تسارع توسع الكون

وفقًا لنظرية التضخم الكوني ، شهد الكون في مراحله المبكرة فترة توسع سريع للغاية، شبه أُسّي. ورغم أن النطاق الزمني لهذه الفترة كان أقصر بكثير من النطاق الزمني للتوسع الحالي، إلا أنها كانت فترة توسع متسارع تحمل بعض أوجه الشبه مع الحقبة الحالية.

تعريف "التوسع المتسارع" هو أن المشتقة الثانية لعامل المقياس الكوني،${\displaystyle {\ddot {a}}}$، وهو موجب، وهو ما يعادل معامل التباطؤ ،${\displaystyle q}$، لكونها سالبة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن هذا لا يعني أن معامل هابل يتزايد مع مرور الوقت. بما أن معامل هابل يُعرَّف على النحو التالي:${\displaystyle H(t)\equiv {\dot {a}}(t)/a(t)}$وبناءً على التعريفات، فإن مشتقة معامل هابل تُعطى بالصيغة التالية: $${\displaystyle {\frac {dH}{dt}}=-H^{2}(1+q)}$$ لذا فإن قيمة معامل هابل تتناقص مع مرور الوقت إلا إذا${\displaystyle q<-1}$. تفضل الملاحظات${\displaystyle q\approx -0.55}$وهذا يعني أن${\displaystyle {\ddot {a}}}$إيجابي لكن${\displaystyle dH/dt}$وهي سالبة. وهذا يعني أساسًا أن سرعة التراجع الكوني لأي مجرة ​​معينة تتزايد مع مرور الوقت، لكن نسبة سرعتها إلى المسافة لا تزال تتناقص؛ وبالتالي فإن المجرات المختلفة التي تتوسع عبر كرة ذات نصف قطر ثابت تعبر الكرة بشكل أبطأ في الأوقات اللاحقة.

يتضح مما سبق أن حالة "انعدام التسارع/التباطؤ" تتوافق مع${\displaystyle a(t)}$هي دالة خطية لـ${\displaystyle t}$،${\displaystyle q=0}$،${\displaystyle {\dot {a}}=const}$، و${\displaystyle H(t)=1/t}$.

في عام ١٩٩٨، ظهر أول دليل على التسارع من خلال رصد المستعرات العظمى من النوع Ia ، وهي نجوم قزمة بيضاء تنفجر بعد تجاوزها حد استقرارها . ولأن كتلها متقاربة، يمكن توحيد لمعانها الذاتي . يُستخدم التصوير المتكرر لمناطق مختارة من السماء لاكتشاف المستعرات العظمى، ثم تُحدد عمليات الرصد اللاحقة ذروة سطوعها، والتي تُحوّل إلى كمية تُعرف بمسافة اللمعان (انظر مقاييس المسافة في علم الكونيات لمزيد من التفاصيل). ^{[ ١٣ ]} ويمكن استخدام الخطوط الطيفية لطفرها لتحديد انزياحها نحو الأحمر .

بالنسبة للمستعرات العظمى عند انزياح أحمر أقل من 0.1 تقريبًا، أو زمن انتقال الضوء أقل من 10% من عمر الكون، ينتج عن ذلك علاقة خطية تقريبًا بين المسافة والانزياح الأحمر وفقًا لقانون هابل . عند مسافات أكبر، ونظرًا لتغير معدل تمدد الكون بمرور الزمن، تنحرف العلاقة بين المسافة والانزياح الأحمر عن الخطية، ويعتمد هذا الانحراف على كيفية تغير معدل التمدد بمرور الزمن. يتطلب الحساب الكامل تكاملًا حاسوبيًا لمعادلة فريدمان، ولكن يمكن تقديم اشتقاق بسيط كما يلي: يعطي الانزياح الأحمر z مباشرةً عامل المقياس الكوني عند لحظة انفجار المستعر الأعظم.

$${\displaystyle a(t)={\frac {1}{1+z}}}$$

لذا ، فإن انفجار مستعر أعظم ذي انزياح أحمر مقاس z = 0.5 يعني أن حجم الكون كان 1/1 + 0.5 = 2/3 من حجمه الحالي عند انفجار المستعر الأعظم . في حالة التوسع المتسارع ،  ${\displaystyle {\ddot {a}}}$موجب؛ لذلك،${\displaystyle {\dot {a}}}$كان أصغر في الماضي مما هو عليه اليوم. وبالتالي، استغرق الكون المتسارع وقتًا أطول للتوسع من ثلثي حجمه الحالي إلى ضعف حجمه الحالي، مقارنةً بالكون غير المتسارع ذي التسارع الثابت.${\displaystyle {\dot {a}}}$ونفس قيمة ثابت هابل الحالية. ينتج عن ذلك زمن انتقال أطول للضوء، ومسافة أكبر، ومستعرات عظمى أضعف، وهو ما يتوافق مع الملاحظات الفعلية. وجد آدم ريس وآخرون أن "مسافات المستعرات العظمى من النوع Ia ذات الانزياح الأحمر العالي كانت، في المتوسط، أبعد بنسبة 10% إلى 15% مما هو متوقع في كون ذي كثافة كتلة منخفضة Ω _M = 0.2 بدون ثابت كوني". ^{[ 14 ]} هذا يعني أن المسافات المقاسة عند الانزياح الأحمر العالي كانت كبيرة جدًا، مقارنةً بالمسافات القريبة، بالنسبة لكون يتباطأ. ^{[ 15 ]}

