Measuring the Hubble Constant: The Tension

قياس ثابت هابل: التوتر

التباينات في القياسات المحلية مقابل المبكرة للكون تغذي أسئلة كونية جديدة

أهمية H0

يحدد ثابت هابل (H0) معدل التوسع الحالي للكون، ويُعبر عنه عادة بوحدات كيلومتر في الثانية لكل ميجا فرسخ (كم/ث/ميجا فرسخ). قيمة دقيقة لـ H0 مهمة في علم الكونيات لأن:

  1. يحدد عمر الكون عند الاستقراء للخلف من التوسع.
  2. يعير مقياس المسافة لقياسات كونية أخرى.
  3. يساعد في كسر التداخلات في ملاءمات معلمات الكون (مثل كثافة المادة، معلمات الطاقة المظلمة).

تقليديًا، يقيس الفلكيون H0 عبر استراتيجيتين مميزتين:

  • النهج المحلي (سلم المسافات): البناء من الاختلاف المظهري إلى Cepheids أو TRGB (قمة فرع العملاق الأحمر)، ثم استخدام المستعرات العظمى من النوع Ia، مما يعطي معدل توسع مباشر في الكون القريب نسبيًا.
  • النهج المبكر للكون: استنتاج H0 من بيانات الخلفية الميكروية الكونية (CMB) تحت نموذج كوني مختار (ΛCDM)، بالإضافة إلى تذبذبات باريونية صوتية أو قيود أخرى.

في السنوات الأخيرة، تعطي هاتان الطريقتان قيم مختلفة بشكل ملحوظ لـ H0: قياس محلي أعلى (~73–75 كم/ث/ميجا فرسخ) مقابل قياس أقل قائم على CMB (~67–68 كم/ث/ميجا فرسخ). هذا التباين—المسمى “توتر هابل”—يشير إما إلى فيزياء جديدة تتجاوز ΛCDM القياسي أو إلى أنظمة غير محلولة في إحدى الطريقتين أو كلتيهما.

2. سلم المسافات المحلي: نهج خطوة بخطوة

2.1 الاختلاف المظهري والمعايرة

الأساس سلم المسافات المحلي هو الاختلاف المظهري (مثلثي) للنجوم القريبة نسبيًا (مهمة Gaia، اختلاف المظهر لـ HST لـ Cepheids، إلخ). يحدد الاختلاف المظهري المقياس المطلق للشموع القياسية مثل متغيرات Cepheid، التي لها علاقة فترة–لمعان موصوفة جيدًا.

2.2 متغيرات Cepheids وTRGB

  • متغيرات Cepheid: الدرجة الأساسية لمعايرة علامات أبعد مثل المستعرات العظمى من النوع Ia. قام فريدمان ومادور، ورييس وآخرون (فريق SHoES)، وغيرهم بتحسين معايرات Cepheid المحلية.
  • قمة فرع العملاق الأحمر (TRGB): تقنية أخرى تستخدم لمعان العمالقة الحمر عند بداية وميض الهيليوم في التجمعات الفقيرة بالمعادن. فريق كارنيجي–شيكاغو (فريدمان وآخرون) حقق دقة ~1% في بعض المجرات المحلية، مما يوفر بديلاً لـ Cepheids.

2.3 المستعرات العظمى من النوع Ia

بمجرد أن تثبت متغيرات Cepheids (أو TRGB) في المجرات المضيفة لمعان المستعرات العظمى، يمكن قياس المستعرات العظمى حتى مئات الميجا فرسخ. بمقارنة السطوع الظاهري للمستعر الأعظم مع اللمعان المطلق المستنتج، نحصل على المسافات. رسم سرعة التراجع (من الانزياح الأحمر) مقابل المسافة يعطي H0 محليًا.

2.4 القياسات المحلية

رييس وآخرون (SHoES) عادةً ما يجدون H0 ≈ 73–74 كم/ث/ميغابارسك (بخطأ ~1.0–1.5%). فريدمان وآخرون (TRGB) يجدون قيمًا ~69–71 كم/ث/ميغابارسك، أقل قليلاً من رييس لكنها لا تزال أعلى من ~67 المستندة إلى بلانك. وهكذا، بينما تختلف القياسات المحلية قليلاً فيما بينها، فإنها عادةً ما تتجمع حول 70–74 كم/ث/ميغابارسك—أعلى من ~67 من بلانك.

3. نهج الكون المبكر (CMB)

3.1 نموذج ΛCDM وCMB

تستنتج تباينات خلفية الميكروويف الكونية (CMB) التي يقيسها WMAP أو بلانك، ضمن نموذج ΛCDM الكوني القياسي، مقاييس الذروة الصوتية ومعلمات أخرى. من خلال ملاءمة طيف طاقة CMB، يتم الحصول على Ωb h²، Ωc h²، ومعلمات أخرى. الجمع بين هذه مع افتراض المسطحة، ومع بيانات BAO أو غيرها، ينتج قيمة مشتقة لـ H0.

