المعضلة الأكثر مرحًا في علم الفلك

استمر الكون في التوسع منذ تكونه قبل 13.8 بليون سنة، وما زال يتمدد منذ ذلك الحين إلى الآن كبالون كوني ضخم.

يسمى معدل التمدد الحالي للكون بثابت هابل Hubble constant H0، وهو أحد القياسات الكونية الأساسية. تمكن معرفة ثابت هابل من معرفة عمر الكون وحساب حجمه، بالإضافة إلى قياس ومعرفة التأثير الغامض للطاقة المعتمة بدقة، التي تدفع الكون للتمدد. والأمر الممتع أن ثابت هابل هو أحد الثوابت اللازمة لحساب المسافة بين المجرات.

نمتلك مجموعة من الطرق عالية الدقة لتحديد قيمة ثابت هابل، لكن لسبب غير معروف تعود تلك القياسات بنتائج مختلفة.

قد تكمن المشكلة في معايرة تقنيات القياس، الشموع والمساطر القياسية المستخدمة لقياس المسافات الكونية، أو ربما خاصية غير معلومة للطاقة المظلمة. قد يكون فهمنا للفيزياء الأساسية غير مكتمل بعد، ولحل هذه المعضلة قد يتطلب الأمر اكتشافًا من النوع الذي يُكافأ بجائزة نوبل.
من أين نبدأ؟

الأساسيات

يُعبّر عن ثابت هابل بمجموعة غير اعتيادية من وحدات قياس المسافة والزمن، كيلومتر/ثانية/ميغا برسخ km/s/Mpc، تعادل الميغا برسخ نحو 3.3 مليون سنة ضوئية. تعبر المجموعة عن ثابت هابل لأن تمدد الكون متسارع، ويظهر ذلك مع الأجسام البعيدة جدًا التي تبدو أنها تتراجع بسرعة كبيرة. نظريًا إذا وجدنا أن مجرة تبعد عنا بمقدار 1 ميغا برسخ تتراجع بمقدار 10 كيلومتر/ ثانية، ومجرة على بعد 10 ميغا برسخ تتراجع بمقدار 100 كيلومتر/ ثانية، فيمكن وصف تلك العلاقة ب 10 كيلومتر إلى ثانية لكل ميغا برسخ. باختصار، تساعد معرفة العلاقة الطردية بين السرعة التي تتحرك فيها المجرات بعيدًا عنا وتقاس بالوحدة (كم/ ث) وبعدها عنا بوحدة (ميغا برسخ) بإعطاء ثابت هابل H0 قيمته، بالطبع هذا في حالة توفر طريقة لقياس كل ذلك.

ابتكر الفلكيون العديد من الطرق للوصول إلى ثابت هابل، ولكن يوجد طريقتان أساسيتان، وكلتاهما تتضمن إما مساطر قياسية أو شموع قياسية.

مساطر قياسية وإشاراتها

تستند المساطر القياسية على أحافير كونية من بداية الكون تسمى عصر إعادة الاندماج Epoch of Recombination، كانت درجة حرارة الكون وكثافته بعد الانفجار الأعظم مرتفعة جدًا ما لم يسمح للذرات بالتكون. بدلًا من ذلك تواجدت ضبابة من البلازما الغامضة شديدة الحرارة، بدأت تلك البلازما بعد نحو 380 ألف عام من التبريد والتمدد بإعادة الاندماج لتكوين الذرات.

نعتمد في دراستنا على أحفورتين زمنيتين من بداية الكون، الأولى هي إشعاع خلفية الكون أو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي cosmic microwave background CMB، وهي الضوء القادم من ضبابة البلازما في اللحظة التي أُعيد فيها تجميع المادة وأصبح الكون واضحًا، أول ضوء خافت ما زال يوسع الكون بانتظام في كل الاتجاهات.

تمثل التقلبات في درجة حرارة إشعاع خلفية الكون تمدد الكون وتكونه، ليتم دمجها بعد ذلك مع الحسابات لمعرفة تاريخ تمدد الكون.

