آیا کیهان سریع‌تر از آنچه که باید، منبسط می‌شود؟
علم کیهانشناسی موفق شده است تا انبساط شتابدار عالم را به خوبی اثبات کند. اما سرعت این انبساط چقدر است و چطور می‌توان رقم دقیق و منبع آن را کشف کرد؟ مسئله انبساط عالم یکی ...
در دیجیاتو ثبت‌نام کنید
جهت بهره‌مندی و دسترسی به امکانات ویژه و بخش‌های مختلف در دیجیاتو عضو ویژه دیجیاتو شوید.
عضویت در دیجیاتوتازههای تکنولوژی
علم کیهانشناسی موفق شده است تا انبساط شتابدار عالم را به خوبی اثبات کند. اما سرعت این انبساط چقدر است و چطور می‌توان رقم دقیق و منبع آن را کشف کرد؟
مسئله انبساط عالم یکی از بزرگترین معماها در نجوم مدرن است: براساس مشاهدات متعددی که از آسمان انجام شده است، به نظر می‌رسد جهان سریع‌تر از آنچه بهترین مدل‌های کیهانی ما پیش‌بینی می‌کنند، درحال انبساط است. شواهدی از این معما سال‌هاست که گردآوری می‌شوند و همین امر سبب شده تا برخی از محققان این مسئله را بزرگترین سوال علمی دنیا و بحرانی در درک آینده کیهان بدانند.
اکنون گروهی از محققان با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل یک مجموعه داده عظیم جدید را گردآوری کرده‌اند و شانسی در حدود یک در یک میلیون را بدست آورده‌اند که نشان دهد این مسئله یک اشتباه آماری است. به عبارت دیگر، به نظر می‌رسد احتمال وجود عنصری اساسی در کیهان که سبب این انبساط می‌شود، بسیار بالا است – یا اثری غیرمنتظره از اجزای شناخته شده که هنوز ستاره‌شناسان موفق به کشف آن نشده‌اند.
«آدام ریس» اخترشناس دانشگاه «جان هاپکینز» که آخرین تلاش برای آزمایش این ناهنجاری کیهانی را رهبری کرد، می‌گوید: « به نظر می‌رسد که جهان شگفتی‌های زیادی را به ما می‌فهماند و این چیز خوبی است، زیرا به ما کمک می‌کند بیشتر یاد بگیریم.»
این معما به نام «ادوین هابل» ستاره‌شناس به تنش هابل معروف است. در سال 1929 او مشاهده کرد که هرچه کهکشان‌ها از ما دورتر باشند، با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند – رصدی که به هموار کردن راه ما برای درک فعلی از جهان کمک کرد. دانشمندان بدین ترتیب دریافتند که عالم ما از یک انفجار بزرگ شروع است و از آن زمان تاکنون درحال گسترش است.
محققان سعی کرده‌اند سرعت کنونی انبساط جهان را به دو روش اندازه بگیرند: با اندازه‌گیری فواصل ستاره‌ها و یا با بررسی یک درخشش ضعیف که قدمت آن به عالم بسیار گذشته برمیگردد. این رویکردهای دوگانه راهی برای آزمایش درک ما از جهان در بیش از 13 میلیارد سال گذشته فراهم می‌کند. این تحقیق همچنین برخی از اجزای اساسی کیهان را کشف کرده است: مانند «انرژی تاریک» - نیرویی اسرارآمیز که حدس زده می‌شود مسئول و راننده انبساط شتابدار کنونی عالم است.
اما این دو روش در مورد نرخ انبساط فعلی جهان تا حدود 8% باهم اختلاف دارند. این تفاوت ممکن است زیاد به نظر نرسد، اما اگر این میزان اختلاف واقعی باشد، به این معنا است که جهان درحال حاضر سریع‌تر از آن چیزی که حتی انرژی تاریک می‌تواند توضیح دهد، درحال انبساط است – این مسئله دلالت بر نوعی شکست در شناخت ما از کیهان دارد.