3.2 قياس بلانك

تنتج بيانات بلانك النهائية عادةً H0 = 67.4 ± 0.5 كم/ث/ميغابارسك (اعتمادًا على الافتراضات الدقيقة)، أي أقل بحوالي 5–6σ من قياس SHoES المحلي. هذا الفرق، المعروف بتوتر هابل، له دلالة تقارب ~5σ، مما يشير إلى أنه من غير المحتمل أن يكون صدفة عشوائية.

3.3 لماذا يهم هذا الاختلاف

إذا كان نموذج ΛCDM القياسي صحيحًا وبيانات بلانك منهجية وموثوقة، فيجب أن تحتوي طرق سلم المسافات المحلية على نظام غير معترف به. بدلاً من ذلك، إذا كانت المسافات المحلية دقيقة، فقد يكون نموذج الكون المبكر غير مكتمل—قد تؤثر فيزياء جديدة على توسع الكون أو يغير نوع نسبي إضافي أو طاقة مظلمة مبكرة القيمة المستنتجة لـ H0.

4. مصادر محتملة للاختلاف

4.1 أخطاء منهجية في سلم المسافات؟

هناك شك في أن معايرات سيبيد أو تصوير المستعرات العظمى قد تحتوي على أنظمة غير مصححة—مثل تأثيرات المعدن على لمعان سيبيد، تصحيحات التدفق المحلي، أو تحيزات الاختيار. ومع ذلك، فإن التوافق الداخلي القوي عبر فرق متعددة يقلل من احتمال وجود خطأ كبير. كما تتقارب طرق TRGB على قيمة H0 مرتفعة إلى حد ما، وإن كانت أقل قليلاً من سيبيد، لكنها لا تزال أعلى من بلانك.

4.2 أنظمة غير معترف بها في CMB أو ΛCDM؟

احتمال آخر هو أن تفسير بلانك لخلفية الميكروويف الكونية ضمن ΛCDM يغفل عن عامل حاسم، مثل:

  • فيزياء النيوترينو الموسعة أو نوع إضافي نسبي (Neff).
  • الطاقة المظلمة المبكرة قرب إعادة التركيب.
  • الهندسة غير المسطحة أو طاقة مظلمة متغيرة مع الزمن.

بلانك لا يرى دليلاً قوياً على هذه، لكن تظهر تلميحات خفيفة في بعض نماذج التمديد. لا يوجد حتى الآن حل مقنع للتوتر دون إثارة شذوذات أخرى أو زيادة التعقيد.

4.3 هل هناك ثابتان مختلفان لهابل؟

يجادل البعض بأن معدل التوسع عند انزياح أحمر منخفض قد يختلف عن المتوسط العالمي إذا وجدت تراكيب محلية كبيرة أو عدم تجانس (فقاعة هابل)، لكن البيانات من اتجاهات متعددة، ومقاييس كونية أخرى، وافتراض التجانس العام تجعل تفسير وجود فراغ محلي كبير أو بيئة محلية أقل احتمالًا لشرح التوتر بالكامل.

5. الجهود لحل التوتر

5.1 طرق مستقلة

يختبر الباحثون معايرات محلية بديلة:

  • المازرات في مجرات الميجامازر (مثل NGC 4258) كمرساة لمسافات السوبرنوفا.
  • تأخيرات الزمن في العدسات القوية (H0LiCOW، TDCOSMO).
  • تقلبات سطوع السطح في المجرات الإهليلجية.

حتى الآن، تدعم هذه عمومًا H0 في نطاق الستينيات العليا إلى السبعينيات الدنيا، ليست كلها تتقارب إلى نفس القيمة بالضبط، لكنها عادة فوق 67. لذلك، لم تزل أي طريقة مستقلة واحدة التوتر.

5.2 المزيد من البيانات من DES، DESI، Euclid

BAO المقاسة عند انزياحات حمراء مختلفة يمكنها إعادة بناء H(z) لاختبار ما إذا كان هناك انحراف عن ΛCDM بين z = 1100 (عصر CMB) وz = 0. إذا أظهرت البيانات تطورًا يؤدي إلى H0 محلي أعلى مع توافق مع بلانك عند z عالي، فقد يشير ذلك إلى فيزياء جديدة (مثل الطاقة المظلمة المبكرة). يهدف DESI إلى قياس المسافة بدقة ~1% عند انزياحات حمراء متعددة، مما قد يوضح مسار التوسع الكوني.

5.3 سلم المسافات للجيل القادم

تواصل الفرق المحلية تحسين معايرات التزيح النجمي عبر بيانات Gaia، وتحسين نقاط الصفر للمتغيرات القيفاوية، وإعادة فحص المنهجيات في تصوير السوبرنوفا. إذا استمر التوتر مع تقليل هامش الخطأ، يزداد احتمال وجود فيزياء جديدة تتجاوز ΛCDM. وإذا اختفى، سنؤكد متانة ΛCDM.