الأحفورة الثانية هي تذبذب الباريون الصوتي الناتجة من موجات الكثافة الصوتية الكروية التي انتشرت في ضباب البلازما في بداية الكون وتوقفت عن الانتشار في عصر إعادة الاندماج.

تبلغ المسافة التي يمكن أن تقطعها تلك الموجة في هذه الفترة نحو 150 ميغا فرسخ، اكتشفت تلك المسافة من تغيرات الكثافة عبر تاريخ الكون. وهذا يوفر لنا «مسطرة» لقياس المسافات في الكون.

شموع قياسية في السماء

الشموع القياسية هي طريقة لقياس المسافات بالاعتماد على مجموعة من الأجرام الكونية. يجب أن تكون تلك الأجرام ذوات لمعان حقيقي وليست مجرد نجوم أو مجرات في الكون، كمستعر أعظم من نوع Ia supernovae، أو نجم متغير قيفاوي Cepheid variable stars أو النجوم في رأس فرع العملاق الأحمر.

*المستعر الأعظم من نوع Ia supernovae، هو مستعر أعظم عديم الهيدروجين ذو سيليكون مؤيّن.

أخبرت الفيزيائية الفلكية تامارا دافيز Tamara Davis ، من جامعة كوينزلاند University of Queensland في أستراليا الموقع: «يمكنك تحديد موقع النجوم بدقة عند النظر للسماء إن كانت على اليمين أو على اليسار ولكن لا يمكنك أبدًا معرفة بعدها عنا. من الصعب معرفة الفرق بين جسم لامع وبعيد، وآخر خافت وقريب لذا فالطريقة الأمثل لقياس تلك المسافة تكمن في إيجاد شيء معياري. كالشموع المعيارية التي هي جسم معلومٌ لمعانه».

تعتبر المساطر القياسية والشموع القياسية كليهما طرقًا دقيقةَ، وكلاهما يقدمان نتائج مختلفة عند استخدامهم لحساب ثابت هابل، فبلغت قيمة ثابت هابل باستخدام المساطر القياسية في الحسابات نحو 67 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ، ونحو 74 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ، لا يوجد خطأ يفسر لنا الفجوة بين القيميتن.

تاريخ الفجوة

لاحظ عالما الفلك أليكساندر فريدمان Alexander Friedmann وجورج لوميتر Georges Lemaître تمدد الكون لأول مرة في عشرينيات القرن الماضي، وبحلول العام 1929 حسب العالم إدوين هابل Edwin Hubble معدل التمدد بناءً على الشموع القياسية المسماة النجوم المتغيرة القيفارية التي تتباين في السطوع بشكل دوري. توفر تلك النجوم أداة ممتازة لقياس المسافة بفضل ارتباط توقيت هذا التباين بالسطوع الحقيقي لهذه النجوم.

لم تكن معايرة المسافة دقيقة تمامًا بالإضافة إلى قياسات المسافة الكونية، أظهرت الحسابات الأولى أن قيمة ثابت هابل هي 500 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ.

قالت دافيز: «اكتشف علماء الجيولوجيا أثناء دراستهم لكوكب الأرض معضلة صغيرة، فقد علموا أن عمر الأرض يقارب 4 بليون سنة، ويمكنك حساب الوقت اللازم للكون ليصل لحجمه الحالي إذا اعتبرت معدل تمدد الكون 500 كم/ث، وهو ما يقارب 2 بليون سنة. هذا يعني أن الأرض تكونت قبل تكون الكون وهو أمرٌ غير ممكن. بالطبع بدأ الناس في ذلك الحين بالتذمر ووصف الانفجار الأعظم أنه مجرد هراء».

استقرت قيمة ثابت هابل كما هي إلى ما يقارب خمسينيات القرن الماضي. تم وضع قيمة ثابت هابل 100 كم/ث عندما اكتشف الفلكي الألماني والتر بادي Walter Baade وجود نوعين من النجوم المتغيرة القيفاوية ما سمح باشتقاق الحسابات للوصول لتلك القيمة.

