في واحدة من أبرز القضايا المثيرة للجدل في علم الكونيات، تشير دراسة جديدة أجراها فريق من الفيزيائيين وعلماء الفلك في جامعة "كانتربري" بنيوزيلندا إلى أن "الطاقة المظلمة"، التي يُعتقد أنها تُمثّل السبب الرئيسي وراء تسارع توسُّع الكون، قد لا تكون موجودة فعلياً.

ولأكثر من 100 عام، اعتمد العلماء على فرضية أن الكون يتمدد بشكل متساوٍ في جميع الاتجاهات. ومع ذلك، عندما أظهرت الملاحظات أن هذا التمدد يتسارع، تم اقتراح مفهوم "الطاقة المظلمة" كحل لتفسير هذا التسارع، على الرغم من أن هذا المفهوم ظل غامضاً ومثيراً للجدل منذ البداية.

وفي الدراسة الجديدة، تمكَّن الفريق البحثي من اكتشاف أن تمدد الكون قد لا يكون منتظماً كما افترض العلماء سابقاً. وبدلاً من ذلك، يبدو أن التوسع أكثر "تكتلاً"، حيث يمكن أن تتأثر المناطق المختلفة من الكون بطرق غير متجانسة.

تشير هذه النتائج إلى أن الطاقة المظلمة -التي تُعتبر حجر الزاوية في النموذج القياسي الحالي للكون- قد تكون مجرد افتراض غير دقيق.

وبدلاً من ذلك، قد تكون الاختلافات في تمدد الكون ناتجة عن التأثيرات المحلية الناتجة عن توزيع المادة، مثل التجمعات المجرية الضخمة والفراغات الكونية.

ما هو النموذج القياسي للكون؟

يدمج الإطار النظري الأكثر قبولاً لتفسير نشأة الكون وتطوره هذا النموذج بين نظرية الانفجار العظيم والنسبية العامة، مع إضافة مكونات جديدة ومهمة مثل الطاقة المظلمة والمادة المظلمة، التي تُفسّر الظواهر الكونية التي لا يمكن تفسيرها بالمادة والطاقة التقليديتين فقط.

بحسب هذا النموذج، بدأ الكون بانفجار عظيم قبل نحو 13.8 مليار سنة، ومنذ ذلك الحين يتمدد مع مرور الزمن. وخلال هذه الفترة، لعبت المادة المظلمة دوراً رئيسياً في تكوين المجرات والتجمعات المجرية عبر تأثيرها الجاذبي، على الرغم من أنها لا تُصدر أي إشعاع يمكن رصده.

وتشير التقديرات إلى أن المادة المظلمة تشكل نحو 27% من مكونات الكون.

أما الطاقة المظلمة، التي تُمثّل نحو 68% من الكون، فهي تُفسر التسارع الملحوظ في تمدده، وهو ما تم اكتشافه من خلال ملاحظات المستعرات العظمى البعيدة. ومع ذلك، تبقى طبيعة هذه الطاقة غامضة، ما يجعلها واحدة من أكبر الألغاز في الفيزياء الحديثة.

والطاقة المظلمة هي نوع من الطاقة المجهولة التي يعتقد العلماء أنها تشكل نحو 68% من إجمالي كتلة وطاقة الكون، يُعتقد أنها مسؤولة عن تسريع توسع الكون، وهو ما يُفسر من خلال ملاحظات مدهشة تشير إلى أن المجرات البعيدة تبتعد عن بعضها البعض بشكل أسرع مما كان يُتوقع بناء على الجاذبية التقليدية.

ولا تتفاعل الطاقة المظلمة مع الضوء أو المادة بشكل مباشر، لذلك فهي غير مرئية ولا يمكن رصدها باستخدام الأجهزة الحالية.

ورغم أن العلماء لم يتوصلوا إلى فهم كامل لطبيعتها، إلا أن تأثيرها الواضح على التوسع الكوني دفعهم إلى إدراجها في النماذج الكونية الحديثة كعامل أساسي يساهم في تسارع الكون.

ويُمثّل هذا النموذج نجاحاً كبيراً في علم الكونيات، حيث يتوافق بشكل كبير مع الملاحظات الرصدية مثل الخلفية الكونية الميكروية وتوزيع المجرات.

ويفسر النموذج كيف أدت التقلبات الصغيرة في الكثافة بعد الانفجار العظيم إلى تكوين الهياكل الكونية الكبرى التي نراها اليوم، مثل المجرات والعناقيد المجرية.

