تفسر اصطدامات النجوم النيوترونية توسع الكون

في السنوات الأخيرة، وجد علم الفلك نفسه في مأزق: على الرغم من أننا نعلم أن الكون يتوسع، ونعرف تقريبًا مدى سرعته، إلا أن الطريقتين الأساسيتين لقياس هذا التوسع تختلفان. والآن يقترح علماء الفيزياء الفلكية من معهد نيلز بور طريقة جديدة للمساعدة في حل هذا التوتر.

الكون يتوسع

لقد عرفنا هذا منذ أن قام إدوين هابل وغيره من علماء الفلك، منذ حوالي 100 عام، بقياس سرعات العديد من المجرات القريبة. المجرات في الكون “تبتعد” عن بعضها البعض بسبب هذا التوسع، وبالتالي تبتعد عن بعضها البعض.

كلما زادت المسافة بين مجرتين، زادت سرعة تباعدهما، والمعدل الدقيق لهذه الحركة هو أحد أهم الكميات الأساسية في علم الكونيات الحديث. الرقم الذي يصف التوسع يسمى “ثابت هابل”، والذي يظهر في معادلات ونماذج مختلفة للكون ومكوناته.

لا تزال المجرات في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع. وهذا يتسبب في ابتعاد المجرات عن بعضها البعض بمعدل متزايد باستمرار. ومع ذلك، مدى السرعة هو لغزا. الائتمان: إسو/ل. بنطال. لا تزال المجرات في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع. وهذا يتسبب في ابتعاد المجرات عن بعضها البعض بمعدل متزايد باستمرار. ومع ذلك، مدى السرعة هو لغزا. الائتمان: إسو/ل. بنطال

مشكلة هابل

لفهم الكون، نحتاج إلى معرفة ثابت هابل بأكبر قدر ممكن من الدقة. هناك طرق عديدة لقياسه؛ الطرق التي تكون مستقلة عن بعضها البعض ولكن لحسن الحظ تعطي نفس النتيجة تقريبًا.

يعني تقريبا…

طريقة سهلة الفهم، من حيث المبدأ، استخدمها إدوين هابل وزملاؤه منذ قرن من الزمان: العثور على المجرات وقياس مسافاتها وسرعاتها. ومن الناحية العملية، يتم ذلك من خلال البحث عن المجرات ذات النجوم المنفجرة المستعرات الأعظمية. وتستكمل هذه الطريقة بطريقة أخرى لتحليل المخالفات تسمى إشعاع الخلفية الكونية; شكل قديم من الضوء بعد مرور بعض الوقت .الانفجار العظيم.

الطريقتان – طريقة المستعر الأعظم وطريقة إشعاع الخلفية – كانتا دائمًا تعطيان نتائج مختلفة قليلًا. ولكن أي قياس يأتي مصحوباً بعدم اليقين، وقبل بضع سنوات كانت حالات عدم اليقين كبيرة، وبوسعنا أن نلقي اللوم على هذا الخلل في التوازن.

يُظهر النصف الأيسر من الكرة الأرضية البقايا المتوسعة للمستعر الأعظم الذي اكتشفه تايكو براهي عام 1572، والتي تم رصدها هنا بالأشعة السينية (مصدر الصورة NASA/CXC/Rutgers/J.Warren & J.Hughes et al.). على اليمين توجد خريطة لإشعاع الخلفية الكونية المنبعث من نصف السماء الذي يُرى في الموجات الميكروية. الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي

ومع ذلك، مع تحسن تقنيات القياس، تضاءلت حالات عدم اليقين، وقد وصلنا الآن إلى نقطة حيث يمكننا أن نقول بثقة أكبر أنه لا يمكن أن يكون اثنان على حق.

السبب الجذري لـ “مشكلة هابل” هذه – سواء كانت تأثيرات غير معروفة تؤدي بشكل منهجي إلى تحيز إحدى النتائج أو تلميحات إلى فيزياء جديدة لم يتم اكتشافها بعد – هي واحدة من أهم المواضيع في علم الفلك في الوقت الحالي.

شذوذ هابل المستمر

يتم قياس توسع الكون بـ “السرعة بالنسبة للمسافة” وهي تزيد عن 20 كم / ثانية لكل مليون سنة ضوئية. وهذا يعني أن مجرة ​​تبعد عنا 100 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 2000 كم/ث، في حين أن مجرة ​​أخرى تبعد 200 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 4000 كم/ث.

