الطاقة المظلمة: التوسع المتسارع

Linas Juozenas

ملاحظات المستعرات العظمى البعيدة والقوة التنافرية الغامضة التي تدفع تسارع الكون

انعطاف مفاجئ في تطور الكون

لجزء كبير من القرن العشرين، كان علماء الكون يعتقدون أن توسع الكون—الذي بدأ بالانفجار العظيم—يتباطأ تدريجيًا بسبب الجاذبية الناتجة عن المادة. كان الجدل المركزي يدور حول ما إذا كان الكون سيتوسع إلى الأبد أو سينهار في النهاية، معتمدًا على كثافة كتلته الإجمالية. ومع ذلك، في عام 1998، اكتشف فريقان مستقلان يدرسان المستعرات العظمى من النوع Ia عند انزياحات حمراء عالية شيئًا مذهلًا: بدلاً من التباطؤ، فإن التوسع الكوني في الواقع يتسارع. هذا التسارع غير المتوقع أشار إلى مكون طاقي جديد—الطاقة المظلمة—التي تشكل حوالي 68% من كثافة طاقة الكون.

وجود الطاقة المظلمة أعاد تشكيل نظرتنا الكونية بشكل عميق. فهو يشير إلى أنه، على المقاييس الكبيرة، هناك تأثير تنافري يطغى على الجاذبية الناتجة عن المادة، مما يسبب تسارع معدل التوسع. أبسط تفسير هو الثابت الكوني (Λ) الذي يمثل طاقة الفراغ في الزمكان. لكن النظريات البديلة تقترح حقلًا سكاليًا ديناميكيًا أو فيزياء غريبة أخرى. بينما يمكننا قياس تأثير الطاقة المظلمة، تظل طبيعتها الأساسية لغزًا رئيسيًا في علم الكونيات، مما يبرز مدى ما زلنا بحاجة إلى تعلمه عن مصير الكون.

2. الأدلة الرصدية على التسارع الكوني

2.1 المستعرات العظمى من النوع Ia كشموع معيارية

يعتمد الفلكيون على المستعرات العظمى من النوع Ia—الأقزام البيضاء المنفجرة في أنظمة ثنائية—كـ"شموع معيارية قابلة للمعايرة". ذروتها في السطوع، بعد المعايرة، متسقة بما يكفي بحيث يمكن من خلال قياس السطوع الظاهري مقابل الانزياح الأحمر، استنتاج المسافة الكونية وتاريخ التوسع. في أواخر التسعينيات، اكتشف فريق بحث المستعرات العظمى عالية الانزياح (بقيادة آدم ريس، بريان شميدت) ومشروع علم الكون للمستعرات العظمى (بقيادة سول بيرلموتر) أن المستعرات العظمى البعيدة (~انزياح أحمر 0.5–0.8) بدت أضعف مما كان متوقعًا في كون متباطئ أو حتى مستقر. وأشار أفضل تطابق إلى توسع متسارع [1,2].

2.2 خلفية الميكروويف الكونية والبنية واسعة النطاق

توفر الملاحظات اللاحقة من أقمار WMAP وPlanck لتفاوتات خلفية الميكروويف الكونية معلمات كونية دقيقة، مؤكدة أن المادة وحدها (المظلمة + الباريونية) تمثل ~31% من الكثافة الحرجة، وأن الطاقة المظلمة الغامضة أو "Λ" تمثل الباقي (~69%). كما تتبع مسوحات البنية واسعة النطاق (مثل مسح سلون السمائي) تذبذبات باريون الصوتية، كاشفة عن توافق مع توسع متسارع. تشكل البيانات مجتمعة نموذج ΛCDM: كون يحتوي على ~5% مادة باريونية، ~26% مادة مظلمة، و~69% طاقة مظلمة [3,4].

