يقول العلماء أنه من الممكن استخدام تموجات صغيرة في المكان والزمان، أو موجات الجاذبية، لقياس المعدل الذي يتوسع به الكون. وهذا يمكن أن يحل أحد أكبر الألغاز في الفيزياء اليوم، وهو التفاوت في حساب هذا المعدل المعروف باسم “توتر هابل”.
لقد عرف العلماء منذ عام 1998 أن ليس فقط الكون التوسع، ولكن أيضا أن معدل التوسع يتسارع. “الطاقة المظلمة“تم تقديمه كاسم نائب للقوة الغامضة التي تحرك هذا التسارع، ولكن هناك قضية معلقة تحيط بمعدل توسع الكون بشكل عام، حتى بعد أكثر من عقدين ونصف من البحث.
“هذه النتيجة مهمة جدًا، فمن المهم الحصول على قياس مستقل لثابت هابل لحل توتر هابل الحالي”، هذا ما قاله قائد الفريق نيكولاس يونس، المدير المؤسس لمركز أوربانا إلينوي للدراسات المتقدمة للكون (ICASU). قال في بيان. “طريقتنا هي طريقة مبتكرة لتعزيز دقة استنتاجات هابل الثابتة باستخدام موجات الجاذبية.”
لماذا موجات الجاذبية؟
تبدأ قصة موجات الجاذبية في عام 1915م ألبرت أينشتايننظرية الجاذبية والمعروفة باسم النسبية العامة. تشير النسبية العامة إلى أن الأجسام ذات الكتلة تتسبب في تشوه نسيج الزمكان (التوحيد رباعي الأبعاد للمكان والزمان). ما نختبره كالجاذبية ينشأ من هذا الالتواء؛ كلما كبرت الكتلة، زاد الانحناء وأصبح تأثير الجاذبية أقوى.
ومع ذلك، تتنبأ النسبية العامة أيضًا أنه عندما تتسارع الأجسام في الزمكان، فإن ذلك يولد تموجات تشع إلى الخارج عند سرعة الضوء. وتسمى هذه الموجات الجاذبية. قامت البشرية باكتشاف موجات الجاذبية لأول مرة في عام 2015، وذلك بفضل مرصد موجات الجاذبية بالليزر (ليغو) في الولايات المتحدة جاءت الموجات المكتشفة من اصطدام واندماج موجتين هائلتين الثقوب السوداء تقع على بعد حوالي 1.3 مليار سنة ضوئية. منذ ذلك الحين، اكتشف مرصد LIGO، جنبًا إلى جنب مع زملائه الكاشفين Virgo وكاميوكا لموجات الجاذبية (KAGRA) في إيطاليا واليابان، على التوالي، موجات جاذبية ناتجة عن العديد من عمليات الاندماج بين أزواج من الثقوب السوداء، وأزواج من النجوم النيوترونية فائقة الكثافة، وحتى اندماج مختلط بين ثقب أسود ونجم نيوتروني.
لقد تم اقتراح موجات الجاذبية كوسيلة لقياس ثابت هابل من قبل، ولكن المشكلة هي أن الدقة لم تكن موجودة. ويعتقد هذا الفريق أن نهجهم الجديد يتمتع بهذه الدقة، ويقول إن هذه الدقة ستزداد عندما تصبح أجهزة كشف موجات الجاذبية لدينا أكثر حساسية.
وقال دانييل هولز من جامعة شيكاغو: “لا نتوصل كل يوم إلى أداة جديدة تمامًا لعلم الكونيات. لقد أظهرنا أنه باستخدام همهمة موجات الجاذبية الخلفية الناتجة عن اندماج الثقوب السوداء في المجرات البعيدة، يمكننا التعرف على عمر الكون وتكوينه”. “هذا اتجاه مثير وجديد تمامًا، ونحن نتطلع إلى تطبيق أساليبنا على مجموعات البيانات المستقبلية للمساعدة في تقييد ثابت هابل، بالإضافة إلى الكميات الكونية الرئيسية الأخرى.”
