هل ساعدت المادة المظلمة في تحجيم الكون؟

يعتقد معظم الفيزيائيين أنه في جزء من الثانية بعد حدوث الانفجار الأعظم قبل 13.8 مليار سنة، تضخم حجم الكون الوليد بشكل كبير، وقفز من كونه أصغر من البروتون إلى كونه أكبر من الكرة اللينة. قد يبدو مثل هذا التوسع الأسي بسيطًا، لكنه يعادل حبة عنب في كف يدك تنتفخ لتصبح أكبر بعشرات الآلاف من المرات من الكون المرئي. تُعرف هذه الفترة الغريبة والعابرة، المعروفة باسم التضخم الكوني، عادةً بأنها امتداد لما يقرب من العدم، لأنه في ذلك الوقت، لم تكن معظم الجسيمات الأولية للكون قد ظهرت إلى الوجود بعد. بمعنى آخر، تشير النظرة القياسية للتضخم الكوني إلى أن الكون لم يبدأ حقًا ككرة نارية ساخنة وكثيفة، بل كفراغ بارد تم إعادة تسخينه لاحقًا فقط إلى حساء بلازمي من الجسيمات من خلال عملية غير مفهومة جيدًا.

لكن دراسة نظرية جديدة نشرت في المجلة رسائل المراجعة البدنية يشير إلى أن التضخم ربما كان دافئًا منذ البداية. في الواقع، وجد الباحثون أن فترة التضخم الدافئة التي بدأت بملء الكون بالمادة يمكن أن تنشأ بشكل طبيعي من التفاعلات داخل النموذج القياسي للفيزياء، وهي النظرية التي تصف القوى الأساسية والجسيمات الأولية في الكون.

يقول المؤلف الرئيسي للدراسة كيم بيرجهاوس، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: “ما أظهرناه في هذه الورقة هو أن الشعور بالدفء أثناء التضخم هو أمر عام للغاية وبسيط للغاية”. وتقول إن حل مشكلة التضخم البارد يتطلب نوعًا واحدًا غير مؤكد من الجسيمات. يضيف بيرجهاوس: “يقودنا هذا إلى مبدأ “ربما حدث هذا بالفعل في الطبيعة، ويمكننا البحث عنه”.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

التضخم في حد ذاته لغز كبير. يعتقد معظم الفيزيائيين أن ذلك حدث في أول 0.0000000000000000000000001 ثانية (10^-32 الثانية) من الزمن الكوني، وفي هذه المرحلة توسع الكون بعامل يصل إلى 10⁵⁰. السبب الذي يجعل أي شخص يأخذ هذه الفكرة المحيرة للعقل على محمل الجد هو أنها ستفسر ما لا يستطيع الانفجار الكبير وحده تفسيره، أي لماذا يبدو الكون متجانسًا للغاية عند المقاييس الكبيرة جدًا. تظهر الدراسات التي أجريت على التوهج اللاحق للانفجار الكبير – وهو شعاع من الإشعاع يغطي السماء بالكامل يسمى الخلفية الكونية الميكروية، أو CMB – أنه هو نفسه في كل مكان. الطريقة الأكثر مباشرة لحساب هذه النعومة الخارقة للطبيعة هي فترة التضخم التي توفر الوقت للكون الصغير للوصول إلى درجة حرارة موحدة.

وفي الوقت نفسه، كان من الممكن أن يؤدي التضخم أيضًا إلى تضخيم التقلبات العشوائية الصغيرة في الكون المبكر، مما يؤدي إلى اختلافات في الكثافة في البلازما البدائية. كانت هذه بمثابة بذور للهياكل الكونية. نظرًا لأن جاذبيتها تجمع المزيد من المادة معًا، فإن المناطق الأكثر كثافة ستنمو في النهاية لتصبح مجرات مليئة بالنجوم وعناقيد مجرية.

حتى الآن، لا يوجد دليل رصدي مباشر للتضخم، لذا فإن فرز تفاصيله مهمة تقع على عاتق المنظرين. في البداية، تصور الفيزيائيون التضخم كعملية باردة تتضمن مجالات طاقة تتخلل الفضاء بأكمله. لقد كان مدعومًا بمجال ذو طاقة عالية محتملة، يسمى حقل التضخم، والذي كان يتصرف قليلاً مثل كرة تتدحرج أسفل التل وتحول طاقتها الكامنة إلى طاقة حركية أثناء نزولها. في البداية، كان هذا “التل” لطيفًا، ومسطحًا تقريبًا، ومع تدحرج “كرة” التضخم إلى الأسفل، أصبح الكون المتوسع بشكل أسي أقل كثافة بسرعة. وفي نهاية المطاف، وصل “التل” إلى القاع عندما تم تخفيف الكون المتوسع إلى ما يقرب من الفراغ. عند هذه النقطة، يمكن لـ “كرة” التضخم المتدحرجة أن تدور حول “الوادي” الناتج، وتطلق العنان لطاقتها الحركية لتكوين العديد من الجسيمات الأولية وإعادة تسخين الكون. وعندها فقط بدأ سيناريو “الكون الوليد ككرة نارية”.

لكن كيف حدثت خطوة إعادة التسخين هذه على وجه التحديد لم تكن مفهومة جيدًا، كما يقول وحيد كمالي، الأستاذ الزائر في جامعة ماكجيل والأستاذ المشارك في جامعة بو علي سينا ​​في إيران، والذي يدرس علم الكونيات في بداية الكون ولم يشارك في البحث الجديد. وتساءل الفيزيائيون عما إذا كانت هذه الخطوة ضرورية أم أن هناك طريقة لتبقى عملية التضخم برمتها دافئة.

