النماذج الكونية مبنية على فكرة بسيطة عمرها قرن من الزمان – لكن الملاحظات الجديدة تتطلب إعادة تفكير جذري

تستند أفكارنا حول الكون إلى تبسيط عمره قرن يُعرف بالمبدأ الكوني. يقترح أنه عند حساب المتوسط ​​على نطاقات كبيرة ، يكون الكون متجانسًا والمادة موزعة بالتساوي في جميع أنحاء.

يتيح ذلك وصفًا رياضيًا للزمكان يبسط تطبيق نظرية النسبية العامة لأينشتاين على الكون ككل.

تستند نماذجنا الكونية على هذا الافتراض. ولكن نظرًا لأن التلسكوبات الجديدة ، سواء على الأرض أو في الفضاء ، تقدم صورًا أكثر دقة من أي وقت مضى ، واكتشف علماء الفلك أجسامًا ضخمة مثل القوس العملاق للكوازارات ، فإن هذا الأساس يواجه تحديات متزايدة.

في مراجعتنا الأخيرة ، ناقشنا كيف تجبرنا هذه الاكتشافات الجديدة على إعادة فحص افتراضاتنا بشكل جذري وتغيير فهمنا للكون.

إرث أينشتاين

واجه ألبرت أينشتاين معضلات ضخمة منذ 106 عامًا عندما طبق لأول مرة معادلاته الخاصة بالجاذبية على الكون ككل. لم يسبق لأي فيزيائي أن حاول شيئًا بهذه الجرأة ، لكنه كان نتيجة طبيعية لفكرته الرئيسية. كما يذكرنا كتاب مدرسي يبلغ من العمر 50 عامًا:

تخبر المادة الفضاء كيف ينحني ، ويخبر الفضاء المادة كيف تتحرك.

كانت البيانات ناقصة تمامًا تقريبًا في عام 1917 ، وكانت فكرة أن المجرات عبارة عن أجسام على مسافات شاسعة كانت وجهة نظر أقلية بين علماء الفلك.

وجهة النظر التقليدية ، التي قبلها أينشتاين ، كانت أن الكون كله يشبه داخل مجرتنا. يجب التعامل مع النجوم المقترحة على أنها سوائل خالية من الضغط ، وتوزع عشوائيًا ولكن بمتوسط ​​كثافة محدد جيدًا – نفس الشيء أو متجانسة في أي مكان في الفضاء.

بناءً على فكرة أن الكون هو نفسه في كل مكان ، قدم أينشتاين ثابته الكوني Λ ، والمعروف الآن باسم “الطاقة المظلمة”.

على المقاييس الصغيرة ، تخبرنا معادلات أينشتاين أن الفضاء لا يقف ساكنًا أبدًا. لكن فرض هذا على الكون على نطاق واسع كان غير طبيعي. لذلك شعر أينشتاين بالارتياح لاكتشاف الكون المتوسع في أواخر عشرينيات القرن الماضي. حتى أنه وصف Λ بأنه أكبر خطأ له.

اقرأ المزيد: المادة المظلمة: تشير مراجعتنا إلى أن الوقت قد حان للتخلي عنها لصالح نظرية جديدة للجاذبية

تطورت الأفكار المتعلقة بالمادة ، ولكن ليس الهندسة

لدينا الآن نماذج مفصلة بشكل مذهل لفيزياء النجوم والمجرات المضمنة في الكون المتطور. يمكننا تتبع الفيزياء الفلكية لـ “الأشياء” من تموجات البذور الصغيرة في كرة النار البدائية وصولاً إلى الهياكل المعقدة اليوم.

تلسكوباتنا هي آلات زمن رائعة. إنهم ينظرون إلى الوراء طوال الطريق إلى متى تكونت الذرات الأولى ، وأصبح الكون شفافًا لأول مرة.

ما وراء ذلك هو البلازما البدائية ، معتم مثل باطن وسطح الشمس. كان الضوء الذي ترك “سطح الانتثار الأخير” للكون ساخنًا جدًا في ذلك الوقت ، حوالي 2700 ℃.

نتلقى نفس الضوء اليوم ، لكننا نبرد إلى 270 درجة تحت الصفر ويخفف بتوسع الكون. هذه هي الخلفية الكونية الميكروية وهي موحدة بشكل ملحوظ في جميع الاتجاهات.

هذا دليل قوي على أن الكون كان قريبًا جدًا من الزي المكاني عندما كان كرة نارية. لكن لا يوجد دليل مباشر على مثل هذا التوحيد اليوم.

كون “متكتل”

في الماضي البعيد ، تكشف التلسكوبات الخاصة بنا عن مجرات صغيرة مدمجة ، تنمو في هياكل أكبر حتى يومنا هذا.