2.3 تذبذبات باريون الصوتية ومعدل النمو

تُستخدم تذبذبات باريون الصوتية (BAO) المنقوشة على تجمعات المجرات على نطاقات كبيرة كـ"مسطرة معيارية"، لقياس التوسع في عصور مختلفة. كما يشير نمطها إلى أنه في المليارات القليلة الماضية من السنين، تسارع التوسع، مما قلل من معدل نمو البنية الكونية مقارنة بسيناريو يهيمن عليه المادة فقط. تتلاقى هذه الأدلة المتعددة على نفس الاستنتاج: هناك مكون متسارع تغلب على تباطؤ المادة.

3. الثابت الكوني: أبسط تفسير

3.1 Λ لأينشتاين وطاقة الفراغ

ألبرت أينشتاين قدم الثابت الكوني Λ في عام 1917، في البداية لتحقيق حل للكون الثابت. عندما اكتُشف توسع هابل، يُقال إن أينشتاين رفض Λ باعتباره "أكبر خطأ". ومع ذلك، وبشكل ساخر، أعيد إحياء Λ كمرشح رئيسي للتسارع الكوني—طاقة الفراغ مع معادلة الحالة (p = -ρc²)، مما يوفر ضغطًا سلبيًا وتأثير جاذبية تنافرية. إذا كان Λ ثابتًا حقًا، فإنه يؤدي إلى توسع أُسّي في المستقبل البعيد، ينتهي بمرحلة "دي سيتتر" حيث تصبح كثافة المادة ضئيلة.

3.2 الحجم والضبط الدقيق

كثافة الطاقة المظلمة المرصودة على رتبة ρ_Λ ≈ (10^-12 GeV)⁴. تتنبأ نظريات الحقول الكمومية بطاقة فراغ أكبر بعدة رتب من الحجم، مما يثير مشكلة الثابت الكوني الشهيرة: لماذا Λ المقاسة صغيرة جدًا مقارنة بطاقة فراغ مقياس بلانك البسيطة؟ تظل الحلول المحاولة (مثل الإلغاءات بواسطة آلية غير معروفة) غير مرضية أو غير مكتملة. هذه من أكبر ألغاز الضبط الدقيق في الفيزياء النظرية.

4. الطاقة المظلمة الديناميكية: الجوهر الخماسي والبدائل

4.1 حقول الجوهر الخماسي

بدلاً من الثابت الصارم، يقترح البعض حقلًا سكاليًا ديناميكيًا φ، مع جهد V(φ)، يتطور عبر الزمن الكوني—غالبًا ما يُسمى "الجوهر الخماسي". معادلته الحالة w = p / ρ يمكن أن تنحرف عن -1 (القيمة للثابت الكوني الخالص). تقيس الملاحظات حاليًا w ≈ -1 ± 0.05، مما يترك مجالًا لانحرافات طفيفة عن -1. إذا تغير w مع الزمن، قد نرى تغييرات مستقبلية في معدل التوسع. لكن لا يوجد دليل ملاحظ واضح على تغير w مع الزمن حتى الآن.

4.2 الطاقة الشبحية أو k-essence

تقترح بعض النماذج الغريبة w < -1 ("الطاقة الشبحية"), مما يؤدي إلى سيناريو "التمزق الكبير" حيث يتسارع توسع الكون لتمزيق حتى الذرات في النهاية. أو تدمج نظريات "k-essence" مصطلحات حركية غير معيارية. كل هذه تظل افتراضية، وتُختبر أساسًا بمقارنة تاريخ توسع الكون المتوقع مع بيانات السوبرنوفا، وBAO، وCMB، ولم يحدد أي منها بديلاً مفضلًا على Λ شبه الثابت.

4.3 الجاذبية المعدلة

نهج آخر هو تعديل النسبية العامة على المقاييس الكبيرة بدلاً من إدخال الطاقة المظلمة. قد تنتج الأبعاد الإضافية، ونظريات f(R)، أو سيناريوهات العوالم الفرعية تسارعًا فعالًا. ومع ذلك، فإن التوفيق بين اختبارات دقة النظام الشمسي والبيانات الكونية يمثل تحديًا. حاليًا، لا تظهر أي من هذه التعديلات تفوقًا واضحًا على Λ في مطابقة مجموعة واسعة من الملاحظات.

