عدم يقين التمدد الكوني

كرة نجمية قديمة، جمعت مئات الآلاف من الشموس، تدور منذ مليارات السنين على حافة مجرة قزمة. بحسب الحسابات، كان ينبغي لها أن تنهار نحو المركز منذ زمن طويل، كحجر ثقيل في عصيدة. لكن الكرة تبقى في مكانها، وهذه الحقيقة لا تمنح علماء الفيزياء الفلكية راحة منذ عدة عقود. في الصورة القياسية للمادة المظلمة الباردة، تحيط بالمجرات هالة غير مرئية تزداد كثافتها بحدّة نحو المركز.

في قلب مدينة قديمة يقف برج بساعة لم تُضبط منذ بنائها. من تأخرها يمكن حساب كم تمدد الزمن منذ ذلك الحين. في الفضاء، تلعب المجرات الأثرية دور هذه الأبراج، وهي تجمعات نجمية كثيفة تشكلت في أول مليارات السنين ولم تندمج مع جيرانها منذ ذلك الحين ولم تولد نجومًا جديدة. ضوءها هو بصمة العمر، مجمدة في الطيف.

ستة عدّائين يركضون على المضمار، والحكام يقيسون سرعتهم دون أن يلاحظوا الرياح المواتية. الرياح تهب في ظهورهم جميعًا، وساعات الإيقاف تُظهر نتيجة أفضل من الحقيقية. هكذا تقريبًا ضللت ستة ميجاميزرات — وهي ليزرات كونية طبيعية في مجرات بعيدة — علماء الفلك الذين كانوا يقيسون سرعة توسع الكون.

الضوء القادم من بداية الكون يصل إلينا بعد رحلة استمرت 13.8 مليار سنة. خلال هذه الرحلة، قد يكون استقطابه — أي اتجاه اهتزاز الموجة الكهرومغناطيسية — قد تعرض لدوران، مثل إبرة بوصلة تم تدويرها بخفة دون أن يلاحظ أحد.

بعد ثلاث دقائق من الانفجار العظيم، عزف الكون سمفونيته الأولى. كان ذلك الانفجار العظيم والتخليق النووي — تكوّن الأنوية الخفيفة، حيث كان كل عنصر يعزف نغمته الخاصة، وكان الإيقاع تحدده سرعة توسع الفضاء. الإيقاع القياسي الذي تنبأت به معادلات فريدمان كان يُبعد البروتونات والنيوترونات عن بعضها، ويمنعها من التكتل بسرعة كبيرة.

الجدل الكوني يشبه موقفاً يقيس فيه حرفيان نفس الجدار لكن يحصلان على طولين مختلفين. أحدهما يستخدم شريط قياس، يطبقه على المعالم القريبة — النجوم القيفاوية (Cepheids) (نجوم نابضة تشبه المنارات) والمستعرات العظمى من النوع Ia (انفجارات النجوم المحتضرة). يجد أن الجدار يتمدد بسرعة 73.5 وحدة تقليدية.

في علم الكونيات، تحتدم دراما: آلتان موسيقيتان رئيسيتان — أوركسترا الكون المبكر والفرقة الحجرية للكون الحديث — تعزفان سيمفونية التوسع نفسها بإيقاعين مختلفين.

تخيل أوركسترا كونية تعزف سيمفونية من الانفجار العظيم حتى أيامنا هذه. بدا قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — لفترة طويلة كبندول إيقاع غير مبالٍ: الثابت الكوني Λ ثابت لا يتزحزح، مثل عصا القائد المتجمدة في الهواء.

الكون مثل أوركسترا تعزف سيمفونية الانفجار العظيم. ولطالما اعتُبرت الطاقة المظلمة هي قائد الأوركسترا، بندولاً ثابتاً يضبط وتيرة التوسع.

في مركز مجرة M87، على بُعد 55 مليون سنة ضوئية منا، يتربص ثقب أسود كتلته تعادل 6.5 مليار شمس. في عام 2019، كشف تلسكوب Event Horizon Telescope (EHT) لأول مرة عن صورته: كعكة دائرية برتقالية اللون بقلب مظلم. لكن الكعكة ليست الهاوية نفسها؛ إنها غاز متوهج محمّى إلى مليارات الدرجات، يدور قبل أن يختفي إلى الأبد. أما الظل الحقيقي فهو أصغر قليلًا من الحلقة، وحجمه مشفّر في الإشعاع.

الأوركسترا الكونية لا تُضبط على شوكة رنّانة واحدة. هناك مجموعتان من الآلات: الأولى تُصغي إلى همهمة الكون الفتي — إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والأخرى تقرأ النوتات من المجرات الناضجة والمستعرات العظمى. لعقود، حاولت المجموعتان عزف نغمة واحدة متناغمة — أي تحديد سرعة تباعد الأرخبيلات المجرية.

