تمثيل فني للمادة في الكون المبكر يندمج ببطء في أجسام كونية أكبر في الكون المتأخر. الائتمان: مينه نجوين، جامعة ميشيغان وثانه نجوين (زوجة)
اكتشف العلماء أن الهياكل الكونية تنمو بشكل أبطأ مما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين، حيث تلعب الطاقة المظلمة دورًا مثبطًا مهيمنًا أكثر مما كان يعتقد سابقًا. يمكن أن يحدث هذا الاكتشاف ثورة في فهمنا للمادة المظلمة والطاقة المظلمة والمبادئ الكونية الأساسية.
مع تطور الكون، يتوقع العلماء أن تنمو الهياكل الكونية الكبيرة بمعدل معين: المناطق الكثيفة مثل المجرات تزداد كثافة، بينما يصبح فراغ الفضاء أكثر فراغًا.
ومع ذلك، فقد وجد باحثون من جامعة ميشيغان أن معدل نمو هذه الهياكل الكبيرة أبطأ مما تنبأت به نظرية النسبية العامة لأينشتاين.
وأظهروا أيضًا أنه نظرًا لأن الطاقة المظلمة تعمل على تسريع التوسع العالمي للكون، فإن قمع نمو البنية الكونية الذي يراه الباحثون في بياناتهم أكثر أهمية مما تتنبأ به النظرية. ونشرت نتائجهم في المجلة في 11 سبتمبر رسائل المراجعة البدنية.
الشبكة الكونية
المجرات منسوجة في جميع أنحاء كوننا مثل شبكة العنكبوت الكونية العملاقة. توزيعهم ليس عشوائيا. وبدلا من ذلك، فإنها تميل إلى التجمع معا. في الواقع، بدأت الشبكة الكونية بأكملها كأجسام صغيرة في الكون المبكر، ثم نمت تدريجيًا إلى مجرات فردية، وفي النهاية إلى مجموعات وخيوط مجرية.
وقال المؤلف الرئيسي للدراسة من مركز الفضاء الدولي: “على مدار الزمن الكوني، تجتذب مجموعة صغيرة من الكتلة وتراكم المزيد والمزيد من المواد من منطقتها المحلية من خلال تفاعل الجاذبية. وعندما تصبح المنطقة أكثر كثافة، فإنها تنهار في النهاية تحت تأثير جاذبيتها”. قال قسم الفيزياء في جامعة UM، باحث ما بعد الدكتوراه مينه نجوين.
“وبالتالي، عندما تنهار، تزداد كثافة التجمعات. وهذا ما نسميه النمو. إنه مثل النول، حيث تكون الانهيارات الأحادية والثنائية والثلاثية الأبعاد مثل الورقة والخيط والخيط. الواقع هو مزيج من ثلاث ظواهر ومجرات – عندما تتوضع آلاف مجموعات المجرات في عقد كوننا، وهو أكبر الأجسام في كوننا، متماسكة معًا بواسطة الجاذبية، تعيش المجرات فيك.
الطاقة المظلمة والتوسع الكوني
الكون ليس مصنوعًا من المادة فقط. وقد يحتوي أيضًا على عنصر غامض يُعرف باسم الطاقة المظلمة. تعمل الطاقة المظلمة على تسريع توسع الكون على نطاق عالمي. ولأن الطاقة المظلمة تعمل على تسريع توسع الكون، فإن لها تأثيرًا معاكسًا على الهياكل الكبيرة.
وقال نجوين: “إذا كانت الجاذبية تعمل كمضخم لتنمية الهياكل واسعة النطاق، فإن الطاقة المظلمة تعمل كمخفف، مما يخفف من هذه الاضطرابات ويبطئ نمو الهياكل”. “من خلال دراسة كيفية تجمع النظام الكوني ونموه، يمكننا أن نحاول فهم طبيعة الجاذبية والطاقة المظلمة.”
المنهجية والدراسات
استخدم نجوين وأستاذ الفيزياء في جامعة ميريلاند دراغان هوتيرر وطالب الدراسات العليا في جامعة ميريلاند يوي وين العديد من الملاحظات الكونية لدراسة التطور الزمني للبنية واسعة النطاق طوال الزمن الكوني.
