نشأ الكون الموسع ، المليء بالمجرات والبنية المعقدة التي نلاحظها اليوم ، من حالة أصغر حجما وأكثر سخونة وأكثر كثافة. لقد استغرق الأمر آلاف العلماء الذين يعملون لدينا لمئات السنين حتى نصل إلى هذه الصورة ، ومع ذلك فإن عدم وجود توافق في الآراء بشأن ما هو معدل التوسع في الواقع يخبرنا إما أن هناك شيئًا ما خطأ ، أو أن لدينا خطأ مجهول الهوية في مكان ما. (سي. فوشر-غيغر ، أ. ليدز ، وليرنكويست ، العلوم 319 ، 5859 (47))

لا يمكن للعلماء الاتفاق على الكون الموسع

إنه لغز غامض أو خطأ دنيوي رهيب.

الكون يتوسع ، وكل عالم في هذا المجال يوافق على ذلك. تدعم الملاحظات بأغلبية ساحقة هذا الاستنتاج المباشر ، وفشل كل بديل في تحقيق نجاحاته منذ أواخر العشرينيات. لكن في المساعي العلمية ، لا يمكن للنجاح أن يكون ببساطة نوعيًا ؛ نحن بحاجة إلى فهم وقياس وقياس توسع الكون. نحتاج إلى معرفة مدى توسع الكون.

على مدى أجيال ، حاول علماء الفلك والفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات تحسين قياساتنا لمعدل توسع الكون: ثابت هابل. بعد عدة عقود من النقاشات ، بدا أن مشروع مفتاح تلسكوب هابل الفضائي يحل المشكلة: 72 كم / ثانية / مليون دولار ، مع عدم يقين بنسبة 10٪ فقط. لكن الآن ، بعد 17 عامًا ، لم يتمكن العلماء من الاتفاق. يدعي معسكر واحد ~ 67 كم / ثانية / مليون دولار. المطالبات الأخرى ~ 73 كم / ثانية / MPC ، والأخطاء لا تتداخل. هناك خطأ ما أو شخص ما ، ولا يمكننا معرفة أين.

كلما كانت المجرة أبعد ، كلما توسعت أسرع عنا ، وكلما زاد الضوء الأحمر. ستكون المجرة التي تتحرك مع الكون المتمدد أكثر عددًا من السنوات الضوئية ، اليوم ، أكثر من عدد السنوات (مضروبة في سرعة الضوء) التي أخذها الضوء المنبعث منها للوصول إلينا. لكن مدى سرعة توسع الكون هو شيء لا يستطيع الفلكيون الذين يستخدمون تقنيات مختلفة الاتفاق عليه. (لاري MCNISH من مركز RASC كالجاري)

السبب في هذه المشكلة هو أن لدينا طريقتين رئيسيتين لقياس معدل توسع الكون: من خلال سلم المسافة الكونية ومن خلال النظر إلى الإشارات الناشئة من لحظات مبكرة من الانفجار الكبير. الطريقتان مختلفتان للغاية.

  • بالنسبة للسلم عن بعد ، فإننا ننظر إلى الأشياء القريبة والمفهومة جيدًا ، ثم نلاحظ نفس الأنواع من الكائنات في المواقع البعيدة ، ثم نستنتج مسافاتها ، ثم نستخدم الخصائص التي نلاحظها في تلك المسافات للذهاب أبعد ، إلخ. قياسات الانزياح الأحمر والمسافة ، يمكننا إعادة بناء معدل توسع الكون.
  • بالنسبة لطريقة الإشارات المبكرة ، يمكننا استخدام إما الضوء المتبقي من الانفجار الكبير (الخلفية الكونية للميكروويف) أو مسافات الارتباط بين المجرات البعيدة (من التذبذبات الصوتية في باريون) ونرى كيف تتطور تلك الإشارات مع مرور الوقت.

يبدو أن الطريقة الأولى تعطي الرقم الأعلى من 73 كم / ث / مليون دولار تقريبًا ، بشكل ثابت ، في حين أن الثانية تعطي ~ 67 كم / ث / ميل لكل مليون.

