دون لينكولن هو عالم بارز في Fermilab في وزارة الطاقة الأمريكية ، أكبر مؤسسة بحثية كبيرة لمصادم الهادرون في البلاد. يكتب أيضًا عن العلوم للجمهور ، بما في ذلك مؤخرًا "مصادم هادرون الكبير: القصة الاستثنائية لبوز هيجز وأشياء أخرى ستفجر عقلك"(مطبعة جامعة جونز هوبكنز ، 2014). يمكنك متابعتهموقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك. ساهم لينكولن في هذا المقال في Live Science'sأصوات الخبراء: Op-Ed & Insights.
لطالما احتفظنا بالسجلات ، تعجبت البشرية في سماء الليل. لقد نظرنا إلى السماء لتحديد إرادة الآلهة والتساؤل عن معنى كل ذلك. مجرد 5000 نجمة يمكننا رؤيتها بالعين المجردة كانوا رفقاء الإنسانية لآلاف السنين.
أظهرت لنا المرافق الفلكية الحديثة أن الكون لا يتكون من آلاف النجوم فقط - بل يتكون من مئات المليارات من النجوم في مجرتنا وحدها ، مع تريليونات من المجرات. علمتنا المراصد عن ولادة وتطور الكون. وفي 3 أغسطس ، أصدرت منشأة جديدة أول إعلان جوهري وأضفت إلى فهمنا للكون. يسمح لنا برؤية ما لا يمكن رؤيته ، وأظهر أن توزيع المادة في الكون اختلف قليلاً عن التوقعات.
مسح الطاقة المظلمة (DES) هو تعاون من حوالي 400 عالم شرعوا في مهمة مدتها خمس سنوات لدراسة المجرات البعيدة للإجابة على أسئلة حول تاريخ الكون. ويستخدم كاميرا الطاقة المظلمة (DEC) المرفقة بمقراب فيكتور إم بلانكو بطول 4 أمتار في مرصد سيرو تولولو الأمريكي في جبال الأنديز الشيلية. تم تجميع DEC في الولايات المتحدة في Fermilab بالقرب من باتافيا ، إلينوي ، وهي كاميرا 570-megapixel قادرة على تصوير المجرات بعيدًا جدًا بحيث يكون ضوءها جزءًا من المليون مثل سطوع النجوم المرئية الخافتة.
الطاقة المظلمة والمادة المظلمة
تبحث شركة DES عن الطاقة المظلمة ، وهي مجال طاقة مقترح في الكون وهو شكل من أشكال الجاذبية البغيضة. بينما تمارس الجاذبية جاذبية لا تقاوم ، تدفع الطاقة المظلمة الكون إلى التوسع بمعدل متزايد باستمرار. لوحظ تأثيره لأول مرة في عام 1998 ، ولا يزال لدينا العديد من الأسئلة حول طبيعته.
ومع ذلك ، من خلال قياس موقع ومسافة 300 مليون مجرة في سماء الليل الجنوبية ، سيكون المسح قادرًا على الإدلاء ببيانات مهمة حول لغز فلكي آخر يسمى المادة المظلمة. يُعتقد أن المادة المظلمة أكثر انتشارًا في الكون بخمس مرات من المادة العادية. ومع ذلك ، فإنه لا يتفاعل مع الضوء أو موجات الراديو أو أي شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية. ولا يبدو أنه يتجمع ليشكل أجسامًا كبيرة مثل الكواكب والنجوم.
لا توجد طريقة لرؤية المادة المظلمة مباشرة (ومن هنا الاسم). ومع ذلك ، يمكن رؤية آثاره بشكل غير مباشر عن طريق تحليل سرعة دوران المجرات. إذا حسبت سرعات الدوران المدعومة بالكتلة المرئية للمجرات ، فستكتشف أنها تدور بسرعة أكبر مما ينبغي. بكل الحقوق ، يجب أن يتمزق هذه المجرات. بعد عقود من البحث ، استنتج الفلكيون أن كل مجرة تحتوي على مادة مظلمة ، مما يولد جاذبية إضافية تجمع المجرات معًا.
المادة المظلمة في الكون
ومع ذلك ، على نطاق أوسع من الكون ، دراسة المجرات الفردية ليست كافية. هناك حاجة إلى نهج آخر. لذلك ، يجب على الفلكيين استخدام تقنية تسمى العدسة التثاقلية.
تنبأ ألبرت أينشتاين بعدسة الجاذبية عام 1916 ، وقد لاحظها السير آرثر إدينجتون لأول مرة في عام 1919. تقول نظرية النسبية العامة لأينشتاين أن الجاذبية التي نعيشها ناجمة بالفعل عن انحناء الزمكان. بما أن الضوء ينتقل في خط مستقيم عبر الفضاء ، إذا كان الزمكان منحنيًا ، فسيبدو للمراقب كما لو كان الضوء يسير في مسار منحني عبر الفضاء.
يمكن تسخير هذه الظاهرة لدراسة كمية المادة المظلمة وتوزيعها في الكون. يمكن للعلماء الذين ينظرون إلى مجرة بعيدة (تسمى مجرة العدسة) ، التي لها مجرة أخرى أبعد من ذلك (خلف المجرة المرصودة) ، رؤية صورة مشوهة للمجرة المرصودة. يرتبط التشويه بكتلة المجرة العدسة. نظرًا لأن كتلة المجرة العدسة هي مزيج من المادة المرئية والمادة المظلمة ، فإن العدسة التثاقلية تسمح للعلماء بمراقبة وجود المادة المظلمة وتوزيعها على مقاييس كبيرة مثل الكون نفسه. تعمل هذه التقنية أيضًا عندما تشوه مجموعة كبيرة من المجرات الأمامية صور مجموعات من المجرات البعيدة ، وهي التقنية المستخدمة في هذا القياس.