قالت دافيز: «تطورت وازدادت معرفتنا والتقنيات المستخدمة لفهم الكون، وكذلك تحسنت حسابات ثابت هابل، حيث يمكنك رؤية التمدد في الكون من الرسم في الصورة في الأعلى. اعتدنا على الحصول على نسبة خطأ تصل إلى ± 50 %، لكن بفضل تحسن القياسات أصبحت نسبة الخطأ تص إلى ± 1-2%، وتختلف هذه التقنيات الآن بشكل كافٍ بحيث يصعب وصفها بنسبة الخطأ».

ما هي المعضلة الكبرى؟

يعرف الاختلاف بين القيمتين اليوم بمعامل توتر هابل Hubble tension ، إنه ليس بالرقم الكبير، 9.4%. لم يكتشف علماء الكونيات بعد سبب هذا التناقض، قد تكمن المشكلة في المعايرة لكنها أيضًا بعيدة المنال.

على سبيل المثال قامت عدة فرق بحساب ثابت هابل من إشعاع الخلفية الكونية الميكروي CMB بفضل القياسات من مرصد بلانك الفضائي Planck space observatory، من المحتمل أن تكمن المشكلة في تفسيرنا للبيانات؛ لكن مسح CMB لعام 2019 بواسطة أداة مختلفة، تلسكوب Atacama Cosmology، اتفق مع بيانات بلانك.

بالإضافة إلى ذلك ، أدت حسابات هابل من تذبذب الباريون الصوتي الذي تم قياسه بواسطة أداة مختلفة تمامًا، وهي مسح Sloan Digital Sky ، إلى نفس النتيجة.

قد تضللنا الشموع القياسية، تتجمع الشموع القياسية على شكل مستويات لتشكل سلم المسافات الكونية، واحدة من تلك الأشياء المضللة هي اختلاف المنظر، كيفية تغيير النجوم القريبة موقعها بالنسبة للنجوم البعيدة، المستخدمة للتحقق من دقة مسافات نوعين من النجوم المتغيرة.

تقول دافيز: «قد يكون الخطأ الثاني من النجوم المتغيرة من خارج مجرتنا، المستعر الأعظم من نوع Type Ia supernovae، الأمر أشبه بتسلق سلم أبعد فأبعد في الكون. أن أي خطأ صغير قد يتسبب في خطأ جسيم في وقت لاحق».

تتضمن محاولات أخرى لحل المعضلة تغيير الطريقة التي نفكر بها عن الفضاء الواسع المحيط بنا.

واحدة من تلك المحاولات لحل المعضلة هي فرضية فقاعة هابل، مبنية على فكرة أن مجرة درب التبانة موجودة داخل فقاعة ذات كثافة منخفضة نسبيًا في الكون، ومحاطة بمواد ذوات كثافة عالية. يضغط التأثير الجاذبي للمواد ذوات الكثافة العالية على الفضاء داخل الفقاعة، فيجعلها تبدو لنا كأن الكون يتمدد بسرعة كبيرة، أسرع من بداية الكون. حتى لو كانت تلك الفرضية تساهم في حل المعضلة فإنها تضيف بصعوبة 9.4% من التعارض الحاصل.

أخبر ماثيو كوليس Matthew Colless من جامعة أستراليا الوطنية Australian National University، الموقع: «أبدع الناس في ابتكار طرق محتملة لحل المعضلة، لكن إلى الآن لم يجادل أحد بشكل مقنع لتفسير تلك الاختلافات، قد تكون مجموعة من الأخطاء اجتمعت معًا بالطريقة ذاتها، لكن مصادر تلك الأخطاء غير مرتبطة ببعضها بعضًا. سيكون من المفاجئ ومن سوء الحظ حقًا إن كانت كل تلك الأخطاء التي اكتشفناها تراكمت معً في اتجاه واحد، جاءت لنا بالكون».

