مسوحات الطاقة المظلمة

Linas Juozenas

رصد المستعرات العظمى، عناقيد المجرات، والعدسات الجاذبية لاستكشاف طبيعة الطاقة المظلمة

مسرع كوني غامض

في عام 1998، اكتشف فريقان مستقلان نتيجة غير متوقعة: المستعرات العظمى من النوع Ia البعيدة بدت أضعف مما كان متوقعًا تحت توسع متباطئ أو مستقر، مما يشير إلى أن توسع الكون كان يتسارع. ولدت هذه الحقيقة مفهوم "الطاقة المظلمة"، وهو مصطلح يجسد التأثير "الطارد" المجهول الذي يغذي التسارع الكوني. بينما أبسط تفسير هو الثابت الكوني (Λ) بمعادلة الحالة w = -1، لا نعرف بعد ما إذا كانت الطاقة المظلمة ثابتة حقًا أو تتطور ديناميكيًا. الرهان كبير: فك طبيعة الطاقة المظلمة قد يحدث ثورة في الفيزياء الأساسية، جاعلاً الصلة بين الملاحظات على مقياس كوني ونظرية الحقل الكمومي أو نماذج الجاذبية الجديدة.

مسوحات الطاقة المظلمة هي برامج رصد مخصصة تستخدم طرقًا متعددة لقياس أثر الطاقة المظلمة على توسع الكون ونمو البنية. من بين هذه الطرق الرئيسية:

المستعرات العظمى من النوع Ia (الشموع المعيارية) لقياس المسافة مقابل الانزياح الأحمر.
عناقيد المجرات لتتبع نمو كثافات المادة الزائدة عبر الزمن.
العدسات الجاذبية (القوية والضعيفة) لاستكشاف توزيعات الكتلة والهندسة الكونية.

من خلال مقارنة البيانات المرصودة مع النماذج النظرية (مثل ΛCDM)، تحاول هذه المسوحات تقييد معادلة حالة الطاقة المظلمة (w)، والتطور الزمني المحتمل w(z)، ومعلمات أخرى حاسمة لديناميكيات الكون.

2. المستعرات العظمى من النوع Ia: الشموع المعيارية للتوسع

2.1 اكتشاف التسارع

المستعرات العظمى من النوع Ia—انفجارات نووية حرارية للأقزام البيضاء—تمتلك لمعانًا ذروياً موحدًا إلى حد ما، يمكن "توحيده" عبر تصحيحات شكل منحنى الضوء واللون. في أواخر التسعينيات، وجد فريق البحث عن المستعرات العظمى عالية الانزياح وفريق علم الكونيات للمستعرات العظمى أن المستعرات عند انزياحات حمراء تصل إلى z ∼ 0.8 أضعف (وبالتالي أبعد) مما كان يتوقعه كون بدون تسارع كوني. هذا النتيجة أشارت إلى توسع متسارع، مما أدى إلى جائزة نوبل في الفيزياء عام 2011 التي مُنحت لأعضاء رئيسيين في هذه التعاونات [1,2].

2.2 مسوحات المستعرات العظمى الحديثة

SNLS (مسح تراث المستعرات العظمى): استخدم تلسكوب كندا-فرنسا-هاواي لجمع مئات المستعرات العظمى حتى z ∼ 1.
ESSENCE: يركز على الانزياحات الحمراء المتوسطة.
برامج المستعرات العظمى Pan-STARRS، DES: تصوير واسع النطاق جارٍ لاكتشاف آلاف المستعرات العظمى من النوع Ia.

يجمع دمج مقاييس المسافة للمستعرات العظمى مع بيانات الانزياح الأحمر ما يُعرف بـ "مخطط هابل"، الذي يتتبع مباشرة معدل التوسع عبر الزمن الكوني. تؤكد النتائج أن الطاقة المظلمة قريبة من w ≈ -1، لكنها لا تستبعد تغييرات طفيفة. كما تساهم معايرات المستعرات العظمى-السيفيد المحلية الحالية في نقاش "توتر هابل", مما يعطي قيمة H₀ أعلى من التنبؤات المستندة إلى إشعاع الخلفية الكونية.

2.3 الآفاق المستقبلية

ستكتشف المسوحات العميقة العابرة القادمة—مرصد روبن (LSST)، تلسكوب رومان الفضائي—عشرات الآلاف من المستعرات العظمى من النوع Ia حتى z > 1، مما يعزز القيود على w والتطور المحتمل w(z). التحدي الرئيسي يبقى في المعايرة النظامية: ضمان عدم وجود تطور في السطوع غير محسوب، أو غبار، أو انحراف في السكان يمكن أن يحاكي تغييرات الطاقة المظلمة.

