Measuring the Hubble Constant: The Tension

قياس ثابت هابل: التوتر

التباينات بين القياسات المحلية وقياسات الكون المبكر تثير أسئلة كونية جديدة

أهمية H0

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

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

تقليديًا، يقيس الفلكيون H0 عبر استراتيجيتين متميزتين:

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

في السنوات الأخيرة، تعطي هاتان الطريقتان قيم H0 مختلفة بشكل ملحوظ: قياس محلي أعلى (~73–75 كم/ث/ميغابارسك) مقابل قياس أقل مستند إلى إشعاع الخلفية الكونية (~67–68 كم/ث/ميغابارسك). هذا التباين—المسمى "توتر هابل"—يشير إما إلى فيزياء جديدة تتجاوز نموذج ΛCDM القياسي أو إلى مشكلات منهجية غير محلولة في إحدى الطريقتين أو كلتيهما.

2. سلم المسافات المحلي: نهج خطوة بخطوة

2.1 الاختلاف الميلي والمعايرة

الأساس سلم المسافات المحلي هو الاختلاف الميلي (الجيب التثليثي) للنجوم القريبة نسبيًا (مهمة غايا، اختلاف الميلي لتلسكوب هابل للسيفيديين، إلخ). يحدد الاختلاف الميلي المقياس المطلق للشموع القياسية مثل المتغيرات السيفيدية، التي لها علاقة معروفة بين الفترة والسطوع.

2.2 السيفيديون وقمة فرع العملاق الأحمر (TRGB)

  • المتغيرات السيفيدية: الدرجة الأساسية لمعايرة علامات أبعد مثل المستعرات العظمى من النوع Ia. قام فريدمان ومادور، ورييس وآخرون (فريق SHoES) بتحسين معايرات السيفيدية 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 عن سيبيد.

2.3 السوبرنوفا من النوع Ia

بمجرد أن تثبت متغيرات سيبيد (أو TRGB) في مجرات المضيف لمعان السوبرنوفا، يمكن قياس السوبرنوفا حتى مئات الميغابارسك. من خلال مقارنة السطوع الظاهري للسوبرنوفا مع اللمعان المطلق المستنتج، نحصل على المسافات. رسم سرعة التراجع (من الانزياح نحو الأحمر) مقابل المسافة يعطي H0 محليًا.

2.4 القياسات المحلية

يجد رييس وآخرون (SHoES) عادةً H0 ≈ 73–74 كم/ث/ميغابارسك (مع عدم يقين ~1.0–1.5%). ويجد فريدمان وآخرون (TRGB) قيمًا حوالي 69–71 كم/ث/ميغابارسك، أقل قليلاً من رييس ولكنها 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، تحت نموذج ΛCDM الكوني القياسي، مقاييس الذروة الصوتية ومعلمات أخرى. من خلال ملاءمة طيف طاقة CMB، يتم الحصول على Ωb h² وΩc h² ومعلمات أخرى. وبالدمج مع افتراض الاستواء، ومع بيانات BAO أو غيرها، يتم اشتقاق H0.

3.2 قياس بلانك

تُنتج بيانات بلانك النهائية عادةً H0 = 67.4 ± 0.5 كم/ث/ميغابارسك (اعتمادًا على الافتراضات الدقيقة)، وهو أقل بحوالي 5–6σ من قياس SHoES المحلي. يُعرف هذا الاختلاف بتوتر هابل، ويبلغ دلالته حوالي 5σ، مما يشير إلى أنه من غير المحتمل أن يكون صدفة عشوائية.

3.3 لماذا يهم الاختلاف

إذا كان نموذج ΛCDM القياسي صحيحًا وبيانات بلانك موثوقة منهجيًا، فلا بد أن تحتوي طرق سلم المسافات المحلية على خطأ منهجي 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 قد يغير بعض الأنواع النسبية الإضافية أو الطاقة المظلمة المبكرة القيمة المستنتجة لـ H0.

4. المصادر المحتملة للاختلاف

4.1 أخطاء منهجية في سلم المسافات؟

أحد الشكوك هو أن معايرات السيبيد أو تصوير السوبرنوفا قد تحتوي على أنظمة غير مصححة—مثل تأثيرات المعدن على لمعان السيبيد، 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 H0 مرتفع معتدل، وإن كان أقل قليلاً من السيبيد، لكنه لا يزال أعلى من Planck.

4.2 أنظمة غير معترف بها في CMB أو ΛCDM؟

احتمال آخر هو أن تفسير Planck لـ CMB تحت ΛCDM يغفل عاملًا حاسمًا، مثل:

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

لا يرى Planck علامة قوية على هذه، لكن تظهر تلميحات خفيفة في بعض نماذج التمديد. لم يحل أي منها التوتر بشكل مقنع دون إثارة شذوذات أخرى أو زيادة التعقيد.

