كيف (تقريبًا) لا شيء يمكن أن يحل أكبر أسئلة علم الكونيات | مجلة كوانتا

مثل مدينة مشرقة في وسط صحراء قاحلة ، فإن حينا المجري محاط بفراغ كوني - وهو جيب فضاء هائل لا يمكن فهمه تقريبًا. في الآونة الأخيرة ، رصدت استطلاعات السماء آلافًا أخرى من هذه الفقاعات الشاغرة. الآن ، وجد الباحثون طريقة لسحب المعلومات من هذه الفراغات الكونية: من خلال حساب عدد هذه الفراغات الكونية ، ابتكر العلماء طريقة جديدة لاستكشاف اثنين من أكثر الأسئلة الشائكة في علم الكونيات.

قال "إنها المرة الأولى التي نستخدم فيها أرقامًا باطلة لاستخراج معلومات كونية" أليس بيساني، عالم الكونيات بجامعة برينستون ومعهد فلاتيرون ومؤلف كتاب أ ما قبل الطباعة الجديدة وصف العمل. "إذا أردنا دفع حدود العلم ، فنحن بحاجة إلى تجاوز ما تم إنجازه بالفعل."

كان الباحثون يبحثون عن أدوات جديدة جزئيًا لأن لديهم بعض الألغاز الكبيرة التي يجب حلها. الأول ، والأكثر إثارة للحيرة ، هو معدل تمدد الكون ، وهي قيمة تُعرف باسم ثابت هابل. لأكثر من عقد من الزمان ، كافح العلماء للتوفيق بين القياسات المتضاربة لهذا المعدل ، حتى أن البعض أطلق على هذه المشكلة اسم أكبر أزمة في علم الكونيات.

بالإضافة إلى ذلك ، الباحثون قياسات متضاربة من تكتل المادة الكونية - متوسط ​​كثافة الهياكل واسعة النطاق والمادة المظلمة والمجرات والغاز والفراغات الموزعة في جميع أنحاء الكون كدالة للوقت.

عادةً ما يقيس علماء الفلك هذه القيم بطريقتين متكاملتين. من الغريب أن هاتين الطريقتين تنتجان قيمًا مختلفة لكل من ثابت هابل وما يسمى بقوة تجميع المادة.

في نهجهم الجديد ، تستخدم بيساني وزملاؤها الفراغات الكونية لتقدير كلتا القيمتين. ونتائجهم المبكرة ، التي يبدو أنها تتفق بشكل وثيق مع إحدى الطرق التقليدية أكثر من الأخرى ، تساهم الآن بتعقيداتها في خلاف مشحون بالفعل.

قال: "لقد استمر توتر هابل عقدًا من الزمان حتى الآن لأنه يمثل مشكلة صعبة" آدم ريس، عالم فلك في جامعة جونز هوبكنز يستخدم المستعرات الأعظمية لتقدير ثابت هابل. "تم التحقق من المشكلات الواضحة وتحسنت البيانات ، وبالتالي تعمق المعضلة."

الآن ، الأمل هو ألا تؤدي دراسة أي شيء تقريبًا إلى شيء كبير.

بناء فقاعات

الفراغات هي مناطق من الفضاء أقل كثافة من الكون ، في المتوسط. يتم تحديد حدودها من خلال الصفائح والخيوط الهائلة من المجرات المنسوجة في جميع أنحاء الكون. تمتد بعض الفراغات على مئات الملايين من السنين الضوئية ، وتشكل هذه الفقاعات معًا 80٪ على الأقل من حجم الكون. لفترة طويلة ، على الرغم من ذلك ، لم يعرها أحد اهتمامًا كبيرًا. قال بيساني: "لقد بدأت بحثي في ​​عام 2011 بحوالي 200 فراغ". "ولكن لدينا الآن ما يقرب من 6,000."

تميل الفقاعات إلى التمدد لأنه بداخلها ، لا يوجد الكثير من المواد لممارسة سحب الجاذبية إلى الداخل. تميل الأشياء الموجودة خارجها إلى البقاء بعيدًا. وأي مجرات تبدأ داخل الفراغ يتم سحبها إلى الخارج بفعل الجاذبية للهياكل التي تحدد حافة الفراغ. وقال بيساني إنه بسبب هذا ، "حدث القليل جدًا" في الفراغ. "لا توجد عمليات اندماج ولا فيزياء فلكية معقدة. وهذا يجعل التعامل معهم أمرًا في غاية السهولة ".

لكن شكل كل فراغ مختلف ، مما قد يجعل من الصعب على العلماء التعرف عليهم. قال بيساني: "نريد أن نتأكد من أن فراغاتنا قوية". "كيف يجب أن يكون فارغًا ، وكيف أقيسه؟"

اتضح أن تعريف "لا شيء" يعتمد على نوع المعلومات التي يريد علماء الفلك استخراجها. بدأ بيساني وزملاؤه بأداة رياضية تسمى مخطط فورونوي ، والتي تحدد الأشكال التي تشكل فسيفساء ثلاثية الأبعاد. تُستخدم هذه المخططات عادةً لدراسة أشياء مثل الفقاعات في الرغوة والخلايا في الأنسجة البيولوجية.

في العمل الحالي ، صممت بيساني وزملاؤها فسيفساء Voronoi الخاصة بهم لتحديد حوالي 6,000 فراغ في البيانات من مشروع رسم خرائط مجري ضخم يسمى المسح الطيفي لتذبذب الباريون (رئيس).