شكك العديد من الباحثين في الرأي السائد بشأن التسارع أو افتراض " المبدأ الكوني " (بأن الكون متجانس ومتناحٍ). ^{[ 16 ]} على سبيل المثال، حللت ورقة بحثية نُشرت عام 2019 فهرس تحليل منحنى الضوء المشترك للمستعرات العظمى من النوع Ia، والذي يحتوي على عشرة أضعاف عدد المستعرات العظمى المستخدمة في تحليلات عام 1998، وخلصت إلى وجود أدلة ضئيلة على "القطب الأحادي"، أي على التسارع المتناحي في جميع الاتجاهات ^{[ 17 ] [ 18 ]} .

في بدايات الكون، قبل حدوث إعادة التركيب والانفصال ، كانت الفوتونات والمادة موجودة في بلازما بدائية . كانت نقاط الكثافة العالية في بلازما الفوتونات والباريونات تتقلص بفعل الجاذبية حتى يصبح الضغط كبيرًا جدًا فتتمدد مجددًا. ^{[ 12 ]} أدى هذا التقلص والتمدد إلى اهتزازات في البلازما تُشبه الموجات الصوتية . ولأن المادة المظلمة تتفاعل جاذبيًا فقط ، فقد بقيت في مركز الموجة الصوتية، وهو أصل الكثافة الزائدة الأصلية. عندما حدث الانفصال، بعد حوالي 380,000 عام من الانفجار العظيم، ^{[ 19 ]} انفصلت الفوتونات عن المادة وتمكنت من التدفق بحرية عبر الكون، مُكوّنةً إشعاع الخلفية الكونية الميكروي كما نعرفه. وقد خلّف هذا أغلفة من المادة الباريونية على نصف قطر ثابت من مناطق الكثافة الزائدة للمادة المظلمة، وهي مسافة تُعرف بأفق الصوت. ومع مرور الوقت وتوسع الكون، بدأت المجرات تتشكل عند هذه التباينات في كثافة المادة. لذلك من خلال النظر إلى المسافات التي تميل المجرات ذات الانزياحات الحمراء المختلفة إلى التجمع عندها، فمن الممكن تحديد مسافة قطر زاوي قياسية واستخدامها للمقارنة مع المسافات المتوقعة من النماذج الكونية المختلفة.

تم رصد ذروات في دالة الارتباط (احتمالية وجود مجرتين على مسافة معينة) عند 100 h ⁻¹ Mpc ، ^{[ 11 ]} (حيث h هو ثابت هابل عديم الأبعاد )، مما يشير إلى أن هذا هو حجم أفق الصوت اليوم، وبمقارنة هذا مع أفق الصوت وقت الانفصال (باستخدام إشعاع الخلفية الكونية الميكروي)، يمكننا تأكيد التوسع المتسارع للكون. ^{[ 20 ]}

يوفر قياس دوال الكتلة لتجمعات المجرات ، التي تصف كثافة عدد التجمعات فوق كتلة عتبة معينة، دليلاً على وجود الطاقة المظلمة . ^{[ 21 ]} وبمقارنة دوال الكتلة هذه عند الانزياحات الحمراء العالية والمنخفضة بتلك المتوقعة من نماذج كونية مختلفة، يتم الحصول على قيم لـ w و Ω _m تؤكد انخفاض كثافة المادة ووجود كمية غير صفرية من الطاقة المظلمة. ^{[ 15 ]}

بالنظر إلى نموذج كوني ذي قيم معينة لمعاملات الكثافة الكونية، فمن الممكن دمج معادلات فريدمان واستنتاج عمر الكون.

$${\displaystyle t_{0}=\int _{0}^{1}{\frac {da}{\dot {a}}}}$$

بمقارنة ذلك بالقيم المقاسة الفعلية للمعلمات الكونية، يمكننا تأكيد صحة نموذج يتسارع الآن، وكان توسعه أبطأ في الماضي. ^{[ 15 ]}