الشموع القياسية (L) والحكام القياسيون (R) هما أسلوبان مختلفان يستخدمهما الفلكيون لقياس توسع الفضاء في أوقات / مسافات مختلفة في الماضي. بناءً على كيفية تغير الكميات مثل اللمعان أو الحجم الزاوي مع المسافة ، يمكننا استنتاج تاريخ توسع الكون. يعد استخدام طريقة الشموع جزءًا من سلم المسافة ، مما ينتج عنه 73 كم / ثانية / Mpc. يعد استخدام المسطرة جزءًا من طريقة الإشارة المبكرة ، مما ينتج عنه 67 كم / ثانية / MPC. هذه القيم غير متناسقة. (ناسا / JPL-CALTECH)

هذا يجب أن يزعجك بشدة. إذا فهمنا الطريقة التي يعمل بها الكون بشكل صحيح ، فيجب أن تقدم كل طريقة نستخدمها لقياسها نفس الخصائص ونفس القصة عن الكون الذي نعيش فيه. سواء كنا نستخدم النجوم العملاقة الحمراء أو النجوم الزرقاء المتغيرة أو المجرات الدوارة أو اللوالب وجهاً لوجه مع تذبذب السطوع أو المجرات الإهليلجية المتصاعدة أو المستعرات العظمى من النوع Ia أو الخلفية الكونية للميكروويف أو الارتباطات المجرة ، يجب أن نحصل على إجابة تتفق مع الكون وجود نفس الخصائص.

لكن هذا ليس ما يحدث. تعطي طريقة سلم المسافة بشكل منتظم قيمة أعلى بحوالي 10٪ من طريقة الإشارات المبكرة ، بغض النظر عن كيفية قياس سلم المسافة أو الإشارة التي نستخدمها في وقت مبكر. إليك الطريقة الأكثر دقة لكل طريقة.

تتضمن طريقة المنظر ، التي استخدمت منذ أن أصبحت التلسكوبات جيدة بما فيه الكفاية في القرن التاسع عشر ، الإشارة إلى التغير الظاهر في موضع النجم القريب بالنسبة إلى الخلفية البعيدة. قد يكون هناك تحيزات في هذه الطريقة بسبب وجود الجماهير التي لم نحسبها بشكل مناسب. (ESA / ATG MEDIALAB)

1.) سلم المسافة: ابدأ بالنجوم في مجرتنا. قياس المسافة باستخدام المنظر ، وهو كيف يتغير وضع النجمة الظاهر على مدار سنة الأرض. بينما يتحرك عالمنا حول الشمس ، سيتحول الموضع الظاهر لنجم قريب بالنسبة إلى الخلفية. مقدار التحول يخبرنا مسافة النجم.

بعض هذه النجوم ستكون نجوم Cepheid المتغيرة ، والتي تعرض علاقة محددة بين لمعانها (السطوع الجوهري) وفترة النبض: قانون ليفيت. السيفيدات وفيرة داخل مجرتنا الخاصة ، ولكن يمكن رؤيتها أيضًا في المجرات البعيدة.

يتضمن بناء سلم المسافة الكوني الانتقال من نظامنا الشمسي إلى النجوم إلى المجرات القريبة إلى تلك البعيدة. تحمل كل

وفي بعض هذه المجرات البعيدة التي تحتوي على السيفيد ، توجد أيضًا المستعرات العظمى من النوع Ia التي لوحظت حدوثها. يمكن ملاحظة هذه المستعرات العظمى في جميع أنحاء الكون ، من هنا في الفناء الخلفي الكوني لدينا إلى المجرات التي تقع على بعد مليارات عديدة أو حتى عشرات المليارات من السنوات الضوئية.

مع ثلاث درجات فقط:

  • قياس المنظر من النجوم في مجرتنا ، بما في ذلك بعض السيفيدس ،
  • قياس السيفيدس في المجرات القريبة التي تصل إلى 50-60 مليون سنة ضوئية ، وبعضها يحتوي على (ed) المستعرات العظمى من النوع Ia ،
  • ثم قياس المستعرات العظمى من النوع Ia على فترات الاستراحة البعيدة للكون المتمدد ،

يمكننا إعادة بناء ما هو معدل التوسع اليوم ، وكيف تغير معدل التوسع مع مرور الوقت.

يستبعد نمط القمم الصوتية المرصودة في CMB من قمر بلانك بفعالية الكون الذي لا يحتوي على مادة مظلمة ، كما أنه يقيد بإحكام العديد من المعلمات الكونية الأخرى. (P.A.R. ADE ET AL. وتعاون PLANCK (2015))

2.) الإشارات المبكرة: بدلاً من ذلك ، ابدأ بـ Big Bang ، ومعرفة أن عالمنا مليء بالمادة المظلمة ، والطاقة المظلمة ، والمادة الطبيعية ، والنيوتريونات ، والإشعاع.