ورغم ذلك، يواجه النموذج القياسي تحديات كبيرة، ومن أبرزها، عدم معرفة الطبيعة الدقيقة لكل من الطاقة والمادة المظلمتين.

وعلى الرغم من الجهود الكبيرة، لم يتمكن العلماء حتى الآن من رصد أي من هذه المكونات بشكل مباشر. وتظهر بعض التناقضات بين توقعات النموذج والملاحظات على المقاييس الصغيرة، مثل توزيع المادة داخل المجرات.

كما تشير دراسات حديثة إلى أن تمدد الكون قد لا يكون متجانساً تماماً، مما قد يتطلب إعادة النظر في بعض افتراضات النموذج.

نظريات أخرى

ورغم أن النموذج القياسي للكون هو الأكثر قبولاً حالياً بين العلماء، إلا أن هناك مجموعة أخرى من النظريات التي قد تُفسر نشأة الكون.

في أربعينيات القرن الماضي، اقترح بعض العلماء نظرية "الحالة المستقرة" كبديل لنظرية الانفجار العظيم. ووفقاً لهذه النظرية، لا يوجد بداية أو نهاية للكون، فهو في حالة تمدد مستمرة، حيث تُخلق المادة الجديدة بشكل مستمر لتعويض تمدده.

لكن، ورغم أن النظرية كانت شائعة لفترة، إلا أنها فقدت مصداقيتها بعد اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية الميكروية وهو دليل قوي على أن الكون كان في حالة ساخنة وكثيفة في الماضي، كما تنبأت نظرية الانفجار العظيم.

وتفترض نظرية الحالة المستقرة أن الكون لم يكن له بداية أو نهاية، وأنه في حالة تمدد مستمر، حيث تُخلق المادة الجديدة لتعويض تمدده، وبناء على هذه الفرضية، لا تتوقع النظرية وجود أي إشعاع خلفية كوني يُمثّل بقايا حرارية لحدث كبير مثل الانفجار العظيم.

وإشعاع الخلفية الكونية، وهو إشعاع حراري متبقّي من المراحل الأولى لنشأة الكون بعد الانفجار العظيم، عندما كان الكون صغيراً جداً وحاراً وكثيفاً.

ونشأ هذا الإشعاع عندما انخفضت درجة حرارة الكون بعد نحو 380 ألف سنة من الانفجار العظيم، ما سمح للإلكترونات والبروتونات بالاتحاد لتشكيل الذرات، وبالتالي أصبح الضوء قادراً على التحرك بحريّة عبر الفضاء، كما يتميز هذا الإشعاع بدرجة حرارة منخفضة للغاية.

وفي عام 1965، اكتشف الفيزيائيان "آرنو بينزياس" و"روبرت ويلسون" إشعاعاً كونياً متجانساً في جميع الاتجاهات، بدرجة حرارة تبلغ نحو 2.7 كلفن (-270.45 درجة مئوية). واتفق هذا الإشعاع بشكل كبير مع التنبؤات النظرية لنموذج الانفجار العظيم.

وتطرح نظرية أخرى تُعرف باسم "نظرية الأكوان المتعددة" فكرة أن الكون الذي نعيش فيه ليس الوحيد، بل هو جزء من مجموعة ضخمة أو لا نهائية من الأكوان الأخرى التي قد تكون مختلفة تماماً عنه، سواء في خصائصها أو قوانينها الفيزيائية.

وجاءت هذه النظرية من محاولات لفهم نشأة الكون وطبيعة وجوده، حيث تشير إلى إمكانية وجود أكوان موازية يمكن أن تحتوي على أشكال حياة مختلفة أو حتى أكواناً بلا حياة إطلاقاً.

وتقول هذه النظرية إن بعض هذه الأكوان قد تكون مشابهة لكوننا، ولكن مع اختلافات طفيفة في الأحداث التي جرت فيها، أو قد تكون مختلفة كلياً حيث تسود فيها قوانين فيزيائية غير مألوفة بالنسبة لنا.

وتُعتبر هذه النظرية امتداداً لتفسيرات رياضية مبنية على نماذج علمية مثل "نظرية التضخم الكوني" التي تفترض أن الكون شهد توسعاً هائلاً بعد نشأته مباشرة.

