العلماء يرسمون خريطة للكون غير المرئي، ويكشفون عن أدلة جديدة حول المادة المظلمة والطاقة المظلمة

ومن خلال دراسة التشوهات الخافتة في أشكال المجرات عبر منطقة واسعة من السماء، تمكن العلماء من فحص البنية الخفية للكون.

في الصورة القياسية للكون، كل شيء تقريبًا مخفي عن الأنظار. يتكون حوالي 95% من الكون من المادة المظلمة والطاقة المظلمة، وهي مواد لا يمكن رؤيتها مباشرة وما زالت غير مفهومة بالكامل.

ومع ذلك، فإنها تلعب دورًا رئيسيًا في تشكيل الكون، حيث تؤثر المادة المظلمة على كيفية تشكل المجرات من خلال الجاذبية والطاقة المظلمة مما يؤدي إلى تسريع توسع الفضاء. يتعرف العلماء على هذه المكونات غير المرئية من خلال تتبع كيفية تأثيرها على الأشياء المرئية، ويتعلم الباحثون في جامعة كاليفورنيا جامعة شيكاغو لقد درسوا الآن هذه التأثيرات عبر منطقة السماء التي تم تحليلها حديثًا.

رسم خريطة الكون المظلم

بين عامي 2013 و2019، جمع مسح الطاقة المظلمة (DES) ملاحظات باستخدام كاميرا الطاقة المظلمة (DECam)، المثبتة على تلسكوب بلانكو البالغ قطره 4 أمتار في مرصد سيرو تولولو للبلدان الأمريكية في تشيلي. باستخدام هذه الأداة، والمسح وقاس بدقة أشكال أكثر من 150 مليون مجرة منتشرة على مساحة 5000 درجة مربعة (حوالي الثُمن) من السماء. تساعد هذه الخريطة التفصيلية العلماء على فهم أفضل لكيفية توزيع المادة في جميع أنحاء الكون وكيف تتصرف الطاقة المظلمة.

لعبت بيانات DES أيضًا دورًا رئيسيًا في دراسة الأسئلة الحديثة المحيطة بالإطار الكوني الرائد، وهو نموذج Lambda-CDM (LCDM). يبدو أن بعض قياسات الكون القريب، بناءً على مسوحات المجرات مثل DES، تختلف عن قياسات الكون المبكر التي تأتي من الخلفية الكونية الميكروية (CMB) – الإشعاع المتبقي من الكون. الانفجار العظيم.

بالإضافة إلى أعمال المسح الأولية، التقطت DECam أيضًا صورًا لمناطق شاسعة خارج حدود DES الرسمية. وفي سلسلة جديدة من الدراسات المنشورة في المجلة المفتوحة للفيزياء الفلكية، استخدم باحثون من جامعة شيكاغو هذه الملاحظات الإضافية لمضاعفة عدد المجرات ذات الأشكال المقاسة بدقة.

تمتد مجموعة البيانات الموسعة إلى آلاف الدرجات المربعة خارج نطاق DES الأصلي. على الرغم من أن هذه الملاحظات لم تكن مصممة في البداية لأبحاث عدسة الجاذبية الضعيفة، إلا أن الفريق أظهر أنه لا يزال من الممكن استخدامها للتحقيق عن كثب في الاختلافات المذكورة في نموذج LCDM باستخدام مجموعة مستقلة من البيانات.

التشويه والمسافة

تعد عدسة الجاذبية، وهي ثني الضوء بواسطة الأجسام الضخمة، طريقة رئيسية تستخدم لاستكشاف كمية الكتلة وتوزيعها في الكون، وبالتالي الحصول على نظرة ثاقبة للتفاعلات بين المادة المظلمة والمادة العادية والطاقة المظلمة، كما أوضح تشيهواي تشانغ، الأستاذ المشارك في علم الفلك والفيزياء الفلكية ورئيس مشروع القص الكوني ذو العدسات الضعيفة لكاميرا الطاقة المظلمة لجميع البيانات في كل مكان (DECADE).

مع عدسة الجاذبية الضعيفة، يبدو شكل المجرات التي يتم رصدها من الأرض مشوهًا قليلاً (مقطوعًا) لأن الضوء الصادر من تلك المجرات يجب أن ينتقل عبر المادة الموجودة في الكون وحولها حتى يصل إلينا. التأثير دقيق للغاية لدرجة أنه يتطلب تحليلًا إحصائيًا لقياسه.