ماذا سيحدث؟

ستجذب الجماهير بعضها البعض وتحاول الانهيار الجاذبية ، حيث تجتذب المناطق الأكثر كثافة المزيد والمزيد من المسألة المحيطة. لكن التغير في الجاذبية يؤدي إلى تغيير الضغط ، مما يؤدي إلى تدفق الإشعاع من هذه المناطق ، ويعمل على قمع نمو الجاذبية.

الشيء الممتع هو: أن المادة العادية لها مقطع عرضي تفاعلي مع الإشعاع ، لكن المادة المظلمة ليست كذلك. يؤدي ذلك إلى "نمط صوتي" محدد حيث تواجه المادة العادية هذه الارتدادات والضغط من الإشعاع.

شكل توضيحي لأنماط التجميع الناتجة عن تذبذبات باريون الصوتية ، حيث يحكم احتمال العثور على مجرة ​​على مسافة معينة من أي مجرة ​​أخرى العلاقة بين المادة المظلمة والمادة الطبيعية. مع توسع الكون ، تتسع هذه المسافة المميزة أيضًا ، مما يسمح لنا بقياس ثابت هابل وكثافة المادة المظلمة وحتى مؤشر الطيف العددي. تتفق النتائج مع بيانات CMB ، ويتكون الكون من المادة المظلمة بنسبة 27 ٪ ، في مقابل المادة الطبيعية بنسبة 5 ٪. (زوسيا رستوميان)

يظهر هذا مع مجموعة معينة من القمم في تقلبات درجة الحرارة للخلفية الكونية للميكروويف ، ومقياس مسافة معين حيث من المرجح أن تجد فيها مجرة ​​أكثر من إما أقرب أو أبعد. مع توسع الكون ، تتغير هذه المقاييس الصوتية ، والتي ينبغي أن تؤدي إلى إشارات في خلفية الميكروويف الكوني (صورتان لأعلى) والمقاييس التي تتجمع فيها المجرات (صورة واحدة للأعلى).

بقياس ماهية هذه المقاييس وكيف تتغير مع المسافة / الانزياح نحو الأحمر ، يمكننا أيضًا الحصول على معدل توسع للكون. في حين أن طريقة سلم المسافة تعطي معدلًا حوالي 73 ± 2 كم / ثانية / Mpc ، فإن كلتا الطريقتين السابقتين للإشارة تعطيان 67 ± 1 كم / ثانية / Mpc. الأرقام مختلفة ، ولا تتداخل.

توترات القياس الحديثة من سلم المسافة (الأحمر) مع بيانات CMB (الأخضر) و BAO (الأزرق). النقاط الحمراء هي من طريقة سلم المسافة. الأخضر والأزرق من أساليب

هناك الكثير من التفسيرات المحتملة. من المحتمل أن يكون للكون القريب خصائص مختلفة عن البعيدة ، كما كان في وقت مبكر للكون ، وبالتالي فإن كلا الفريقين صحيحان. من المحتمل أن تتغير المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة (أو أي شيء يحاكيها) بمرور الوقت ، مما يؤدي إلى قياسات مختلفة باستخدام طرق مختلفة. من المحتمل أن يكون هناك بعض الفيزياء الجديدة أو شيء ما يجوب عالمنا من وراء الأفق الكوني. أو ، ربما ، هناك بعض العيوب الأساسية في نماذجنا الكونية.

لكن هذه الاحتمالات هي تلك الرائعة والمدهشة والمثيرة. قد يحصلون على الغالبية الساحقة من الصحافة والهيبة ، حيث إنها خيالية وذكية. لكن هناك أيضًا احتمالية أكثر دنيوية على الأرجح ، وهي أن الكون هو نفسه في كل مكان ، وواحد من تقنيات القياس متحيز بطبيعته.

