توتر هابل هو مشكلة رئيسية غير محلولة في علم الكونيات: طريقتان مستقلتان لقياس معدل توسع الكون (ثابت هابل، H₀) تعطيان قيمتين مختلفتين بشكل كبير. إحدى الطريقتين تستخدم الخلفية الكونية الميكروية (CMB) — الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم — وتفترض النموذج الكوني القياسي، مما يعطي قيمة حوالي 67.4 كم/ث/ميجابارسيك. الطريقة الأخرى تستخدم قياسات المسافات المحلية، مثل النجوم المتغيرة القيفاوية والمستعرات العظمى من النوع Ia، وتعطي قيمة أعلى حوالي 73.0 كم/ث/ميجابارسيك. الفارق يتجاوز بكثير حدود الخطأ في القياسات، مما يشير إما إلى فيزياء غير معروفة أو خلل في نموذجنا الكوني.
التاريخ
ظهر التوتر في العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين مع تحسن القياسات. بيانات القمر الصناعي بلانك لعام 2013 للخلفية الكونية الميكروية أعطت قيمة منخفضة، بينما مشروع SH0ES التابع لتلسكوب هابل الفضائي، بقيادة آدم ريس، قاس باستمرار قيمة أعلى، مما زاد حدة الفارق على مر السنين.
كيف يعمل
طريقة الخلفية الكونية الميكروية تقيس معدل التوسع بشكل غير مباشر عن طريق مطابقة المقياس الزاوي للتذبذبات الصوتية في الكون المبكر، والتي تعتمد على أفق الصوت عند إعادة التركيب. يتطلب هذا افتراض نموذج كوني محدد (ΛCDM). الطريقة المحلية تبني سلم المسافات الكوني: التزيح ي calibrates القيفاويات، القيفاويات calibrates المستعرات العظمى، والمستعرات العظمى تكشف معدل التوسع. ينشأ التوتر لأن الطريقتين تختلفان عند مستوى 5-6 سيغما، مما يعني أن احتمال كونها صدفة إحصائية منخفض جدًا. الحلول الممكنة تشمل فيزياء جديدة مثل الطاقة المظلمة المبكرة، أو ثوابت أساسية متغيرة، أو أخطاء منهجية في قياسات المسافات.
في التطبيق
حل توتر هابل ضروري لتقدير دقيق للمعلمات الكونية، مما يؤثر على فهمنا للطاقة المظلمة والمادة المظلمة ومصير الكون. كما يؤثر على اختبارات دقيقة للنسبية العامة على المقاييس الكونية.
حقيقة طريفة
تم تسمية توتر هابل بـ 'الشق في النموذج القياسي لعلم الكونيات' لأنه يلمح إلى أن فهمنا لتكوين الكون وتطوره قد يكون غير مكتمل، مما قد يتطلب مراجعة نموذج ΛCDM.
قطرة حبر تنتشر في كأس ماء: تتحرك أطرافها أسرع من وسطها، ويتغير شكل القطرة. كذلك كتلة المادة المظلمة التي تنكمش تحت جاذبيتها الذاتية، تتمدد بشكل غير منتظم، إذ تتباعد أغلفتها المختلفة بسرعات متفاوتة. سابقًا، تمكن علماء الفيزياء الفلكية من وصف الحالة الأبسط فقط بدقة، وهي الكرة المتجانسة ذات الحدود الحادة، التي لها معدل تمدد واحد.
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.
مصباح مختبئ خلف حوض سمك كبير مملوء بالماء. أنت لا ترى مصدر ضوء واحدًا، بل عدة انعكاسات وانكسارات له — فالماء يحني مسار الأشعة. وعلى نحو مماثل تقريبًا، تعمل المجرة الضخمة كـ عدسة جاذبية عملاقة: فمجال جاذبيتها يحني أشعة الكوازار البعيد (النواة الساطعة لـمجرة)، فتظهر في السماء عدة نسخ منه دفعة واحدة.
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.
الكون محيط شاسع ومظلم. نحن لا نرى سوى الزبد المضيء على سطحه — النجوم والمجرات. وفي الأعماق تكمن قوتان خفيتان: المادة المظلمة، التي تمنع المجرات من التفرق بفعل جاذبيتها، والطاقة المظلمة، التي على العكس تدفع الفضاء نفسه، مما يجعل الكون يتوسع بشكل متسارع.
