من المقرر إطلاق مهمة إقليدس الفضائية – وإليك كيفية اختبارها لنظريات الجاذبية البديلة

ستنطلق مهمة Euclid التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (Esa) إلى الفضاء على متن صاروخ Falcon9 من SpaceX في 1 يوليو ، أو بعد ذلك بقليل. كثير منا ممن عملوا عليها سيكونون في فلوريدا لمشاهدة هذا الحدث المثير للإعجاب.

تم تصميم المهمة خصيصًا لدراسة الكون المظلم ، وسبر كل من “المادة المظلمة” و “الطاقة المظلمة” – وهي مواد غير معروفة يعتقد أنها تشكل 95٪ من كثافة الطاقة في الكون.

لكنه سيكون أيضًا قادرًا على اختبار بعض النماذج الغريبة والبديلة للجاذبية – والتي من المحتمل أن تتحدى نظرية ألبرت أينشتاين العظيمة للنسبية العامة.

لقد عرف العلماء عن وجود المادة المظلمة منذ ما يقرب من قرن من الزمان. تم اقتراحه بعد أن لاحظ علماء الفلك أن المجرات في عناقيد لها سرعات عالية بشكل غامض. يجب أن تتسبب هذه السرعات في تبخر العناقيد ما لم يكن هناك بعض الكتلة الزائدة التي تجمعهم معًا. نظرًا لأن هذه المادة لم تكن تسطع بنفس طريقة تألق المجرات المرئية ، فقد أُطلق عليها اسم المادة المظلمة.

عدسة الجاذبية هي أداة جديدة لرؤية هذه المادة المظلمة. يعتمد هذا التأثير على فهمنا للنسبية العامة. عندما ينتقل الضوء إلينا من مجرات بعيدة ، ينحني مساره بواسطة كتل كبيرة من المادة (مظلمة أو ساطعة) في المقدمة – مما يغير مظهرها (وموقعها).

يمكن رؤية هذا التغيير بسهولة بالقرب من نوى التجمعات الضخمة (انظر الصورة أدناه) – حيث تمتد المجرات إلى أقواس ، وتبدو طويلة ورقيقة ومنحنية. يمكننا استخدام هذا الالتواء لتحديد مقدار المادة في الكتلة الأمامية. وهذا يؤكد مرة أخرى أن الكثير من الكتلة في هذه المجموعات مظلمة بالفعل.

لكن من ماذا يمكن صنعها؟ يعتقد العديد من الفيزيائيين أنه جسيم أولي غير معروف. المرشح الشائع ، الذي لم يتم اكتشافه بعد ، هو الأكسيونات ، والذي تم تقديمه في الأصل لشرح سبب حدوث كسر لبعض التناظرات الأساسية في الطبيعة.

ومع ذلك ، هناك احتمالات أخرى. بدلاً من افتراض الحاجة إلى المادة المظلمة ، يمكن للمرء أن يسبر الجاذبية. قد تصبح قوة الجاذبية أضعف مما هو متوقع على نطاق المجرات وما وراءها. في هذه المقاييس ، هناك بعض النماذج البديلة للجاذبية التي يمكن أن تفسر منحنيات دوران المجرة دون الافتراض بوجود أي مادة مظلمة. التحدي الذي يواجه أي من هذه البدائل هو القيام بذلك باستمرار على جميع المستويات.

على الرغم من وجود العديد من عمليات البحث على الأرض لجزيئات المادة المظلمة ، إلا أنها لم تعثر حتى الآن على أدلة مهمة. لذلك ، تظل الملاحظات الفلكية للعناقيد المجرية أفضل خيار لنا لاختبار النظريات المختلفة التي يمكن أن تفسر المادة المظلمة. هذا هو المكان الذي سيتفوق فيه إقليدس نظرًا لدقته المتميزة ، مما يوفر حدة مماثلة لتلسكوب هابل الفضائي (انظر الصورة) عبر ثلث السماء. بالمقارنة ، لم يرصد هابل سوى 5٪ من السماء بأكملها.

سيزيد عدد الصور التي سنحصل عليها من المجموعات مئات المرات مع إقليدس ، مما يسمح لنا بدراسة تفصيلية لتوزيع المادة المظلمة داخل هذه المجموعات بدقة عالية. قد تكون كيفية توزيع المادة المظلمة مفتاحًا لأصلها وكتلتها ، مع استبعاد مجموعة من الجسيمات المرشحة المحتملة ونظريات الجاذبية على طول الطريق.