یافته‌های محققان که در چندین مطالعه ارائه شده در هفته گذشته به مجله «اختر فیزیک» تحلیل شد، از انواع خاصی از ستارگان و انفجارهای ستاره‌ای برای اندازه‌گیری فاصله میان ما و کهکشان‌های نزدیک استفاده می‌کند. این مجموعه شامل مشاهدات 42 انفجار ستاره‌ای مختلف است که بیش از دو برابر بزرگتر از آخرین تجزیه و تحلیل‌های صورت گرفته است. طبق کاری که این تیم انجام داده است، اختلاف میان تجزیه داده‌ها و نتایج اندازه‌گیری‌های کیهان اولیه به پنج سیگما می‌رسد – سیگما میزان خطای کیهانی است. این رقم آستانه آماری مورد استفاده در فیزیک ذرات است تا وجود ذرات جدید در عالم را تائید کند.
ستاره‌شناسان دیگر هنوز جایی برای خطاهای احتمالی در داده‌های می‌بینند – به این معنا که هنوز هم ممکن است سرعت این انبساط متفاوت از نتایج کنونی باشد.
«دان اسکولنیک» اخترشناس دانشگاه «دوک» و عضو تیم تحقیقات می‌گوید: «نمی‌دانم این میزان اختلاف را چطور می‌توان توجیه کرد. ما هر ایده‌ای که تاکنون مطرح شده است را، بررسی کرده‌ایم اما هیچ چیز جواب درستی نمی‌دهد.»
تابش پس‌زمینه کیهانی
انبساط هابل از تلاش برای اندازه‌گیری یا پیش‌بینی نرخ انبساط فعلی جهان ناشی می‌شود که کمیتی به نام «ثابت هابل» را در فیزیک معرفی می‌کند. با کمک این کمیت، ستاره‌شناسان می‌توانند سن جهان را از زمان انفجار بزرگ تخمین بزنند.
یکی از راه‌های بدست آوردن عدد ثابت هابل، مطالعه تابش پس‌زمینه کیهانی است که شامل موج‌هایی با طول موج میکرو است. این امواج متعلق به زمانی هستند که عالم ما تنها 380000 سال سن داشت. به عبارت دیگر این امواج نوعی درخشش ضعیف به جا مانده از عالم اولیه هستند. تلسکوپ‌هایی مانند رصدخانه «پلانک» متعلق به آژانس فضایی اروپا این امواج را اندازه‌گیری کرده‌اند و تصویری دقیق از نحوه توزیع ماده و انرژی در کیهان اولیه بدست آورده‌اند. بدین ترتیب فیزیک حاکم بر آن دوره نیز تا حد قابل قبولی ارائه شده است.
کیهانشناسان با استفاده از مدلی که بسیاری از ویژگی‌های جهان را به خوبی توصیف می‌کند – معروف به مدل ماده سرد تاریک – می‌توانند از نظر ریاضی، جهان تازه متولد شده‌مان را – در تائید با آنچه تابش پس‌زمینه کیهانی در اختیار ما قرار می‌دهد – توصیف کنند و در نتیجه مقدار عددی کنونی ثابت هابل را تخمین بزنند. در این روش مشخص می‌شود که جهان کنونی ما باید با سرعتی در حدود 67.36 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک منبسط شود. (هر مگاپارسک برابر 3.26 میلیون سال نوری است)
در مقابل، تیم‌های دیگر ثابت هابل را با نگاه کردن به «جهان محلی» اندازه‌گیری می‌کنند: ستارگان و کهکشان‌های مدرن‌تری که نسبتا به ما نزدیک هستند. این سبک از محاسبات به دو نوع داده نیاز دارد: اول اینکه یک کهکشان با چه سرعتی از ما دور می‌شود و دوم اینکه آن کهکشان چقدر از ما فاصله دارد. این مسئله به نوبه خود نیازمند تعریف نردبان کیهانی است.
نردبان کیهانی – یا نردبان فاصله کیهانی – به اندازه‌گیری فاصله میان ما و انواع خاصی از ستارگان با نام «قیفاووس» می‌پردازد. – این داده‌ها توسط گروه «Riess SH0ES» جمع‌آوری می‌شود. قیفاووس‌ها بسیار باارزش هستند زیرا در اصل آن‌ها مانند جرقه‌هایی در کیهان رفتار می‌کنند که به صورت منظم روشن و کم نور می‌شوند. هرچه قیفاووس روشن‌تر باشد، ریتم کم نور شدن و مجددا پرنور شدن آن آهسته‌تر است. با استفاده از این اصل، ستاره‌شناسان می‌توانند درخشندگی ذاتی قیفاووسی که حتی در فاصله بسیار دوری قرار دارد، براساس میزان ضربان نوری تخمین بزنند و در نهایت فاصله ستارگان از ما را محاسبه کنند.
