ما مدى سرعة تمدد الكون حقًا؟ تثير وجهات النظر المتعددة لنجم متفجر أسئلة جديدة

كيف وصلنا إلى هنا؟ إلى أين نحن ذاهبون؟ وكم من الوقت سياخذ؟ هذه الأسئلة قديمة قدم البشرية نفسها ، وإذا تم طرحها بالفعل من قبل أنواع أخرى في مكان آخر في الكون ، فمن المحتمل أن تكون أقدم بكثير من ذلك.

إنها أيضًا بعض الأسئلة الأساسية التي نحاول الإجابة عليها في دراسة الكون ، والتي تسمى علم الكونيات. أحد المعضلات الكونية هو مدى سرعة تمدد الكون ، والتي تُقاس برقم يسمى ثابت هابل. وهناك قدر كبير من التوتر حولها.

في ورقتين جديدتين بقيادة زميلي باتريك كيلي في جامعة مينيسوتا ، استخدمنا بنجاح تقنية جديدة – تتضمن ضوءًا من نجم متفجر وصل إلى الأرض عبر مسارات متعرجة متعددة عبر الكون المتوسع – لقياس ثابت هابل. تم نشر الأوراق في Science and The Astrophysical Journal.

وإذا لم تحل نتائجنا التوتر تمامًا ، فإنها تعطينا دليلًا آخر – والمزيد من الأسئلة التي يجب طرحها.

الشموع القياسية والكون المتوسع

لقد عرفنا منذ عشرينيات القرن الماضي أن الكون يتوسع.

حوالي عام 1908 ، وجدت عالمة الفلك الأمريكية Henrietta Leavitt طريقة لقياس السطوع الجوهري لنوع من النجوم يسمى متغير Cepheid – ليس مدى سطوعها من الأرض ، والذي يعتمد على المسافة وعوامل أخرى ، ولكن مدى سطوعها حقًا. تنمو السيفيدية أكثر إشراقًا وخفوتًا في دورة منتظمة ، وأظهر ليفيت أن السطوع الجوهري مرتبط بطول هذه الدورة.

يسمح قانون ليفيت للعلماء ، كما يطلق عليه الآن ، باستخدام Cepheids كـ “شموع معيارية”: كائنات يُعرف سطوعها الداخلي ، وبالتالي ، يمكن حساب بعدها.

كيف يعمل هذا؟ تخيل أن الليل ، وأنت تقف في شارع طويل مظلم مع وجود عدد قليل من أعمدة الإنارة تسير على الطريق. تخيل الآن أن كل عمود إنارة لديه نفس النوع من المصباح بنفس القوة. ستلاحظ أن البعيدة تبدو أضعف من تلك القريبة.

نحن نعلم أن الضوء يتلاشى بشكل متناسب مع بعده ، في شيء يسمى قانون التربيع العكسي للضوء. الآن ، إذا كان بإمكانك قياس مدى سطوع كل ضوء لك ، وإذا كنت تعرف بالفعل مدى سطوعه ، فيمكنك حينئذٍ معرفة مدى بعد كل قطب ضوئي.

في عام 1929 ، تمكن عالم فلك أمريكي آخر ، إدوين هابل ، من العثور على عدد من هذه النجوم القيفاوية في مجرات أخرى وقياس المسافة بينها – ومن تلك المسافات والقياسات الأخرى ، تمكن من تحديد أن الكون يتوسع.

الطرق المختلفة تعطي نتائج مختلفة

تعتبر طريقة الشمعة القياسية هذه طريقة قوية ، حيث تسمح لنا بقياس الكون الشاسع. نحن نبحث دائمًا عن شموع مختلفة يمكن قياسها بشكل أفضل ورؤيتها على مسافات أكبر بكثير.

