داغ‌ترین شئ جهان چیست؟

در گرمای تابستان و زمانی که زیر نور داغ خورشید در حال عرق ریختن هستید احتمالا دمای 40 درجه به نظرتان بسیار داغ بیاید، اما در مقیاس کهکشانی قطعا این دما بسیار ناچیز به حساب خواهد آمد. مثلا دمای خورشید بالای 15 میلیون کلوین است با این حال احتمالا در رقابت برای احراز جایگاه داغ‌ترین شئ جهان خورشید داغ ما هم حرفی برای گفتن نخواهد داشت.

در واقع دانشمندان موفق شده‌اند دمایی بسیار بالاتر از این را هم روی کره زمین و در قالب انرژی جنبشی و در محیط‌های میکروسکوپیک تولید کنند. با این اوصاف احتمالا تا به اینجا این سوال برای شما هم پیش آمده که داغ‌ترین شئ جهان چیست و در کدام نقطه از این پهنه گسترده قرار دارد؟ در این مقاله پاسخ برخی از دانشمندان و اخترشناسان به این سوال را برای شما آورده‌ایم تا با دیدگاه آن‌ها در این زمینه آشنا شده و در مورد داغ‌ترین شئ جهان بیشتر بدانید.

آبراهام لوب؛ پروفسور نجوم، دانشگاه هاروارد

داغ‌ترین شئ جهان به معنای واقعی کلمه بیگ بنگ است

داغ‌ترین شئ جهان به معنای واقعی کلمه بیگ بنگ است. اگر در زمان به عقب برگردیم، جهان بدون هیچ محدودیتی فشرده تر، چگال‌تر و داغ‌تر می‌شود. تکینگی (singularity) بیگ بنگ باعث نقض نظریه گرانش انیشتین می‌شود، درست در همان نقطه‌ای که مقادیر چگالی و دمای ماده و همچنین تشعشع به بی‌نهایت میل می‌کند. بنابراین برای اینکه بتوانیم نگاه درستی به بیگ بنگ داشته باشیم باید معادلات انیشتین را با استفاده از مکانیک کوانتوم اصلاح کنیم.

متاسفانه هنوز تئوری قابل اعتمادی در زمینه گرانش کوانتومی در دست نداریم تا بفهمیم که در هنگام بیگ بنگ و پس از آن چه اتفاقی رخ داده است. پدیده‌های دیگری مانند سیاهچاله‌ها هم وجود دارند که امیدواریم بتوانیم با بهره‌گیری از همین تئوری‌ها در مورد آن‌ها هم اطلاعات بیشتری به دست آوریم.

جیمز بیچم؛ محقق پست‌دکترای فیزیک دانشگاه دوک و فیزیکدان در مرکز تحقیقاتی سرن

به نظر من داغ‌ترین اجسام شناخته شده در دنیا نقاط برخوردی هستند که در هنگام تصادم یون‌های سنگین در برخورد دهنده بزرگ هادرونی (LHC) در سرن به وجود می‌آیند. دمای این برخوردها حتی بالاتر از دمایی است که برای ابرنواخترها متصور هستیم. حتی می‌توانیم تصور کنیم که موجودات پیشرفته‌تری از ما نیز در دنیا هستند که با برخورد دادن یون‌های سنگین به یکدیگر دمایی بیشتر از دست‌یافته‌های کنونی ما تولید می‌کنند.

موضوع جالب دیگری که در LHC به آن برخورد می‌کنیم وجود بیشترین و کمترین دمای جهان در یک مکان است. آهن‌ربای 27 کیلومتری که برای خم کردن و جهت دادن اشعه در تونل LHC به کار رفته در هلیوم مایع تا دمای 1.9 کلوین سرد می‌شود. یعنی حتی سردتر از دمای 2.7 کلوین در فضا. همزمان نقاط برخوردی با داغ‌ترین دمای ممکن جهان در همین برخورددهنده به وجود می‌آید.

ایلین تی. مایر؛ استادیار فیزیک، دانشگاه مریلند

قبل از اینکه به پاسخ این سوال بپردازیم باید تعیین کنیم که منظورمان از داغ چیست؟ برای سنجش دمای یک جسم باید میانگین دمایی ذرات آن را در هنگام تعادل دمایی اندازه‌گیری کنیم. تعادل دمایی زمانی اتفاق می‌افتد که دیگر تبادل انرژی بین ذرات ماده وجود نداشته باشد، یعنی هر ذره تقریبا انرژی برابری با میانگین انرژی سایر ذرات آن ماده دارد. با چنین تعریفی و در نظر گرفتن اینکه ماده مذکور برای مدت طولانی در این تعادل دمایی باقی بمانند می‌توانم دو پاسخ به این سوال بدهم.