لم تؤكد الاكتشافات الحديثة للموجات الثقالية عبر مرصدي ليغو وفيرغو ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} تنبؤات أينشتاين فحسب، بل فتحت أيضًا نافذة جديدة على الكون. يمكن لهذه الموجات الثقالية أن تعمل كمؤشرات قياسية لقياس معدل تمدد الكون. وقد قاس أبوت وآخرون (2017) قيمة ثابت هابل بحوالي 70 كيلومترًا في الثانية لكل ميغابارسيك. ^{[ 22 ]} تعتمد سعة الإجهاد 'h' على كتل الأجسام المسببة للموجات، والمسافات من نقطة الرصد، وترددات رصد الموجات الثقالية. وتعتمد مقاييس المسافة المرتبطة بها على المعايير الكونية، مثل ثابت هابل للأجسام القريبة ^{[ 22 ]} ، وستعتمد على معايير كونية أخرى، مثل كثافة الطاقة المظلمة، وكثافة المادة، وما إلى ذلك، للمصادر البعيدة. ^{[ 25 ] [ 24 ]}

أهم خاصية للطاقة المظلمة هي أنها تمتلك ضغطًا سلبيًا (فعلًا تنافريًا) يتم توزيعه بشكل متجانس نسبيًا في الفضاء.

$${\displaystyle P=wc^{2}\rho }$$ حيث c هي سرعة الضوء و ρ هي كثافة الطاقة. تشير نظريات مختلفة للطاقة المظلمة إلى قيم مختلفة لـ w، حيث w < − 1 / 3 للتسارع الكوني ( وهذا يؤدي إلى قيمة موجبة لـ ä في معادلة التسارع أعلاه).

أبسط تفسير للطاقة المظلمة هو أنها ثابت كوني أو طاقة فراغ ؛ في هذه الحالة w = −1 . وهذا يقود إلى نموذج لامدا-سي دي إم ، المعروف عمومًا بالنموذج القياسي لعلم الكونيات منذ عام 2003 وحتى الآن، نظرًا لكونه أبسط نموذج يتوافق بشكل جيد مع مجموعة متنوعة من الملاحظات الحديثة. وقد وجد ريس وزملاؤه أن نتائجهم من ملاحظات المستعرات العظمى تدعم النماذج المتوسعة ذات الثابت الكوني الموجب ( _Ωλ > 0 ) والتوسع المتسارع ( _q0 < 0 ). ^{[ 14 ]}

تُتيح هذه الملاحظات إمكانية وجود نموذج كوني يتضمن مكونًا للطاقة المظلمة بمعادلة حالة w < −1 . ستصبح كثافة هذه الطاقة الوهمية لانهائية في زمن محدود، مما يُسبب تنافرًا جاذبيًا هائلًا لدرجة أن الكون سيفقد كل بنيته وينتهي بتمزق عظيم . [ ^{26 ] على} سبيل المثال، بالنسبة لـ w = −3/2 و H₀ = 70 كم/ث ^/ ميجابارسيك ^، _فإن الزمن المتبقي قبل أن ينتهي الكون بهذا التمزق العظيم هو 22 ^مليار سنة. ^{[ 27} ]   

توجد العديد من التفسيرات البديلة لتسارع الكون. من الأمثلة على ذلك الجوهر ، وهو شكل مقترح من الطاقة المظلمة بمعادلة حالة غير ثابتة، حيث تتناقص كثافته مع مرور الوقت. لا تفترض نظرية الكتلة السالبة أن كثافة كتلة الكون موجبة (كما هو الحال في رصد المستعرات العظمى)، بل تفترض وجود ثابت كوني سالب. كما يشير مبدأ أوكام إلى أن هذه هي "الفرضية الأكثر اقتصادًا". ^{[ 28 ] [ 29 ]} يُعدّ المائع المظلم تفسيرًا بديلًا للتوسع المتسارع، إذ يحاول توحيد المادة المظلمة والطاقة المظلمة في إطار واحد. ^{[ 30 ]} في المقابل، يرى بعض الباحثين أن التوسع المتسارع للكون قد يعود إلى تفاعل جاذبي تنافري للمادة المضادة ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} أو إلى انحراف قوانين الجاذبية عن النسبية العامة، مثل الجاذبية الكتلية ، ما يعني أن الجرافيتونات نفسها لها كتلة. ^{[ 34 ]} أدى قياس سرعة الجاذبية باستخدام حدث الموجات الثقالية GW170817 إلى استبعاد العديد من نظريات الجاذبية المعدلة كتفسيرات بديلة للطاقة المظلمة. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} اقترح عالم الكونيات سيكسي راسانين نموذجًا آخر، وهو فرضية رد الفعل العكسي، ^{[ 38 ] [ 39 ] حيث ينص على أن معدل التوسع غير متجانس، لكن الأرض تقع في منطقة يكون فيها التوسع أسرع من معدل التوسع في} الخلفية الكونية. تتسبب عدم التجانسات في الكون المبكر في تكوين جدران وفقاعات، حيث يحتوي باطن الفقاعة على كمية أقل من المادة مقارنةً بالمتوسط. ووفقًا للنسبية العامة، يكون الفضاء أقل انحناءً من الجدران، وبالتالي يبدو أن له حجمًا أكبر ومعدل توسع أعلى. في المناطق الأكثر كثافة، يتباطأ التوسع بفعل قوة جاذبية أعلى. لذا، يبدو الانهيار الداخلي للمناطق الأكثر كثافة مماثلاً لتوسع متسارع للفقاعات، مما يدفعنا إلى استنتاج أن الكون يشهد توسعًا متسارعًا. ^{[ 41 ]} وتكمن الميزة في أن هذا النموذج لا يتطلب أي فيزياء جديدة مثل الطاقة المظلمة. لا يعتبر راسانين هذا النموذج مرجحًا، ولكنه يبقى احتمالًا قائمًا دون أي دحض. ويتطلب هذا النموذج تقلبات كبيرة في الكثافة (20%) لكي ينجح. ^{[ 40]]}