لاستخدام موجات الجاذبية لقياس ثابت هابل، يحتاج العلماء إلى قياس السرعة التي تبتعد بها الأحداث التي تطلق الموجات بعيدًا عنا، وليس فقط تقدير المسافة إلى الأحداث المذكورة. ويتطلب ذلك من علماء الفلك تتبع الضوء، أو بشكل أكثر دقة، الإشعاع الكهرومغناطيسي، الصادر عن هذه الأحداث أو حتى من المجرات المضيفة للأحداث.
وبمقارنة هذين الشكلين من علم الفلك، الموحدين بما يسمى “علم الفلك متعدد الرسل”، يمكن للعلماء الحصول على قيمتين لثابت هابل: واحدة بالإشعاع الكهرومغناطيسي وحده، وواحدة بالإشعاع الكهرومغناطيسي وموجات الجاذبية. إذا لم تتفق هذه التقنيات، فإن توتر هابل يستمر، ويعلم العلماء أن هناك شيئًا مختلفًا بين الكون المبكر والكون الحديث غير معروف حاليًا.
ما يقترح الفريق استخدامه في التقنية التي يسمونها طريقة صفارات الإنذار العشوائية هي موجات الجاذبية الخلفية. يمكن اعتبار هذا بمثابة همهمة خلفية للكون من مجموعة من أحداث الاصطدام البعيدة الكامنة وراء تلك الأوركسترا الصاخبة المحطمة لاندماج الثقوب السوداء الضخمة والقريبة نسبيًا.
وقال كوزينز: “نظرًا لأننا نراقب اصطدامات فردية بين الثقوب السوداء، فيمكننا تحديد معدلات تلك الاصطدامات التي تحدث عبر الكون”. “بناءً على هذه المعدلات، نتوقع أن يكون هناك الكثير من الأحداث التي لا يمكننا مراقبتها، وهو ما يسمى بخلفية موجة الجاذبية.”
ويرى أبناء العمومة وزملاؤه أنه بالنسبة لقيم ثابت هابل المنخفضة، يكون هناك حجم أقل من المساحة المتاحة لحدوث الاصطدامات، مما يؤدي إلى كثافة تصادم أعلى، وبالتالي إشارة خلفية موجة جاذبية أقوى. لذلك، إذا لم يتم اكتشاف تلك الخلفية، فهذا يشير إلى وجود ثابت هابل أعلى.
على الرغم من أن تكتل LIGO-Virgo-KAGRA ليس حساسًا بعد للكشف عن خلفية موجة الجاذبية، إلا أن الفريق كان لا يزال قادرًا على تطبيق طريقة صفارة الإنذار العشوائية على البيانات التي جمعتها هذه الكاشفات. ووجدوا أن هذا يعني ارتفاع قيم ثابت هابل وبالتالي معدل توسع عالمي أسرع.
كان ذلك مجرد دليل على المفهوم بالنسبة للفريق. يمكن لطريقة صفارات الإنذار العشوائية أن تتحقق بالفعل خلال السنوات الست المقبلة، مع زيادة الحساسية وتمكن العلماء من تشديد القيود على ثابت هابل. بعد هذه الفترة، يجب أن تكون أجهزة كشف موجات الجاذبية حساسة بما يكفي “لسماع” جزء كبير من خلفية موجات الجاذبية، ومن الممكن أن تكون هذه الطريقة قد تطورت بما يكفي لتوفير قياس مستقل لثابت هابل، مما قد يؤدي إلى إنهاء توتر هابل.
وقال كوزينز: “هذا من شأنه أن يمهد الطريق لتطبيق هذه الطريقة في المستقبل حيث نواصل زيادة الحساسية، وتقييد خلفية موجة الجاذبية بشكل أفضل، وربما حتى اكتشافها”. “من خلال تضمين هذه المعلومات، نتوقع الحصول على نتائج كونية أفضل ونكون أقرب إلى حل توتر هابل.”
يظهر بحث الفريق في عدد 11 مارس من المجلة رسائل المراجعة البدنية.
التعليقات