حل لأحد ألغاز علم الكونيات العظيمة

تقترح دراسة من جامعتي بون وسانت أندروز تفسيرًا جديدًا محتملًا لتوتر هابل.

الكون يتوسع. مدى سرعة حدوث ذلك يسمى ثابت هابل لوميتر. ولكن هناك خلاف حول مدى ضخامة هذا الثابت: فطرق القياس المختلفة تعطي قيمًا متضاربة. وهذا ما يسمى “توتر هابل” هو لغز بالنسبة لعلماء الكونيات. يقترح باحثون من جامعتي بون وسانت أندروز الآن حلاً جديدًا: باستخدام نظرية بديلة للجاذبية، يمكن تفسير التناقض في القيم المقاسة بسهولة – يختفي توتر هابل. تم نشر هذه الدراسة الآن الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (MNRAS)..

فهم توسع الكون

يؤدي توسع الكون إلى تحرك المجرات نحو بعضها البعض. وتتناسب السرعة التي يفعلون بها ذلك مع المسافة بينهما. على سبيل المثال، إذا كانت المجرة A تبعد عن الأرض ضعف المسافة التي تفصلها المجرة B، فإن بعدها عنا يزيد بسرعة مضاعفة. وكان عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل من أوائل من أدركوا هذا الارتباط.

لحساب مدى سرعة تحرك مجرتين تجاه بعضهما البعض، من الضروري معرفة مدى المسافة بينهما. ومع ذلك، فإن هذا يتطلب أيضًا ثابتًا لمضاعفة هذه المسافة. وهذا ما يسمى ثابت هابل-لوميتر، وهو معلمة أساسية في علم الكونيات. على سبيل المثال، يمكن تحديد قيمتها من خلال النظر إلى أبعد مناطق الكون. وتبلغ سرعتها ما يقرب من 244000 كيلومتر في الساعة ميجابارسيك المسافة (واحد ميغابارسيك يساوي ثلاثة ملايين سنة ضوئية فقط).

(الأزرق؛ النقاط الصفراء تمثل المجرات الفردية). درب التبانة (الأخضر) هي منطقة تحتوي على القليل من المواد. تتحرك المجرات الموجودة في الفقاعة في اتجاه كثافة المواد الأعلى (الأسهم الحمراء). لذا يبدو أن الكون يتوسع بسرعة داخل الفقاعة. المصدر: AG Grupa/جامعة بون

التناقض في القياسات

يوضح البروفيسور الدكتور بافيل كروبا من معهد هيلمهولتز للإشعاع والفيزياء النووية: “لكن يمكنك أيضًا رؤية الأجرام السماوية القريبة جدًا منا – المستعرات الأعظم من النوع 1أ، وهي نوع محدد من النجوم المنفجرة”. جامعة بون. يمكن تحديد المسافة بين الأرض والمستعر الأعظم 1a بدقة شديدة. ونعلم أيضًا أن الأجسام اللامعة تتغير ألوانها عندما تبتعد عنا، وكلما تحركت بشكل أسرع، كان التغيير أقوى. إنها مثل سيارة الإسعاف، تنطلق صفارة إنذارها بعمق وهي تبتعد عنا.

إذا قمنا الآن بحساب سرعات المستعرات الأعظم 1a من تغير لونها وربطناها بالمسافة التي تفصلها، فسنصل إلى قيمة مختلفة لثابت هابل-لوميتر، أي 264000 كيلومتر في الساعة لكل مسافة مليون فرسخ فلكي. يقول كروبا: “يبدو أن الكون يتوسع في محيطنا – على بعد حوالي ثلاثة مليارات سنة ضوئية – بشكل أسرع مما هو عليه في مجمله”. “في الحقيقة لا ينبغي أن يكون الأمر كذلك.”

ومع ذلك، هناك ملاحظة حديثة قد تفسر ذلك. ووفقا لهذا، تقع الأرض في منطقة من الفضاء حيث يوجد القليل نسبيا من المادة – مقارنة بفقاعة الهواء في الكعكة. كثافة المادة أعلى حول الفقاعة. تنبثق قوى الجاذبية من هذه المادة المحيطة، مما يؤدي إلى سحب المجرات الموجودة في الفقاعة نحو حواف التجويف. يوضح الدكتور إندرانيل بانيك من جامعة سانت أندروز: “لهذا السبب يبتعدون عنا بشكل أسرع من المتوقع”. وبالتالي يمكن تفسير الانحرافات من خلال “الكثافة المنخفضة” المحلية.

في الواقع، قام فريق بحث آخر مؤخرًا بقياس متوسط ​​سرعة العديد من المجرات التي تبعد عنا 600 مليون سنة ضوئية. وقال سيركيج مازورينكو من فريق بحث جروبا، والذي شارك في الدراسة الحالية: “لقد وجد أن هذه المجرات تتحرك بعيدا عنا أربع مرات أسرع من النموذج الكوني القياسي”.

فقاعة في عجينة الكون

وذلك لأن النموذج القياسي لا يوفر كثافة منخفضة أو “فقاعات” – لا ينبغي أن تكون موجودة حقًا. وبدلا من ذلك، ينبغي توزيع المادة بالتساوي في الفضاء. ومع ذلك، إذا حدث هذا، فمن الصعب تفسير القوى التي تدفع المجرات إلى سرعاتها العالية.

يقول جروبا: “يعتمد النموذج القياسي على نظرية الجاذبية لألبرت أينشتاين”. “ومع ذلك، قد تتصرف قوى الجاذبية بشكل مختلف عما توقعه أينشتاين.” استخدمت مجموعات عمل من جامعتي بون وسانت أندروز نظرية الجاذبية المعدلة في عمليات المحاكاة الحاسوبية. هذه “الميكانيكا النيوتونية المعدلة” (اختصار: MOND) تم اقتراحها قبل أربعة عقود من قبل الفيزيائي الإسرائيلي البروفيسور الدكتور مردخاي ميلجروم. وحتى اليوم تعتبر نظرية خارجية. يقول جروبا: “ومع ذلك، في حساباتنا، يتنبأ MOND بدقة بوجود مثل هذه الفقاعات”.

إذا افترض المرء أن الجاذبية تعمل فعليًا وفقًا لافتراضات ميلجروم، فإن توتر هابل يختفي: في الواقع لا يوجد سوى ثابت واحد لتوسع الكون، والانحرافات المرصودة ترجع إلى عدم انتظام توزيع المادة.

المرجع: “الحل المتزامن لتوتر هابل والتدفق الإجمالي خلال 250 ساعة −1 ميجاباسك” بقلم سيرجي مازورينكو وإندرانيل بانيك وبافيل كروبا وموريتز هاسلباور، 02 نوفمبر 2023، الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية.
دوى: 10.1093/منراس/ستاد3357

وإلى جانب جامعة بون، شاركت أيضًا في الدراسة جامعة سانت أندروز (اسكتلندا) وجامعة تشارلز في براغ (جمهورية التشيك). تم تمويل هذا العمل من قبل مجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا البريطاني.