متكتل أم لا؟
أصدر تعاون DES مؤخراً تحليلاً باستخدام هذه التقنية بالضبط. نظر الفريق إلى عينة مكونة من 26 مليون مجرة على مسافة أربعة مسافات مختلفة من الأرض. كانت المجرات القريبة أقرب إلى المجرات البعيدة. باستخدام هذه التقنية والنظر بعناية في تشويه صور جميع المجرات ، تمكنوا من رسم توزيع المواد الخفية غير المرئية وكيف انتقلت وتكتلت على مدى 7 مليارات سنة الماضية ، أو نصف عمر كون.
كما هو متوقع ، وجدوا أن المادة المظلمة للكون كانت "متكتلة". ومع ذلك ، كانت هناك مفاجأة - فقد كانت أقل تجعدًا مما توقعته القياسات السابقة.
يأتي أحد هذه القياسات المتناقضة من إشارة الراديو المتبقية من وقت مبكر بعد الانفجار الكبير ، تسمى الخلفية الكونية الميكروية (CMB). يحتوي CMB داخله على توزيع الطاقة في الكون عندما كان عمره 380،000 سنة. في عام 1998 ، أعلن تعاون الخلفية الكونية (COBE) أن CMB لم يكن متجانسًا تمامًا ، بل كان به بقع ساخنة وباردة اختلفت عن الزي الموحد بمقدار جزء واحد في 100،000. وأكد مسبار Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP) والأقمار الصناعية Planck وصقل قياسات COBE.
على مدى 7 مليارات سنة بين وقت انبعاث الإشعاع CMB والفترة الزمنية التي درسها DES ، فإن تلك المناطق الأكثر حرارة في الكون بذرت تشكيل بنية الكون. أدى توزيع الطاقة غير المنتظم الذي تم التقاطه في الإشعاع CMB ، مقترنًا بقوة تضخيم الجاذبية ، إلى جعل بعض البقع في الكون أكثر كثافة وأخرى أقل كثافة. والنتيجة هي الكون الذي نراه حولنا.
يتنبأ CMB بتوزيع المادة المظلمة لسبب بسيط: يعتمد توزيع المادة في كوننا في الوقت الحاضر على توزيعها في الماضي. بعد كل شيء ، إذا كان هناك كتلة من المادة في الماضي ، فإن هذه المادة ستجذب المادة المجاورة وستنمو الكتلة. وبالمثل ، إذا أردنا أن نتوقع في المستقبل البعيد ، فإن توزيع المادة اليوم سيؤثر على الغد للسبب نفسه.
لذا ، استخدم العلماء قياسات CMB في 380،000 سنة بعد الانفجار الكبير لحساب ما يجب أن يبدو عليه الكون بعد 7 مليارات سنة. عندما قارنوا التنبؤات بالقياسات من DES ، وجدوا أن قياسات DES كانت أقل تكتلًا من تلك التوقعات.
صورة غير مكتملة
غير أن صفقة كبيرة؟ يمكن. إن عدم اليقين ، أو الخطأ ، في القياسين كبير بما يكفي بحيث يعني أنهم لا يختلفون بطريقة ذات دلالة إحصائية. ما يعنيه ذلك ببساطة هو أنه لا يمكن لأحد أن يتأكد من أن القياسين يختلفان حقًا. يمكن أن تنشأ الاختلافات عن طريق الصدفة من التقلبات الإحصائية في البيانات أو الآثار الآلية الصغيرة التي لم تؤخذ في الاعتبار.
حتى مؤلفو الدراسة يقترحون توخي الحذر هنا. لم يتم حتى الآن مراجعة قياسات DES. تم تقديم الأوراق للنشر وتم عرض النتائج في المؤتمرات ، ولكن النتائج الثابتة يجب أن تنتظر حتى تأتي تقارير الحكم.
إذن ما هو المستقبل؟ لدى DES مهمة مدتها خمس سنوات ، تم تسجيل أربع سنوات من البيانات فيها. تستخدم النتيجة المعلنة مؤخرًا قيمة العام الأول فقط من البيانات. لا تزال البيانات الأحدث قيد التحليل. علاوة على ذلك ، ستغطي مجموعة البيانات الكاملة 5000 درجة مربعة من السماء ، في حين أن النتيجة الأخيرة لا تغطي سوى 1500 درجة مربعة وأقرانها نصف الوقت فقط. وبالتالي ، من الواضح أن القصة ليست كاملة. لن يُتوقع تحليل مجموعة البيانات الكاملة حتى عام 2020 ربما.
ومع ذلك ، فإن البيانات المأخوذة اليوم قد تعني بالفعل وجود توتر محتمل في فهمنا لتطور الكون. وحتى إذا اختفى هذا التوتر مع تحليل المزيد من البيانات ، فإن تعاون DES مستمر في إجراء قياسات أخرى. تذكر أن الأحرف "DE" في الاسم تعني الطاقة المظلمة. ستتمكن هذه المجموعة في النهاية من إخبارنا بشيء عن سلوك الطاقة المظلمة في الماضي وما يمكن أن نتوقع رؤيته في المستقبل. هذا القياس الأخير هو مجرد البداية لما يتوقع أن يكون وقتًا رائعًا من الناحية العلمية.
تم نشر هذه النسخة من المقال في الأصل على Live Science.
