طور فريق دولي من علماء الفلك نهجا جديدا لقياس معدل توسع الكون القريب، مما أدى إلى قيم أقل من التقديرات المحلية السابقة. قام العلماء بتحليل حركة المجرات القزمة داخل مجموعات المجرات المجاورة لمجرة درب التبانة وحددوا ثابت هابل الذي يبلغ حوالي 64 كم/ثانية/ميغابارسك. يتناقض هذا الرقم بشكل مباشر مع القياسات التقليدية المعتمدة على المستعرات الأعظم من النوع Ia، والتي أشارت إلى معدل أسرع يبلغ حوالي 73 كم/ثانية/ميغابارسك في الحي الكوني.
لقد مر الكون بعملية توسع مستمرة منذ حدث الانفجار الكبير، الذي حدث قبل حوالي 13.8 مليار سنة. يعمل ثابت هابل كمعلمة رياضية مركزية لتحديد هذه المسافة، مما يحدد العلاقة المباشرة بين سرعة انفصال المجرات والمسافة التي تكون فيها من الراصد. أدت الاختلافات التاريخية بين قياسات الكون المبكر والكون الحالي إلى خلق طريق مسدود في علم الكونيات يُعرف باسم توتر هابل. النتيجة الجديدة تجعل البيانات المحلية أقرب إلى أقدم الملاحظات للكون.
ديناميات الجاذبية في Centaurus A وM81
وقد تم مؤخراً نشر مقالتين علميتين تشرحان تفاصيل هذا الاكتشاف في مجلة Astronomy & Astrophysics المتخصصة. وشمل العمل مشاركة باحثين من معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية بوتسدام (AIP) وركز على التحليل المنفصل لمجموعتين نجميتين كبيرتين: مجموعتي Centaurus A وM81. استخدم الفريق نهجًا ديناميكيًا جديدًا يأخذ في الاعتبار القوى الفيزيائية المتنافسة في الفضاء السحيق. تعمل الجاذبية الداخلية باستمرار على إبقاء المجرات معًا في مجموعاتها الخاصة. وفي الوقت نفسه، يعمل التوسع العالمي في الاتجاه المعاكس لدفعهم بعيدًا.
هذا التفاعل بين القوى المتعارضة يخلق بيئة مراقبة فريدة للعلماء. يتيح الميزان حساب ثابت هابل المحلي دون الحاجة إلى الاعتماد بشكل مباشر على سطوع انفجارات المستعرات الأعظم. تشير البيانات إلى أن التوسع في الكون القريب يحدث بمعدل أبطأ بكثير من التوقعات المستندة إلى الطرق التقليدية لقياس المسافة. توفر المراقبة المباشرة للتدفق الكوني حول هذه المجموعات مقياسًا مستقلاً وقويًا.
ولتحقيق هذه الدقة، رسم الباحثون خريطة للحركة المدارية لعشرات المجرات القزمة التي تدور حول مراكز كتلة المجموعات الرئيسية. تعمل هذه المجرات الصغيرة كتتبعات حساسة لمجال الجاذبية المحلي. وتكشف السرعة التي يتحركون بها عن الكتلة الإجمالية للمجموعة، في حين تشير المسافة التدريجية إلى قوة التوسع الكوني المؤثرة في تلك المنطقة المحددة من الفضاء.
تطبيق طريقة TRGB كمسطرة كونية
تعتمد التقنية الرئيسية المستخدمة لقياس المسافات الدقيقة لهذه المجرات القزمة على المؤشر المعروف باسم TRGB. يشير الاختصار باللغة الإنجليزية إلى أقصى نقطة لفرع العملاق الأحمر. تحدث هذه المرحلة التطورية النجمية عندما ينفد الهيدروجين من النجوم ذات الكتلة المماثلة للشمس وتبدأ في حرق الهيليوم في حدث سريع يسمى وميض الهيليوم. في هذه اللحظة بالضبط، تصل النجوم إلى ذروة موحدة في اللمعان.
إن السطوع المتوقع لهذه العمالقة الحمراء يحول مؤشر TRGB إلى مسطرة كونية موثوقة للغاية لعلم الفلك الحديث. وقد تم بالفعل استخدام هذه الأداة في المسوحات السابقة لمعايرة سطوع المستعرات الأعظم ومحاولة تخفيف توتر هابل. وفي تلك المناسبات، ولدت النتائج قيمًا تقترب من 69.8 كم/ثانية/ميغابارسك. زادت الدراسة الحالية من تعقيد النهج من خلال دمج الديناميكيات الفيزيائية الحقيقية لمجموعات المجرات.