ومع ذلك، فإن استخدام المستعرات الأعظم لقياس المسافات وسرعات المجرات ينتج عنه 22.7 ± 0.4 كيلومتر/ثانية، بينما يؤدي تحليل إشعاع الخلفية للكون إلى 20.7 ± 0.2 كيلومتر/ثانية.

خلاف بسيط مثل هذا قد لا يكون مصدر قلق كبير، ومع ذلك، يمكن أن يكون ذا أهمية كبيرة. على سبيل المثال، يظهر هذا الرقم عند حساب عمر الكون، ويبلغ عمر الطريقتين 12.8 و13.8 مليار سنة على التوالي.

كيلو نوفا: نهج جديد للقياس

يكمن أحد أكبر التحديات في التحديد الدقيق للمسافات إلى المجرات. لكن في دراسة جديدة، يقترح ألبرت سنيبن، زميل ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية في مركز الفجر الكوني في معهد نيلز بور في كوبنهاغن، طريقة جديدة لقياس المسافة قد تساعد في حل الجدل الدائر.

يشرح ألبرت سنابن: “عندما يجتمع نجمان نيوترونيان مضغوطان للغاية – بقايا المستعرات الأعظم – حول بعضهما البعض ويندمجان في النهاية، ينفجران في انفجار جديد؛ ما يسمى كيلونوفا”. “لقد أظهرنا مؤخرًا كيف يكون هذا الانفجار متماثلًا، وهذا التناظر ليس جميلًا فحسب، بل إنه مفيد أيضًا بشكل لا يصدق.”

في دراسة ثالثة كما تم نشره للتو، أظهر طالب دكتوراه لامع أن الكيلونوفا، على الرغم من تعقيدها، يمكن وصفها بدرجة حرارة واحدة. يساعد تناظر الكيلونوفا وبساطتها علماء الفلك على تحديد مقدار الضوء الذي تنبعث منه.

ومن خلال مقارنة هذا اللمعان مع الضوء الذي يصل إلى الأرض، يمكن للباحثين حساب مدى بعد الكيلونوفا. وبذلك ابتكروا طريقة جديدة مستقلة لحساب المسافات إلى المجرات التي تستضيف الكيلونوفا.

داراش واتسون هو أستاذ مشارك في مركز الفجر الكوني ومؤلف مشارك في الدراسة. ويوضح: «المستعرات الأعظم، التي تُستخدم حتى الآن لقياس المسافات بين المجرات، لا تبعث دائمًا نفس الكمية من الضوء. أيضًا، كان عليهم أولاً معايرة المسافة باستخدام فئة أخرى من النجوم، تسمى Cepheids، والتي كان لا بد من معايرتها أيضًا. باستخدام كيلونوفا يمكننا تجنب هذه المشاكل التي تسبب عدم اليقين في القياسات.”

النتائج الأولية والخطوات المستقبلية

ولإثبات إمكاناتها، طبق علماء الفيزياء الفلكية هذه الطريقة على الكيلونوفا المكتشفة في عام 2017. ونتيجة لذلك، يوجد ثابت هابل قريب من طريقة إشعاع الخلفية، ولكن ما إذا كانت طريقة الكيلونوفا قادرة على حل مشكلة هابل، فإن الباحثين لم يجرؤوا بعد على القول:

“لدينا دراسة حالة واحدة فقط حتى الآن، وهناك حاجة إلى العديد من الأمثلة قبل أن نتمكن من التوصل إلى نتيجة قوية”، يحذر ألبرت سنابن. “لكن طريقتنا تتجاوز على الأقل بعض مصادر عدم اليقين المعروفة، وهي نظام “نظيف” للغاية للدراسة. ولا يتطلب أي معايرة أو عامل تصحيح.

المرجع: ألبرت شنيبن، داراش واتسون، دوفي بوزنانسكي، أوليفر جاست، أندرياس باسوين ورادوسلاو فوجداك، 2 أكتوبر 2023، “قياس ثابت هابل باستخدام كيلونوفا باستخدام طريقة الغلاف الضوئي الموسع” علم الفلك والفيزياء الفلكية.
دوى: 10.1051/0004-6361/202346306