قبل Planck ، أشارت البيانات الأكثر ملاءمة للبيانات إلى أن المعلمة Hubble تبلغ حوالي 71 كم / ثانية / MPC ، ولكن قيمة حوالي 70 أو أعلى ستكون الآن أكبر من اللازم لكلا كثافة المادة المظلمة (المحور السيني) ينظر إليها من خلال وسائل أخرى ومؤشر الطيفية العددية (الجانب الأيمن من المحور ص) التي نطلبها للهيكل على نطاق واسع للكون منطقية. (P.A.R. ADE ET AL. وتعاون PLANCK (2015))

من الصعب تحديد التحيزات المحتملة في طرق الإشارات المبكرة ، لأن القياسات من WMAP و Planck و Sloan Digital Sky Survey دقيقة للغاية. في خلفية الميكروويف الكونية ، على سبيل المثال ، قمنا بقياس كثافة المادة في الكون (حوالي 32 ٪٪ 2 ٪) ومؤشر الطيفية العددي (0.968 ± 0.010). مع وجود هذه القياسات في مكانها الصحيح ، يكون من الصعب للغاية الحصول على رقم ثابت ثابت هابل يزيد عن 69 كم / ثانية / MPC ، وهو الحد الأعلى حقًا.

قد تكون هناك أخطاء تزعجنا ، لكن لدينا صعوبة في تعداد ما يمكن أن يكون.

طريقتان مختلفتان لإنشاء المستعر الأعظم من النوع Ia: سيناريو التزايد (L) وسيناريو الاندماج (R). لم يُعرف بعد أيًا من هاتين الآليتين أكثر شيوعًا في إنشاء أحداث السوبرنوفا من النوع Ia ، أو إذا كان هناك مكون غير مُكتشف لهذه التفجيرات. (ناسا / CXC / م. فايس)

بالنسبة لطريقة سلم المسافة ، ومع ذلك ، فهي وفيرة:

  • قد تكون أساليب المنظر لدينا منحازة بسبب الجاذبية من حينا الشمسي المحلي ؛ يمكن للزمن الفضائي المحيط بشمسنا أن يغير بشكل منتظم قرارات المسافة الخاصة بنا.
  • نحن محدودون في فهمنا للسيفيدس ، بما في ذلك حقيقة أن هناك نوعين منهم وبعضهم يقع في بيئات غير أصيلة.
  • ويمكن أن تحدث المستعرات العظمى من النوع Ia إما عن طريق زيادة الأقزام البيضاء أو الأقزام البيضاء التي تصطدم ودمجها ، وقد تتطور البيئات الموجودة فيها بمرور الوقت ، وقد يكون هناك المزيد من الغموض حول كيفية صنعها أكثر من الوقت الحالي. تفهم.

قد يكون التناقض بين هاتين الطريقتين المختلفتين لقياس الكون المتمدد مجرد انعكاس لثقتنا الزائدة في مدى صغر أخطائنا بالفعل.

إعادة الإعمار ثلاثية الأبعاد لـ 120،000 مجرة ​​وخصائصها التجميعية ، تم استنتاجها من تكوين بنية الانزياح الأحمر والواسعة النطاق. تسمح لنا البيانات المستقاة من هذه الدراسات الاستقصائية باستنتاج معدل توسع الكون ، وهو ما يتسق مع قياسات CMB ولكن ليس مع قياسات سلم المسافة. (جيريمي تينكر وتعاون SDSS-III)

إن السؤال حول مدى سرعة توسع الكون هو سؤال أزعج الفلكيين والفيزياء الفلكية منذ أول توسع كان يحدث على الإطلاق. إنه إنجاز لا يصدق أن الأساليب المتعددة المستقلة تقدم إجابات تتفق مع 10٪ ، لكنها لا تتفق مع بعضها البعض ، وهذا مثير للقلق.

إذا كان هناك خطأ في المنظر ، أو السيفيدس ، أو المستعرات الأعظمية ، فقد يكون معدل التوسعة بالفعل في النهاية المنخفضة: 67 كم / ثانية / Mpc. إذا كان الأمر كذلك ، فسوف يقع الكون في خط عندما نحدد خطأنا. ولكن إذا كانت المجموعة الكونية للميكروويف في الخلفية مخطئة ، وكان معدل التوسيع أقرب إلى 73 كم / ثانية / Mpc ، فإنها تتنبأ بأزمة في علم الكونيات الحديث. لا يمكن أن يكون للكون كثافة المادة المظلمة وأن التقلبات الأولية تبلغ 73 كم / ثانية / Mpc.

إما أن فريقًا واحدًا ارتكب خطأً مجهولًا ، أو يحتاج مفهومنا للكون إلى ثورة. أنا أراهن على الأول.

يبدأ تطبيق "بدء بـ A Bang" الآن في مجلة "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم التكنولوجيا: "علم ستار تريك" من ترايكردز إلى وارب درايف.