5. لغز "لماذا الآن؟" والتزامن

5.1 التزامن الكوني

بدأت نسبة كثافة الطاقة في الطاقة المظلمة تهيمن فقط في المليارات القليلة الماضية من السنين—لماذا يتسارع الكون الآن، بدلاً من أن يكون في وقت سابق أو لاحق؟ هذه "مشكلة التزامن" تشير إما إلى التفكير الأنثروبي (ظهور المراقبين الأذكياء تقريبًا بالقرب من الحقبة التي تكون فيها المادة وΛ من نفس الرتبة)، أو فيزياء غير مكتشفة تحدد مقياسًا زمنيًا لبداية الطاقة المظلمة. نموذج ΛCDM القياسي لا يحل هذه اللغز جوهريًا لكنه يستوعبها ضمن منظور أنثروبي واسع.

5.2 مبدأ الأنثروبيا وتعدد الأكوان

يجادل البعض بأنه إذا كان Λ أكبر بكثير، لما حدث تكوين البنية قبل أن يتغلب التوسع السريع على تجمع المادة؛ وإذا كان Λ سلبيًا أو أصغر، لكان لدينا جدول زمني كوني مختلف. مبدأ الأنثروبيا يقول إننا نجد Λ في النطاق الضيق الذي يسمح بوجود المجرات والمراقبين. مع أفكار تعدد الأكوان، قد يكون لكل منطقة طاقات فراغ مختلفة، ونحن نعيش في واحدة تعزز التعقيد. رغم كونه نظريًا، فهو طريقة لتفسير الصدف الظاهرة.

6. تداعيات على مستقبل الكون

6.1 تسارع أبدي؟

إذا ظلت الطاقة المظلمة ثابتة كـ Λ، يتسارع توسع الكون أسيًا. المجرات غير المرتبطة جاذبيًا (مثل تلك خارج مجموعتنا المحلية) تبتعد في نهاية المطاف خلف أفقنا الكوني، تاركة "كون الجزيرة" من الهياكل المحلية. على مدى عشرات المليارات من السنين، تختفي الهياكل الكونية خلف ذلك الأفق من الرؤية، مما يعزل المجرات المحلية عن البعيدة فعليًا.

6.2 سيناريوهات أخرى

الكونتسينس الديناميكي: إذا كان w > -1، يكون التوسع المستقبلي أبطأ من الأسي. قد يقترب من حالة دي سيتير قريبة لكنها أقل "سرعة".
الطاقة الشبحية (w < -1): قد ينتهي الكون بـ "تمزق كبير"، حيث يتغلب التوسع في النهاية على الأنظمة المرتبطة (المجرات، الأنظمة الشمسية، الذرات). البيانات الرصدية تقلل قليلاً من احتمال السلوك الشبح القوي لكنها لا تستبعده تمامًا.
انهيار الفراغ: إذا كانت طاقة الفراغ مستقرة بشكل مؤقت، فقد تنتقل تلقائيًا إلى فراغ طاقة أقل - كارثة للفيزياء المحلية. أمر نظري للغاية، لكنه غير محظور بالفيزياء المعروفة.

7. البحث الحالي والمستقبلي

7.1 مسوحات كونية عالية الدقة

تقوم مسوحات مثل DES (مسح الطاقة المظلمة)، eBOSS، Euclid (وكالة الفضاء الأوروبية)، ومرصد فيرا سي. روبن (LSST) القادم بقياس مليارات المجرات، مما يحسن تاريخ التوسع عبر السوبرنوفا، BAO، العدسات الضعيفة، ونمو البنية. من خلال فحص معامل معادلة الحالة w، يهدفون لمعرفة ما إذا كان يختلف عن -1. قد تكشف دقة ~1% أو أفضل على w عن تلميحات طفيفة حول ما إذا كانت الطاقة المظلمة ثابتة حقًا أو ديناميكية.