في عام 1998، فاجأت النيوترينوات الفيزيائيين: الجسيم يغير نوعه أثناء الطيران. هذا ممكن فقط إذا كانت له كتلة. أصبح هذا الدليل المخبري الوحيد على فيزياء خارج النموذج القياسي. لكن كم تزن النيوترينوات بالضبط لا يزال لغزًا. التجارب المباشرة، مثل منشأة KATRIN العملاقة في ألمانيا، تقول: كتلة نيوترينو الإلكترون أقل من 0.45 إلكترون فولت.
وجد علماء الكونيات أنفسهم في مأزق مثير. الطريقتان الرئيسيتان للنظر إلى ماضي الكون — عبر الإشعاع المبكر (إشعاع الخلفية الكونية الميكروي) وعبر الأجسام الأحدث مثل المستعرات العظمى — تعطيان أرقامًا مختلفة لمعدل التوسع (ثابت هابل) ولمدى تكتل المادة.
بعد مرور 380 ألف عام على الانفجار العظيم، برد الكون بدرجة كافية لانفصال الضوء عن البلازما. ولا يزال هذا إشعاع الخلفية الكونية الميكروي يتخلل الكون — مثل الوتر الأول في سيمفونية، صدى البداية الحارة.
مجرة درب التبانة وقمرها سحابة ماجلان الكبرى تدوران ببطء حول بعضهما البعض. جاذبيتهما المتبادلة تهز الأطراف البعيدة لدرب التبانة، كما أن إلقاء حصاة في بركة يجعل الماء يتموج.
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.
سطح أسود بارد — هكذا بدا بحر الطاقة المظلمة (dark energy) لمليارات السنين، وهي المادة غير المرئية التي تدفع توسع الكون (expansion of the universe). لكن مطياف DESI سجل تموجًا خفيًا. الموجات الصوتية المتجمدة — البنية واسعة النطاق (Large-Scale Structure) — أشارت إلى أن المسافات الكونية ليست على ما يرام.
كان الكون يبرد مثل بركة ماء ضخمة بعد بداية حارة. بعد 400 000 سنة من الانفجار العظيم، كان الهيدروجين على وشك إعادة الاتحاد (Recombination) — حيث تلتقط البروتونات الإلكترونات لتشكل ذرات متعادلة. لكن في مكان ما من هذه المياه المعتمة، ظل صنبور يقطر.
الجاذبية ليست مجرد قوة تُبقينا على الأرض. على نطاق الكون، هي التي تقود المجرات، وتُحدّب أشعة الضوء، وتحدد مصير كل شيء. قبل مئة عام، وصفها ألبرت أينشتاين بأنها انحناء في المكان والزمان. ولكن ماذا لو كانت هذه الصورة تحتاج إلى لمسة إضافية — تأثير المادة نفسها؟
هذا هو الاحتمال الذي اختبره فريق من الباحثين.
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.
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.
علم الكونيات يشبه أوركسترا بدأت مجموعاتها المختلفة فجأة تعزف بشكل غير منسجم. قياسات معدل توسع الكون (ثابت هابل) في الكون المبكر والمتأخر تعطي أرقامًا مختلفة. كما تشير ملاحظات أخرى إلى كتلة "سالبة" للنيوترينوات النجوم النيوترونية — وهو أمر مستحيل فيزيائيًا.
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.
في أواخر التسعينيات، فاجأتنا السماء المرصعة بالنجوم: اكتشف شاول بيرلموتر وآدم ريس أن توسع الكون يتسارع. منذ ذلك الحين، ظل اللغز الأكبر هو الطاقة المظلمة — المادة التي تشكل قرابة 70% من الكون، لكنها تفلت من الدراسة المخبرية.
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».
لعقود، أعطت طريقتان مستقلتان لقياس معدل تباعد المجرات — ثابت هابل — أرقامًا متناقضة. كان الموقف يشبه غرفة فيها ميزانا حرارة يعرضان درجتين مختلفتين. اعتمدت إحدى الطريقتين على رصد المستعرات العظمى القريبة، بينما اعتمدت الأخرى على تحليل الضوء القديم، إشعاع الخلفية الكونية المتبقي بعد الانفجار العظيم.
