إن “توتر هابل” الأخير في علم الكونيات، والذي تميز بقياسات متضاربة لمعدل التوسع، يثير تساؤلات حول النموذج الكوني القياسي. وتشير نظرية جديدة إلى أن الفراغ الضحل العملاق يمكن أن يفسر هذه الحالات الشاذة، مما يتحدى وجهات النظر التقليدية حول توزيع المادة في الكون، ويقترح تعديلا محتملا لنظرية أينشتاين في الجاذبية.
يقترح علماء الكون وجود فراغ عملاق في الفضاء كحل لـ “توتر هابل”، الذي يتحدى النماذج التقليدية ويقترح مراجعة لنظرية أينشتاين في الجاذبية.
أحد الألغاز العظيمة في علم الكونيات هو المعدل الذي يتوسع به الكون. ويمكن أيضًا التنبؤ بذلك باستخدام نموذج الثابت الكوني لامدا-المادة المظلمة الباردة (ΛCDM). يعتمد النموذج على الملاحظات التفصيلية للضوء المتبقي من الضوء .الانفجار العظيم – تسمى الخلفية الكونية الميكروية (CMP)
يؤدي توسع الكون إلى ابتعاد المجرات عن بعضها البعض. كلما ابتعدوا عنا، كلما تحركوا بشكل أسرع. العلاقة بين سرعة المجرة والمسافة يحكمها “ثابت هابل”، وهو 43 ميلاً (70 كم) في الثانية لكل ميجابارسيك (وحدة فلكية للطول). يعني كوكبة قطعت عليه حوالي 50 ألف ميل ويبعد عنا كل مليون سنة ضوئية.
لكن لسوء الحظ بالنسبة للنموذج القياسي، فقد أصبحت هذه القيمة محل نزاع مؤخرًا، مما دفع العلماء إلى المطالبة بها “توتر هابل”. عندما نقيس معدل التوسع باستخدام المجرات القريبة والمستعرات الأعظمية (النجوم المنفجرة)، فهو أعلى بنسبة 10% مما توقعناه بناءً على الإشعاع CMB.
انطباع فني عن الفراغ العملاق والخيوط والجدران المحيطة به. الائتمان: بابلو كارلوس بوداسي
ملكنا ورقة جديدةنقدم تفسيرًا واحدًا محتملاً: نحن نعيش في فراغ عملاق (منطقة ذات كثافة أقل من المتوسط) في الفضاء. لقد أظهرنا أن هذا يمكن أن يعزز المقاييس المحلية من خلال هروب المادة من الفراغ. سيتم قذف المناطق الأكثر كثافة حول الفراغ عندما يتم فصله، وسوف تمارس قوة جاذبية أكبر من المواد الأقل كثافة داخل الفراغ.
في هذا السيناريو، يجب أن نكون بالقرب من مركز الفراغ، ونصف قطره حوالي مليار سنة ضوئية وأقل كثافة بنسبة 20٪ تقريبًا من متوسط الكون ككل – أي ليس فارغًا تمامًا.
إن مثل هذا الفراغ الكبير والعميق غير متوقع في النموذج القياسي ــ وبالتالي فهو مثير للجدل. يقدم CMP لمحة سريعة عن بنية الكون الوليد، مما يشير إلى أن المادة اليوم يجب أن تكون موزعة بشكل موحد. ومع ذلك، فإنه يحسب بشكل مباشر عدد المجرات في مناطق مختلفة أوصي حقا نحن في فراغ محلي.
عكس قوانين الجاذبية
أردنا اختبار هذه الفكرة بشكل أكبر من خلال ملاءمة الملاحظات الكونية المختلفة مع الافتراض القائل بأننا نعيش في فراغ كبير نشأ من تقلبات كثافة صغيرة في العصور المبكرة.
للقيام بذلك، لدينا نموذج لا يتضمن ΛCDM، ولكن نظرية بديلة تسمى ميكانيكا نيوتن المعدلة (الاثنين)
تم اقتراح MOND لأول مرة لشرح الحالات الشاذة في سرعات دوران المجرات، مما أدى إلى اقتراح وجود مادة غير مرئية تُعرف باسم “المادة المظلمة”. يقترح MOND أن هذه الحالات الشاذة يمكن تفسيرها عن طريق تحطيم قانون نيوتن للجاذبية عندما تكون الجاذبية ضعيفة للغاية، كما هو الحال في المناطق الخارجية للمجرات.
إن تاريخ التوسع الكوني الإجمالي في MOND يشبه النموذج القياسي، لكن البنية (مثل مجموعات المجرات) تنمو بشكل أسرع في MOND. يجسد نموذجنا كيف يبدو الكون المحلي في عالم MOND. لقد وجدنا أن القياسات المحلية لمعدل التوسع اليوم تسمح بالتقلبات اعتمادًا على موقعنا.
تقلبات درجة الحرارة CMB: صورة مفصلة للسماء بأكملها للكون الوليد تم إنشاؤها من تسع سنوات من بيانات WMAP تكشف عن تقلبات في درجات الحرارة (تظهر كاختلافات في اللون) يعود تاريخها إلى 13.77 مليار سنة. الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي
أتاحت عمليات رصد المجرات الأخيرة إجراء اختبار جديد مهم لنموذجنا من حيث السرعات المتوقعة في مواقع مختلفة. يمكن القيام بذلك عن طريق قياس ما يسمى بالتدفق بالجملة، وهو متوسط سرعة المادة، سواء كانت كثيفة أم لا، في مجال معين. ويختلف مع نصف قطر الكرة الملاحظات الأخيرة عرض انها تستمر تصل إلى مليار سنة ضوئية.