روش دیگری که در حل این مسئله مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیر نظر گرفتن انفجارهای ستاره‌ای به نام «ابرنواخترهای نوع 1a» است. با مطالعه کهکشان‌هایی که هم میزبان قیفاووس‌ها و هم میزان این نوع از ابرنواخترها هستند، اخترشناسان می‌توانند رابطه بین روشنایی ابرنواخترها و فواصل را بدست آورند. از آنجایی که ابرنواخترهای نوع 1a بسیار درخشان‌تر از قیفاووس‌ها هستند، می‌توان آن‌ها را در فواصل بسیار دورتری مشاهده کرد. همین امر به اخترشناسان اجازه می‌دهد اندازه‌گیری‌های خود را تا مرز کهکشان‌های بسیار دورتر از کیهان گسترش دهند.
محاسبه میزان اختلاف
مشکل اینجاست که اندازه‌گیری دقیق همه این ستاره‌ها و ابرنواخترها به‌طرز بسیار وحشتناکی کار پیچیده‌ای است. از نظر فنی، قیفاووس‌ها و ابرنواخترهای نوع 1a دقیقا یکسان به نظر نمی‌رسند: برخی ممکن است ترکیبات مختلف، رنگ‌های متفاوت و منشا گوناگون داشته باشند. اخترشناسان سال‌های زیادی را صرف کشف این موضوع کرده‌اند که چگونه می‌توان این همه تغییر را توضیح داد – بسیار دشوار است که با قطعیت بدانیم که این تغییرات ناشی از خطای ما در شناخت این اجرام نیست.
برای رسیدگی به این مسئله، یک تیم تحقیقاتی به نام «پانتئون+» به‌طور کامل 1701 مشاهده از ابرنواخترهای نوع 1a را که از سال 1981 جمع‌آوری شده بود، تجزیه و تحلیل کرد. «اسکلنیک» از دانشگاه دوک که به همراه «دیلون بروت» محقق مرکز اخترفیزیک هاروارد این تیم را رهبری می‌کند، می‌گوید: «ما باید پارامترهای متعددی را درنظر بگیریم که همین مسئله کار را بسیار سخت می‌کند.» تحقیقات این تیم توانست دقیق‌ترین تخمین ممکن برای ثابت هابل در زمان کنونی را ارائه بدهد: 73.04 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک به اضافه یا منهای 1.04 – که دقت محاسبات است. این مقدار حدود 8% بیشتر از مقدار استنباط شده از اندازه‌گیری‌های رصدخانه پلانک از تابش پس‌زمینه کیهانی است.
این تیم همچنین تمام تلاش خود را می‌کند تا ایده‌های دانشمندان دیگر را آزمایش کند و دلیل این اختلاف را دریابد. در مجموع، محققان 67 نوع تحلیل انجام داده‌اند که بسیاری از آن‌ها تنها به پیچیده‌تر شدن شرایط منجر شده است.
ریس می‌گوید: «فکر می‌کنم ما بیش از حد به ظریف کاری پرداخته‌ایم و همین سبب شده تا شاید از مسیر اصلی منحرف شویم.»
جهان ناشناخته
با این‌حال در سال‌های اخیر، «وندی فریدمن» از دانشگاه شیکاگو بر روی تخمینی کار می‌کند که متکی به ستاره‌های تپنده نوری نیست. در عوض، او از گروه خاصی از ستاره‌های غول پیکر استفاده می‌کند که مانند لامپ‌هایی با توان مشخص عمل می‌کنند. تخمین مستقل فریدمن از ثابت هابل با استفاده از این اجرام که آن‌ها را در علم کیهانشناسی «شمع استاندارد» می‌نامند، مقدار متوسط ثابت هابل را 69.8 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک گزارش می‌دهد.