يقول ضياء أنباجاجاني، طالب دكتوراه في علم الفلك والفيزياء الفلكية والمحلل الرئيسي والمؤلف الأول لسلسلة أوراق DECADE: “إن قياسات العدسات الضعيفة هي الأفضل في التحقق من تكتل المادة”. “إن قياس هذا التكتل يسلط الضوء على أصل وتطور الهياكل مثل المجرات وعناقيد المجرات. وهذا يشبه إلى حد كبير قياس توزيع الأشخاص (المادة) الذين يعيشون عبر المنطقة واستخدام ذلك لفهم ميزات مثل تضاريس المناظر الطبيعية أو موقع أو عمر المناطق الحضرية (العوامل التي تؤثر على أصل الهياكل وتطورها).”

وفي هذا المشروع، قام الفريق بقياس أشكال أكثر من 100 مليون مجرة. وقاموا أيضًا بقياس المسافات عن طريق تحديد مقدار تحول ضوء المجرة نحو النهاية الحمراء لطيف الضوء (الانزياح الأحمر)، مما يشير إلى مدى سرعة انحسار المجرة. ومن هذا القياس، يمكنهم حساب المسافة من الأرض.

وباستخدام تلك الأشكال والمسافات، قام الفريق بملاءمة نموذج LCDM مع البيانات. هذا هو النموذج القياسي لعلم الكون المقبول على نطاق واسع لشرح الملاحظات حول الكون، مع المكونات المتعلقة بالطاقة المظلمة، والمادة المظلمة، والمادة العادية، والنيوترينوات، والإشعاع. قال تشانغ: “هذا نموذج تم اختباره جيدًا وقد نجا من العديد من الاختبارات في العقد الماضي، وستضيف بياناتنا إلى هذه القصة”.

توصلت دراسة DECADE إلى أن نمو البنية في الكون يتوافق مع تنبؤات نموذج LCDM، مما يدعم نتائج قياسات العدسات الضعيفة السابقة. قال تشانغ: “بالإضافة إلى ذلك، عند مقارنة قيودنا مع تلك المشتقة والمستقرئة من الإشعاع CMB للكون المبكر، فإننا نتفق أيضًا جيدًا”. “لقد كانت هذه النقطة الأخيرة مصدرًا للنقاش على مدار السنوات الخمس الماضية أو نحو ذلك، ومع نتائجنا الجديدة، يمكننا القول أننا لا نرى توترًا بين العدسات الضعيفة وإشعاع الخلفية الكونية الميكروية.”

قال Anbajagane: “نحن قادرون أيضًا على الجمع بين قياسات عدسة DECADE مع قياسات DES، مما يؤدي إلى تحليل عدسة المجرة الذي يستخدم أكبر عدد من المجرات (270 مليونًا) التي تغطي أوسع رقعة من السماء (13000 درجة مربعة) حتى الآن”. “نظرًا لهذه الكمية الكبيرة من البيانات، يمكننا اتخاذ خيارات متحفظة بشكل خاص في تحليلنا – مثل إجراء أو استخدام القياسات التي نثق بها أكثر من غيرها، بدلاً من جميع القياسات المفيدة أو الممكنة – وما زال بإمكاننا إجراء قياس بدقة كافية لإرشاد مقارناتنا مع CMB بشكل مفيد.”

“مسح عدسة ضعيفة غير تقليدية”

يتحقق مشروع DECADE بشكل مستقل من الاتساق بين قياسات CMB وقياسات العدسات الضعيفة على رقعة من السماء مختلفة تمامًا ولكنها مماثلة الحجم من DES. ومع ذلك، لم تكن هذه النتيجة أمرًا مسلمًا به في بداية المشروع، كما يشير Alex Drlica-Wagner، العالم في فيرميلاب والأستاذ المساعد في علم الفلك والفيزياء الفلكية في جامعة شيكاغو، والذي قاد حملة المراقبة DECADE. وأضاف: “لم يكن من الواضح أن مجموعة بيانات DECADE ستكون ذات جودة كافية لإجراء تحليل كوني، لكننا أظهرنا أنها يمكن أن تؤدي بالفعل إلى نتائج قوية”.