أولاً، استخدم الفريق ما يسمى بخلفية الموجات الميكروية الكونية. تتكون الخلفية الكونية الميكروية، أو CMP، من الفوتونات المنبعثة بعد ذلك .الانفجار العظيم. توفر هذه الفوتونات لمحة سريعة عن الكون المبكر. عندما تنتقل الفوتونات إلى تلسكوباتنا، يمكن أن يتم تشويه مسارها أو تأثره بالجاذبية بواسطة هياكل واسعة النطاق على طول الطريق. ومن خلال دراستها، يمكن للباحثين استنتاج بنية المادة وتوزيعها بيننا وبين الخلفية الكونية الميكروية.
استخدم نجوين وزملاؤه ظاهرة مماثلة مع عدسة الجاذبية الضعيفة للمجرات. يتم تشويه الضوء الصادر من المجرات الخلفية بسبب تفاعلات الجاذبية مع المواد الأمامية والمجرات. يقوم علماء الكونيات بفك تشفير هذه التشوهات وتحديد كيفية توزيع المادة بين النجوم.
قال نجوين: “الأهم من ذلك، نظرًا لأن إشعاع الخلفية الكونية الميكروية والمجرات الخلفية تقع على مسافات مختلفة عنا وعن تلسكوباتنا، فإن عدسة الجاذبية الضعيفة المجرية تستكشف عادةً توزيعات المواد في أوقات لاحقة من تلك التي يتم اكتشافها بواسطة عدسة الجاذبية الضعيفة لإشعاع الخلفية الكوني المضخم”.
ولتتبع تطور البنية حتى في أوقات لاحقة، استخدم الباحثون حركات المجرات في الكون المحلي. عندما تقع المجرات في آبار الجاذبية للأنظمة الكونية الأساسية، فإن حركاتها تتبع التطور الهيكلي مباشرة.
وقال نجوين “إن الفرق في معدلات النمو التي يمكننا العثور عليها يصبح أكثر أهمية مع اقترابنا من يومنا هذا”. “تشير هذه الدراسات المختلفة بشكل فردي وجماعي إلى تثبيط النمو. نحن نفتقد بعض الأخطاء المنهجية في كل من هذه الدراسات أو بعض الفيزياء الجديدة والمتأخرة في نموذجنا القياسي.
S8 تخفيف التوتر
يمكن أن تمثل النتائج ما يسمى بالتوتر S8 في علم الكونيات. S8 هي معلمة تصف نمو الهيكل. تنشأ التوترات عندما يستخدم العلماء طريقتين مختلفتين لتحديد قيمة S8، ويختلفون. الطريقة الأولى، باستخدام الفوتونات من الخلفية الكونية الميكروية، تشير إلى قيمة S8 أعلى من تلك المستنتجة من عدسة الجاذبية الضعيفة للمجرة وقياسات تجمع المجرات.
ولم تقيس أي من هذه الدراسات تطور إطار العمل اليوم. وبدلا من ذلك، يقومون بفحص البنية في الفترات السابقة ومن ثم استقراء تلك القياسات إلى الوقت الحاضر، على افتراض نموذج مستقر. تدرس الخلفية الكونية الميكروية البنية في الكون المبكر، في حين أن عدسة الجاذبية الضعيفة للمجرات ودراسات التجمعات المجرية تكون في أواخر الكون.
وفقًا لنغوين، فإن النتائج التي توصل إليها الباحثون فيما يتعلق بقمع النمو المتأخر تجعل قيمتي S8 في توافق تام.
وقال هوتيرر: “لقد فوجئنا بالأهمية الإحصائية العالية لقمع النمو الشاذ”. “بصراحة، أشعر أن الكون يحاول أن يخبرنا بشيء ما. والآن تقع على عاتق علماء الكونيات مهمة تفسير هذه النتائج.
“نريد تعزيز الأدلة الإحصائية لقمع النمو. ونريد أيضًا أن نفهم الإجابة على السؤال الصعب حول سبب نمو الهياكل بشكل أبطأ من المتوقع في النموذج القياسي الذي يحتوي على المادة المظلمة والطاقة المظلمة. والسبب وراء هذا التأثير جديد. خصائص الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، أو النسبية العامة والمعيارية التي لم نفكر فيها بعد، وقد يكون هناك امتداد آخر للنموذج.
المرجع: 11 سبتمبر 2023، “دليل على قمع النمو الهيكلي في النموذج الكوني المتوافق” بقلم نهات مينه نغوين ودراغان هوتيرر ويويوي وين. رسائل المراجعة البدنية.
دوى: 10.1103/PhysRevLett.131.111001