يتعلق أحد أعظم الألغاز الكونية اليوم بتوسع الكون.
خلال المليارات من السنين الأولى من تاريخ كوننا ، يتباطأ معدل تمدد الكون وتتباطأ المجرات البعيدة في ركودنا لأن كثافة المادة والإشعاع تتناقص. ومع ذلك ، على مدار الـ 6 مليارات سنة الماضية ، كانت المجرات البعيدة تتسارع في ركودها ، ومعدل التوسع ، على الرغم من تباطؤه ، لم يقترب من الصفر. طريقتان مختلفتان لقياس معدل التمدد تعطيان قيمًا متضاربة ؛ لا يزال المعدل الفعلي للتوسع مثيرًا للجدل.
كل من الطريقتين الرئيسيتين تعطي إجابات منخفضة الخطأ ، ولكنها غير متوافقة.
بأخذنا إلى ما وراء حدود جميع التلسكوبات الأرضية على الأرض وأي مرصد سابق ، بما في ذلك هابل ، يُظهر JWST التابع لناسا أبعد المجرات التي تم اكتشافها في الكون على الإطلاق. إذا تمكنا من تخصيص مواضع ثلاثية الأبعاد لعدد كافٍ من المجرات المرصودة والمُقاسة ، حيث تساعدنا بيانات JWST’s CEERS على القيام بذلك هنا ، فيمكننا إنشاء تحليق بصري للكون. يعد قياس معدل التوسع تحديًا لأن الطرق المختلفة تعطي نتائج مختلفة وغير متسقة.
من خلال تتبع تطور إشارة البقايا المبكرة ، نقيس توسعًا قدره 67 كم / ثانية / متر في الثانية.
يمكننا أن نرى بشكل اعتباطي بعيدًا في الكون إذا سمحت تلسكوباتنا ، ويجب أن تعرض مجموعة من المجرات مقياس مسافة معين – الحجم – الذي يجب أن يتطور بمرور الوقت بطريقة معينة ، مثل “القمم والوديان الصوتية”. تُظهر الخلفية الكونية الميكروية هذا الحجم أيضًا. تطور هذا المقياس بمرور الوقت هو من بقايا مبكرة ، ويكشف عن معدل توسع منخفض يبلغ حوالي 67 كم / ثانية / مليون قطعة.
بدءاً من المنطقة المجاورة وملاحظة التباطؤ المتزايد مع المسافة ، نقيس 73 كم / ثانية / mbc.
يتضمن بناء سلم المسافة الكونية الانتقال من نظامنا الشمسي إلى أقرب المجرات إلى النجوم. كل “خطوة” لها عدم اليقين الخاص بها ، خاصة الخطوات التي تربط “خطوات” السلم المختلفة. ومع ذلك ، فقد أثبتت التطورات الأخيرة في التسلق عن بعد مدى قوة نتائجه.
هذا التناقض – “توتر هابل” – هو لغز كوني حديث.
توترات القياس الحديثة من سلم المسافة (الأحمر) تظهر على النقيض من بيانات الإشارة الأولية من CMB و BAO (الأزرق). من المعقول أن يكون نظام الإشارات المبكر صحيحًا وهناك خلل أساسي في سلم المسافة ؛ من المعقول أن يكون نمط الإشارة الأولي وسلم المسافة صحيحين ، أو أن كلا المجموعتين صحيحتان وأن شكلًا من أشكال الفيزياء الجديدة (كما هو موضح أعلاه) هو الجاني مع قدر ضئيل من الخطأ. إن فكرة وجود شكل مبكر من الطاقة المظلمة أمر مثير للاهتمام ، لكن هذا يعني المزيد من الطاقة المظلمة في العصور المبكرة ، وقد كانت موجودة (في الغالب) منذ الاضمحلال.
تكهن الكثيرون بأن خطأ التتبع على جانب “السلم البعيد” قد يكون هو الجاني.