قال أنباجاجاني: “إحدى النتائج الفريدة لهذا العمل تتعلق بالاختيارات التي نتخذها بشأن جودة الصورة”. يستغرق المسح التقليدي الذي يركز على العدسات الضعيفة ما يقرب من مائة ألف صورة مخصصة على مدار سنوات عديدة، ومع ذلك يتم تجاهل الكثير منها، على سبيل المثال، لأن جودة الصورة فشلت في تلبية المعايير المحددة. وقال: “إن مشروع DECADE فريد من نوعه لأنه يعيد استخدام البيانات الأرشيفية – الصور التي التقطها مجتمع علم الفلك في الأصل لمجموعة واسعة من الأهداف العلمية، بدءًا من دراسة المجرات القزمة إلى النجوم إلى مجموعات المجرات البعيدة – ويستخدم معايير أكثر تساهلاً بشكل ملحوظ لجودة الصورة. يُظهر عملنا إمكانية إجراء تحليلات عدسة قوية حتى لو لم يكن لدينا حملات تصوير مخصصة للعدسة”.

وهذا يغير الطريقة التي قد ينظر بها علماء الفلك إلى تحليلات العدسات المستقبلية، مثل تلك التي تم الحصول عليها من مسح Vera C. Rubin Legacy Survey of Space and Time (Rubin LSST). يمكن أن تستخدم مثل هذه التحليلات المزيد من صورها أكثر مما قد تستخدمه بطريقة أخرى، مما يحسن مدى دقة قياس علماء الفلك للخصائص الكونية. تم أيضًا تمكين قدرة مشروع DECADE على استخدام بيانات الصور الأرشيفية هذه إلى حد كبير من خلال الفحص الدقيق للصور، وهي مهمة قادها تشين يي تان، طالب دكتوراه في الفيزياء.

يغطي الكتالوج الكامل مع DES حوالي ثلث السماء (13000 درجة مربعة) ويحتوي على 270 مليون مجرة. تم إصدار هذا الكتالوج للمجتمع العلمي في خريف هذا العام، وقد حاز بالفعل على اهتمام علماء الكونيات وعلماء الفلك. على سبيل المثال، تم استخدام بيانات التصوير الخاصة بالفريق لدراسة المجرات القزمة وعمل خرائط للكتلة في الكون. قال أنباجاجاني: “نحن نعمل بنشاط على تطبيق طرق تحليل أخرى على بياناتنا جنبًا إلى جنب مع خبراء في معهد كافلي للفيزياء الكونية”.

انضم علماء من UChicago وFermilab وNCSA في UIUC إلى جهود الباحثين في Argonne وUW-Madison والعديد من المؤسسات الأخرى حول العالم لإجراء تحليل DECADE. قال تشانغ: “لقد كان أمرًا مميزًا جدًا أن تجلس جميع هذه المكونات المختلفة في الردهة”. “كما سمح لنا بالتعلم من بعضنا البعض، وأدى إلى نتيجة غير متوقعة ولكنها رائعة لهذا المشروع.”

المرجع: “مشروع القص الكوني DECADE I: كتالوج جديد لأشكال العدسات الضعيفة لـ 107 ملايين مجرة” بقلم D. Anbajagane، Z. Zhang، C. Chang، CY Tan، M. Adamow، LF Secco، MR Becker، PS Ferguson، A. Drlica-Wagner، RA Gruendl، K. Herron، A. Tong، MA Troxel، D. سانشيز سيد، آي. سيفيلا نواربي، إن. تشيكوين، آر. تيكسيرا، إيه. ألاركون، دي سوسون، آن ألسينا، إيه. آمون، سي آر بوم، جيه إيه كاربالو-بيلو، دبليو. سيرني، إيه. تشوي، واي. تشوي، سي. دوكس، كي. إيكرت، إم جاتي، دي. جروين، إم. جارفيس، دي جي جيمس، إن. كوروباتكين، سي إي مارتينيز فاسكيز، بي ماسانا، إس ماو، جيه ماكولو، جي إي مدينا، بي موتلو باكديل، إم نافابي، إن إي دي نويل، إيه بي بيس، جيه برات، إم رافيري، إيه إتش رايلي، إي إس ريكوف، جي دي ساكوسكا، دي جي ساند، إل سانتانا-سيلفا، تي. شين، إم. سواريس-سانتوس، جي إس سترينجفيلو، إيه كيه فيفاس، وإم. ياماموتو، 22 أكتوبر 2025، المجلة المفتوحة للفيزياء الفلكية.
دوى: 10.33232/001c.146158

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.