6. الآثار المترتبة على علم الكونيات

6.1 إذا كان بلانك صحيحًا (H منخفض0)

H منخفض0 ≈ 67 كم/ث/ميغابارسك يتوافق مع ΛCDM القياسي من z = 1100 حتى الآن. إذن يجب أن تكون طرق سلم المسافات المحلية خاطئة بشكل منهجي، أو أننا نعيش في منطقة محلية غير عادية. هذا السيناريو يشير إلى أن عمر الكون حوالي 13.8 مليار سنة. تظل توقعات البنية واسعة النطاق متوافقة مع بيانات تجمع المجرات، وBAOs، والعدسات.

6.2 إذا كان سلم المسافات المحلي صحيحًا (H مرتفع0)

إذا كان H0 ≈ 73 صحيح، إذن التوافق القياسي لـ ΛCDM مع بلانك يجب أن يكون غير مكتمل. قد نحتاج إلى:

  • طاقة مظلمة مبكرة إضافية تُسرع التوسع مؤقتًا قبل إعادة التركيب، مما يغير زوايا القمم فتُخفض استنتاج H0 المعتمد على بلانك.
  • درجات حرية نسبية إضافية أو فيزياء النيوترينو الجديدة.
  • انهيار في فرضية كون مسطح ونقي من ΛCDM.

قد تحل هذه الفيزياء الجديدة التوتر على حساب نماذج أكثر تعقيدًا، لكنها قد تُختبر ببيانات أخرى (عدسة CMB، قيود نمو البنية، تخليق العناصر في الانفجار العظيم).

6.3 النظرة المستقبلية

التوتر يدعو إلى فحوصات متينة متبادلة. بيانات CMB-S4 أو بيانات القص الكوني المتقدمة يمكن أن تتحقق مما إذا كان نمو البنية يتماشى مع توسعات H0 العالية أو المنخفضة. إذا ظل التوتر ثابتًا عند ~5σ، فهذا يشير بقوة إلى أن النموذج القياسي يحتاج إلى مراجعة. قد يؤدي تطور نظري كبير أو حل منهجي في النهاية إلى الحسم.

7. الخاتمة

قياس ثابت هابل (H0) في صميم علم الكون، يربط الملاحظات المحلية لـالتوسع بإطار الكون المبكر. الطرق الحالية تنتج نتيجتين مميزتين:

  1. سلم المسافات المحلي (عبر السيفيديات، TRGB، السوبرنوفا) يعطي عادةً H0 ≈ 73 كم/ث/ميغابارسك.
  2. نماذج ΛCDM المعتمدة على CMB باستخدام بيانات بلانك تعطي H0 ≈ 67 كم/ث/ميغابارسك.

هذا "توتر هابل"، عند دلالة تقارب 5σ، يشير إما إلى منهجيات غير معترف بها في أحد الأساليب أو فيزياء جديدة تتجاوز نموذج ΛCDM القياسي. التحسينات المستمرة في معايرة التوازي (Gaia)، نقطة الصفر للسوبرنوفا، مسافات تأخير الزمن في العدسات، وBAO عند انزياحات حمراء عالية تختبر كل فرضية. إذا استمر التوتر، فقد يكشف عن حلول غريبة (طاقة مظلمة مبكرة، نيوترينوات إضافية، إلخ). وإذا تضاءل، فسوف نؤكد متانة ΛCDM.

أي من النتيجتين يشكل سردنا الكوني بشكل عميق. التوتر يحفز حملات رصد جديدة (DESI، يوكليد، رومان، CMB-S4) ونماذج نظرية متقدمة، مما يبرهن على الطبيعة الديناميكية لعلم الكون الحديث—حيث تدفع البيانات الدقيقة والشذوذات المستمرة سعينا لتوحيد الكون المبكر والحالي في صورة متماسكة واحدة.

المراجع والقراءة الإضافية

  1. رييس، أ. ج.، وآخرون. (2016). "تحديد بنسبة 2.4% للقيمة المحلية لثابت هابل." المجلة الفلكية الفيزيائية، 826، 56.
  2. تعاون بلانك (2018). "نتائج بلانك 2018. السادس. المعلمات الكونية." الفلك والفيزياء الفلكية، 641، A6.
  3. فريدمان، و. ل.، وآخرون. (2019). "برنامج كارنيجي-شيكاغو لهابل. الجزء الثامن. تحديد مستقل لثابت هابل بناءً على قمة فرع العملاق الأحمر." المجلة الفلكية الفيزيائية، 882، 34.
  4. فيردي، ل.، ترو، ت.، & ريس، أ. ج. (2019). "التوترات بين الكون المبكر والمتأخر." علم الفلك الطبيعي، 3، 891–895.
  5. نوكس، ل.، & ميليا، م. (2020). "دليل صيادي ثابت هابل." فيزياء اليوم، 73، 38.

 

← المقال السابق                    المقال التالي →

 

 

العودة إلى الأعلى

العودة إلى المدونة