استخدمت بعض الجهود الحديثة لقياس الكون بعيدًا عن الأرض ، مثل مشروع SH0ES الذي كنت جزءًا منه ، بقيادة آدم ريس الحائز على جائزة نوبل ، القيفيات جنبًا إلى جنب مع نوع من النجوم المتفجرة يسمى النوع Ia المستعر الأعظم ، والذي يمكن استخدامه أيضًا باعتباره شمعة قياسية.

هناك أيضًا طرق أخرى لقياس ثابت هابل ، مثل تلك التي تستخدم الخلفية الكونية الميكروية – ضوء أو إشعاع بدأ ينتقل عبر الكون بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم.

تكمن المشكلة في أن هذين القياسين ، أحدهما قريب باستخدام المستعرات الأعظمية والقيفيدات ، والآخر بعيدًا جدًا باستخدام خلفية الميكروويف ، يختلفان بنسبة 10٪ تقريبًا. يسمي علماء الفلك هذا الاختلاف بتوتر هابل ، ويبحثون عن تقنيات قياس جديدة لحلها.

طريقة جديدة: عدسة الجاذبية

في عملنا الجديد ، استخدمنا بنجاح تقنية جديدة لقياس معدل تمدد الكون. يعتمد العمل على مستعر أعظم يسمى Supernova Refsdal.

في عام 2014 ، رصد فريقنا صورًا متعددة لنفس المستعر الأعظم – وهي المرة الأولى التي لوحظ فيها مثل هذا المستعر الأعظم “العدسي”. بدلاً من رؤية تلسكوب هابل الفضائي مستعر أعظم واحد ، رأينا خمسة!

كيف يحدث هذا؟ انطلق الضوء من المستعر الأعظم في جميع الاتجاهات ، لكنه سافر عبر الفضاء مشوهًا بفعل مجالات الجاذبية الهائلة لمجموعة ضخمة من المجرات ، مما أدى إلى انحناء بعض مسار الضوء بطريقة انتهى بها الأمر إلى الأرض عبر مسارات متعددة. . وصل كل ظهور للمستعر الأعظم إلينا عبر مسار مختلف عبر الكون.

تخيل أن ثلاث قطارات تغادر نفس المحطة في نفس الوقت. ومع ذلك ، يذهب أحدهما مباشرة إلى المحطة التالية ، والآخر يقوم برحلة واسعة عبر الجبال ، والآخر عبر الساحل. يغادرون جميعًا ويصلون إلى نفس المحطات ، لكنهم يقومون برحلات مختلفة وهكذا أثناء مغادرتهم في نفس الوقت ، سيصلون في أوقات مختلفة.

لذلك تُظهر صورنا العدسية نفس المستعر الأعظم ، الذي انفجر في نقطة زمنية معينة ، لكن كل صورة تسير في مسار مختلف. من خلال النظر إلى وصول كل ظهور للمستعر الأعظم إلى الأرض – حدث أحدها في عام 2015 ، بعد أن تم رصد النجم المتفجر بالفعل – تمكنا من قياس وقت سفرهم ، وبالتالي مقدار نمو الكون أثناء الصورة كان في العبور.

هل وصلنا؟

أعطانا هذا قياسًا مختلفًا ولكنه فريد من نوعه لنمو الكون. في الأوراق البحثية ، وجدنا أن هذا القياس أقرب إلى قياس الخلفية الكونية الميكروويف ، وليس قياس سيفيد والمستعر الأعظم القريب. ومع ذلك ، بناءً على موقعه ، يجب أن يكون أقرب إلى قياس السيفيد والمستعر الأعظم.

في حين أن هذا لا يحسم النقاش على الإطلاق ، إلا أنه يعطينا فكرة أخرى للنظر فيها. قد تكون هناك مشكلة في قيمة المستعر الأعظم ، أو فهمنا لعناقيد المجرات والنماذج التي يمكن تطبيقها على العدسة ، أو أي شيء آخر تمامًا.

مثل الأطفال في الجزء الخلفي من السيارة في رحلة على الطريق يسألون “هل وصلنا بعد” ، ما زلنا لا نعرف.