كان أرجون بيريرا، عالم الفيزياء النظرية بجامعة إدنبرة، والذي لم يشارك أيضًا في الدراسة الجديدة، أول من اقترح التضخم الدافئ في عام 1995. ويقول بيريرا إن التضخم البارد كان بسيطًا للغاية في بعض النواحي. ويقول: “عندما تتفاعل الأنظمة، نتوقع أن يكون هناك احتكاك وإنتاج جسيمات”. “والتضخم، في الصورة القياسية، لم يكن لديه ذلك”.

تم رفض نموذج بيريرا الأول في البداية. جادل المنتقدون بأن التضخم الدافئ كان من شأنه أن يحرق نفسه بشكل فعال، وينتج قبل الأوان جسيمات متفاعلة كانت ستستنزف طاقته المحتملة. وفي تشبيه التل، كانت “كرة” التضخم تهوي فجأة إلى منحدر شديد الانحدار، مما يؤدي إلى نهاية مفاجئة للعملية برمتها.

يقول بيريرا: «كان التحدي دائمًا يتمثل في كيفية العثور على النموذج الذي ينتج الجسيمات، لكنه لا يصنع تلة شديدة الانحدار».

نشر بيريرا وزملاؤه ورقة بحثية في عام 2016 وجدت مثل هذا النموذج باستخدام تفاعلات ومجالات مشابهة لتلك المعروفة في النموذج القياسي. تأخذ بيرجهاوس والمؤلفون المشاركون ماركو دروز من جامعة لوفين الكاثوليكية في بلجيكا وسيباستيان زيل من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ خطوة أخرى إلى الأمام في ورقتهم البحثية الجديدة، حيث يضعون التضخم الدافئ في النموذج القياسي نفسه. تظهر حساباتهم أن التفاعل الضعيف بين مجال التضخم والجسيمات الأولية التي تسمى الغلوونات سيكون كافيا لتسخين التضخم. تحمل الغلوونات القوة النووية الشديدة، التي تلصق معًا جسيمات أساسية تسمى الكواركات لتكوين البروتونات والنيوترونات.

يقول رودني راموس، عالِم الفيزياء النظرية بجامعة ولاية ريو دي جانيرو في البرازيل، والذي شارك في تأليف ورقة بحثية عام 2016، لكنه لم يشارك في الدراسة الجديدة: “ما فعلوه هو إنشاء هذا الارتباط، حيث يمكنك الحصول على تضخم دافئ من خلال تفاعلات النموذج القياسي”.

كان من الممكن أن تؤدي تفاعلات النموذج القياسي هذه إلى تسخين الكون المتضخم، متجنبة تعقيدات الحاجة إلى مرحلة إعادة تسخين لاحقة. في حالة التضخم البارد، تكون التقلبات الأولية كلها صغيرة وكمية بشكل لا يمكن تصوره، كما يقول بيريرا، ويجب أن تنتقل لاحقًا إلى تفاعلات أكبر تسمى التفاعلات الكلاسيكية أثناء إعادة التسخين. والمشكلة هي أن لا أحد يفهم حقاً كيف تتكشف هذه العملية. ولكن في حالة التضخم الدافئ، “فإنها ليست مشكلة كبيرة”، كما يقول، “لأنها كلاسيكية بالفعل”.

يحتوي النموذج الجديد على تحذير رئيسي واحد: الجسيم الذي يخلق مجال التضخم ليس معروفًا بعد بوجوده. يقول بيرجهاوس إنه سيكون جسيمًا خفيفًا للغاية وعديم الشحنة يُسمى الأكسيون. ظل الفيزيائيون يبحثون عن الأكسيونات لعقود من الزمن لأن بعض الأشكال المحتملة لهذه الجسيمات قد تشكل معظم أو كل المادة المظلمة في الكون. هناك تلميحات إلى احتمال وجود المحاور، بما في ذلك توهج الخلفية الخافت في الفضاء الذي اكتشفته مركبة الفضاء نيو هورايزنز في عام 2022. وإذا كانت موجودة بالفعل، فيجب أن تكون تريليونات منها طافية في كل سنتيمتر مكعب من النظام الشمسي. تقوم حاليًا مشاريع مثل تجربة أكسيون للمادة المظلمة، وهي عبارة عن تعاون بين جامعة واشنطن ومختبر لورانس ليفرمور الوطني ومؤسسات أخرى، بمطاردة هذه الجسيمات باستخدام مجالات مغناطيسية مكثفة لتحويلها إلى فوتونات موجات صغرية يمكن اكتشافها.

يشير اعتماد النموذج الجديد على المحاور إلى وجود طريقتين للتحقق التجريبي في نهاية المطاف – أحدهما عبر المسوحات المستقبلية للإشعاع CMB لاختبار بعض تنبؤات النموذج والآخر عبر عمليات البحث المختبرية المستمرة لهذه الجسيمات بعيدة المنال.

في حين أن احتمالية الاختبار تجعل هذا النموذج الجديد مثيرًا للغاية، يقول كمالي، إلا أنه لا يزال هناك الكثير مما يتعين القيام به للتوفيق بينه وبين النظريات الأخرى في علم الكونيات. ويقول إن أحد الأمثلة على ذلك هو أن حجم مجال التضخم في النموذج الجديد لا يتطابق مع توقعات نظرية الأوتار. ومع ذلك، فإن جاذبية التفسير الشامل للتضخم الكوني ضمن المبادئ المعروفة للنموذج القياسي من المرجح أن تثبت أنها لا تقاوم بالنسبة للمنظرين المتحمسين والتجريبيين على حد سواء.

يقول بيرجهاوس: “في عملنا، هناك فرصة لاكتشاف يمكن أن يسبر العلاقة بين فيزياء الجسيمات والانفجار الأعظم”. “نظرية نظريتنا المقترحة ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالنموذج القياسي، فهي قابلة للاختبار.”