أحد الأسئلة الأكثر إلحاحًا في علم الكونيات هو: "ما مقدار المادة الموجودة في الكون؟" نجح فريق دولي من العلماء الآن في قياس الكمية الإجمالية للمادة للمرة الثانية. أفاد الفريق في مجلة الفيزياء الفلكية أنهم قرروا أن المادة تشكل 31% من إجمالي المادة والطاقة في الكون، بينما تشكل الطاقة المظلمة الباقي.
وأوضح المؤلف الأول الدكتور محمد عبد الله، الباحث في المعهد الوطني المصري لعلم الفلك والجيوفيزياء بجامعة تشيبا في اليابان: "يعتقد علماء الكونيات أن حوالي 20% فقط من إجمالي المادة تتكون من مادة تقليدية أو مادة "باريونية"، والتي تشمل النجوم والمجرات والذرات والحياة". يتكون حوالي 80% منها من المادة المظلمة، التي لم يتم فهم خصائصها الغامضة بعد، ولكنها قد تتكون من بعض الجسيمات دون الذرية التي لم يتم اكتشافها بعد. (انظر الصورة). "
يقول المؤلف المشارك جيليان ويلسون، مستشار الدراسات العليا السابق لعبد الله، وأستاذ الفيزياء ونائب رئيس الجامعة للبحث والابتكار والتنمية الاقتصادية في جامعة كاليفورنيا في ميرسيد: "استخدم الفريق تقنية راسخة لتحديد الكمية الإجمالية للمادة في الكون من خلال مقارنة العدد والكتلة المرصودة لمجموعات المجرات لكل وحدة حجم مع تنبؤات من عمليات المحاكاة العددية". "إن عدد العناقيد النجمية المرصودة حاليًا، أو ما يسمى بـ "وفرة العناقيد"، حساس للغاية للظروف الكونية، وخاصة كمية المادة".
وقال أناتولي كليبين من جامعة فيرجينيا: "كلما ارتفعت نسبة المادة الكلية في الكون، كلما تشكلت عناقيد نجمية أكثر. لكن من الصعب قياس كتلة أي عنقود مجري بدقة لأن معظم المادة هي مادة مظلمة، لا يمكننا رؤيتها مباشرة بالتلسكوبات".
للتغلب على هذه الصعوبة، كان على الفريق استخدام متتبع غير مباشر لكتل عناقيد المجرات. يعتمدون على حقيقة أن العناقيد النجمية الأكثر ضخامة تحتوي على عدد أكبر من المجرات مقارنة بالعناقيد النجمية الأقل ضخامة (علاقة ثراء الكتلة: MRR). وبما أن المجرات تتكون من نجوم مضيئة، فيمكن استخدام عدد المجرات في كل مجموعة لتحديد كتلتها الإجمالية بشكل غير مباشر. ومن خلال قياس عدد المجرات في كل عنقود في عينة مسح سلون الرقمي للسماء، تمكن الفريق من تقدير الكتلة الإجمالية لكل عنقود. ثم قاموا بمقارنة العدد والكتلة المرصودة لمجموعات المجرات لكل وحدة حجم مع تلك التي تنبأت بها عمليات المحاكاة العددية.
إن أفضل توافق بين نتائج الرصد ونتائج المحاكاة هو أن الكون يتكون من 31% من إجمالي المادة. تتوافق هذه القيمة جيدًا مع عمليات رصد الخلفية الكونية الميكروية (CMB) للقمر الصناعي بلانك. ومن الجدير بالذكر أن CMB هي تقنية مستقلة تمامًا.
التحقق من الصحة والتكنولوجيا
قال تومواكي إيشياما من جامعة تشيبا: "لقد نجحنا في قياس كثافة المادة باستخدام MRR لأول مرة، وهو ما يتوافق جيدًا مع النتائج التي حصل عليها فريق بلانك باستخدام طريقة CMB. يوضح هذا العمل أيضًا أن وفرة الكتلة هي تقنية تنافسية لتقييد المعلمات الكونية وهي مكملة للتقنيات غير العنقودية مثل تباين CMB، والتذبذبات الصوتية الباريونية، والمستعرات الأعظمية من النوع Ia أو عدسة الجاذبية".
يعتقد الفريق أن النتائج التي توصلوا إليها هي الأولى التي تستخدم التحليل الطيفي بنجاح - وهي تقنية تفصل الإشعاع إلى نطاقات فردية، أو ألوان من الطيف - لتحديد المسافة بدقة إلى كل مجموعة والمجرات الأعضاء الحقيقية المرتبطة بالجاذبية بالكتلة، بدلاً من تشتيت الانتباه في الخلفية أو المقدمة على طول خط البصر. اعتمدت الدراسات السابقة التي حاولت استخدام تقنيات MRR على تقنيات تصوير أكثر بدائية وأقل دقة، مثل استخدام صور السماء الملتقطة عند أطوال موجية معينة، لتحديد مسافة كل مجموعة من المجرات الأعضاء الفعلية.
الاستنتاجات والتطبيقات المستقبلية
لا توضح هذه الورقة البحثية، التي نُشرت في مجلة الفيزياء الفلكية في 13 سبتمبر، أن تقنية MRR هي أداة قوية لتحديد المعلمات الكونية فحسب، بل تشرح أيضًا كيف يمكن تطبيقها على مجموعات البيانات الجديدة التي تم الحصول عليها من التصوير الكبير وواسع المجال والعميق والمسوحات الطيفية للمجرات مثل تلك التي أجراها تلسكوب سوبارو، ومسح الطاقة المظلمة، ومطياف الطاقة المظلمة، وتلسكوب إقليدس، وتلسكوب eROSITA، وتلسكوب جيمس ويب الفضائي.