قد يقع اللوم على الفيزياء؟

مع كل الاحترام لعلم الفيزياء فإن نماذجنا الفلكية تعمل بشكل رائع، ولكن إن حاولت تغيير أي من المكونات الأساسية لثابت هابل، يميل شيء آخر للفشل. يقول كوليس: «يمكنك تغيير المساطر القياسية لكنك في المقابل ستدمر عمليات رصد انتهينا منها مسبقًا، قد تكون كمية المادة في الكون أو كتلة أحد غوامض الكون. أشياء كالتي ذكرتها قيست بشكل جيد وتحت المعايير القياسية ولكنها كسرت فقط لأنك تقوم ببعض التغييرات لإصلاح المساطر القياسية».
وهو ما يقودنا للتساؤل، ما الذي نفتقده بشدة ويسبب لنا هذه المعضلة؟ هل هي مشكلة في الفيزياء الأساسية؟

علقت دافيز على ذلك: «أفكر بتواجد خطأ في الحسابات، لكن يبدو من الصعب حقًا معرفة مصدر ذلك الخطأ من القياسات الحالية. لذلك تبدو الاحتمالات متساوية، يوجد تناقض مثير للاهتمام بحق في المعضلة. المحاولة في ذلك تستحق الاهتمام، فهي مثيرة بحق».
إن كانت خياراتنا كالآتي: «اصطنع البشر كل تلك الأشياء» أو «الفيزياء خاطئة» فيقع اللوم على أول شخص اصطنع تلك الأشياء.

يعتبر ذلك في الحقيقة بخسًا، نادرًا ما تقدم الفيزياء إجابات لكنها تتحدى أي مشكلة يتحدث عنها الفلكيون، معضلة توتر هابل هي صعبة بحق. هذا ما يجعلها شيء ممتع جدًا.

قد يوجد ثغرة معينة في النظرية النسبية العامة لآينشتاين لم تتضمنها، سيكون هذا صعبًا، فقد مرت النظرية باختبارات عديدة بعد الاختبار الكوني لذلك لا يمكننا استبعاد هذا الاحتمال.
يوجد العديد من الاحتمالات الممكنة، كالمقدار الهائل من الطاقة المعتمة، لا نعلم إلى الآن ما تمثله الطاقة المعتمة لكن قد تكون قوة أساسية مسؤولة عن الضغط السلبي الذي يسارع تمدد الكون، ربما هي كذلك.

قال كوليس: «الفكرة الغامضة الوحيدة هي ثابت آينشتاين الكوني، طاقة الفراغ أو العدم، لكننا لا نعلم تمامًا كيف تعمل لعدم توفر طريقة مقنعة لتوقع كم تنبغي أن تكون قيمة ثابت آينشتاين الكوني».

أشار كوليس: «قد توجد ثغرة في تفسيرنا لمفهوم الجاذبية، بالإضافة أن الفيزياء الحديثة كالتي تؤثر على نظرية أساسية كالنظرية النسبية العامة نادرة للغاية. إذا توفرت لدينا فيزياء أحدث وتتطلب تعديلًا على النسبية العامة فسيعتبر هذا إنجازًا يستحق أن يكافأ بجائزة نوبل».

الطريق الوحيد إلى الأمام

مهما كان الخطأ أو السبب، خطأ في المعايرة أو ثغرة في فهمنا للفيزياء أو أي شيء آخر، يوجد طريق واحد للأمام لإصلاح ثابت هابل وهو المزيد من العلم.

بدايةً فإن الفلكيين يعملون ليلاً ونهارًا على البيانات المجموعة حاليًا عن المساطر والشموع القياسية، فهم يحاولون تقليل نسبة الخطأ ويمكننا جمع المزيد من البيانات اللازمة لدعم مجهودهم.

كمثال على ذلك يعمل كوليس على مشروع في أستراليا مستخدمًا تقنية تايبان TAIPAN instrument لقطع الحافة التي جمّعت مؤخرًا في مرصد Siding Spring.