ورغم الجاذبية الفكرية لهذه النظرية وأثرها العميق على تصوراتنا عن الواقع، إلا أن التحدي الأكبر أمامها هو عدم وجود طريقة عملية أو تجريبية حتى الآن لإثبات وجود هذه الأكوان أو دراستها، مما يجعلها أقرب إلى التأمل الفلسفي والعلمي الذي يعتمد على الحسابات النظرية أكثر من الملاحظات المباشرة.

كون متذبذب أم أوتار كونية

أما "نظرية الكون المتذبذب"، وهي إحدى النظريات التي تحاول تفسير نشأة الكون، فتقدم تصوراً فريداً عن طبيعة الكون، حيث تفترض أنه يمر بدورات متعاقبة من الانفجار الكبير والانكماش العظيم، بدلاً من أن يكون له بداية واحدة أو نهاية محددة.

ووفقاً لهذه النظرية، يبدأ الكون بانفجار كبير يسبب التمدد السريع، تتشكل خلاله النجوم والمجرات، ومع مرور الوقت، تبدأ قوى الجاذبية في التغلب على قوة التمدد، ما يؤدي إلى انكماش الكون تدريجياً حتى يصل إلى نقطة كثافة هائلة تُعرف بـ"الانكماش العظيم"، وعند هذه النقطة، يتكرر الانفجار الكبير مرة أخرى ليعيد خلق الكون في دورة جديدة.

ويُعتقد أن هذه العملية قد تكون لا نهائية، بحيث أن الكون لم يكن له بداية مطلقة ولن يكون له نهاية، وتستند هذه النظرية إلى مفاهيم رياضية وفيزيائية ترتبط بالجاذبية الكمومية والطبيعة الديناميكية للطاقة والمادة، وقد طُرحت لمحاولة حل بعض الأسئلة الكبرى التي يطرحها نموذج الانفجار العظيم، مثل ما حدث قبل الانفجار الكبير أو لماذا يبدو الكون متجانساً.

ومع ذلك، تواجه هذه النظرية تحديات عديدة، أبرزها افتقارها للأدلة الرصدية المباشرة وصعوبة اختبارها تجريبياً، لكنها تبقى فكرة مثيرة تعيد صياغة تصوراتنا عن الزمن والوجود بشكل عميق.

وتأتي نظرية الكون البلازمي لتركز على دور البلازما في الكون المبكر.

والبلازما حالة من المادة تتكون من جسيمات مشحونة مثل الإلكترونات والأيونات، وتعتبر أكثر حالات المادة شيوعاً في الكون، خاصة في النجوم والفضاء بين النجمي.

ووفقاً لهذه النظرية، يعتقد العلماء أن الكون في مراحله الأولى كان مكوناً من بلازما كثيفة جداً، حيث كانت الحرارة شديدة لدرجة أن الإلكترونات كانت منفصلة عن الذرات، ما جعل الكون غير شفاف للضوء.

وفي تلك المرحلة، كانت البلازما هي المكون الرئيسي في جميع أنحاء الكون، ما جعلها مسؤولة عن العديد من الظواهر الكونية، مثل إشعاع الخلفية الكونية الميكروية. وتؤكد نظرية الكون البلازمي أن التفاعلات بين البلازما والمجالات المغناطيسية والكهربائية كانت حاسمة في تشكيل الهيكل الكوني الحالي، بما في ذلك المجرات والنجوم.

وعلى الرغم من أن هذه النظرية لم تحظ بقبول واسع مثل نظرية الانفجار العظيم، فإنها تقدم رؤية بديلة تشير إلى أن القوى الكهربائية والمغناطيسية قد لعبت دوراً كبيراً في تنظيم الكون المبكر، وقد تساهم في تفسير بعض الظواهر الكونية التي يصعب تفسيرها بالنظريات التقليدية.

فيما تهدف نظرية الأوتار الكونية والتي تهدف إلى توحيد جميع القوى الأساسية في الكون "الجاذبية، والكهرومغناطيسية، والقوة النووية القوية والضعيفة" في إطار واحد.

وتفترض هذه النظرية أن الجسيمات الأولية التي تشكل الكون ليست نقاطاً مادية كما نعتقد تقليدياً، بل هي أوتار صغيرة مهتزة. وتختلف هذه الأوتار في تردداتها وأطوالها، ما يؤدي إلى تكوين جسيمات مختلفة.

وقد تبدو هذه الأوتار غريبة ومعقدة، لكنها تهدف إلى شرح طبيعة الكون على أصغر المستويات، وفتح أبواب لفهم الظواهر التي لا يمكن تفسيرها عبر النماذج التقليدية.