في عام 2001 ، كانت هناك مصادر مختلفة للخطأ تحيز أفضل قياسات سلم المسافة لثابت هابل وتمدد الكون إلى قيم أعلى أو أقل بشكل ملحوظ. بفضل العمل الجاد والدقيق لكثير من الناس ، لم يعد ذلك ممكنًا حيث تم تقليل الأخطاء بشكل كبير. أدى عمل JWST الأحدث ، غير الظاهر هنا ، إلى تقليل الأخطاء المتعلقة بـ Cepheid وأخطاء لمعان الفترة أكثر مما هو موضح هنا.
نبدأ بملاحظة النجوم المتغيرة Cepheid في درب التبانة.
النجم المتغير RS pupis ، يتردد صدى ضوئه عبر الغيوم البينجمية. النجوم المتغيرة تأتي في العديد من الأصناف. يمكن قياس أحدها ، متغيرات Cepheid ، في مجرتنا وفي المجرات التي تبعد 50-60 مليون سنة ضوئية. إنها تساعد على إطالة المسافة من مجرتنا إلى أقاصي الكون. يمكن استخدام نجوم فرع RR Lyrae و Tip-of-AGB بطريقة مماثلة.
نحن نقدر المسافة بدقة عن طريق قياس المنظر الفلكي.
عندما تتحرك الأرض عبر الفضاء في مدارها حول الشمس ، يبدو أن النجوم الأقرب إلى الأرض تتغير بشكل دوري فيما يتعلق بالنجوم البعيدة. قبل إنشاء نموذج مركزية الشمس ، لم نكن نبحث عن “تحولات” بخط أساس يبلغ 300.000.000 كيلومتر تقريبًا على مدى 6 أشهر تقريبًا ، ولكن بالأحرى خط أساس يبلغ حوالي 12000 كيلومترًا بين عشية وضحاها: قطر الأرض أثناء دورانها محور. كانت المسافات بين النجوم كبيرة جدًا لدرجة أنه تم اكتشاف أول اختلاف في المنظر في ثلاثينيات القرن التاسع عشر ، مع قاعدة تبلغ 300 مليون كيلومتر. اليوم ، قمنا بقياس اختلاف المنظر لأكثر من مليار نجم بواسطة مهمة Gaia التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية ESA.
ثم نقوم بقياس Cepheids في المجرات القريبة التي تم قياسها جيدًا.
تُظهر أول لوحتين مجرتين قريبتين غنيتين بالقيفيد: NGC 4258 (يسار) و NGC 5584 (يمين) ، مع مجال رؤية JWST مضاف عليهما. تعرض اللوحات السفلية عروض JWST ، مع تمييز متغيرات Cepheid المحددة بشكل فردي في كل صورة.
أخيرًا ، نقيس المستعرات الأعظمية من النوع Ia في تلك المجرات وما وراءها ، ونجمع هذه “الأصداف” الكونية معًا.
اعتبارًا من عام 2019 ، هناك 19 مجرة فقط منشورة بمسافات مُقاسة للنجوم Cepheid المتغيرة والتي لوحظ فيها أيضًا حدوث مستعرات عظمى من النوع Ia. لدينا الآن قياسات المسافة من النجوم الفردية في المجرات التي استضافت ما لا يقل عن مستعر أعظم واحد من النوع Ia في 42 مجرة ، 35 منها لديها أفضل صور هابل. هذه المجرات الـ 35 معروضة هنا.
هل يمكن أن يؤدي الخطأ في Cepheids إلى تحيز معدل التوسع المقاس لدينا؟
يعني استخدام سلم المسافة الكونية وضع مقاييس كونية مختلفة معًا ، حيث يكون المرء دائمًا قلقًا بشأن عدم اليقين في ربط “درجات” السلم المختلفة. كما هو موضح هنا ، نحن الآن ثلاث “طوابق” أسفل هذا السلم ، ومجموعة القياسات بأكملها متوافقة تمامًا مع بعضها البعض.
بواسطة قياس Cepheids في المجرات القريبةJWST تحقق في هذا الاحتمال.
