تنش ثابت هابل: معمای جدیدی که می‌تواند فیزیک را متحول کند

ممکن است فکر کنید که مسئله انبساط کیهان را ادوین هابل همان صد سال پیش حل کرد و جواب نهایی به آن داد. اما این موضوع تبدیل به یکی از مهم‌ترین مسائل کیهان‌شناسی امروز شده است. کیهان با چه سرعتی گسترش می‌یابد؟

ماهواره پلانک طی یک پویش کلی از کیهان، تابش پس‌زمینه کیهانی را ثبت کرد که به اختصار تابش CMB نیز شناخته می‌شود. این ثابش از آغاز کیهان، حدود ۳۸۰ هزار سال بعد از مهبانگ، در سراسر فضا و زمان منتشر می‌شده و حالا با تهیه نقشه دقیقی از آن می‌توان سرعت گسترش تابش و در نتیجه سرعت گسترش کیهان را محاسبه کرد. در سال ۱۹۲۹ میلادی، هابل به همراه چند تن از همکارانش از داده‌های رصدی خود استفاده کردند تا این سرعت را به دست آورند که به ثابت هابل شناخته می‌شود.

آن‌ها با محاسبه سرعت دور شدن کهکشانی از ما نسبت به فاصله آن توانستند به این ثابت رسیدند. اما حالا با داده‌های امروز، منجمان توانستند ثابت هابل را با دقت بی نظیری محاسبه کنند. آن‌ها در پروژه‌ای به نام معادله حالت ابرنواختر ثابت هابل یا به اختصار SHoES با دریافت داده‌هایی از یک نوع ستاره متغیر ثابت هابل را به دست آوردند. اما محاسباتی که با داده‌ای پلانک به دست آمده است، با نتایج این پروژه مغایرت دارد.

داده‌های پلانک نشان می‌دهد که این عدد باید ۶۷ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک باشد، اما پروژه SHoES این عدد را ۷۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به دست آورده است. این تناقض محاسباتی که به تنش ثابت هابل (Hubble Constant Tension) شناخته می‌شود، در طی این سال‌ها بیشتر و بیشتر شده و پس از هر مطالعه گسترده‌ای نتیجه متفاوتی به دست آمده است. این احتمال وجود دارد که تمام این اختلاف‌ها فقط اشتباه محاسباتی و جا انداختن یک فاکتور در محاسبه باشد، اما این احتمال هم وجود دارد که خود این تناقض یک نمایشی از طبیعت باشد که برای فهم آن نیازمند فیزیک جدید و درک تازه‌ای از تکامل کیهان هستیم.

نتایج متناقض

در ۱۳ تیر ۱۳۹۸، نتایج جدیدی از مطالعه کیهان امروز منتشر کردند که نتایج پروژه SHoES را تقویت کرد و این تنش را از آستانه آماری خاص فیزیکدانان گذراند که معیاری برای سنجش اکتشافات جدید است. برای لحظاتی فرضیه وجود یک فیزیک جدی و ناآشنا بیشتر از قبل تقویت شد. با این حال، چندین روز بعد و در ۲۸ تیرماه، نتایج یک مطالعه مستقل دیگری منتشر شد که مقدار ثابت هابل را ۶۹.۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک، جایی بین نتایج پلانک و SHoES به دست آورده بود. اما بیشتر این اختلافات در کنفرانس جهان اولیه و امروزی که در ۲۴ تا ۲۶ تیرماه همان سال در موسسه فیزیک نظری کولی (Kavli) برگزار شده بود، مورد بحث قرار گرفت.

پروژه SHoES که بیش از ده سال پیش پایه‌گذاری شده است، نرخ گسترش کیهان را با اندازه‌گیری فاصله کهکشان‌های دیگر اندازه می‌گیرد. فاصله سیارات منظومه شمسی و یا ستاره‌های نزدیک به ما با حرکت آن‌ها در مدتی مشخص در آسمان اندازه‌گیری می‌شود. اما برای اندازه‌گیری کهکشان‌های دوردست که موقعیت آن‌ها در آسمان تقریبا تغییری نمی‌کند، به روش دیگری نیاز است. محققان این مطالعه روشنایی ظاهری ابرنواخترهایی را اندازه‌گیری کردند که با انفجار کوتوله‌های سفید تشکیل می‌شوند. محققان این روشنایی به دست آمده را با روشنایی واقعی ستاره‌ها مقایسه کردند تا فاصله آن‌ها را به دست آورند.

