كيف تساعد المستعرات الأعظم في كشف أسرار الطاقة المظلمة

إن أكبر مكون في الكون هو شيء لا نعرف عنه شيئًا تقريبًا.

أفضل وأدق الملاحظات التي جمعها علماء الكون على مدى عقود تظهر أن كل المادة من حولنا، كل ذرة نراها في أي مكان في الكون، تشكل 5% فقط من كل ما هو موجود. و27% أخرى هي المادة المظلمة، التي تربط المجرات ببعضها البعض. وكل شيء آخر – وهو ما يمثل 68% من الكون – هو طاقة مظلمة، وهي القوة المسؤولة عن توسع الكون.

وبدون الطاقة المظلمة، فإن معدل التوسع سوف يتباطأ مع مرور الوقت. لكن من الواضح جدًا أن الأمر ليس كذلك، ومعدل التوسع يتزايد بالفعل. لا بد أن يكون هناك نوع من القوة التي تدفع هذا التوسع، وهذه القوة المجهولة هي ما نسميه الطاقة المظلمة.

إنه أكبر مكون في الكون، وهو لغز. لكن بالنسبة لنوع معين من العلماء، فإن ذلك يجعل دراسته تحديًا لا يقاوم.

في اجتماع للجمعية الفلكية الأمريكية في وقت سابق من هذا الشهر، قدم الباحثون بيانات استغرق صنعها عقدًا من الزمن من أكبر عينة من المستعرات الأعظم وأكثرها تناسقًا تم جمعها على الإطلاق. كانت البيانات جزءًا من مسح الطاقة المظلمة، وهو عبارة عن تعاون دولي لأكثر من 400 عالم فلك يعملون معًا لكشف أسرار الطاقة المظلمة.

ركز التحليل على مجموعة متنوعة من المستعرات الأعظم تسمى النوع 1أ. هذه مفيدة بشكل خاص لعلماء الفلك لأنها تتمتع بسطوع يمكن التنبؤ به للغاية، مما يجعلها لا تقدر بثمن كعلامات أميال يمكن استخدامها لقياس المسافة بدقة. وباستخدام هذه المستعرات الأعظمية لحساب المسافة إلى المجرات البعيدة، يمكن للعلماء قياس مدى سرعة توسع الكون، ونأمل أن يتعلموا المزيد عن المادة الغريبة للطاقة المظلمة.

قد تشكل الطاقة المظلمة جزءًا كبيرًا من الكون، لكن تأثيراتها خفية. وللكشف عن تأثيرها، يجب على الباحثين النظر إلى مجموعات البيانات الضخمة التي تظهر تحركات المجرات على نطاق واسع. يتطلب الأمر أدوات دقيقة للغاية حتى تتمكن من اكتشاف نوع التأثيرات واسعة النطاق التي تحدثها الطاقة المظلمة على حركات المجرات.

وأوضحت ماريا فينسينزي من جامعة ديوك، التي شاركت في قيادة التحليل الكوني لعينة المستعر الأعظم من DES: “لإجراء هذه القياسات فائقة الدقة، تحتاج إلى أفضل الكاميرات وأفضل التلسكوبات المتاحة، على الأرض أو في الفضاء”. “إن بناء هذا النوع من الأدوات يعد جهدًا هائلاً، وهو أمر لا يمكن أن تقوم به مجموعة واحدة أو موارد جامعة واحدة.”

تم إجراء معظم الأبحاث السابقة حول الطاقة المظلمة باستخدام المستعرات الأعظم باستخدام تقنية تسمى التحليل الطيفي، حيث ينقسم الضوء الصادر عن المستعر الأعظم إلى أطوال موجية. من خلال البحث عن الأطوال الموجية للضوء الغائبة، يمكن للعلماء استنتاج الأطوال الموجية التي تم امتصاصها، وهو ما يخبرك بتركيبة الجسم.