هذه المجرة الحلزونية المجاورة ، NGC 4258 (المعروفة أيضًا باسم Messier 106) ، تبعد حوالي 20 مليون سنة ضوئية فقط ، ولكنها تحتوي على العديد من Cepheids المعروفة المشابهة لتلك الموجودة في درب التبانة. إنها كوكبة مهمة لمعايرة سلم المسافة الكونية.
مراقبة المجرة NGC 4258JWST Cepheids ليس لديها تحيز ضوئي.
تُظهر هذه الصورة العديد من النجوم المتغيرة Cepheid ذات فترات مختلفة داخل المجرة القريبة NGC 4258: مجرة مهمة لقياسات Cepheid وقياسات المسافة. تُظهر الصفوف الستة السفلية نفس النجوم المقاسة بواسطة كل من Hubble (ملصقات رمادية) و JWST (ملصقات أرجوانية) بأطوال موجية مختلفة. الدقة الفائقة في صور JWST تقلل من أخطاء هابل السابقة بكميات كبيرة وكبيرة أثناء التحقق والتوافق مع النتائج السابقة.
وبدلاً من ذلك ، أكدت نتائج تلسكوب هابل الفضائي السابقة وحسنت عليها.
تظهر هذه الصورة المركبة المجرة الحلزونية ذات القضبان NGC 5584 وهي تتألق بشكل ساطع مع المستعر الأعظم SN 2007af. تعتبر المجرات القريبة ذات النجوم المتغيرة Cepheid التي يمكن تحديدها وما لا يقل عن مستعر أعظم واحد من النوع Ia من بينها مهمة بشكل لا يصدق لنظام سلم المسافة الكوني الذي يقيس الكون المتوسع.
في سيفيدس NGC 5584كان هناك هذا أيضًا مستعر أعظم من النوع الأول (فترة 2007)لم يتم الكشف عن أي تحيز.
يوضح هذا الرسم البياني العلاقة بين فترة التباين (المحور x) وحجم سطوع النجوم المتغيرة Cepheid (المحور y) في المجرات NGC 5584 (أعلى) و NGC 4258 (أسفل). تظهر بيانات JWST الأحدث باللون الأحمر وتظهر بيانات هابل الأقدم باللون الرمادي. تم تقليل أخطاء وشكوك هذه العلاقة بشكل كبير في كلتا المجرتين ، ويرجع ذلك أساسًا إلى الدقة الفائقة لـ JWST على هابل.
ال علاقة فترة اللمعانأصبحت المعايرة الرئيسية لـ Cepheids الآن أكثر دقة من أي وقت مضى.
من خلال تمكين فهم أفضل لمتغيرات Cepheid في المجرات القريبة NGC 4258 و NGC 5584 ، قلل JWST من عدم اليقين في مسافاتهما. تظهر أدنى النقاط في الرسم البياني تقدير المسافة إلى NGC 5584 من معدلات التمدد المستنبطة من سلم المسافة (الجانب الأيسر) والمتوقعة من طريقة البقايا المبكرة (الجانب الأيمن). عدم التطابق كبير ومقنع.
بفضل الدقة الممتازة ، قللت JWST أي شكوك إلى أصغر قيمها.
الشموع القياسية (على اليسار) والمساطر القياسية (على اليمين) هما طريقتان مختلفتان يستخدمهما علماء الفلك لقياس تمدد الفضاء في أوقات / مسافات مختلفة في الماضي. بناءً على كيفية تغير الكميات مثل اللمعان أو الحجم الزاوي مع المسافة ، يمكننا استنتاج تاريخ توسع الكون. يعد استخدام طريقة الشمعدان جزءًا من سلم المسافة ، والذي ينتج 73 كم / ثانية / متر مكعب. كان استخدام المسطرة جزءًا من نظام الإشارة المبكر ، حيث أعطى 67 كم / ثانية / متر في الثانية. مع بيانات JWST الجديدة ، يزداد غموض معدل توسع الكون عمقًا.
Mostly Mood Monday هي قصة في علم الفلك تحتوي على صور ومرئيات ولا تزيد عن 200 كلمة.