3. عناقيد المجرات: الهالات الضخمة كأدوات كونية

3.1 وفرة العناقيد والنمو

عناقيد المجرات هي أكبر الهياكل المرتبطة بالجاذبية، وتتكون بشكل رئيسي من المادة المظلمة، والغاز الساخن داخل العناقيد، والمجرات. إن وفرتها عبر الزمن الكوني حساسة للغاية لكثافة المادة (Ω_m) وتأثير الطاقة المظلمة على تكوين البنية. إذا أبطأت الطاقة المظلمة نمو البنية، فإن عدد العناقيد ذات الكتلة العالية يتناقص عند انزياحات حمراء أعلى. لذلك، فإن عد العناقيد عند انزياحات حمراء مختلفة وقياس كتلها يمكن أن يوفر قيودًا على Ω_m، σ₈، و w.

3.2 طرق الكشف ومعايرة الكتلة

يمكن تحديد العناقيد عبر:

انبعاث الأشعة السينية من غاز داخل العنقود الساخن (مثل ROSAT، Chandra).
تأثير سونياف-زيلدوفيتش (SZ): تشوهات في فوتونات CMB نتيجة تشتتها على إلكترونات ساخنة في العنقود (SPT، ACT، Planck).
بصري أو تحت الأحمر: زيادة كثافة مجرات التسلسل الأحمر (مثل SDSS، DES).

ربط هذه الملاحظات بالكتلة الكلية للعنقود يتطلب علاقات مقياس الكتلة-الملاحظ. تساعد قياسات العدسة الضعيفة في معايرة هذه العلاقات، مما يقلل من المنهجيات. استخدمت مسوحات مثل SPT، ACT، وDES العناقيد لقيود الطاقة المظلمة، مع الحذر من تحيزات الكتلة المحتملة.

3.3 المسوحات والنتائج الرئيسية

كتالوج عناقيد DES، مسح الأشعة السينية eROSITA، وكتالوج عناقيد SZ من Planck يقيسون معًا آلاف العناقيد عبر z حتى ~1. يؤكدون كون ΛCDM مع توترات طفيفة في سعة النمو مقابل توقعات CMB في بعض التحليلات. التوسعات المستقبلية في معايرة كتلة العنقود ودالة الاختيار ستُحسن قيود الطاقة المظلمة المستندة إلى العناقيد.

4. العدسة الجاذبية: استكشاف الكتلة والهندسة

4.1 العدسة الضعيفة (القص الكوني)

تتشوه أشكال المجرات البعيدة بشكل طفيف (قص) بواسطة توزيع المادة الأمامية. من خلال تحليل ملايين صور المجرات، يمكن إعادة بناء تقلبات وكثافة المادة والنمو، الحساسة إلى Ω_m، σ₈، وتأثير الطاقة المظلمة على التوسع. مشاريع مثل CFHTLenS، KiDS، DES، والمستقبلية Euclid أو Roman تقيس القص الكوني بدقة على مستوى النسبة المئوية، كاشفة عن شذوذ محتمل أو مؤكدة نموذج ΛCDM القياسي [3,4].

4.2 العدسة القوية

يمكن للعناقيد أو المجرات الضخمة أن تنتج صورًا متعددة أو أقواسًا للمصادر الخلفية، مما يكبرها. على الرغم من كونها أكثر موضعية، يمكن للعدسة القوية قياس توزيع الكتلة بدقة، ومع عدسات التأخير الزمني (مثل أنظمة عدسة الكوازارات)، تعطي قياسًا مستقلاً لثابت هابل. بعض النتائج (H0LiCOW) ترى H₀ ≈ 72–74 كم/ث/ميغابارسك، متسق مع نتائج السوبرنوفا المحلية، مساهماً في "توتر هابل".

4.3 الجمع مع السوبرنوفا والعناقيد

تندمج بيانات العدسة جيدًا مع القيود المستندة إلى العناقيد (كتلة العنقود من معايرة العدسة) وقياسات مسافات السوبرنوفا، وكلها تغذي ملاءمة عالمية للمعلمات الكونية. التآزر بين العدسة، العناقيد، وSNe ضروري لتقليل التداخلات وعدم اليقين المنهجي، مما يؤدي إلى قيود قوية على الطاقة المظلمة.