تُعرّف نظرية الموجات الصدمية الكونية ، التي اقترحها جويل سمولر وبليك تمبل عام 2003، الانفجار العظيم بأنه انفجار داخل ثقب أسود، مُنتجًا حجمًا متوسعًا من الفضاء والمادة يشمل الكون المرئي. ^{[ 42 ]} وتقترح نظرية أخرى ذات صلة، وضعها سمولر وتمبل وفوجلر، أن هذه الموجة الصدمية ربما تكون قد أدت إلى انخفاض كثافة الجزء الذي نعيش فيه من الكون مقارنةً بالأجزاء المحيطة به، مما تسبب في التوسع المتسارع الذي يُعزى عادةً إلى الطاقة المظلمة. ^{[ 43 ] [ 44 ]} كما يقترحون إمكانية اختبار هذه النظرية: إذ يُفترض أن يُعطي كونٌ يحتوي على طاقة مظلمة قيمةً للتصحيح التكعيبي للانزياح الأحمر مقابل اللمعان C = −0.180 عند a = a، بينما في حالة نموذج سمولر وتمبل وفوجلر البديل، يجب أن تكون قيمة C موجبة وليست سالبة. ويقدمون حسابًا أكثر دقة لنموذج الموجات الصدمية البديل الخاص بهم على النحو التالي: التصحيح التكعيبي للانزياح الأحمر مقابل اللمعان عند a = a هو C = 0.359. ^{[ 44 ]}

على الرغم من أن علم الكونيات القائم على الموجات الصدمية يُنتج كونًا "يبدو مطابقًا تقريبًا لما بعد الانفجار العظيم"، ^{[ 45 ]} فإن علماء الكونيات يرون أنه بحاجة إلى مزيد من التطوير قبل اعتباره نموذجًا أكثر فائدة من نظرية الانفجار العظيم (أو النموذج القياسي) في تفسير الكون. وعلى وجه الخصوص، ولا سيما بالنسبة للبديل المقترح للطاقة المظلمة، فإنه يحتاج إلى تفسير عملية التخليق النووي للانفجار العظيم، والتفاصيل الكمية لتباينات إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، وغابة ليمان-ألفا، ومسح المجرات. ^{[ 43 ]}

ثمة احتمال أخير يتمثل في أن الطاقة المظلمة مجرد وهم ناتج عن تحيز في القياسات. فعلى سبيل المثال، إذا كنا موجودين في منطقة من الفضاء أقل كثافة من المتوسط، فقد يُساء فهم معدل التوسع الكوني المرصود على أنه تغير في الزمن، أو تسارع. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} ويستخدم نهج آخر امتدادًا كونيًا لمبدأ التكافؤ لإظهار كيف قد يبدو الفضاء وكأنه يتوسع بسرعة أكبر في الفراغات المحيطة بمجموعتنا المجرية المحلية. ورغم ضعف هذه التأثيرات، إلا أن تراكمها على مدى مليارات السنين قد يجعلها ذات أهمية، مما يخلق وهم التسارع الكوني، ويجعلنا نبدو كما لو أننا نعيش في فقاعة هابل . ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]} وهناك احتمالات أخرى، منها أن التوسع المتسارع للكون هو وهم ناتج عن حركتنا النسبية بالنسبة لبقية الكون، ^{[ 53 ] [ 54 ]} أو أن حجم عينة المستعرات العظمى المستخدمة لم يكن كافيًا. ^{[ 55 ] [ 56 ]}