يقومون بجمع ملاحظات جديدة، قد يستمر الباحثون في اكتشاف أن الطاقة المظلمة تبدو ثابتة كما كانت على مدى جيل. أو، إذا استمر الاتجاه في الاتجاه الذي تقترحه نتائج DESI، فقد يغير كل شيء.

فيزياء جديدة

إذا كانت الطاقة المظلمة تضعف، فلا يمكن أن تكون ثابتة كونية. وبدلاً من ذلك، قد يكون هو نفس النوع من المجال الذي يعتقد العديد من علماء الكونيات أنه أشعل لحظة من التوسع الأسي أثناء ولادة الكون. يمكن لهذا النوع من "المجال العددي" أن يملأ الفضاء بكمية من الطاقة تبدو ثابتة في البداية - مثل الثابت الكوني - ولكنها تبدأ في النهاية في الانزلاق بمرور الوقت.

وقال: "إن فكرة تغير الطاقة المظلمة أمر طبيعي للغاية". بول شتاينهاردت، عالم الكونيات في جامعة برينستون. وتابع قائلاً: "وإلا فإن ذلك سيكون الشكل الوحيد للطاقة الذي نعرفه والذي هو ثابت تمامًا في المكان والزمان".

لكن هذا التباين من شأنه أن يؤدي إلى تحول جذري في النموذج: فنحن لن نعيش في فراغ، والذي يمكن تعريفه بأنه الفراغ. أدنى حالة طاقة في الكون. وبدلاً من ذلك، سنعيش في حالة نشطة تنزلق ببطء نحو الفراغ الحقيقي. قال ستينهاردت: "لقد اعتدنا على الاعتقاد بأننا نعيش في الفراغ، ولكن لم يعدك أحد بذلك".

سيعتمد مصير الكون على مدى سرعة انخفاض الرقم المعروف سابقًا باسم الثابت الكوني، وإلى أي مدى يمكن أن يصل. فإذا وصل إلى الصفر، سيتوقف التسارع الكوني. وإذا انخفض بدرجة كافية إلى ما دون الصفر، فإن توسع الفضاء سيتحول إلى انكماش بطيء - وهو نوع من الانعكاس المطلوب لنمو الفضاء. النظريات الدورية لعلم الكونياتمثل تلك التي طورها شتاينهارت.

يشترك أصحاب نظرية الأوتار في وجهة نظر مماثلة. ومن خلال اقتراحهم بأن كل شيء يتلخص في اهتزاز الأوتار، يمكنهم نسج أكوان بأعداد مختلفة من الأبعاد وجميع أنواع الجسيمات والقوى الغريبة. لكنهم لا يمكن البناء بسهولة كون يحافظ بشكل دائم على طاقة إيجابية مستقرة، كما بدا لكوننا. بدلًا من ذلك، في نظرية الأوتار، يجب أن تنخفض الطاقة بلطف على مدار مليارات السنين أو تنخفض بعنف إلى الصفر أو القيمة السلبية. "في الأساس، يعتقد جميع أصحاب نظرية الأوتار أنه أحدهما أو الآخر. قال: “لا نعرف أيهما”. كومرون فافا جامعة هارفارد.

إن الأدلة الرصدية للانخفاض التدريجي للطاقة المظلمة ستكون بمثابة نعمة لسيناريو السقوط اللطيف. "سيكون ذلك مذهلاً. وقال فافا: "سيكون هذا الاكتشاف الأكثر أهمية منذ اكتشاف الطاقة المظلمة نفسها".

ولكن في الوقت الحالي، فإن أي من هذه التكهنات متجذرة في تحليل DESI فقط بطرق فضفاضة. سيتعين على علماء الكون أن يراقبوا ملايين أخرى من المجرات قبل أن يفكروا بجدية في أفكار الثورة.

وقال ريس: "إذا صمد هذا، فقد ينير الطريق لفهم جديد وربما أعمق للكون". "يجب أن تكون السنوات القليلة المقبلة كاشفة للغاية."