- يؤدي القياس المتزامن لكتلة المجموعة ومعدل التوسع إلى تقليل الأخطاء المنهجية في الحسابات.
- إن استخدام المجرات القزمة يتجنب الاعتماد الحصري على الأحداث النادرة وغير المتوقعة مثل المستعرات الأعظم.
- توفر تقنية TRGB بيانات مسافة عالية الدقة بناءً على التطور النجمي الموثق.
إن الحصول على بيانات عالية الدقة حول المسافات والسرعات النسبية سمح للفريق بنمذجة التدفق الكوني بمستوى غير مسبوق من التفاصيل. ضمن هذه المجموعات، التي تضم عددًا قليلاً إلى عشرات المجرات، تتنافس الجاذبية المحلية بشكل مباشر مع التوسع العالمي. تجنب الحساب المتزامن الاعتماد على سلاسل المعايرة الطويلة والمعقدة، والتي غالبًا ما تقدم هوامش خطأ أكبر في النتائج النهائية للبحث الكوني.
التأثير المباشر على ما يسمى بجهد هابل
أدى الجمع بين جميع العوامل الديناميكية وعوامل الرصد إلى أن تكون قيمة هابل حوالي 64 كم/ثانية/ميغاباسك بالنسبة للمنطقة المحلية من الكون. يغير هذا الرقم المحدد وجهة النظر حول التطور الكوني، لأنه يتوافق بشكل أكثر دقة مع التقديرات المستمدة من الكون المبكر. تحدد القياسات المبنية على إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، والذي يمثل الصدى المضيء للانفجار الكبير، ثابتًا يتراوح بين 67 و68 كم/ثانية/ميجابرك.
لقد اكتسب الجدل حول توتر هابل قوة في العقود الأخيرة على وجه التحديد بسبب التناقض بين طرفي تاريخ الكون. وتشير ملاحظات الإشعاع الخلفية باستمرار إلى توسع أكثر اعتدالا. في المقابل، أشارت القياسات المباشرة في الكون القريب، والمرتكزة على سطوع المستعرات الأعظم من النوع Ia، إلى معدل تسارع أكبر من 73 كم/ثانية/ميغابارسك. ويبدو أن الاختلاف الإحصائي بين الطريقتين يتطلب صياغة قوانين فيزيائية جديدة.
التصميم الجديد الذي تم الحصول عليه من خلال حركة مجموعتي Centaurus A وM81 يقلل من هذه الفجوة بشكل كبير. يشير مؤلفو الدراسة إلى أن الحي الكوني لمجرة درب التبانة ربما يتوسع بشكل أبطأ مما تم تقديره بالطرق السابقة. ويشير الاتفاق الأكبر بين المناهج المستقلة إلى أن جزءًا من الإجهاد المرصود مستمد من القيود في تقنيات محددة أو من تأثيرات الجاذبية المحلية البحتة.
تحسين البيانات والملاحظات المستقبلية
إن الطريقة الديناميكية التي تركز على مجموعات من المجرات تتغلب على الشكوك التاريخية المرتبطة باستخدام المستعرات الأعظم كشموع قياسية. وقد عززت الأحداث الأخيرة، مثل رصد المستعر الأعظم SN H0pe عند الانزياح الأحمر العالي، فرضية القيم المحلية الأعلى. تقدم الدراسات الجديدة وجهة نظر مضادة تعتمد على فيزياء الجاذبية المباشرة. يوفر تحليل توازن القوة رؤية متسقة وقابلة للإثبات ميكانيكيًا للتوسع في منطقتنا الفضائية.
يواصل الباحثون من مؤسسات مختلفة تحسين تقنيات رسم خرائط الحركات والكتل بمقاييس فلكية مختلفة. يمثل الاستخدام المشترك للمؤشرات الدقيقة مثل TRGB مع التحليلات الديناميكية المعقدة قفزة نوعية في البحث عن اتساق البيانات. تمهد هذه المنهجية الطريق لإجراء قياسات مستقلة في مناطق أخرى من الكون القريب، مما يؤدي إلى توسيع قاعدة البيانات المتاحة لعلماء الكون.
وتساهم النتائج الحالية في ترسيخ الفهم العام للتطور الكوني، والحفاظ على صحة النموذج الفيزيائي الأساسي المقبول من قبل المجتمع العلمي. إن تنسيق النوافذ الزمنية المختلفة لعلم الكونيات يعتمد الآن على تكرار الطريقة. ويخطط علماء الفلك لاستخدام تلسكوبات الجيل التالي لمراقبة مجموعات أخرى من المجرات، سعيًا إلى تأكيد القيم التي تم الحصول عليها وضبط معاملات التوسع للكون المحلي بشكل نهائي.