الطاقة المظلمة والجاذبية

من المحتمل أن تكون المادة المظلمة سهلة الفهم مقارنةً بالطاقة المظلمة ، والتي تم اقتراحها لشرح اكتشاف أن تمدد الكون يتسارع – على عكس التنبؤ من نظرية الجاذبية لأينشتاين. هذه المادة الغريبة محيرة للفيزيائيين وعلماء الكون ، مع أبسط فكرة هي أن الطاقة المظلمة هي مجرد طاقة الفضاء الفارغ (“طاقة الفراغ”).

بشكل أساسي ، عندما نكتسب مساحة أكبر في كون يتمدد ، نكتسب المزيد من طاقة الفراغ ، والتي بدورها تدفع التسارع المرصود.

هذا التفسير البسيط معقول باستثناء الحقيقة غير المريحة التي مفادها أن الكثافة المرصودة للطاقة المظلمة أقل بكثير مما تنبأت به نظرية الكم ، التي تحكم الكون على أصغر المقاييس. باختصار ، هذا الشرح البسيط يطرح أسئلة أكثر مما يجيب.

كما هو الحال مع المادة المظلمة ، فإن التفسير البديل للطاقة المظلمة هو أنها ليست مادة أو شكلًا من أشكال الطاقة على الإطلاق ، ولكنها مرة أخرى علامة على أن الجاذبية تتصرف بشكل مختلف على المقاييس الأكبر.

وقد أدى هذا إلى موجة من الأفكار الجديدة التي وسعت نظرية الجاذبية لدينا إلى ما بعد النسبية العامة. على سبيل المثال ، هل يمكن أن توجد الجاذبية في أكثر من أربعة أبعاد (ثلاثة أبعاد مكانية زائد الوقت) التي يختبرها باقي الكون؟ هل هناك حقول أساسية جديدة لا نعرف عنها شيئًا بعد ، وتتفاعل مع الجاذبية؟

أو ربما تكون نظرية أينشتاين صالحة لحقول الجاذبية الضعيفة التي نختبرها على الأرض ، لكنها تصبح مختلفة جذريًا في مجالات الجاذبية القوية للغاية ، مثل تلك الموجودة بالقرب من أفق الحدث للثقوب السوداء.

التحدي لجميع نماذج الجاذبية البديلة هذه هو العمل معًا ، لكل من المادة المظلمة والطاقة المظلمة. من الناحية المثالية ، يجب أن يعملوا على جميع المقاييس والجماهير ، كنظرية واحدة. يؤمن الفيزيائيون بشدة في شفرة أوكام – أن أفضل النظريات لديها أقل عدد من الافتراضات.

سيساعدنا إقليدس في اختبار نماذج الجاذبية الغريبة هذه عن طريق رسم خرائط لمواقع ملايين المجرات على مناطق شاسعة من الكون. هذا يسمح لنا بتتبع “الشبكة الكونية” ، وهي بنية تشبه الإسفنج من الخيوط والفراغات في الفضاء. يبدو أنها توضع أولاً في المادة المظلمة ثم يتم رشها بالمجرات.

تتكون هذه الشبكة الكونية من مليارات السنين من انهيار الجاذبية ، مما يعني أن بنيتها وإحصاءاتها حساسة لقوانين الجاذبية في العمل على المقاييس الكونية. من خلال قياس خصائصها ، يمكننا تحديد ما إذا كانت نظرية الجاذبية الجديدة ستناسب البيانات بشكل أفضل من نظرية أينشتاين.

عندما نعود إلى الأرض ، هناك الكثير من الإثارة في مجتمع الفيزياء الفلكية حول ما سيفعله إقليدس. هذه هي المرة الأولى التي نمتلك فيها قمرًا صناعيًا مخصصًا لرسم خرائط للمادة المظلمة والطاقة المظلمة.

ستستمر بيانات إقليدس مدى الحياة وستقضي أجيال من علماء الكونيات حياتهم المهنية في دراستها. بينما نشاهد إطلاق إقليدس في سماء فلوريدا ، سنكون على بعد خطوة واحدة من الإجابة على بعض الأسئلة الأساسية في العلوم.