5. المسوحات الكبرى للطاقة المظلمة قيد التشغيل والتخطيط

5.1 مسح الطاقة المظلمة (DES)

أُجري من 2013 إلى 2019 على تلسكوب بلانكو 4 م (سيرو تولولو)، صور DES حوالي 5,000 درجة مربعة بخمسة مرشحات (grizY)، بالإضافة إلى برنامج سوبرنوفا في حقول مخصصة. يستخدم:

عينة السوبرنوفا (~آلاف من SNe Ia) لرسم هابل.
العدسة الضعيفة (القص الكوني) لقياس توزيع المادة.
عدّ العناقيد وBAO في توزيع المجرات.

أنتجت تحليلات السنة الثالثة والنهائية قيودًا تتوافق تقريبًا مع ΛCDM، مع قيمة w ≈ -1±0.04. يؤدي دمج بيانات بلانك + DES إلى تضييق الأخطاء بشكل كبير، دون وجود علامة قوية على تطور الطاقة المظلمة.

5.2 يوليد وتلسكوب الفضاء نانسي غريس رومان

يوليد (وكالة الفضاء الأوروبية) مقرر إطلاقه حوالي 2023، ويجري تصويرًا طيفيًا بالأشعة تحت الحمراء القريبة على مساحة ~15,000 درجة². سيقيس كل من العدسة الضعيفة (قياس الشكل لمليارات المجرات) وBAO (انزياحات حمراء طيفية). يمكن لهذا النهج تحقيق دقة مسافة ~1% عند z حتى 2، وهو حساس للغاية لأي w(z)≠ثابت.

يحتوي تلسكوب رومان (ناسا)، الذي سيُطلق في أواخر العشرينيات، على كاميرا تصوير بالأشعة تحت الحمراء واسعة المجال وسيجري مسحًا عالي العرض لكل من العدسة واكتشاف المستعرات العظمى، لرسم توسع الكون. تهدف هذه المهمات إلى قيود أقل من بالمئة على w والبحث عن تطورات محتملة، أو تأكيد ثباته بالفعل.

5.3 جهود أخرى: DESI، LSST، 21 سم

بينما DESI هو في الأساس مشروع طيفي لـ BAO، فإنه يكمل مسوح الطاقة المظلمة بقياس مقياس المسافة عند انزياحات حمراء متعددة مع 35 مليون مجرة/كوازار. سيكتشف LSST (مرصد روبن) حوالي 10 ملايين مستعر أعظم خلال 10 سنوات، بالإضافة إلى أشكال المجرات للانحناء الكوني. كما تعد مصفوفات رسم شدة 21 سم (SKA، CHIME، HIRAX) بقياس البنية واسعة النطاق وإشارات BAO عند انزياحات حمراء أعلى، مما يحدد تطور الطاقة المظلمة بشكل أدق.

6. الأهداف العلمية والتداعيات

6.1 تحديد w وتطوره

تهدف معظم مسوح الطاقة المظلمة إلى قياس معامل معادلة الحالة w، بحثًا عن انحرافات عن -1. إذا كان w≠-1 أو إذا تغير w مع الزمن الكوني، فهذا يشير إلى حقل ديناميكي (مثل الكوينتيسنس) أو تعديلات على الجاذبية. تظهر البيانات الحالية أن w = -1±0.03. قد تضيق المسوح الجيل القادم هذا إلى ±0.01 أو أفضل، إما لتأكيد طاقة الفراغ شبه الثابتة أو الكشف عن فيزياء جديدة.

6.2 اختبار الجاذبية على المقاييس الكبيرة

يمكن لمعدل نمو البنية، المقاس عبر تشوهات الفضاء الأحمر أو العدسة الضعيفة، أن يكشف ما إذا كانت الجاذبية هي فقط النسبية العامة. إذا نمت البنية الكونية أسرع أو أبطأ مما يتنبأ به ΛCDM لتاريخ توسع معين، فقد تكون هناك تعديلات على النسبية العامة أو قطاع مظلم متفاعل متورط. توجد بعض التوترات الطفيفة في سعة النمو، لكن هناك حاجة إلى بيانات إضافية لاستخلاص استنتاجات حاسمة.

6.3 حل توتر هابل؟

يمكن لمسوح الطاقة المظلمة المساعدة من خلال رسم توسع من انزياحات حمراء متوسطة (z ∼ 0.3–2) تربط توسعات سلم المسافات المحلية وتوسعات الكون المبكر (CMB). إذا كان "التوتر" ناتجًا عن فيزياء جديدة في الكون المبكر، فقد تؤكد هذه الفحوصات المتوسطة المدى ذلك أو تنفيه. بدلاً من ذلك، قد تظهر أن القياسات المحلية تختلف منهجيًا عن المتوسطات الكونية، مما يوضح أو يزيد من حدة التوتر.