قال "الفراغات مكملة لكتالوج المجرات" بنيامين واندلت، عالم فيزياء فلكية في جامعة السوربون في باريس لم يشارك في الدراسة. "إنها طريقة جديدة لاستكشاف البنية الكونية."

بمجرد أن حصل بيساني وزملاؤه على خريطة الفراغات الخاصة بهم ، شرعوا في رؤية ما يمكن أن تكشفه عن الكون المتوسع.

شيء من لا شيء

كل فراغ كوني هو نافذة على صراع كوني كبير. من ناحية ، هناك طاقة مظلمة ، القوة الغامضة التي تجعل كوننا يتوسع بسرعة أكبر. الطاقة المظلمة موجودة حتى في الفضاء الفارغ ، لذا فهي تهيمن على فيزياء الفراغ. على الجانب الآخر من الصراع هناك الجاذبية ، والتي تحاول سحب الفراغ معًا. ومن ثم يضيف تكتل المادة التجاعيد إلى الفراغات.

بيساني وزملائها بينهم صوفيا كونتاريني من جامعة بولونيا ، وضع نموذجًا لكيفية تأثير توسع الكون على عدد الفراغات ذات الأحجام المختلفة. في نموذجهم ، الذي حافظ على ثبات عدد قليل من المعلمات الكونية الأخرى ، أنتج معدل توسع أبطأ كثافة أعلى من الفراغات الأصغر والأكثر تكومًا. من ناحية أخرى ، إذا كان التوسع أسرع ولم تتكتل المادة بسهولة ، فقد توقعوا العثور على المزيد فراغات كبيرة وسلسة.

ثم قارنت المجموعة تنبؤاتهم النموذجية مع الملاحظات من مسح BOSS. من هذا ، كانوا قادرين على تقدير كل من التكتل وثابت هابل.

ثم قاموا بوضع قياساتهم جنبًا إلى جنب مع الطريقتين التقليديتين لقياس هذه القيم. تستخدم الطريقة الأولى نوعًا من الانفجار الكوني يسمى مستعر أعظم من النوع Ia. الثاني يعتمد على الخلفية الكونية الميكروية (CMB) ، الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم.

كشفت البيانات الفارغة عن ثابت هابل الذي اختلف بنسبة أقل من 1٪ عن تقدير CMB. كانت نتيجة التكتل أكثر تشويشًا ، لكنها أيضًا تتماشى بشكل وثيق مع CMB أكثر من النوع Ia المستعرات الأعظمية.

من المحير أن الفراغات في مسح BOSS أقرب في المكان والزمان إلى المستعرات الأعظمية من النوع Ia الأحدث - مما يجعل من المدهش بعض الشيء أن تكون قياسات الفراغ متوافقة بشكل أكبر مع CMB البدائي. ومع ذلك ، اقترح واندلت أن النتائج قد تكشف عن فهم جديد للكون.

قال "هناك فكرة عميقة واحدة تجعل شعري يقف". داخل الفراغات ، لم تتشكل الهياكل ولا تتطور أبدًا ، لذا فإن الفراغات "هي كبسولات زمنية للكون المبكر".

بعبارة أخرى ، إذا كانت فيزياء الكون المبكر مختلفة عن فيزياء اليوم ، فربما تكون الفراغات قد حافظت عليها.

مستقبل الغياب

يعتقد آخرون أنه من السابق لأوانه استخلاص أي استنتاجات من النتائج الجديدة.

حتى مع وجود آلاف الفراغات ، لا تزال أشرطة الخطأ في الدراسة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن قول أي شيء قاطع. قال "هذا التحليل تم إجراؤه بشكل جيد للغاية" روث دورير، عالم فيزياء نظرية بجامعة جنيف لم يشارك في البحث. لكن ، لاحظ دورر ، النتائج لم تصل إلى دلالة إحصائية - حتى الآن. قال دورير: "إذا أرادت أليس أن تكون في نادي قياسات هابل الثابتة بشكل مذهل ، فعليها الوصول إلى حد 1٪ ، وهو تحد كبير".

قالت بيساني إنها تعتبر العمل دليلاً على المفهوم. من المحتمل أن يستغرق الأمر عقدًا آخر - ومساعدة البعثات المستقبلية مثل تلسكوب الفضاء الروماني نانسي جريس التابع لناسا ومرصد سبيركس - لتجميع بيانات فارغة كافية لتكون على قدم المساواة مع قياسات CMB و Type Ia المتضاربة.

يشير دورر أيضًا إلى أنه ربما تكون هذه الحجج - محاولات التوفيق بين التوترات الكونية - كلها ضجة كبيرة حول لا شيء ، وأن الخلافات الرصدية يمكن أن تشير إلى حقيقة لا ينبغي للعلماء محاولة محوها.

وقالت: "إن مجموعات المستعرات العظمى و CMB تقوم بقياسات مختلفة جدًا ، جدًا". "لذلك قد تكون هناك فيزياء جديدة تشرح لماذا لا يجب أن نرى نفس الشيء."

ملاحظة المحرر: أليس بيساني تتلقى تمويلًا من مؤسسة سايمونز، التي تمول هذه المجلة المستقلة تحريريًا أيضًا. لا تؤثر قرارات تمويل مؤسسة Simons على تغطيتنا. مزيد من التفاصيل متوفرة هنا.