در نهایت، آن‌ها با انتقال به سرخ و فاصله ستاره، ثابت هابل را اندازه می‌گیرند. انتقال به سرخ نور یک ستاره وقتی رخ می‌دهد که طول موج نور آن به دلیل گسترش کیهان، کشیده می‌شود و قرمزتر دیده می‌شود. منجمان برای محاسبه درخشندگی یک ستاره، داده‌های به دست آمده از روشنایی آن را با شمع‌های استاندارد کیهانی کالیبره می‌کنند. شمع‌های کیهانی ابرنواخترهایی هستند که روشنایی آن‌ها ثابت است و منجمان می‌توانند از آن‌ها به عنوان یک معیار و استاندارد برای محاسبات دیگر استفاده کنند.

محققان پروژه SHoES برای شمع استاندارد از ستارگان متغیر دلتا قیفاووسی نزدیک به زمین استفاده می‌کنند. این ستاره‌ها طوری می‌تپند که درخشندگی واقعی آن‌ها را نشان می‌دهد. در نهایت، آن‌ها فاصله کهکشان‌های دور را با ستاره‌های دلتا قیفاووسی درونشان اندازه‌گیری می‌کنند و با این روش مقدار ثابت هابل را به دست می‌آروند. اما منجمان ثابت هابل را با داده‌های تلسکوپ فضایی پلانک با روش دیگری محاسبه می‌کنند. داده‌های پلانک تابش پس‌زمینه کیهانی را نشان می‌دهد و محققان با مدل استاندارد کیهانی، تکامل این تابش در گذر زمان را پیش‌بینی می‌کنند. این مدل استاندارد کیهانی که ماده تاریک سرد لاندا یا به اختصار لاندا سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) نامیده می‌شود، تخمینی از مواد تشکیل دهنده کیهان اولیه است که تصویر دقیقی از انبساط کیهان در گذر زمان ارائه می‌دهد.

مطالعات مستقل

نتایجی که در ۱۳ تیر ۹۸ منتشر شد، با داده‌های پروژه مستقلی به نام لنزهای ثابت هابل در داده‌های کازموگریل (COSMOGRAIL) یا به اختصار HoLiCOW به دست آمده بود. این پروژه به دنبال محاسبه ثابت هابل با کیهان امروزی با لنزهای گرانشی بود. لنزهای گرانشی وقتی به وجود می‌آیند که جاذبه زیاد موجود در محیطی باعث خمیدگی نور اجرام دورتر می‌شود و مثل یک عدسی یا لنز عمل می‌کند. این پروژه داده‌های خود را با اختروش‌ها (Quasar) کالیبره کرد که نور آن‌ها با جاذبه کهکشان‌های نزدیکتر تحت تاثیر پدیده لنز گرانشی قرار گرفته بود. اختروش‌ها هسته بسیار فعال کهکشان‌های جوان هستند که در مرکزشان سیاهچاله‌ای ابرپرجرم دارند. نور اخروش‌ها تحت تاثیر اثر لنز گرانشی می‌تواند مسیر طولانی‌تر یا کوتاه‌تری را با طی کند تا به ما برسد و حتی تحت تاثیر جاذبه متفاوتی قرار بگیرد. بنابراین از یک اختروش چند تصویر با تاخیر زمانی می‌بینیم.

این تیم تحقیقاتی با ویژگی‌های فیزیکی دیگر اختروش‌ها مثل انتقال به سرخ و توزیع جرم تصویر تحت تاثیر لنز گرانشی، ثابت هابل را ۷۶.۸ در همان یکا به دست آورد. این داده‌ها در کنار نتایج پروژه SHoES تنش بین نتایج به دست آمده از محاسبات کیهان اولیه پلانک را تا پنج برابر عدم قطعیت یا پنج سیگما افزایش داد. این عدم قطعیت استانداردی در اکتشافات دنیای فیزیک است و عدم قطعیت این ثابت را تقریبا معادل خطای آماری احتمال یک در ۳.۵ میلیون می‌کند. چنین عددی بسیار زیاد است و معمولا در یک محاسبه کیهانشناسی اتفاق نمی‌افتد.

روز ۲۵ تیرماه ۱۳۹۸ در کنفرانس کولی، محققان موسسه علم کارنگی (Carnegie Institution for Science) و دانشگاه شیکاگو از نتایج بررسی‌های خود رونمایی کردند که دوباره عدد متفاوتی برای ثابت هابل نشان می‌داد. این بررسی‌ها بر اساس داده‌های پروژه SHoES بود که با شمع استاندارد متفاوتی کالیبره شده بود. این مطالعه ثابت هابل را ۶۹.۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به دست آورده بود.

