يقترح معهد نيلز بور استخدام الكيلونوفا، وهي انفجارات ناجمة عن اندماج النجوم النيوترونية، لحل التناقضات في قياسات معدل توسع الكون. النتائج الأولية واعدة، ولكن هناك حاجة لمزيد من الحالات للتأكيد.
لقد واجه علم الفلك أزمة في السنوات الأخيرة: على الرغم من أننا نعلم أن الكون يتوسع، وعلى الرغم من أننا نعرف المعدل التقريبي للتوسع، إلا أن الطريقتين الرئيسيتين لقياس هذا التوسع تتعارضان. والآن، اقترح علماء الفيزياء الفلكية في معهد نيلز بور طريقة جديدة قد تساعد في حل هذا التناقض.
توسع الكون
لقد عرفنا هذا منذ أن قام إدوين هابل وعلماء فلك آخرون بقياس سرعات بعض المجرات المحيطة منذ حوالي 100 عام. يتم "حمل" المجرات الموجودة في الكون بعيدًا عن طريق هذا التوسع، مما يؤدي إلى انحسارها عن بعضها البعض.
كلما كانت المجرتان بعيدتين عن بعضهما البعض، كلما زادت سرعة حركتهما بينهما، والسرعة الدقيقة لهذه الحركة هي واحدة من أهم الكميات الأساسية في علم الكونيات الحديث. الرقم الذي يصف توسع الكون يسمى "ثابت هابل"، ويظهر في العديد من المعادلات والنماذج المختلفة للكون ومكوناته.
تقع المجرات بهدوء في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع. وهذا يتسبب في تحرك المجرات بعيدًا عن بعضها البعض بسرعات متزايدة باستمرار. ولكن مدى السرعة بالضبط هو لغزا. حقوق الصورة: ESO/L. مجرة كالكاتا ثابتة في الفضاء، لكن الفضاء نفسه يتوسع باستمرار. وهذا يتسبب في ابتعاد المجرات عن بعضها البعض بمعدل متزايد باستمرار. ولكن مدى السرعة بالضبط هو لغزا. المصدر: ESO/L. كلكادا
لغز هابل
ولذلك، لكي نفهم الكون، يجب علينا أن نعرف ثابت هابل بأكبر قدر ممكن من الدقة. هناك عدة طرق لقياس ثابت هابل؛ هذه الطرق مستقلة عن بعضها البعض، ولكن لحسن الحظ أنها تعطي نتائج متطابقة تقريبًا.
من حيث المبدأ، أسهل طريقة بديهية للفهم هي تلك التي استخدمها إدوين هابل وزملاؤه منذ قرن مضى: العثور على مجموعة من المجرات وقياس المسافات والسرعات بينها. ومن الناحية العملية، يتم تحقيق ذلك من خلال البحث عن المجرات التي تنفجر فيها النجوم، والمعروفة باسم المستعرات الأعظم. ويكتمل هذا النهج بآخر يحلل المخالفات في ما يسمى بإشعاع الخلفية الكونية؛ شكل قديم من الضوء يعود تاريخه إلى ما بعد الانفجار الكبير بفترة قصيرة.
الطريقتان – طريقة المستعر الأعظم وطريقة إشعاع الخلفية – تعطيان دائمًا نتائج مختلفة قليلًا. ولكن هناك أوجه عدم يقين في أي قياس، وكانت أوجه عدم اليقين قبل بضع سنوات كبيرة بالقدر الكافي بحيث يمكننا أن نعزو الفارق إلى عدم اليقين.
يُظهر النصف الأيسر من الكرة الأرضية البقايا المتوسعة للمستعر الأعظم الذي اكتشفه تايكو براهي عام 1572، ويمكن رؤيته هنا بالأشعة السينية (مصدر الصورة: NASA/CXC/Rutgers/J. Warren & J. Hughes et al.). الصورة على اليمين عبارة عن خريطة لإشعاع الخلفية الكونية لنصف السماء التي تم رصدها باستخدام الموجات الدقيقة. المصدر: فريق ناسا/WMAP العلمي
ومع ذلك، مع استمرار تكنولوجيا القياس في التحسن، تستمر حالات عدم اليقين في الانخفاض، وبوسعنا الآن أن نقول بدرجة عالية من الثقة أن كلا النتيجتين من غير الممكن أن تكونا صحيحتين.
إن مصدر "مشكلة هابل" هذه - سواء كان تأثيرًا غير معروف ينحرف بشكل منهجي عن إحدى النتائج أو يلمح إلى فيزياء جديدة لم يتم اكتشافها بعد - هو أحد أهم المواضيع في علم الفلك في الوقت الحالي.