سيدرس الفريق ملايين المجرات القريبة منا بشكل كافٍ في كوننا لقياس تذبذبات برايون الصوتية لمعرفة أي خطأ في القياس من تلك المسافة.

يقول كوليس: «سنقيس مليوني مجرة قريبة من أقرب ما نستطيع من جهة نصف الكرة الجنوبي والقليل من نصف الكرة الشمالي، لاحظ الإشارات من تذبذبات برايون الصوتية وعاير المقياس بدقة 1% على معدل لون أحمر منخفض».
هذا هو الحجم الذي قاسته المساطر القياسية ذاته، لذا إن عادت نتائج قياسات تقنية التايبان لنفس الحجم بقيمة ثابت هابل تعادل 67 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ، ستكون الثغرة في فهمنا للشموع القياسية، وفي المقابل لو كانت النتائج أقرب ل 74 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ، فهذا يزيد دقة احتمال الشموع القياسية.

يعتبر دمج العديد من المجالات خيارًا، ليست فقط المساطر أو الشموع القياسية هي ما يتم استخدامه، فيوجد كذلك الصافرات القياسية، بناءً على علم فلك الموجات الثقالية فإن التموج في الزمكان ينشأ من التصادمات الضخمة بين الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية.

قالت دافيز: «أنها تشبه المستعرات العظمى في معرفة مدى سطوعها من الداخل. إنها تشبه الشموع القياسية، وتسمى أحيانًا بالصافرات القياسية لأن تردد الموجات الثقالية يخبرنا عن مدى سطوعها. لا نحتاج للمعايرة؛ لمعرفتنا من النظرية النسبية العامة عن العلاقة بين التردد والسطوع. نحن فقط نمتلك عددًا واحدًا ما يجعلها طريقة واضحة بعكس غيرها من الطرق».
تبدو الحسابات الأولية واعدة لأنه من الصعب استخدام الموجات الثقالية لحساب ثابت هابل. في عام 2017 سمح اصطدام للنجوم النيوترونية للعلماء بتقليل قيمة ثابت هابل إلى 70 كيلومتر/ ثانية/ ميغا برسخ مع نسبة خطأ على كلا الجانبين أكبر بشكل كافٍ لتغطية نسبة خطأ 67 و74.

وصفت دافيز هذا الاكتشاف بما أنه عبارة عن عملية رصد وحيدة ولكن بقياسات دقيقة بشكل لا يوصف.

تقول دافيز: «قمنا بالعديد من القياسات لمستعرات عظمى، وملايين المجرات لحساب ترددات برايون الصوتية، درسنا السماء كاملة لحساب إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. كانت نسبة الخطأ لقياس الموجات الثقالية الفريد من نوعه قليلة، فبلغت 10% والتي استغرقت عقودًا من الزمن للحصول عليها».
ما زل علم فلك الموجات الثقالية في بدايته، نحتاج المزيد من الوقت لرصد تصادمات نجوم نيوترونية بشكل كافٍ لتحسين تلك النتائج. ومع المزيد من الحظ سنعرف سبب توتر هابل.

في كلا الحالتين سنصنع التاريخ باكتشافاتنا في الفيزياء الحديثة، فأي خطأ في حساب المسافات من شأنه أن يهز علم الفلك. قد يعني هذا أن هناك العديد من الأشياء التي لا نفهمها بعد عن المستعرات العظمى من نوع la أو عن كيفية تطور النجوم.

سيؤدي فهم توتر هابل إلى المزيد من التقدم في العلوم الفلكية.

قال كوليس: «تحمس الفلكيون مع تلك النتائج لأن النظريات الفلكية تعمل بشكل جيد فيزداد حماسنا عند اكتشاف فشل في أيٍ من عملنا، نتعلم المزيد من فشلنا ونصبح أفضل. العلم هو عبارة عن مجموعة من المحاولات تتخللها الأخطاء، نتعلم المزيد عند الوقوع في تلك الأخطاء».

المصادر: 1