ومن المثير للاهتمام أن التدفق الإجمالي للمجرات بهذا الحجم أسرع بأربع مرات من المتوقع في النموذج القياسي. ويبدو أيضًا أنها تتزايد مع حجم المنطقة المدروسة، على عكس ما يتوقعه النموذج الثابت. احتمالية مطابقة هذا للنموذج القياسي هي أقل من واحد في المليون.
دفعنا هذا إلى رؤية ما تتنبأ به دراستنا للتدفق الإجمالي. ووجدنا أنها أعطت نتائج جيدة مباراة للملاحظات. ولهذا يجب أن نكون قريبين جدًا من مركز الفراغ، ويجب أن يكون الفراغ فارغًا جدًا في جوهره.
القضية مغلقة؟
تأتي نتائجنا في وقت تواجه فيه الحلول الشائعة لتوتر هابل مشكلة. يعتقد البعض أننا بحاجة إلى قياسات أكثر دقة. ويعتقد آخرون أنه يمكن حلها بالنظر إلى معدل التوسع المرتفع الذي نقيسه محليا واحد مثالي حقا. لكن هذا يتطلب تغييرًا بسيطًا في تاريخ توسع الكون المبكر، لذا فإن الإشعاع CMB لا يزال يبدو صحيحًا.
لسوء الحظ، سلطت إحدى المراجعات المؤثرة الضوء على سبعة مشاكل بهذا النهج. إذا توسع الكون بنسبة 10% أسرع من أغلب فترات التاريخ الكوني، فإنه سيكون أصغر سناً بنسبة 10%، وهو أمر ينطوي على مفارقة. فترات النجوم البدائية.
إن وجود فراغ محلي عميق وممتد في العدد البينجمي والتدفقات الإجمالية السريعة المرصودة تشير بقوة إلى أن ΛCDM ينمو بشكل أسرع من المتوقع على نطاق عشرات إلى مئات الملايين من السنين الضوئية.
هذه صورة التقطها تلسكوب هابل الفضائي لأضخم المجرات التي شوهدت على الإطلاق عندما كان عمر الكون نصف عمره الحالي البالغ 13.8 مليار سنة. تدور مجموعات من مئات المجرات تحت تأثير الجاذبية الجماعية. يُقدر أن الكتلة الإجمالية للعنقود، والتي تم تحسينها في قياسات هابل الجديدة، تزن حوالي 3 ملايين مليار نجم مشابه لشمسنا (حوالي 3000 مرة أكبر من مجرتنا درب التبانة) – على الرغم من أن معظم الكتلة مخفية. كمادة مظلمة. تم تحديد موقع المادة المظلمة في التراكب الأزرق. نظرًا لأن المادة المظلمة لا تبعث أي إشعاع، يمكن لعلماء فلك هابل بدلاً من ذلك قياس كيفية تغير جاذبيتها لصور المجرات الخلفية البعيدة مثل مرآة المرح. هذا سمح لنا بالتوصل إلى تقدير شامل للكتلة. في عام 2012، أُطلق على العنقود اسم El Gordo (تعني “الدهون” بالإسبانية) عندما أشارت ملاحظات الأشعة السينية والدراسات الحركية لأول مرة إلى أنها كانت ضخمة بشكل غير عادي بالنسبة لوقتها في بداية الكون. وأكدت بيانات هابل أن العنقود يتعرض لاندماج عنيف بين مجموعتين أصغر منه. المصدر: ناسا، وكالة الفضاء الأوروبية، وج. جي (جامعة كاليفورنيا، ديفيس)
ومن المثير للاهتمام أننا نعلم أن العنقود المجري الضخم El Gordo (انظر الصورة أعلاه) قد تشكل. مبكرا جدا يحتوي التاريخ الكوني على الكثير من الكتل وسرعات التصادم بحيث لا يتوافق مع النموذج القياسي. وهذا دليل آخر على أن البنية تتطور ببطء شديد في هذا النموذج.
وبما أن الجاذبية تهيمن على مثل هذه المقاييس الكبيرة، فيجب علينا توسيع نظرية الجاذبية لأينشتاين لتشمل النسبية العامة، ولكن على المقاييس فقط. أكبر من مليون سنة ضوئية.
ومع ذلك، ليس لدينا طريقة جيدة لقياس كيفية عمل الجاذبية على نطاقات كبيرة جدًا، فلا توجد أجسام مقيدة بقوى جاذبية هائلة. النسبية العامة صحيحة وقابلة للمقارنة بالملاحظات، لكن هذا النهج بالتحديد هو الذي يؤدي إلى أخطر التوترات التي يواجهها أفضل نموذج كوني لدينا حاليًا.
يُعتقد أن أينشتاين قال إن المشكلات لا يمكن حلها بنفس التفكير الذي خلقها في المقام الأول. على الرغم من أن التغييرات الضرورية قد لا تكون جذرية، إلا أننا ربما رأينا أول دليل موثوق به منذ أكثر من قرن على أننا بحاجة إلى تغيير نظريتنا في الجاذبية.
كتبه إندرانيل بانيك، باحث ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء الفلكية بجامعة سانت أندروز.
مقتبس من مقالة منشورة أصلا محادثة.