تم إيقاف توسع الكون تمامًا داخل تركيزات المادة الأكبر المعروفة باسم عناقيد المجرات. عندما يتوسع الفضاء ، يتم شد المجموعات في خيوط وألواح تخيط وتحيط بالفراغات الفارغة الشاسعة ، وكلها تنمو بمرور الوقت ولكن بمعدلات مختلفة. وبدلاً من أن تكون المادة سلسة ، فإنها تشكل “شبكة كونية”.

لكن فكرة أن الكون متجانس مكانيًا لا تزال قائمة.

سيكون هناك تناقض صارخ بين الشبكة الكونية المرصودة ومتوسط ​​هندسة منحنية للفضاء إذا كان كل ما نراه موجودًا. كانت الأدلة على المادة المفقودة موجودة منذ الملاحظات الأولى للعناقيد المجرية في عام 1933.

غيرت ملاحظاتنا الأولى لإشعاع الخلفية الكونية الميكروي وتموجاته في العقد من عام 1965 هذه الفكرة.

نماذجنا للفيزياء النووية تنبؤية بشكل رائع. لكنها تتوافق فقط مع الملاحظات إذا كانت الكتلة المفقودة في عناقيد المجرات تشبه النيوترينوات التي لا يمكنها إصدار الضوء. وهكذا اخترعنا مادة مظلمة باردة ، مما يجعل الجاذبية أقوى داخل عناقيد المجرات.

تم إنفاق المليارات في محاولة الكشف المباشر عن المادة المظلمة ، لكن عقودًا من هذه الجهود لم تسفر عن اكتشاف نهائي لما يشكل 80٪ من كل المادة و 20٪ من إجمالي الطاقة في الكون اليوم.

سماء شاذة

إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ليس متجانسًا تمامًا. تتراكب عليه تقلبات ، أحدها كبير بشكل غير طبيعي وله شكل ثنائي القطب: مخطط يين ويانغ يغطي السماء بأكملها.

يمكننا تفسير هذا على أنه تأثير ناتج عن الحركة النسبية ، بشرط أن نحدد إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف على أنه الإطار الباقي للكون. إذا لم نفعل ذلك ، فسنحتاج إلى تفسير مادي لثنائي القطب الكبير.

يتلخص جزء كبير من اللغز في عدم تناسق القوة – كون غير متوازن. تختلف درجات حرارة نصفي الكرة الأرضية أعلى وأسفل مستوى مجرة ​​درب التبانة قليلاً عن التوقعات.

لطالما تم تفسير هذه الحالات الشاذة نتيجة للعمليات الفيزيائية غير المحسوبة في نمذجة انبعاثات الميكروويف من مجرة ​​درب التبانة.

اقرأ المزيد: لا تزال أكبر الهياكل في الكون تتوهج بصدمة خلقها

مسألة في السماء

إن إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ليس هو المراقبة الوحيدة في السماء التي تظهر ثنائي القطب. في العام الماضي ، استخدم الباحثون أرصاد 1.36 مليون من الكوازارات البعيدة و 1.7 مليون مصدر راديوي لاختبار المبدأ الكوني. ووجدوا أن الأمر أيضًا موزع بشكل غير متساو.

اللغز الآخر الذي نوقش على نطاق واسع هو “توتر هابل”. بشكل تقليدي ، نفترض أن متوسط ​​معدل توسع الكون الحالي في السماء بالكامل يعطي قيمة واحدة محددة جيدًا: ثابت هابل. لكن القيمة المقاسة تختلف عن التوقع ، بالنظر إلى تاريخ التوسع القياسي بناءً على إشعاع الخلفية الكونية الميكروويف. إذا سمحنا بعلم الكونيات غير المتجانس ، فقد تختفي هذه المشكلة ببساطة.

باستخدام بيانات الخلفية الكونية الميكروية من نصفي الكرة الأرضية المتعاكسين ، يشير تاريخ التوسع القياسي إلى “ثوابت” هابل المختلفة على كل جانب من جوانب السماء اليوم.

تتفاقم هذه الألغاز من خلال قائمة متزايدة باستمرار من الاكتشافات غير المتوقعة: قوس عملاق ضخم من النجوم الزائفة وكون مبكر معقد ومشرق ومليء بالعناصر كشف النقاب عنه تلسكوب جيمس ويب الفضائي.

إذا كانت المادة أكثر تنوعًا وإثارة للاهتمام مما هو متوقع ، فربما تكون الهندسة أيضًا.

النماذج التي تتخلى عن المبدأ الكوني موجودة بالفعل وتقوم بالتنبؤات. هم ببساطة أقل دراسة من علم الكونيات القياسي. سيطلق القمر الصناعي Euclid التابع لوكالة الفضاء الأوروبية هذا العام. هل سيكشف إقليدس أن الفضاء في المتوسط ​​ليس إقليديًا؟ إذا كان الأمر كذلك ، فقد تكون ثورة أساسية في الفيزياء وشيكة.

اقرأ المزيد: ستغير المركبة الفضائية إقليدس طريقة رؤيتنا لـ “الكون المظلم”