طنين يملأ أرجاء الكون. ليس صوتًا، بل ارتجافًا في نسيج الفضاء نفسه — الخلفية الموجية الثقالية. تنشأ عن أزواج من الثقوب السوداء فائقة الكتلة تتراقص حول بعضها في مراكز المجرات البعيدة. كل زوج منها كآلة إيقاعية عميقة في أوركسترا ضخمة. التقاط عزف منفرد لإحدى هذه الآلات وسط الطنين العام هو مهمة الهوائيات النابضة.
النجوم النابضة هي نجوم نيوترونية تُصدر نبضات راديوية بدقة مذهلة.
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.
بعد 380 ألف عام من الانفجار العظيم، برد الكون بما يكفي لتتحد الجسيمات المتناثرة في ذرات الهيدروجين. هذه المرحلة، المسماة بإعادة الاندماج، أشبه بأول نفس: انفصل الضوء عن المادة وانطلق عبر الفضاء.
منذ ذلك الحين، يقيس علماء الفلك سرعة توسع الكون بطريقتين.
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.
أجرى علماء الكونيات مواجهة بين نوعين من الانفجارات الكونية. المستعرات العظمى من النوع Ia هي نجوم تتوهج بسطوع شبه متطابق، لذا فهي بمثابة منارات موثوقة لقياس المسافات في الكون. أما أشعة غاما فهي أقوى بكثير ولكنها أكثر تقلبًا: فهي تُرى من مسافات شاسعة، لكن قوة التوهج تختلف في كل مرة.
الحدّاد يطرق سيفًا. مع كل ضربة مطرقة، يتسطّح المعدن الملتهب، لكن المطرقة نفسها والسندان والهواء المحيط بها تسخن قليلًا. جزء من طاقة الضربة يضيع حتمًا كحرارة — وهذا التبادل، الذي يعرفه كل من طرق مسمارًا مرة واحدة على الأقل، يتبيّن أنه مفتاح أكبر ألغاز الكون.
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.
الإشعاع الأثري (Cosmic Microwave Background) هو وهج ما بعد الانفجار العظيم الذي نراه على موجات مليمترية. لكن له ذيل طويل الموجة يمتد إلى نطاق الراديو. على أطوال موجية أطول من 21 سنتيمترًا، يبدأ هذا الضوء في الامتصاص بواسطة الهيدروجين المحايد المنتشر في الفضاء البعيد.
كعكة طبقات ضخمة، حيث طبقات العجين هي الفضاء، والحشوة هي منطقة خاصة تشبه جدارًا غير مرئي. هذا الجدار ليس من الطوب، بل من الطاقة، وقد يكون سمكه بعرض الكون بأكمله. إذا وُجد مثل هذا الجدار، فيجب أن يمدد طبقات العجين بشكل مختلف: تلك التي تقع على طوله تتباعد أسرع، بينما تلك التي تعبره تتباعد أبطأ.
هذا هو السيناريو الذي اختبره مؤلفو الدراسة.
الضوء القديم، الذي يسافر منذ 14 مليار سنة، يصل من جميع الاتجاهات. يبدو متجانسًا تمامًا، لكن عند التدقيق، تظهر فيه تذبذبات دقيقة — كتموجات على غشاء أملس. هذه التموجات ليست ضوضاء عشوائية، بل سجل مشفر للكون.
أعاد العلماء فحص بيانات القمر الصناعي «بلانك» ولاحظوا نمطًا غريبًا في استقطاب هذا الوهج. بدا الضوء «ملتويًا» قليلاً — وكأن الغشاء أظهر عدم تناظر بين اليسار واليمين.
المهندس المعماري يراجع المخطط عندما يبني منزلًا. لدى علماء الكونيات مخطط هو النموذج القياسي، وشريط القياس هو ضوء المجرات البعيدة. مؤخرًا، قام «شريط قياس» جديد، وهو جهاز التحليل الطيفي DESI، بقياس المسافات إلى ملايين المجرات بدقة غير مسبوقة. والأرقام لم تتطابق مع المخطط. كما لو أن الجدران أطول بسنتيمتر مما هو محدد — إنها تفاصيل صغيرة، لكن المشروع بأكمله يصبح موضع شك.