علیرغم دقتی که در این محاسبات به کار رفته است، فریدمن می‌گوید: «خطاهای کشف نشده همچنان می‌توانند بر تحلیل تاثیر بگذارند و شاید رقمی دیگر را نتیجه بدهند. برخی از منابع عدم اطمینان نیز اجتناب‌ناپذیر هستند. تنها سه کهکشان به اندازه کافی نزدیک به کهکشان راه شیری وجود دارد که ما میتوانیم فواصل آن‌ها را مستقیما اندازه‌گیری کنیم. متاسفانه سه کهکشان تعداد کمی است اما این نهایت چیزی است که با امکانات کنونی میتوانیم در نظر بگیریم.»
تیم‌های پنتئون و SH0ES نگاهی دقیق به نتایج فریدمن و دیگران انداخته‌اند و برخی از تحلیل‌های مختلف آن‌ها را مورد بررسی قرار داده‌اند. آن‌ها بررسی کرده‌اند اگر ستاره‌های منتخب فریدمان با قیفاووس‌ها و ابرنواخترهای نوع 1a ترکیب شوند، چه اتفاقی می‌افتد. طبق این تحقیقات، گنجاندن ستارگان اضافی تخمین ثابت هابل را اندکی کاهش می‌دهد – اما تنش موجود را از بین نمی‌برد.
اگر تنش هابل واقعا واقعیت فیزیکی ما را منعکس می‌کند، توضیح دقیق آن احتمالا مستلزم افزودن مورد دیگری به فهرست اجزای اساسی جهان است.
یکی از رقبای برجسته نظری، به نام انرژی تاریک اولیه پیشنهاد می‌کند که حدود پنجاه هزار سال پس از انفجار بزرگ، انرژی تاریک دچار تغییر شده است. در اصل، یک تغییر کوچک از انرژی تاریک می‌تواند انبساط جهان را به اندازه کافی دچار تغییر کند تا تنش هابل را بدون درهم ریختن بیش از حد اصول شناخته شده کیهان، تغییر دهد.
اما در این فرآیند، تخمین کیهانشناسان برای سن کیهان از 13.8 میلیارد سال کنونی به 13 میلیارد سال کاهش یافته است.
«مایک بویلان کولچین» اخترفیزیکدان دانشگاه تگزاس در آستین می‌گوید: «سوالات زیادی در مورد اینکه چرا باید این مولفه جدید را معرفی کنیم وجود دارد – مولفه‌ای حضور آن بسیار عجیب است. اما ما در جایی هستیم که اگر این چیزها واقعا پاسخ سوالات ما نباشند، باید شروع به جستجویی تازه در گوشه و کنار عالم کنیم.»
درحال حاضر، هیچ شواهدی برای انرژی تاریک اولیه وجود ندارد. اگرچه برخی نکات به صورت تئوری وجود آن را تقویت می‌کنند. در سپتامبر، تلسکوپ کیهانشناسی «آتاکاما» - تاسیسات پیشرفته‌ای در شیلی که تابش پس‌زمینه کیهانی را اندازه‌گیری می‌کند – ادعا کرد که مدلی شامل انرژی تاریک اولیه بهتر از مدل استاندارد را شناسایی کرده است که با داده‌های مختلف مطابقت دارد. اما رصدخانه‌های دیگر نیز باید به روشن شدن مسئله تنش هابل کمک کنند. برای مثال، ماهواره «گایا» متعلق به آژانس فضایی اروپا، از سال 2014 درحال نقشه‌برداری از کهکشان راه شیری است و تخمین‌های دقیق‌تری از فاصله میان ما و بسیاری از ستارگان اطراف و یا کهکشان‌ها ارائه می‌دهد. تلسکوپ فضایی «جیمز وب» نیز که اخیرا به فضا فرستاده شده است، به دانشمندان کمک خواهد کرد تا ستارگان را مجددا مورد مطالعه قرار دهند.
فریدمن می‌گوید: «ما بر روی مرز صحت دانسته‌ها و یا غلط بودن آن‌ها قرار داریم. هر داده جدیدی می‌تواند شرایط را بسیار متحول کند.»
برای گفتگو با کاربران ثبت نام کنید یا وارد حساب کاربری خود شوید.