المترجم لا يسمع الكلمات فحسب، بل أيضًا النبرة والتوقفات والارتعاش في الصوت. تحليل الإنتروبيا العادي للاضطرابات الكونية يشبه محضر اجتماع: يوثق الحقائق لكنه يفقد الفروق الدقيقة. الإنتروبيا الزائفة للإنتروبيا — أداة جديدة تلتقط «الموسيقى» الخفية للكون المبكر.

مسطرتان تُظهران طولًا مختلفًا قليلًا لنفس الطاولة. هذا تقريبًا هو الوضع في علم الكونيات فيما يتعلق بثابت هابل (Hubble constant) — الرقم الذي يحدد سرعة تمدد الكون.

علم الكونيات هو موسيقى الأفلاك، وثابت هابل بدا لنا فيما مضى كبندول إيقاع موثوق. لكن بيانات أداة DESI، التي تدرس أطياف ملايين المجرات، تلمح إلى أن قائد الأوركسترا — الطاقة المظلمة — يغير هو نفسه الإيقاع خلال السيمفونية.

يشهد علم الكونيات تصدعًا تكتونيًا. تشير المستعرات العظمى المعايرة بالقيفاويات، التي قاسها فريق آدم ريس، إلى سرعة تبلغ حوالي 73 كم/ث لكل ميغابارسيك.

تخيل بالوناً ضخماً قابلاً للنفخ مرسوماً عليه مجرات، وعندما يُنفخ يتمدد الرسم وتتباعد النقاط المتجاورة عن بعضها البعض. سرعة هذا التمدد هي ثابت هابل. عادةً ما يلتقط الفلكيون ضوء النجوم البعيدة ويرصدون مدى احمراره بسبب تمدد الفضاء.

في المطبخ، هناك ميزان للدقيق وكوب قياس للماء. كل منهما دقيق بمفرده، لكن عند خبز الخبز، تتطلب الوصفة نسبة مثالية. جدل مشابه يدور بين علماء الفلك حول سرعة تمدد الكون. القياسات المباشرة عبر النجوم تعطي رقمًا واحدًا، بينما الحسابات المستندة إلى إشعاع الخلفية الكونية (الضوء المتبقي من الانفجار العظيم) تعطي رقمًا آخر أصغر قليلاً. الفرق صغير، لكنه يصر على عدم الاختفاء.

ساعتان تعرضان وقتين مختلفين. إحداهما على طاولتنا، والأخرى بعيدة في الماضي، في التوهج الذي خلفه الانفجار العظيم. الأولى، بالنظر إلى المجرات القريبة، تحسب معدل توسع الكون — حوالي 73 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة. الثانية، بالتأمل في الضوء القديم، تعطي رقمًا أقل بشكل ملحوظ — حوالي 67.

النيوترينو هي أكثر الجسيمات كتلةً انتشارًا في الكون. تمر عبرنا تريليونات منها كل ثانية، لكنها لا تترك أثرًا تقريبًا. جاذبيتها الكلية، وإن كانت ضئيلة، قادرة على التأثير في حركة مجرات بأكملها. شخصان يتقاربان في شارع مزدحم؛ المارة غير المرئيين يغيرون سرعتهما. هكذا الحال مع أزواج المجرات: تلعب النيوترينو دور العابرة الخفية، فتُشوّه حركتها قليلًا.

قام علماء الكونيات بقياس السرعة التي تتباعد بها المجرات البعيدة في مناطق مختلفة من السماء. وللقيام بذلك، استخدموا نوعين من "المساطر الكونية": تجمعات المجرات وانفجارات المستعرات الأعظمية من نوع معين. أظهرت الطريقتان النتيجة نفسها: في اتجاه واحد، يتمدد الكون أسرع قليلاً منه في الاتجاه المعاكس. الفرق صغير — حوالي 2 سيغما، أي أنه قد يكون عشوائياً، لكنه يتكرر في جميع الفحوصات.

الكون يتمدد، ولكن بأي سرعة؟ ظل علماء الفلك لعقود يتجادلون حول القيمة الدقيقة لثابت هابل. هناك طريقتان كلاسيكيتان تعطيان نتائج مختلفة قليلاً. والآن ظهرت طريقة ثالثة تعتمد على التدفقات الراديوية الغامضة.

إذا كان الفضاء لوحةً، فإن ضربات الفرشاة عليه لا يمكن أن تكون رفيعة بلا حدود. هناك أقصر قطعة لا معنى للقياس دونها — طول أساسي يحدد "حبيبية" الزمكان الكمومية. هذا التقطع يغير الهندسة نفسها: حركة المجرات ونمو البنى واسعة النطاق يعكسان تأثيره.

