هل الفراغ العملاق يفرق الكون؟

يقترح علماء الكون وجود فراغ عملاق في الفضاء كحل لـ “توتر هابل”، متحديين النماذج التقليدية ومقترحين مراجعة نظرية الجاذبية لأينشتاين.

أحد أكبر الألغاز في علم الكونيات هو معدل تمدد الكون. ويمكن التنبؤ بذلك باستخدام النموذج القياسي لعلم الكونيات، المعروف أيضًا باسم المادة المظلمة الباردة لامدا (ΛCDM). يعتمد هذا النموذج على الملاحظات التفصيلية للضوء المتبقي من الضوء الانفجار العظيم – ما يسمى بالخلفية الكونية الميكروية (CMB).

إن توسع الكون يجعل المجرات تبتعد عن بعضها البعض. كلما كانوا بعيدين عنا، كلما تحركوا بسرعة أكبر. العلاقة بين سرعة المجرة والمسافة يحكمها “ثابت هابل”، وهو حوالي 43 ميلاً (70 كم) في الثانية لكل ميجابارسيك (وحدة الطول في علم الفلك). وهذا يعني أن المجرة تكسب حوالي 50.000 ميل في الساعة مقابل كل مليون سنة ضوئية يبعد عنا.

لكن لسوء الحظ بالنسبة للنموذج القياسي، فقد تم مؤخرًا التنازع على هذه القيمة، مما أدى إلى ما يسميه العلماء بـ “توتر هابل.” عندما نقيس معدل التوسع باستخدام المجرات القريبة والمستعرات الأعظمية (النجوم المنفجرة)، فهو أكبر بنسبة 10% مما كان عليه عندما توقعناه بناءً على الإشعاع CMB.

تصور فني للفراغ العملاق والخيوط والجدران المحيطة به. الائتمان: بابلو كارلوس بوداسي

في لدينا ورقة جديدةنقدم تفسيرًا واحدًا محتملاً: أننا نعيش في فراغ عملاق في الفضاء (منطقة ذات كثافة أقل من المتوسط). لقد أظهرنا أن هذا يمكن أن يؤدي إلى تضخيم القياسات المحلية من خلال تدفقات المادة من الفراغ. قد تنشأ التدفقات الخارجية عندما تقوم المناطق الأكثر كثافة المحيطة بالفراغ بفصله عن بعضها البعض، حيث تمارس قوة جذب أكبر من المادة ذات الكثافة المنخفضة داخل الفراغ.

في هذا السيناريو، سنحتاج إلى أن نكون بالقرب من مركز فراغ يبلغ نصف قطره حوالي مليار سنة ضوئية وبكثافة أقل بحوالي 20% من متوسط ​​الكون ككل، أي ليس فارغًا تمامًا.

إن مثل هذا الفراغ الكبير والعميق غير متوقع في النموذج القياسي ــ وبالتالي فهو مثير للجدل. تعطي CMB لمحة سريعة عن بنية الكون الوليد، مما يشير إلى أن المادة اليوم يجب أن تكون منتشرة بشكل موحد إلى حد ما. ومع ذلك، يتم حساب عدد المجرات في مناطق مختلفة بشكل مباشر يقترح بالفعل نحن في فراغ محلي.

تعديل قوانين الجاذبية

أردنا اختبار هذه الفكرة بشكل أكبر من خلال مطابقة العديد من الملاحظات الكونية المختلفة من خلال افتراض أننا نعيش في فراغ كبير نشأ من تقلبات كثافة صغيرة في العصور المبكرة.

للقيام بذلك، لدينا نموذج لم تتضمن ΛCDM ولكن نظرية بديلة تسمى ديناميكيات نيوتن المعدلة (موند).

تم اقتراح MOND في الأصل لشرح الحالات الشاذة في سرعات دوران المجرات، وهو ما أدى إلى اقتراح وجود مادة غير مرئية تسمى “المادة المظلمة”. يقترح MOND بدلاً من ذلك أن هذه الحالات الشاذة يمكن تفسيرها من خلال قانون نيوتن للجاذبية الذي ينهار عندما تكون قوة الجاذبية ضعيفة للغاية – كما هو الحال في المناطق الخارجية من المجرات.

سيكون تاريخ التوسع الكوني الإجمالي في MOND مشابهًا للنموذج القياسي، لكن البنية (مثل مجموعات المجرات) ستنمو بشكل أسرع في MOND. يجسد نموذجنا الشكل الذي قد يبدو عليه الكون المحلي في كون MOND. ووجدنا أن ذلك سيسمح للقياسات المحلية لمعدل التوسع اليوم بالتقلب اعتمادًا على موقعنا.

تقلبات درجة الحرارة CMB: صورة مفصلة للسماء بأكملها للكون الوليد تم إنشاؤها من بيانات WMAP لمدة تسع سنوات تكشف عن تقلبات في درجات الحرارة عمرها 13.77 مليار سنة (كما هو موضح في اختلافات اللون). الائتمان: فريق ناسا / WMAP العلمي

أتاحت عمليات رصد المجرات الأخيرة إجراء اختبار جديد حاسم لنموذجنا استنادًا إلى السرعة التي يتنبأ بها في مواقع مختلفة. يمكن القيام بذلك عن طريق قياس ما يسمى بالتدفق بالجملة، وهو متوسط ​​سرعة المادة في كرة معينة، سواء كانت كثيفة أم لا. وهذا يختلف مع نصف قطر الكرة، مع الملاحظات الأخيرة عرض انها تستمر إلى مليار سنة ضوئية.

