قياس ثابت هابل

نحات يشكل الجبال من المجالات المغناطيسية والحرارة، لكن الحجر يقاوم. النجم النيوتروني — بقايا فائقة الكثافة لانفجار مستعر أعظم — في نظام ثنائي يسحب المادة من النجم المجاور. هذه المادة الساقطة تسخن قشرة النجم بشكل غير متساوٍ، بينما يسحبها المجال المغناطيسي من الداخل.

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.

قياس المسافات في الكون ليس بالمهمة السهلة. فجميع الطرق تقريبًا تعتمد على الضوء، وهو قد يتعرض للامتصاص أو التشتت أو التشويه أثناء رحلته إلينا. الأمر أشبه بمحاولة رؤية منارة بعيدة عبر الضباب والدخان. أما النيوترينوات فقصة مختلفة تمامًا. هذه الجسيمات الشبحية، التي لا تتفاعل تقريبًا مع المادة، تخترق أي شيء دون أن تعترضها العوائق.

فجر الكون محجوب عنا بحجاب كثيف من الزمن. يمكننا النظر إلى ما وراءه إذا التقطنا إشارة راديوية من سحب الهيدروجين المتعادل الهيدروجين — تلك الإشارة الكونية الشاملة عند طول موجة 21 سم، وهي بقايا العصر الذي كانت فيه النجوم الأولى تتوهج للتو. لكنها ضعيفة جدًا لدرجة أن ضجيج المستقبِل الذاتي يطغى عليها.

مباشرة بعد الانفجار العظيم، كان الفضاء يبرد بشكل غير متساوٍ. في بعض المناطق، ربما نشأت عيوب طوبولوجية (topological defects) — طيّات في الفضاء، خيوط طاقة رفيعة كالشعرة لكنها كثيفة بشكل لا يصدق. يسميها الفيزيائيون الأوتار الكونية. هذه الأجسام أحادية البعد تهتز وتتصادم وتصدر موجات جاذبية — تموجات في نسيج الزمكان نفسه.

تُعد Albert Einstein الموجات الثقالية التي تنبأ بها منارات في محيط الفضاء المظلم. تتوهج عند تصادم الثقوب السوداء وتخترق الكون بتموجات الفضاء. قبل مئة عام، لاحظ Edwin Hubble و Georges Lemaître أن المجرات البعيدة تبتعد عنا.

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.

قبل نصف قرن، لاحظ Фриц Цвикки أن المادة المرئية في تجمعات галактик غير كافية بشكل كارثي لتفسير الجاذبية. ونعلم اليوم أن جزءًا كبيرًا من المادة العادية — وهي الباريونات نفسها — يختبئ في بلازما متخلخلة بين النجوم والمجرات، في شبكة عملاقة من водорода وгелия.

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.

في دراسة حديثة، أظهر علماء الفيزياء الفلكية كيف تؤثر فيزياء ما قبل إعادة الاتحاد، وخاصة الطاقة المظلمة المبكرة، على الانحدار الطيفي $$α_s$$ وبالتالي على جدوى سيناريوهات تشكل الثقوب السوداء البدائية من طور الانحدار فائق البطء (USR) أثناء التضخم. بدمج بيانات Planck وACT وSPT وDESI، وجد العلماء أن إدخال الطاقة المظلمة المبكرة يزيح $$α_s$$ بشكل منهجي نحو القيم الموجبة، مما يعزز التناقض مع القيم السالبة المميزة لنماذج USR.

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.

الكون عبارة عن أوركسترا هائلة تعزف سيمفونية التوسع. تتباعد المجرات على إيقاع موسيقى غير مسموعة لـ الطاقة المظلمة. لكن المشكلة أن عصا القائد التي يحملها إدوين هابل وآدم ريس وفيرا روبين تحدد إيقاعين غير متوافقين.

للكون سرعة يتمدد بها، تُسمى ثابت هابل. المشكلة أن أدق طريقتين لقياسه تعطيان رقمين مختلفين. إحداهما، التي تستخدم الضوء المبكر للكون (إشعاع الخلفية الكونية)، تعطي قيمة معينة. والأخرى، التي تعتمد على رصد النجوم البعيدة في زماننا الحاضر، تعطي قيمة أخرى أعلى قليلًا. الفرق صغير، لكنه يصر على عدم الاختفاء. وهذا ما يُسمى «توتر هابل».