وقد تكون نظرية الأوتار الكونية الإجابة عن كيفية دمج الجاذبية مع ميكانيكا الكم، ما يجعلها إحدى أكبر المحاولات في الفيزياء الحديثة لتفسير الكون، رغم أنها لا تزال بحاجة إلى الكثير من البحث والتحقيق العلمي لإثبات صحتها.

نظرية مقبولة..ولكن!

رغم وجود كل تلك النظريات، إلا أن نظرية "الانفجار العظيم" تحظى بالقبول الواسع؛ كونها قادرة على تفسير العديد من الظواهر الكونية التي يُمكن رصدها؛ باستثناء فرضيات الطاقة المظلمة والمادة المظلمة.

لكن الدراسة الجديدة تأتي لتضع العديد من التحديات وتدعم فرضيات أخرى كبديل لوجود الطاقة المظلمة.

من ضمن الفرضيات التي تدعمها الدراسة الجديدة فرضية معروفة باسم "نموذج تايم سكيب للتوسع الكوني" والذي لا يحتاج إلى الطاقة المظلمة لتفسير التوسع الكوني، والذي يفسر كذلك كيفية توسُّع الكون بطريقة مختلفة عن النماذج التقليدية التي تعتمد على الطاقة المظلمة.

وفي النموذج القياسي للكون، يتم تفسير توسُّع الكون من خلال تأثير الانفجار العظيم والنسبية العامة لـ"ألبرت أينشتاين" ويعتمد هذا النموذج على فكرة أن الكون بدأ من حالة كثافة وحرارة مرتفعة للغاية قبل نحو 13.8 مليار سنة، ومنذ ذلك الحين بدأ في التوسع.

ووفقاً لهذا النموذج، يتوسع الكون بشكل متسارع نتيجة لتأثيرات الطاقة المظلمة، وهي قوة غامضة تعمل بشكل معكوس للجاذبية، ما يدفع الكون للتسارع في التوسع.

فيما تساهم المادة المظلمة، وهي نوع آخر من المادة غير المرئية التي لا تتفاعل مع الضوء، في تسريع التوسع لأنها تؤثر على الجاذبية، ولكنها لا تعكس تأثيرات الطاقة المظلمة.

نموذج "تايم سكيب"

تتمثل الفكرة الأساسية في أن الكون لا يزال يتوسع منذ الانفجار العظيم، وأن هذا التوسع يزداد بمرور الوقت بسبب الطاقة المظلمة.

واكتشف العلماء من خلال قياسات المسافات إلى المجرات البعيدة، أن التوسع ليس ثابتاً، بل يتسارع مع مرور الزمن. ويعتمد هذا التفسير على ملاحظات مثل "الانزياح الأحمر للسوبرنوفا"، الذي يظهر أن المجرات البعيدة تبتعد عن بعضها بشكل أسرع مما كان متوقعاً في النماذج التقليدية، ما يشير إلى أن الكون يمر بمرحلة تسارع في التوسع.

والانزياح الأحمر للسوبرنوفا، هو ظاهرة في الفيزياء الفلكية تشير إلى التغير في طول موجة الضوء المنبعث من السوبرنوفا (انفجار نجم) نتيجة لتوسُّع الكون.

وعندما تنبعث ضوء السوبرنوفا في الاتجاه نحو الأرض، يتم "تمديده" بسبب توسُّع الفضاء نفسه بيننا وبين المصدر، ما يؤدي إلى زيادة في طول الموجة وبالتالي يتحول الضوء نحو الجزء الأحمر من الطيف، ومن هنا جاء اسم "الانزياح الأحمر".

لكن في الدراسة الجديدة، وبدلاً من افتراض أن الكون يتسارع بسبب تأثيرات غامضة للطاقة المظلمة، يوضح نموذج "تايم سكيب" أن الاختلافات في التمدد الكوني ترجع إلى الطريقة التي نُعاير بها الزمن والمسافة عبر الكون.

وبدلاً من أن تكون الاختلافات في تمدد الضوء نتيجة لكون متسارع، فإنها تُعد نتاجاً لكيفية معايرتنا للزمن والمسافة.

فالاختلافات التي نلاحظها في تمدد الضوء عبر الكون (أي انزياح الضوء نحو الأحمر) ليست بالضرورة أن تكون نتيجة لتسارع الكون نفسه، كما كان يُعتقد في النماذج التقليدية مثل نموذج "الطاقة المظلمة". وبدلاً من ذلك، يقترح النموذج البديل أن هذه الاختلافات ترجع إلى كيفية تحديدنا للزمن والمسافة في الكون.

