Measuring the Hubble Constant: The Tension

قياس ثابت هابل: التوتر

التباينات في القياسات المحلية مقابل قياسات الكون المبكر تغذي أسئلة كونية جديدة

أهمية H0

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

  1. يحدد عمر الكون عند الاستقراء للخلف 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 التثليث إلى السيبييد 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 خلفية الميكروويف 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/ميغابارسيك) مقابل قياس أقل مستند إلى خلفية الميكروويف الكونية (~67–68 كم/ث/ميغابارسيك). هذا التباين—المسمى "توتر هابل"—يشير إما إلى فيزياء جديدة تتجاوز نموذج ΛCDM القياسي أو إلى مشكلات منهجية غير محلولة في طريقة أو كلتا الطريقتين.

2. سلم المسافات المحلي: نهج خطوة بخطوة

2.1 التثليث والمعايرة

الأساس الصلب لسلم المسافات المحلي هو الاختلاف المظهري (التثليث) للنجوم القريبة نسبيًا (مهمة غايا، اختلاف المظهر لتلسكوب هابل للسيبييد، إلخ). يحدد التثليث المقياس المطلق للشموع القياسية مثل المتغيرات السيبييدية، التي لها علاقة معروفة جيدًا بين الفترة واللمعان.

2.2 السيبييد وTRGB

  • المتغيرات السيبييدية: الدرجة الأساسية لمعايرة علامات أبعد مثل المستعرات العظمى من النوع Ia. قام فريدمان ومادور، ورييس وآخرون (فريق SHoES)، وغيرهم بتحسين معايرات السيبييد 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 للسيبييد.

2.3 المستعرات العظمى من النوع Ia

بمجرد أن تثبت نجوم السيبييد (أو TRGB) في المجرات المضيفة لمعان المستعرات العظمى، يمكن قياس المستعرات العظمى حتى مئات الميغابارسيك. من خلال مقارنة السطوع الظاهري للمستعر الأعظم 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 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 القمم الصوتية ومعلمات أخرى. من خلال ملاءمة طيف طاقة CMB، يتم الحصول على Ωb h²، Ωc h²، ومعلمات أخرى. وبدمج هذه مع فرضية المسطحة، ومع بيانات BAO أو غيرها، يتم اشتقاق 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. يُعرف هذا الاختلاف بتوتر هابل، ويبلغ دلالته حوالي 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 متينة منهجيًا، فلا بد أن تحتوي طرق سلم المسافات المحلية على نظام غير معروف. 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 إضافي نسبي أو طاقة مظلمة مبكرة القيمة المستنتجة لـ H0.

4. مصادر محتملة للاختلاف

4.1 أخطاء منهجية في سلم المسافات؟

هناك شك في أن معايرات السيبييد أو تصوير المستعرات العظمى قد تحتوي على أنظمة غير مصححة — مثل تأثيرات المعدن على لمعان السيبييد، 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 السيبييد، لكنها لا تزال أعلى من بلانك.

4.2 أنظمة غير معروفة في خلفية الميكروويف الكونية أو ΛCDM؟

احتمال آخر هو أن تفسير بلانك لخلفية الميكروويف الكونية ضمن نموذج ΛCDM يغفل عاملًا حاسمًا، مثل:

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

لا يرى بلانك علامات 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 الميجامازر (مثل NGC 4258) كمرساة لمسافات المستعرات العظمى.
  • تأخيرات زمنية 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 التوتر.

5.2 المزيد من البيانات من DES، DESI، Euclid

يمكن لـBAO المقاسة عند انزياحات حمراء مختلفة 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 تطابق مع بلانك عند z العالي، فقد يشير ذلك إلى فيزياء جديدة (مثل الطاقة المظلمة المبكرة). تهدف 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 للسيفيد، وإعادة فحص الأنظمة 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/ميغابارسيك 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 (H0)

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

  • طاقة مظلمة مبكرة إضافية تسرع التوسع مؤقتًا قبل إعادة التركيب، مما يغير زوايا الذروة بحيث ينخفض استنتاج H0 المستند إلى بلانك.
  • درجات حرية نسبية إضافية أو فيزياء النيترينو 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 (عدسات CMB، قيود نمو البنية، تخليق العناصر في الانفجار العظيم).

6.3 النظرة المستقبلية

يدعو التوتر إلى فحوصات متينة متبادلة. بيانات CMB-S4 أو بيانات القص الكوني المتقدمة يمكن أن تتحقق مما إذا كان نمو البنية يتوافق 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) يقع في قلب علم الكون، رابطًا بين الملاحظات المحلية لـالتوسع وإطار الكون المبكر. الطرق الحالية تنتج نتيجتين مميزتين:

  1. سلم المسافات المحلي (عبر سيبيدات، TRGB، SNe) عادةً ما يعطي H0 ≈ 73 كم/ث/ميغابارسك.
  2. توافقات ΛCDM المستندة إلى CMB، باستخدام بيانات بلانك، تعطي H0 ≈ 67 كم/ث/ميغابارسك.

هذا "توتر هابل"، عند دلالة تقارب 5σ، يشير إما إلى وجود منهجيات غير معترف بها في أحد الأساليب أو فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي ΛCDM. 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 انخفض، فسوف نؤكد متانة ΛCDM.

أي من النتيجتين يشكل سردنا الكوني بشكل عميق. هذا التوتر يحفز حملات رصدية جديدة (DESI، يوكليد، رومان، CMB-S4) ونماذج نظرية متقدمة، مما يبرهن على الطبيعة الديناميكية لعلم الكون الحديث—حيث تدفع البيانات الدقيقة والظواهر المستمرة سعينا لتوحيد الكون المبكر والكون الحالي 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.، ورييس، أ. ج. (2019). "التوترات بين الكون المبكر والكون المتأخر." فلك الطبيعة، 3، 891–895.
  5. نوكس، ل.، وميليا، م. (2020). "دليل صائدي ثابت هابل." فيزياء اليوم، 73، 38.

 

← المقال السابق                    المقال التالي →

 

 

العودة إلى الأعلى

Back to blog