تمدد الكون وثابت هابل

منذ أن انفجر الكون في البداية منذ 13.8 مليار سنة ، كان الكون يتوسع ، وسحب معه مئات المليارات من المجرات والنجوم ، مثل الزبيب في عجينة سريعة التمدد.

لقد أشار علماء الفلك إلى تلسكوبات معينة إلى نجوم معينة ومصادر فلكية أخرى لقياس المسافة بينها وبين الأرض ومدى سرعة تحركها بعيدًا عنا - وهم معلوماتان أساسيتان لتقدير ثابت هبل ، وهي وحدة قياس تصف المعدل الذي يتوسع به الكون.

ولكن حتى الآن ، فإن أكثر الجهود دقة حصلت على قيم مختلفة تمامًا لثابت هبل ، ولم تقدم أي حل نهائي لمدى سرعة نمو الكون بالضبط. ويعتقد العلماء أن هذه المعلومات يمكن أن تلقي الضوء على أصول الكون ، وكذلك مصيره ، وما إذا كان الكون سيتوسع إلى ما لا نهاية أو ينهار في نهاية المطاف.

اقترح الآن علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد طريقة أكثر دقة واستقلالية لقياس ثابت هابل ، باستخدام موجات جاذبية تنبعث من نظام نادر نسبيا وهو نظام ثنائي حيث يتكون من ثقب أسود و النجم النيوتروني. وبينما تدور هذه الأجسام في اتجاه بعضها البعض ، فإنها يجب أن تنتج موجات جاذبية تهز الفضاء ووميض من الضوء عندما تصطدم في نهاية المطاف.

في ورقة ستنشر في 12 يوليو في مجلة Physical Review Letters ، ذكر الباحثون أن وميض الضوء سيعطي العلماء تقديرًا لسرعة النظام ، أو مدى سرعة انتقاله عن الأرض. يجب أن توفر موجات الجاذبية المنبعثة ، إذا تم اكتشافها على الأرض ، قياسًا مستقلاً ودقيقًا لمسافة النظام. على الرغم من أن الثنائيات النجمية ذات الثقب النيوتروني الأسود نادرة بشكل لا يصدق ، فإن الباحثين يحسبون أن اكتشاف عدد قليل حتى من هذا العدد يجب أن يعطي القيمة الأكثر دقة حتى الآن لثابت هبل ومعدل الكون المتسع.

يقول سلفاتوري فيتالي ، الأستاذ المساعد في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للورقة: "الثنائيات ذات النجوم النيوترونيه و الثقوب السوداء هي أنظمة معقدة للغاية ، لا نعرف عنها سوى القليل". "إذا اكتشفنا واحدة ، فإن الجائزة هي أنها يمكن أن تقدم مساهمة دراماتيكية في فهمنا للكون."

مقارنة الثوابت

تم مؤخرا إجراء قياسين مستقلين لثابت هبل ، أحدهما باستخدام تلسكوب هابل الفضائي التابع لوكالة ناسا والآخر باستخدام القمر الصناعي بلانك التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. يعتمد قياس مقراب هابل الفضائي على عمليات رصد لنوع من النجوم يُعرف باسم المتغير Cepheid ، وكذلك على ملاحظات المستعرات الأعظمية. يُعتبر كل من هذه الأشياء "شموعًا قياسية" لنمط السطوع القابل للتنبؤ به ، والذي يمكن للعلماء استخدامه لتقدير مسافة النجم وسرعته.

يعتمد النوع الآخر من التقديرات على ملاحظات التقلبات في الخلفية الميكروية الكونية ـ الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي ترك في فترة ما بعد الانفجار الكبير مباشرة ، عندما كان الكون لا يزال في مهده. في حين أن الملاحظات التي يتم إجراؤها من قبل كلا المسألتين دقيقة للغاية ، فإن تقديراتهم حول ثابت هابل لا توافق بشكل كبير.

"هذا هو المكان الذي تدخل فيه ليجو في اللعبة" ، يقول فيتالي.

يكتشف LIGO ، أو مرصد موجات الجاذبية بالليزر التفاعلي ، موجات الجاذبية  التي تنتجها ظواهر الفيزياء الفلكية الكارثية.

تقول "فيتالي": "توفر موجات الجاذبية طريقة مباشرة وسهلة للغاية لقياس مسافات مصادرها". "ما نكتشفه مع LIGO هو بصمة مباشرة للمسافة إلى المصدر ، دون أي تحليل إضافي".

في عام 2017 ، حصل العلماء على فرصتهم الأولى في تقدير ثابت هابل من مصدر موجة جاذبية ، عندما اكتشف ليجو ونظيرتها الإيطالية فيرغو زوجًا من النجوم النيوترونية المتصادمة للمرة الأولى. أطلق التصادم كمية هائلة من موجات الجاذبية ، التي قاسها الباحثون لتحديد مسافة النظام من الأرض. وأصدر الإندماج أيضاً وميضاً من الضوء ، ركزه علماء الفلك على التلسكوبات الأرضية والفضائية لتحديد سرعة النظام.

مع كل من القياسات ، حسب العلماء قيمة جديدة لثابت هبل. ومع ذلك ، فإن التقديرات جاءت مع عدم يقين كبير نسبياً بنسبة 14 في المائة ، وهو أمر غير مؤكد أكثر من القيم المحسوبة باستخدام التلسكوب الفضائي هبل وساتل بلانك.

يقول فيتالي إن الكثير من عدم اليقين ينبع من حقيقة أنه يمكن أن يكون من الصعب تفسير المسافة الثنائية للنجم النيوتروني من الأرض باستخدام موجات الجاذبية التي يعطيها هذا النظام الخاص.

"نحن نقيس المسافة من خلال النظر إلى كيفية الموجة الجاذبية ، بمعنى مدى وضوحها في بياناتنا ،" يقول فيتالي. "إذا كان الأمر واضحًا تمامًا ، فيمكنك أن ترى مدى ارتفاع الصوت ، وهذا يعطي المسافة. ولكن هذا صحيح جزئيًا فقط بالنسبة لثنائيات النجوم النيوترونية."

ذلك لأن هذه الأنظمة ، التي تخلق قرصًا دواميًا من الطاقة في شكل نجمتين نيوترونيتين تدوران في اتجاه بعضهما البعض ، تنبعث منها موجات جاذبية بطريقة غير متساوية. وتتسرب غالبية الموجات الجاذبية مباشرة من مركز القرص ، في حين يخرج جزء أصغر بكثير من الحواف. إذا اكتشف العلماء إشارة موجة جاذبية "صاخبة" ، فيمكن أن تشير إلى أحد سيناريوهين: تنبع الموجات المكتشفة من حافة نظام قريب جدًا من الأرض ، أو الأمواج المنبثقة عن مركز نظام آخر كثيرًا.

 يقول فيتالي"مع الثنائيات النترونية ، من الصعب جدا التمييز بين هاتين الحالتين" .

اعداد وترجمة / فادي طارق

المصدر