هابل فرق ثابت
يتم قياس توسع الكون على أنه "السرعة لكل وحدة مسافة"، وهي تزيد قليلاً عن 20 كيلومترًا في الثانية لكل مليون سنة ضوئية. وهذا يعني أن مجرة تبعد عنا 100 مليون سنة ضوئية تبتعد عنا بسرعة 2000 كيلومتر في الثانية، بينما تبتعد مجرة أخرى تبعد عنا 200 مليون سنة ضوئية بسرعة 4000 كيلومتر في الثانية.
ومع ذلك، فإن استخدام المستعرات الأعظم لقياس مسافة وسرعة المجرات يعطي نتيجة 22.7±0.4 كيلومتر/ثانية، بينما تحليل إشعاع الخلفية للكون يعطي نتيجة 20.7±0.2 كيلومتر/ثانية.
قد يبدو الاهتمام بمثل هذا الخلاف البسيط أمرًا تافهًا، لكنه قد يكون مهمًا. على سبيل المثال، يظهر هذا الرقم في حسابات عمر الكون، حيث تنتج طريقتان عمرًا يبلغ 12.8 مليار و13.8 مليار سنة، على التوالي.
يعد التحديد الدقيق لمسافة المجرات أحد أكبر التحديات. لكن في دراسة جديدة، يقترح ألبرت سنيبن، طالب الدكتوراه في الفيزياء الفلكية في مركز الفجر الكوني في معهد نيلز بور في كوبنهاغن، طريقة جديدة لقياس المسافات يمكن أن تساعد في حل الجدل الحالي.
يشرح ألبرت سنابن: "عندما يدور نجمان نيوترونيان مضغوطان للغاية - هما بقايا المستعرات الأعظم - حول بعضهما البعض ويندمجان في النهاية، فإنهما يتعرضان لانفجارات جديدة، تسمى كيلونوفا". "لقد أظهرنا مؤخرًا كيف يمكن لمثل هذه الانفجارات أن يكون لها تناسق رائع، والذي تبين أنه ليس جميلًا فحسب، بل مفيد جدًا أيضًا."
وفي دراسة ثالثة نُشرت للتو، أظهر طالب الدكتوراه غزير الإنتاج أن الكيلونوفا، على الرغم من تعقيدها، يمكن وصفها بدرجة حرارة واحدة. لقد اتضح أن تناظر وبساطة الكيلونوفا يسمحان لعلماء الفلك باستنتاج مقدار الضوء الذي تنبعث منه بالضبط.
ومن خلال مقارنة هذا اللمعان مع اللمعان الذي يصل إلى الأرض، يمكن للباحثين حساب مدى بعد الكيلونوفا عن الأرض. وقد أعطاهم هذا طريقة جديدة ومستقلة لحساب مسافات المجرات التي تحتوي على الكيلونوفا.
داراش واتسون هو أستاذ مشارك في مركز الفجر الكوني ومؤلف مشارك في الدراسة. وأوضح: "حتى الآن، تم استخدام المستعرات الأعظم لقياس المسافات بين المجرات، ولكن كمية الضوء المنبعثة من المستعرات الأعظم ليست هي نفسها دائمًا. علاوة على ذلك، فإنها تتطلب منا أولاً معايرة المسافة باستخدام نوع آخر من النجوم، ما يسمى بنجوم سيفيوس، والتي يجب معايرتها أيضًا. مع الكيلونوفا، يمكننا التغلب على هذه التعقيدات التي تجلب عدم اليقين إلى القياسات".
النتائج الأولية والخطوات المستقبلية
ولإثبات إمكاناتها، طبق علماء الفيزياء الفلكية هذه الطريقة على كيلونوفا تم اكتشافها في عام 2017. والنتيجة هي أن ثابت هابل أقرب إلى طريقة إشعاع الخلفية، ولكن ما إذا كانت طريقة الكيلونوفا قادرة على حل مشاكل هابل، فلا يجرؤ الباحثون على القول بعد:
وحذر ألبرت سنيبن قائلاً: "لدينا دراسة حالة واحدة فقط حتى الآن، وهناك حاجة إلى المزيد من الأمثلة للوصول إلى نتيجة موثوقة". لكن طريقتنا تتجاوز على الأقل بعض مصادر عدم اليقين المعروفة، وهي نظام "نظيف" للغاية للبحث. لا يتطلب أي معايرة ولا عوامل تصحيح. "