عالما فلك ينظران إلى نفس الكون، لكن كل منهما يراه بشكل مختلف. الأول يقيس سرعة التوسع باستخدام الضوء القديم الذي سافر إلينا لما يقرب من 14 مليار سنة. والثاني يقيسها باستخدام انفجارات النجوم الحديثة في المجرات المجاورة. الأول يحصل على 67 كيلومترًا في الثانية لكل ميجابارسك من المسافة، والثاني على 73. الفرق يبدو صغيرًا، لكنه أكبر بخمس مرات مما يمكن تفسيره بالصدفة.

الكون يشبه محيطًا تتدافع أمواجه بأطوال مختلفة نحو الشاطئ. أطول الموجات هي تباينات هائلة في توزيع المادة، نراها في إشعاع الخلفية الكونية الميكروي. تقول النظرية القياسية إن مثل هذه الموجات يجب أن توجد على جميع المقاييس.

في النموذج الكوني القياسي ΛCDM، تتباعد المجرات تحت ضغط الطاقة المظلمة — زنبرك خفي. لكن الطرق المختلفة لقياس سرعة التوسع تعطي أرقاماً مختلفة، وكأن مسطرة القياس قد اختل مقياسها. لاحظ هذا التباين إدوين هابل منذ قرابة قرن مضى.

الكون يتمدد، لكن بأي معدل؟ سؤال يؤرق علماء الفلك منذ عقود. طريقتان للقياس تعطيان إجابتين مختلفتين، وهذا الفارق يُعرف بتوتر هابل. بعضهم ينظر إلى الكون المبكر عبر إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، بينما ينظر آخرون إلى المستعرات العظمى القريبة والنجوم المتغيرة القيفاوية. الفرق صغير لكنه عنيد: حوالي 9%.

الحد المرئي للكون هو شاشة هولوغرافية تخضع، مثل الثقب الأسود، للقوانين التي اكتشفها بيكينشتاين وهوكينغ. عادةً ما تُحفظ المعلومات عليها، لكن الحسابات تُظهر أنه عند فقدان بضع بتات، تنطلق طاقة تُسرّع التوسع.

الضوء القادم من المجرات البعيدة، أثناء مروره عبر تجمعات ضخمة من المادة، يتعرض لتشوهات — تمامًا كما تبدو قاع حوض السباحة مكسورًا بسبب تموجات سطح الماء.

الكون أشبه بكعكة تُحضَّر بوصفة واحدة، لكن ملعقة الشاي والميزان يُظهران كمية مختلفة من السكر بإصرار. وهكذا الحال مع تمدد الكون: القياسات المعتمدة على النجوم القريبة (الملعقة) تعطي رقمًا، بينما القياسات من الضوء القديم لـ الانفجار العظيم (الميزان) تعطي رقمًا مختلفًا تمامًا. لاحظ هذا اللغز العالم إدوين هابل، وما زال قائمًا.

طريقتان لقياس سرعة تمدد الكون تعطيان صورة متناقضة. القياسات المعتمدة على توهج المستعرات العظمى، التي أجراها فريق آدم ريس، تشير إلى تمدد أسرع مما تدل عليه بيانات إشعاع الخلفية الكونية — الضوء المتبقي من الانفجار العظيم. والفارق كبير لدرجة لا يمكن تفسيره بالصدفة – إنها أزمة حقيقية في علم الكونيات.

عندما اكتشف إدوين هابل توسع الكون، واكتشفت فيرا روبين المادة المظلمة، بدا هيكل علم الكونيات متينًا. لكن تلسكوب جيمس ويب نظر إلى أعماق الزمن لدرجة أنه رأى مجرات ثقيلة الوزن حيث كان من المفترض، وفق الحسابات، ألا توجد سوى «شتلات».

يعيش المجتمع الكوني منذ عدة سنوات في حالة من الحرب الأهلية الهادئة. معسكران يقيسان معدل تمدد الكون ويحصلان على إجابات مختلفة. بلانك، وهو يحدق في الإشعاع الأثري، يقول: 67.4 كم/ث/م.ف.ق. أما SH0ES، وهو يتسلق سُلَّم المسافات من القيفاويات إلى المستعرات العظمى، فيصر على: 73.2. الفجوة البالغة 5.8 سيغما لا تبدو صدفة.

في اللحظات الأولى بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يتمدد بسرعة هائلة. تموج كمّي ضئيل، مدمج في مبدأ عدم اليقين نفسه، كان يدفع المادة بقوة أكبر من أي قوة معروفة. هذا التموج هو مبدأ عدم اليقين المعمم، أو GUP. وهو ينص على أن الموضع والزخم لا يمكن قياسهما بدقة تتجاوز حدًا معينًا، وأن هذا الحد يعتمد على الزخم نفسه. المعامل β في الحسابات تغيّر على 40 مرتبة من الحجم — من 10⁻¹²⁵ إلى 10⁻⁸⁷.