در یک سو مرکز ستارگان قرار می‌گیرند. پلاسمای موجود در آن‌ها آنقدر چگال است که عناصر با یکدیگر همجوشی پیدا می‌کنند. ستارگان عظیمی که با سرعت می‌سوزند دمایی نزدیک به 200 میلیون درجه در مرکز خود دارند. از سوی دیگر گازهای بین کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی ممکن است دمایی برابر با صدها میلیون درجه داشته باشند. اینکه این گازها چطور به چنین دمایی می‌رسند هنوز مورد بررسی قرار دارد با این‌حال بعضی‌ها احتمال می‌دهند که گرم شدن آن‌ها به خاطر انفجار سیاهچاله‌های غول‌پیکر موجود در کهکشان‌های آن خوشه باشد.

البته یک مورد دیگر هست که می‌تواند این دو را در رقابت کنار بزند، آن‌هم ستارگان عظیم درست در لحظه تبدیلشان به ابرنواختر هستند. دما در چنین حالتی می‌تواند به میلیاردها درجه برسد.

اسپنسر کلاین؛ دانشمند ارشد آزمایشگاه لورنس برکلی و فیزیکدان محقق در یو سی برکلی

پاسخ این سوال به تعریف ما از شئ برمی‌گردد. از آنجایی که دما معیاری از انرژی میانگین هر ذره است، بنابراین تنها زمانی می‌توانیم دما را اندازه بگیریم که تعداد زیادی ذره به انرژی میانگین یکسان برسند. ما هیچ‌وقت در مورد دمای یک اتم تک صحبت نمی‌کنیم، همینطور زمانی که هر ذره انرژی متفاوتی دارد نمی‌توانیم دمای آن ماده را اندازه‌گیری کنیم.

برخورد هسته اتم‌ها در برخورد دهنده هادرونی بزرگ بیشترین دمای جهان را تولید می‌کند

عموما ما 100 تا 1000 ذره را برای بررسی تعادل دمایی مورد بررسی قرار می‌دهیم. با این محدودیت داغ‌ترین شئ زمینی پلاسمای گلوئن کوارک (QGP) است که در برخورد دهنده هادرونی بزرگ در سرن بر اثر برخورد دو هسته اتم سرب به وجود می‌آید. این ماده از هزاران کوارک و گلوئن تشکیل شده که در هنگام تبدیل انرژی جنبشی هسته اتم سرب به ماده هسته‌ای به وجود می‌آید. کوارک‌ها و گلوئن‌ها در نهایت خنک و منبسط شده تا با ترکیب شدنشان پروتون و سایر هادرون‌ها شکل بگیرد.

در این پروسه بیشترین دما زمانی اتفاق می‌افتد که کوارک‌ها و گلوئن‌ها به اندازه‌ای با هم تراکنش داشته باشند که به تعادل دمایی برسند. این وضعیت هنوز دقیقا مشخص نیست بنابراین تعریف یک زمان دقیق برای هنگامی که QGP به عنوان یک ماده به تعادل دمایی می‌رسد آسان نیست.

البته اگر این مساله محدودیتی از نظر فضا و زمان نداشته باشد، می‌توان گفت بیگ‌بنگ دمای خیلی بالاتری نسبت به QGP داشته است.

کوین ای. پیمبلت؛ مدرس ارشد اخترشناسی، دانشگاه هال انگلستان

اگر تعریفمان از دنیا را به هرچیزی که تا به حال اتفاق افتاده بسط دهیم، بنابراین داغ‌ترین شئ جهان که تا به حال وجود داشته خود بیگ بنگ است. در حال حاضر تخمین زده می‌شود دما در زمان بیگ بنگ حدود 10 به توان 32 کلوین بوده است. این دما برای ما قابل درک نیست و هنوز ابزارهای مناسب را برای اندازه‌گیری آن را در اختیار نداریم.

اما دماهایی که می‌توانیم اندازه گیری کنیم چطور؟ خوشبختانه ما روی زمین توانسته‌ایم دماهای بسیار زیادی را اندازهگیری کنیم. مثلا در سال 2012 برخورددهنده هادرونی بزرگ در سرن با برخورد دادن یون‌های سنگینی که در کسری کمتر از سرعت نور حرکت می‌کردند، توانست دمایی در حدود 5 تریلیارد کلوین را تولید کند. این بیشترین دمای شناخته شده برای ماست.

علاوه بر این‌ها مرکز یک ستاره بعد از فروپاشی آنقدر داغ است که دمایی در حد ده ها میلیارد کلوین دارد.