شمع استاندارد این مطالعه ستاره‌های غول سرخ بودند. آن‌ها ستاره‌های پیری هستند که حجم آن‌ها افزایش پیدا کرده است، طی میلیون‌ها سال سوخت خود را مصرف کردند و حالا به جای هیدروژن، هلیوم می‌سوزانند. در نهایت، این فرآیند با انفجاری که به درخشش هلیومی (helium flash) شناخته می‌شود، پایان می‌یابد که یک انفجار سریع و درخشان است و پس از آن نور ستاره به شدت کم می‌شود.

منجمان با مدل‌های اخترفیزیکی می‌توانند بیشترین دما و فشاری را که یک درخشش هلیومی رخ می‌دهد، پیش‌بینی کنند و بیشترین روشنایی یک غول سرخ را تعیین کنند. در این صورت اگر ستاره به این حد از روشنایی برسد، می‌تواند یک شمع استاندارد باشد. محققان این ستاره‌ها را در ۱۸ کهکشان بزرگ مطالعه کردند تا ابرنواخترها را با آن‌ها کالیبره کنند و در نهایت ثابت هابل را به دست آورند.

روش مورد استفاده در این مطالعه علاوه بر ارائه یک معیار استاندارد مستقل، یکی از مشکلات کار با شمع‌های استاندارد را نیز بیان کرد. از آنجایی که متغیرهای دلتا قیفاووسی ستاره‌های جوانی هستند، باید در بین سایر ستاره‌های یک کهکشان به دنبال آن‌ها گشت. اما غول‌های سرخ ستاره‌های پیری هستند که در حاشیه کهکشان‌ها زندگی می‌کنند و اندازه‌گیری درخشش آن‌ها کار راحت‌تر و دقیق‌تری است.

بالاخره کدام نتیجه درست است؟

با این حال، دوباره باید گفت که تمام این مقادیری که برای ثابت هابل به دست آمده است، ممکن است فقط یک اشتباه محاسباتی در کالیبره کردن داده‌ها باشد. این تیم تحقیقاتی از غبار ابر ماژلانی بزرگ، کهکشان کوتوله نزدیک به ما برای کالیبراسیون داده‌های غول‌های سرخ استفاده کرد و منجمان دیگر احتمال می‌دهند که این تیم فاصله کهکشان‌های دوردست را در محاسبات خود جدی نگرفته باشد و مقدار ثابت هابل اشتباه به دست آمده باشد.

به علاوه، در کنفرانس کولی سه نتیجه دیگر از محاسبه ثابت هابل مطرح شد که بر اساس ستاره‌های متغیر، تابش مرکز کهکشان‌ها و محاسبه روشنایی مرکز تا لبه کهکشان‌ها انجام شده بود. تمام این محاسبات جدید مقدار ثابت هابل را به نتیجه پروژه SHoES نزدیکتر می‌دانستند و به نظر می‌رسید که این تنش به تازگی آغاز شده است.

اگر این تنش واقعی باشد، می‌توان نتیجه گرفت که مدلی که فیزیکدانان برای توصیف کیهان  اولیه استفاده می‌کنند، کامل نیست. با این حال، این مدل تاکنون پیش‌بینی‌های زیادی انجام داده که درست از آب درآمده است و منجمان به این زودی از آن دل نمی‌کنند. مدل لاندا سی‌دی‌ام تا امروز به طرز جالبی موفق بوده و به نظر می‌رسد که این مدل «اشتباه» تاکنون همه چیز را «درست» پیش‌بینی کرده است. اگر این مدل واقعا اشتباه باشد، بنابراین باید تناقض بزرگی در کار باشد.

تا امروز تمام اصلاحاتی که برای مدل لاندا سی‌دی‌ام ارائه شده، مشکلاتی در پیش‌بینی‌های آن ایجاد کرده است. البته برخی راه حلی‌هایی نیز ارائه داده‌اند که تغییری در نتایج آن ایجاد نمی‌کند، اما فیزیکدانان هر چیزی را که مدرک شهودی نداشته باشد، به سختی قبول می‌کنند.

با این حال، همه موافق‌اند که به داده‌های بیشتری برای تایید این نتایج نیاز دارند. اما همچنان برخی فکر می‌کنند که توجیه تنش ثابت هابل به فیزیک جدیدی نیازمند است که این مسئله را هیجان‌انگیزتر می‌کند. تاکنون محققان درباره این خطای پنج برابری درست فکر می‌کنند و تمام قطعات پازل را دارند، فقط چند قطعه برای تکمیل آن باقی مانده است.