ومن المثير للاهتمام أن التدفق الكبير للمجرات على هذا المقياس قد ضاعف أربعة أضعاف السرعة المتوقعة في النموذج القياسي. ويبدو أيضًا أنها تتزايد مع حجم المنطقة قيد النظر، على عكس ما يتوقعه النموذج القياسي. احتمالية أن يكون هذا متسقًا مع النموذج القياسي أقل من واحد في المليون.

دفعنا هذا إلى رؤية ما تنبأت به دراستنا للتدفق بالجملة. لقد وجدنا أنه ينتج جيد جدًا مباراة إلى الملاحظات. يتطلب ذلك أن نكون قريبين إلى حدٍ ما من مركز الفراغ، وأن يكون الفراغ أكثر فراغًا في مركزه.

القضية مغلقة؟

تأتي نتائجنا في وقت تواجه فيه الحلول الشائعة لتوتر هابل مشكلة. يعتقد البعض أننا نحتاج فقط إلى قياسات أكثر دقة. ويعتقد آخرون أنه يمكن حلها بافتراض أن معدل التوسع المرتفع الذي نقيسه محليًا هو كذلك في الواقع الصحيح. لكن هذا يتطلب تعديلًا طفيفًا في تاريخ التوسع في الكون المبكر حتى تظل CMB تبدو صحيحة.

ولسوء الحظ، فإن مراجعة مؤثرة تسلط الضوء على سبعة مشاكل مع هذا النهج. إذا توسع الكون بسرعة أكبر بنسبة 10% خلال الغالبية العظمى من التاريخ الكوني، فإنه سيكون أيضًا أصغر سنًا بنحو 10% – وهو ما يتناقض مع النظرية السائدة. الأعمار من أقدم النجوم.

إن وجود فراغ محلي عميق وممتد في أعداد المجرات والتدفقات الكبيرة السريعة المرصودة تشير بقوة إلى أن البنية تنمو بشكل أسرع من المتوقع في ΛCDM على نطاقات تتراوح بين عشرات ومئات الملايين من السنين الضوئية.

هذه صورة التقطها تلسكوب هابل الفضائي لأكبر مجموعة من المجرات شوهدت على الإطلاق عندما كان الكون نصف عمره الحالي البالغ 13.8 مليار سنة. يحتوي العنقود على عدة مئات من المجرات التي تتجمع تحت تأثير الجاذبية الجماعية. يُقدر أن الكتلة الإجمالية للعنقود، كما تم تحسينها في قياسات هابل الجديدة، تزن ما يصل إلى 3 ملايين مليار نجم مثل شمسنا (حوالي 3000 مرة أكبر من مجرتنا درب التبانة) – على الرغم من أن معظم الكتلة مخفية بعيدًا. كمادة مظلمة. تم تحديد موقع المادة المظلمة في التراكب الأزرق. نظرًا لأن المادة المظلمة لا تنبعث منها أي إشعاعات، قام علماء فلك هابل بقياس دقيق لكيفية تشوه جاذبيتها لصور المجرات البعيدة في الخلفية مثل مرآة المرح. وقد سمح لهم ذلك بالتوصل إلى تقدير شامل للكتلة. أطلق على العنقود اسم El Gordo (تعني بالإسبانية “السمين”) في عام 2012 عندما أشارت ملاحظات الأشعة السينية والدراسات الحركية لأول مرة إلى أنه كان ضخمًا بشكل غير عادي في ذلك الوقت في بداية الكون عندما كان موجودًا. وأكدت بيانات هابل أن العنقود يتعرض لاندماج عنيف بين مجموعتين أصغر منه. مصدر الصورة: NASA، ESA، وJ. Jee (جامعة كاليفورنيا، ديفيس)

ومن المثير للاهتمام أننا نعلم أن العنقود المجري الضخم El Gordo (انظر الصورة أعلاه) قد تشكل مبكرا جدا في التاريخ الكوني وله كتلة وسرعة تصادم عالية جدًا بحيث لا يتوافق مع النموذج القياسي. وهذا دليل آخر على أن البنية تتشكل ببطء شديد في هذا النموذج.

وبما أن الجاذبية هي القوة المهيمنة على مثل هذه المقاييس الكبيرة، فمن المرجح أننا بحاجة إلى توسيع نظرية أينشتاين في الجاذبية، النسبية العامة – ولكن على المقاييس فقط أكبر من مليون سنة ضوئية.

ومع ذلك، ليس لدينا طريقة جيدة لقياس كيفية تصرف الجاذبية على مقاييس أكبر بكثير، فلا توجد أجسام مرتبطة بالجاذبية بهذا الحجم. يمكننا أن نفترض أن النسبية العامة تظل صالحة ونقارنها بالملاحظات، لكن هذا النهج بالتحديد هو الذي يؤدي إلى التوترات الشديدة التي يواجهها حاليًا أفضل نموذج لدينا لعلم الكونيات.

ويعتقد أن أينشتاين قال أننا لا نستطيع حل المشاكل بنفس التفكير الذي أدى إلى المشاكل في المقام الأول. وحتى لو لم تكن التغييرات المطلوبة جذرية، فمن الممكن أن نشهد أول دليل موثوق به منذ أكثر من قرن على أننا بحاجة إلى تغيير نظريتنا في الجاذبية.

كتبه إندرانيل بانيك، زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء الفلكية، جامعة سانت أندروز.

مقتبس من مقالة نشرت أصلا في المحادثة.