وهذا مفيد للغاية للحصول على معلومات تفصيلية من جسم ما، ولكنه أيضًا عملية مكلفة للغاية وتستغرق وقتًا طويلاً وتتطلب استخدام تلسكوب متخصص مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

اتخذ البحث الأخير نهجا مختلفا. قال فينسينزي: “لقد حاولنا القيام بالأشياء بطريقة مختلفة تمامًا”. واستخدموا تقنية تسمى قياس الضوء، حيث لاحظوا الضوء الصادر من الأجسام وتتبعوا كيفية تغير السطوع على مدى بضعة أسابيع، مما أدى إلى إنتاج بيانات تسمى منحنى الضوء.

ثم قاموا بإدخال منحنيات الضوء هذه في خوارزمية التعلم الآلي، والتي تم تدريبها لتحديد المستعرات الأعظمية المحددة التي يريدونها – المستعرات الأعظم من النوع 1a.

كان جانب التعلم الآلي أمرًا أساسيًا لأن الاختلافات بين منحنيات الضوء لأنواع المستعرات الأعظم يمكن أن تكون دقيقة. وقال فينسينزي: “يمكن لخوارزمية التعلم الآلي رؤية الأشياء التي قد لا تتمكن حتى العين المدربة جيدًا من رؤيتها”، فضلاً عن كونها أسرع بكثير.

وقد مكّن ذلك المجموعة من تحديد عينة ضخمة من حوالي 1500 من هذه المستعرات الأعظمية عبر مجموعة بيانات مدتها خمس سنوات، تم جمعها من أداة واحدة تسمى كاميرا الطاقة المظلمة المثبتة على تلسكوب فيكتور إم بلانكو في تشيلي.

بفضل مجموعة البيانات المثيرة للإعجاب هذه، تمكن الباحثون من فهم المزيد عن توسع الكون أكثر من أي وقت مضى، وتدعم النتائج نموذجًا شائعًا للكون غريب حقًا.

الأمر الغريب هو كل ما يتعلق بكثافة الطاقة المظلمة. لفهم سبب أهمية ذلك، من المفيد أن نبدأ بالتفكير في شيء مألوف أكثر: المادة.

“مع توسع الكون، حجم الكون يتزايد. لكن كمية المادة ليست كذلك. إنه ثابت المادة الكلية. وأوضح ديلون بروت من جامعة بوسطن، الذي شارك في قيادة التحليل الكوني: “إذا كان الحجم يتزايد والمادة ثابتة، فإن الكثافة ستنخفض”.

حتى الان جيدة جدا. لكن الطاقة المظلمة ليست كذلك، فهي تتمتع بكثافة ثابتة مع مرور الوقت. “مع توسع الكون، لا تنخفض الكثافة. وقال بروت: “تحصل على كمية إجمالية أكبر من الطاقة المظلمة”.

وهذا يعني أن الطاقة المظلمة تبدو وكأنها خاصية للفضاء نفسه، ولهذا السبب تُعرف أيضًا أحيانًا باسم طاقة الفراغ. “إذا حصلت على مساحة أكبر، فستحصل على المزيد من الطاقة المظلمة. وقال بروت: “إذا زاد حجم الكون، فستحصل على الكمية المناسبة من الطاقة المظلمة، لأنها خاصية للفضاء نفسه”.

الطاقة المظلمة لا تشبه أي شيء آخر نعرفه في الطبيعة، لذلك يشكك بعض الناس في النظرية ويعتقدون أنه يجب أن يكون هناك تفسير آخر لمعدل توسع الكون، مثل وجود خطأ في النسبية العامة أو عدم اكتمالها.

لكن على نحو متزايد، يتفق علماء الكونيات على أن نظرية الكثافة الثابتة للطاقة المظلمة مع مرور الوقت، والتي تسمى لامدا بالمادة المظلمة الباردة، هي أفضل تفسير لدينا للملاحظات التي قمنا بها. ولا يثبت البحث الجديد بشكل قاطع صحة هذه النظرية، لكنه يتفق معها.

وقال فينسينزي: “لقد كان هذا أمرًا مذهلاً لكل من يعمل في هذا المجال على مدار العشرين عامًا الماضية”. “لأنه شكل من أشكال الطاقة يصعب التوفيق بينه وبين أي معرفة سابقة بالطاقة والقوى التي اعتدنا على التفكير فيها في الفيزياء.”