ولا يكون تمدد الضوء الناتج عن توسُّع الكون متسارعاً بسبب قوة غامضة مثل الطاقة المظلمة، بل ناتج عن تأثيرات مثل الجاذبية التي تبطئ مرور الزمن في مناطق معينة. فالجاذبية تؤثر على مرور الوقت (مفهوم يُعرف بتأثير تمدد الزمن) حيث إن الوقت في مناطق ذات جاذبية قوية، مثل داخل المجرات، يمضي ببطء مقارنة بالمناطق ذات الجاذبية الضعيفة مثل الفراغات الكونية.

وعند قياس المسافات عبر الكون، إذا لم نأخذ هذه الفروقات الزمنية في الحسبان، قد نلاحظ أن الضوء الذي ينتقل عبر الكون يبدو وكأنه يشهد تمدداً أسرع من الواقع.

ووفقاً لهذا النموذج، ستتباطأ الساعة في مجرة درب التبانة بمقدار 35% مقارنة بالساعة نفسها في مناطق متوسطة داخل الفراغات الكونية الكبيرة، ما يعني أن مليارات سنين إضافية قد مرّت في الفراغات.

بدوره يسمح هذا يسمح بمزيد من تمدد الفضاء، ما يجعل التوسع يبدو وكأنه يتسارع عندما تبدأ هذه الفراغات الشاسعة في السيطرة على الكون.

ويقول المؤلف الرئيسي للدراسة البروفيسور "ديفيد ويلتشر" إن النتائج تُظهر أنه لا حاجة للطاقة المظلمة لتفسير سبب ظهور الكون وهو يتوسع بمعدل متسارع "فالطاقة المظلمة هي تعريف خاطئ لاختلافات في الطاقة الحركية للتوسع، والتي ليست منتظمة في كون غير منتظم كما نعيش فيه".

ويضيف ويلتشر: "توفر هذه الدراسة دليلاً مقنعاً قد يحل بعض الأسئلة الرئيسية حول الظواهر الغريبة في كوننا المتوسع. ومع البيانات الجديدة، قد يتم حل أكبر لغز في الكون بحلول نهاية العقد".

حل معضلة قديمة

يقول الباحثون إن الدراسة الجديدة تستطيع أيضاً حل معضلة قديمة. وتُظهر الأدلة من الإشعاع الخلفي للانفجار العظيم، أن توسُّع الكون في مراحله المبكرة لا يتماشى مع التوسع الحالي، وهو ما يُعرف بـ"توتُّر هابل".

وأظهرت التحليلات الحديثة للبيانات عالية الدقة التي جمعها العلماء أن النموذج القياسي لا يتناسب مع البيانات كما ينبغي، مقارنة بالنماذج التي تفترض أن الطاقة المظلمة تتغير مع مرور الوقت بدلاً من أن تكون ثابتة.

ويصعب تفسير "توتر هابل" ضمن النماذج التي تعتمد على معادلة التوسع الكوني المبسطة التي تبلغ 100 عام، والمعروفة بـ"معادلة فريدمان" والتي تفترض أن الكون يتوسع بشكل منتظم على المدى المتوسط، كما لو أن جميع الهياكل الكونية يمكن خلطها معاً لتشكيل "حساء" بلا ملامح.

لكن الكون الحالي يحتوي على شبكة كونية معقدة من عناقيد المجرات التي تشكل صفائح وخيوط محاطة بفراغات شاسعة.

ويرى ويلتشر أن "لدينا الآن الكثير من البيانات لدرجة أنه في القرن الحادي والعشرين يمكننا أخيراً الإجابة عن سؤال: كيف ولماذا يظهر قانون التوسع البسيط من هذا التعقيد؟"، مشيراً إلى أن "قانون التوسع البسيط المتسق مع النسبية العامة لأينشتاين لا يجب أن يتبع بالضرورة معادلة فريدمان".

ويقول الباحثون إن القمر الاصطناعي "إقليدس" التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، الذي أُطلق في يوليو 2023، لديه القدرة على اختبار نظرية "تايم سكيب".

لكن هذا سيتطلب ما لا يقل عن 1000 ملاحظة فائقة الجودة للانفجارات النجمية، وهذا يعني أن الباحثين يحتاجون إلى المزيد من الملاحظات من قمر "إقليدس" لدعم نموذج "تايم سكيب".