الكون يشبه غابة كثيفة: من القرب ترى أشجارًا-مجرات منفردة متجمعة في بساتين، ولكن من بعيد يندمج كل شيء في خضرة متصلة. الحد الذي يصبح بعده الكون متجانسًا يُسمى المقياس الزاوي للتجانس - وهو مقدار رقعة السماء التي ابتداءً منها تتوزع المجرات بانتظام.

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.

يشبه علم الكونيات قاعة محكمة حيث يدلي شاهدان بشهادتين متعارضتين لا يمكن التوفيق بينهما. الأول — تحليل إشعاع الخلفية الكونية الميكروي بواسطة القمر الصناعي بلانك — يؤكد أن توسع الكون يسير بسرعة 67 (كم/ث)/ميغابارسك.

في وقت سابق، اكتشف إدوين هابل أن المجرات تتباعد عن بعضها، وربط جورج لومتر ذلك بتوسع الفضاء. اليوم، يفترض نموذج ΛCDM، المستند إلى الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، أن الكون مسطح كلوحة قماشية مشدودة بإتقان.

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

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.

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.

الكون يتمدد، والمجرات تتباعد عن بعضها مثل الزبيب في عجين يرتفع. سرعة هذا التباعد — ثابت هابل (Hubble constant) — هي رقم أساسي في علم الكونيات. لقياسها، نحتاج عادةً إلى «الأفق الصوتي»: أثر موجات صوتية عبرت البلازما الحارة في أول مئات الآلاف من السنين بعد الانفجار العظيم.

يعيش بوزون هيغز لفترة قصيرة لا يمكن تصورها — أقل من جزء من مليار من الثانية. لا يمكن التقاطه مباشرة، لذلك ينظر الفيزيائيون إلى ما يتبقى بعد اضمحلاله: نفاثات من الجسيمات، وميونات، ونيوترينوات. لكن جزءًا من المعلومات يُفقد إذا اقتصرنا على الآثار الواضحة للاضمحلال فقط، دون النظر إلى الحدث بأكمله. النهج الجديد، الذي يُسمى «الشمولي»، يستخدم البيانات المتعلقة بجميع الجسيمات المسجلة في كل تصادم.

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.

اندماج نجمين نيوترونيين يشبه قرع الجرس: ينتشر عبر الكون اهتزاز في الفضاء، هو الموجة الثقالية. تلتقط الكواشف على الأرض هذا الاهتزاز وتحسب من قوته المسافة إلى المصدر. لكن الموجة لا تسافر في الفراغ: ففي طريقها، تحنيها قليلاً حقول الجاذبية لتجمعات المجرات. هذا يشبه ارتعاش ضوء مصباح الشارع عند مروره عبر زجاج مبلل. يسمي الفلكيون هذا التشويه بالعدسة الضعيفة (weak lensing).

قياس توسع الكون يشبه توقيت سباق بينما يتسع المضمار. تعمل اندماجات النجوم النيوترونية كصفارات إنذار قياسية: موجاتها الثقالية تنطلق ب"حجم" معروف، وبالتالي فالإشارات الأضعف تعني مسافات أكبر.

كل اندماج لـ ثقوب سوداء يولّد موجات الجاذبية — تموجات في نسيج الكون — تنبأ بها أينشتاين وسُجلت لأول مرة بمساهمة رئيسية من كيب ثورن. كدقات جرس عملاق، تحمل هذه الموجات معلومات عن الكتلة: معظم التصادمات تتجمع حول ثلاث قيم — 10 و18 و33 كتلة شمسية.

تسجل التلسكوبات الحديثة أن المجرات البعيدة تبتعد عنا بسرعة متزايدة. يُعزى سبب هذا التوسع المتسارع إلى الطاقة المظلمة، وهي مادة غامضة تخلق تنافرًا مضادًا للجاذبية، لكن طبيعتها ظلت لغزًا. علاوة على ذلك، فإن حسابات سرعة التمدد في الكون المبكر والمتأخر لا تتطابق، مما يشير إلى ثغرة في فهمنا. ربما يكمن الحل في حدث مشابه لسقوط قلم رصاص.

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.

الكون يتمدد، وكل تجمع من المجرات يشارك في رقصة كونية هائلة. وتيرة هذه الرقصة يحددها ثابت هابل — وهو قيمة أساسية تصف سرعة التمدد. وقد قاسه لأول مرة إدوين هابل قبل نحو قرن من الزمان، لكن لا يزال من الصعب تحديد قيمته بدقة: فنحن بحاجة إلى «مسطرة» قادرة على العمل على مسافات تصل إلى مليارات السنين الضوئية.

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.