يمكن اعتبار الطاقة المظلمة أحد وجهي العملة الكونية، والمادة المظلمة هي الوجه الآخر. تتعارض القوتان مع بعضهما البعض: إحداهما تدفع الأشياء بعيدًا والأخرى تجمعها معًا.

“تؤثر المادة والمادة المظلمة على الكون بجاذبيتهما. وقال بروت: “لذا فإن المادة المظلمة تميل إلى إبطاء توسع الكون، في حين أن الطاقة المظلمة تميل إلى تسريعه”. “لذا فإن الأمر أشبه بلعبة شد الحبل بين المادة المظلمة وقوة الجاذبية، وتنافر الطاقة المظلمة.”

ويعني هذا النموذج أنه مع مرور الوقت وتوسع الكون، هناك المزيد والمزيد من الطاقة المظلمة. في مراحل مبكرة من تاريخ الكون، كانت المادة المظلمة تهيمن على فيزياءه لأن حجمها كان أصغر وكانت كثافة المادة أعلى. ومع تزايد حجم الكون، أصبحت الطاقة المظلمة هي المهيمنة.

“تهيمن الطاقة المظلمة على أجزاء الكون التي تكون في الغالب فارغة، على المسافات الشاسعة بين المجرات التي يمتلئ معظمها بالفضاء الفارغ. وأوضح بروت: “في مناطق المجرة المليئة بالكثير من المادة أو المادة المظلمة، كما هو الحال في المجرة أو في النظام الشمسي، لا نشعر أو نرى تأثيرات الطاقة المظلمة”.

وهذا جزء من سبب صعوبة دراسة الطاقة المظلمة: يحتاج الباحثون إلى النظر إلى الحركات واسعة النطاق للمجرات لمعرفة آثارها.

إذا كان كل هذا يبدو غريبًا وغير بديهي، فاحذر، لأن هناك المزيد من الغرابة التي يجب اكتشافها في هذه القصة.

على الرغم من أن العلماء يعرفون أن هناك قدرًا هائلاً من الطاقة المظلمة في الكون، إلا أن تأثيراتها صغيرة نسبيًا. على الرغم من أنها تؤدي إلى توسع الكون، وهو أمر ليس بالأمر غير المهم، إلا أن هناك مشكلة طويلة الأمد في علم الكونيات حيث تكون تأثيراتها أضعف مما تتوقعه النظرية. كثيراً أضعف.

في الواقع، تشير تنبؤات ميكانيكا الكم، وهي النظرية الأكثر انتشارًا حول كيفية عمل المادة على المستوى الذري، إلى أن الطاقة المظلمة يجب أن تكون أقوى مما هي عليه الآن.

“إذا كانت الطاقة المظلمة هي طاقة الفراغ، فإن القيمة التي نجدها هي 120 مرة من التوقع النظري لميكانيكا الكم. قال بروت: “وهذا مجرد جنون”. “يُطلق عليه أحيانًا أكبر تناقض بين النظرية والملاحظات في كل العلوم.”

ولكن إذا كانت الطاقة المظلمة قوية كما تتنبأ ميكانيكا الكم، فإنها كانت ستشتت المواد في الكون المبكر، مما يمنع المجرات المبكرة من التشكل. يمكن القول إن تطور الحياة كما نعرفها يعتمد على الضعف النسبي للطاقة المظلمة.

هذا التناقض في القيمة الظاهرة للثابت الكوني، والذي هو جزء من النسبية العامة، هو سؤال رئيسي لعلم الكونيات. حتى أنها وُصفت بأنها “المشكلة الأكثر إحراجًا” في الفيزياء.

ومع ذلك، بالنسبة للباحثين في مجال الطاقة المظلمة، فإن هذا التناقض المحير هو ما يجعل الموضوع مقنعًا للغاية ومهمًا للدراسة.

وقال بروت: “نحن نقيس المادة المظلمة والطاقة المظلمة، التي تشكل 95% من الكون”. “يا فتى، إذا لم نفهم 95% من الكون، علينا أن نبحث ونحاول فهمه.”