7. التحديات والخطوات القادمة

7.1 الأخطاء المنهجية

كل أداة تواجه أخطاء منهجية فريدة: معايرة المستعرات العظمى (امتصاص الغبار، التوحيد)، علاقات كتلة العناقيد–الملاحظات، تحيزات قياس شكل العدسات، أخطاء الانزياح الضوئي. تبذل المسوحات جهودًا كبيرة للسيطرة على هذه الأخطاء ونمذجتها. التآزر بين أدوات مستقلة متعددة ضروري للتحقق المتبادل من النتائج.

7.2 التعامل مع البيانات الكبيرة

المسوحات القادمة ستولد مجموعات بيانات ضخمة: مليارات المجرات، ملايين الأطياف، آلاف المستعرات العظمى. خطوط أنابيب مؤتمتة، تصنيف بالتعلم الآلي، وتحليلات إحصائية متقدمة ضرورية. التعاون بين فرق كبيرة (DES، LSST، Euclid، Roman) يعزز الترابط المتبادل ومشاركة البيانات لأقصى استفادة كونية.

7.3 مفاجآت محتملة

تاريخيًا، يمكن لكل مجموعة بيانات كونية رئيسية إما تأكيد النموذج القياسي أو كشف شذوذات. إذا وجدنا w(z) ينحرف عن -1 حتى قليلاً، أو إذا استمر عدم تطابق نمو البنية، قد يكون هناك حاجة لإطار نظري جديد. يقترح البعض طاقة مظلمة مبكرة، أنواع نسبية إضافية، أو حقول غريبة. بينما يظل ΛCDM هو السائد، قد تبشر الشذوذات المستمرة باختراقات تتجاوز النموذج القياسي.

8. الخاتمة

مسوحات الطاقة المظلمة، مستفيدة من المستعرات العظمى، عناقيد المجرات، والعدسات الجاذبية، تقع في قلب سعي علم الكون الحديث لكشف التوسع المتسارع للكون. كل طريقة تكشف عن عصور كونية وجوانب مميزة:

المستعرات العظمى من النوع Ia تقيس المسافات بدقة مقابل الانزياح نحو الأحمر، ملتقطة التوسع في الزمن المتأخر.
عدد العناقيد يقيس كيف تتشكل البنية تحت تأثير تنافر الطاقة المظلمة، موفرًا معلومات عن كثافة المادة ومعدل النمو.
العدسات الضعيفة ترسم خرائط لتقلبات الكتلة الكلية، رابطًة الهندسة الكونية بنمو البنية؛ العدسات القوية يمكنها قياس ثابت هابل عبر مسافات تأخير الزمن.

المشاريع الكبرى—DES، Euclid، Roman، DESI، من بين أخرى—تدفعنا نحو دقة أقل من بالمئة في معلمات توسع الكون، إما لتثبيت نموذج ΛCDM مع ثابت كوني أو الكشف عن علامات دقيقة لتطور الطاقة المظلمة. قد تساعد هذه المسوحات أيضًا في حل توتر هابل، اختبار تعديلات الجاذبية، أو اكتشاف ظواهر كونية مخفية. بالفعل، مع تدفق المزيد من البيانات خلال العقد القادم، نقترب من فك شفرة ما إذا كانت الطاقة المظلمة حقًا طاقة فراغ بسيطة أو ما إذا كانت الفيزياء الجديدة تلوح في الأفق—دليل على كيف تدفع المراقبة الكونية والأجهزة المتقدمة الاكتشافات الأساسية في الفيزياء الفلكية.

المراجع والقراءة 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.
بارتلمان، م.، وشنايدر، ب. (2001). “العدسة الجاذبية الضعيفة.” تقارير الفيزياء، 340، 291–472.
Abbott, T. M. C., et al. (DES Collaboration) (2019). "نتائج السنة الأولى لمسح الطاقة المظلمة: قيود كونية من تجمع المجرات والعدسات الضعيفة." Physical Review D, 99, 123505.
Laureijs, R., et al. (2011). "تقرير دراسة تعريف Euclid." arXiv:1110.3193.

← المقال السابق المقال التالي →

العودة إلى الأعلى

العودة إلى المدونة

البلد/المنطقة

لغة