7.2 موجات الجاذبية والرسائل المتعددة

يمكن للملاحظات المستقبلية لموجات الجاذبية من الصفارات القياسية (اندماج النجوم النيوترونية) قياس توسع الكون بشكل مستقل عن الطرق الكهرومغناطيسية. مع الإشارات الكهرومغناطيسية، يمكن للصفارات القياسية تضييق القيود على تطور الطاقة المظلمة. وبالمثل، قد تساعد تصوير 21 سم لفجر الكون أو عصر إعادة التأين في قياس توسع الكون عند انزياحات حمراء عالية، مما يختبر نماذج الطاقة المظلمة بشكل أكثر دقة.

7.3 الاختراقات النظرية؟

حل مشكلة الثابت الكوني أو اكتشاف أساس ميكروفيزيائي مقنع للجوهر الخماسي قد يأتي من أطر الجاذبية الكمومية المتقدمة أو نظرية الأوتار. بدلاً من ذلك، قد توضح مبادئ تماثل جديدة (مثل التناظر الفائق، رغم عدم رؤيته حتى الآن في LHC) أو الحجج الأنثروبولوجية صغر حجم الطاقة المظلمة. إذا ظهر اكتشاف مباشر لـ "إثارات الطاقة المظلمة" أو قوى خامسة (رغم عدم وجود أي حتى الآن)، فسيحدث ذلك ثورة في نهجنا.

8. الخاتمة

الطاقة المظلمة تقف كواحدة من أعمق الألغاز في علم الكون: مكون طارد يغذي التوسع المتسارع الذي اكتُشف بشكل غير متوقع عبر ملاحظات المستعرات العظمى من النوع Ia البعيدة في أواخر التسعينيات. مدعومة بثروة من البيانات—إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، تذبذب الصوت الباريوني، العدسات، ونمو البنية—تشكل الطاقة المظلمة حوالي 68–70% من ميزانية طاقة الكون تحت نموذج ΛCDM القياسي. أبسط مرشح، الثابت الكوني، يتوافق مع البيانات الحالية لكنه يثير ألغازًا نظرية مثل مشكلة الثابت الكوني والتصادفات الأنثروبولوجية.

الأفكار البديلة (الجوهر الخماسي، الجاذبية المعدلة، السيناريوهات الهولوغرافية) تظل نظرية لكنها قيد التحقيق النشط. الحملات الرصدية المخططة لعقد 2020 وما بعده— يوليد، إل إس إس تي، تلسكوب الفضاء رومان—ستُحسّن القيود على معادلة حالة الطاقة المظلمة، مما قد يكشف ما إذا كان التسارع الكوني ثابتًا حقًا مع الزمن أو يشير إلى فيزياء جديدة. حل لغز الطاقة المظلمة سيوضح ليس فقط مصير الكون (التوسع الأبدي، التمزق الكبير، أو شيء آخر) بل أيضًا التفاعل بين الحقول الكمومية، الجاذبية، والطبيعة الأساسية للزمكان. باختصار، فك هوية الطاقة المظلمة خطوة حاسمة في قصة المحقق الكونية لكيفية تطور كوننا، استمراره، وربما اختفائه في النهاية من الرؤية مع حمل التسارع للمجرات البعيدة خارج أفقنا.

المراجع والقراءات الإضافية

رييس، أ. ج.، وآخرون. (1998). "دليل رصدي من المستعرات العظمى على كون متسارع وثابت كوني." المجلة الفلكية، 116، 1009–1038.
بيرلموتر، س.، وآخرون. (1999). "قياسات Ω و Λ من 42 مستعر أعظم عالي الانزياح الأحمر." المجلة الفلكية، 517، 565–586.
تعاون بلانك (2018). "نتائج بلانك 2018. السادس. المعلمات الكونية." الفلك والفيزياء الفلكية، 641، A6.
واينبرغ، س. (1989). "مشكلة الثابت الكوني." مراجعات الفيزياء الحديثة، 61، 1–23.
فريمان، ج. أ.، تيرنر، م. س.، & هيوترر، د. (2008). "الطاقة المظلمة والكون المتسارع." المراجعة السنوية للفلك والفيزياء الفلكية، 46، 385–432.

← المقال السابق المقال التالي →

العودة إلى الأعلى

العودة إلى المدونة

البلد/المنطقة

لغة