4.3 هل هناك ثابتا هابل مختلفان؟

يجادل البعض بأن معدل التوسع عند انزياح أحمر منخفض قد يختلف عن المتوسط العالمي إذا كانت هناك هياكل 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. جهود لحل التوتر

5.1 طرق مستقلة

يختبر الباحثون معايرات محلية بديلة:

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

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

5.2 المزيد من البيانات من DES و DESI و Euclid

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

5.3 جيل جديد من سلم المسافات

تواصل الفرق المحلية تحسين معايرات التوازي عبر بيانات غايا، وتحسين نقاط الصفر لمتغيرات سيبيد، وإعادة فحص المنهجيات في تصوير المستعرات العظمى. إذا استمر التوتر مع تقليل هامش الخطأ، يزداد احتمال وجود فيزياء جديدة تتجاوز ΛCDM. وإذا اختفى، سنؤكد متانة ΛCDM.

6. الآثار على علم الكونيات

6.1 إذا كان بلانك صحيحًا (H منخفض)0)

H منخفض0 ≈ 67 كم/ث/ميغابارسك يتوافق مع ΛCDM القياسي من z = 1100 حتى الآن. إذن طرق السلم المسافي المحلي بها أخطاء منهجية، أو نعيش في منطقة محلية غير عادية. هذا السيناريو يشير إلى عمر الكون ~13.8 مليار سنة. تظل توقعات البنية على نطاق واسع متوافقة مع بيانات تجمع المجرات، BAOs، والعدسات.

6.2 إذا كان السلم المحلي صحيحًا (H مرتفع)0)

إذا كان H0 إذا كان ≈ 73 صحيحًا، فإن ملاءمة ΛCDM القياسية لبيانات بلانك غير مكتملة. قد نحتاج إلى:

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

قد تحل فيزياء جديدة هذا التوتر على حساب نماذج أكثر تعقيدًا، لكن يمكن اختبارها ببيانات أخرى (عدسة CMB، قيود نمو البنية، تخليق العناصر في الانفجار العظيم).

6.3 النظرة المستقبلية

التوتر يدعو إلى فحوصات متينة متبادلة. يمكن لـCMB-S4 أو بيانات القص الكوني المتقدمة التحقق مما إذا كان نمو البنية يتوافق مع توسعات H0 العالية أو المنخفضة. إذا استمر التوتر 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. الخلاصة

قياس ثابت هابل (H0) هو جوهر علم الكونيات، يربط الملاحظات المحلية لـالتوسع بإطار الكون المبكر. الطرق الحالية تعطي نتيجتين مميزتين:

  1. السلم المسافي المحلي (عبر متغيرات سيبيد، TRGB، المستعرات العظمى) عادةً ما يعطي H0 ≈ 73 كم/ث/ميغابارسك.
  2. توافقات ΛCDM المستندة إلى CMB، باستخدام بيانات بلانك، تعطي H0 ≈ 67 كم/ث/ميجا فرسخ.

هذا "توتر هابل"، عند دلالة تقارب 5σ، يشير إما إلى وجود 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 للعدسات، وتذبذبات باريون الصوتية عالية الانزياح الأحمر تختبر كل فرضية. إذا استمر التوتر، فقد يكشف عن حلول غريبة (طاقة مظلمة مبكرة، نيوترينوات إضافية، إلخ). وإذا انخفض، فسوف نؤكد متانة ΛCDM.

أي نتيجة تشكل سردنا الكوني بشكل عميق. يدفع التوتر حملات رصدية جديدة (DESI، Euclid، Roman، 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 والقراءات الإضافية

  1. Riess, A. G., et al. (2016). "تحديد بنسبة 2.4% للقيمة المحلية لثابت هابل." مجلة الفيزياء الفلكية, 826, 56.
  2. تعاون بلانك (2018). "نتائج بلانك 2018. الجزء السادس. المعلمات الكونية." علم الفلك والفيزياء الفلكية, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). "برنامج كارنيجي-شيكاغو لهابل. الجزء الثامن. تحديد مستقل لثابت هابل بناءً على قمة فرع العملاق الأحمر." مجلة الفيزياء الفلكية, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). "التوترات بين الكون المبكر والمتأخر." علم الفلك الطبيعي, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). "دليل صائدي ثابت هابل." فيزياء اليوم, 73, 38.

 

← المقال السابق                    المقال التالي →

 

 

العودة إلى الأعلى

Back to blog