کیهان‌شناسی: کشف داستان کیهان و مطالعه تاریخچه عالم

هزاران سال است که انسان‌ها آسمان را تماشا می‌کنند و به این فکر می‌کنند که عالم چطور شکل گرفته است. یافتن پاسخ این سؤال و سؤالاتی دیگر در زمینه عالم در مقیاس‌های بزرگ همواره از دغدغه‌های بشر بوده است. علم کیهان‌شناسی امروزه در تلاش است تا با کمک تکنولوژی به این دسته سؤالات پاسخ مناسب دهد. در این مقاله قصد داریم با علم کیهان‌شناسی بیشتر آشنا شویم.

علم کیهان‌شناسی

کیهان‌شناسی از قدیمی‌ترین علوم موردعلاقه بشر است، اما می‌توان آن را در دسته علوم نوپایه دسته‌بندی کرد؛ زیرا تنها چند دهه است که با پیشرفت ابزار و تکنولوژی به‌صورت رسمی وارد دنیای علم شده.

در این علم شگفت‌انگیز، کیهان به‌عنوان یک موجود جامع مورد مطالعه قرار می‌گیرد. به عبارت دیگر، در این علم اجرامی که کیهان را پر می‌کنند - مانند ستارگان، کهکشان‌ها و سیاهچاله‌ها - به‌صورت منفرد در نظر گرفته نمی‌شوند و عالم یک سیستم است.

پس با این دیدگاه سؤالاتی که مطرح می‌شوند عبارتند از: عالم چطور شکل گرفته است؟ از ابتدای شکل‌گیری تاکنون چه مراحلی را پشت سر گذاشته است؟ آیا عوالم دیگری همانند عالم ما وجود دارد؟ این عالم چطور به پایان می‌رسد؟ در‌حقیقت علم کیهان‌شناسی درحال تلاش برای ایجاد تصویری در مقیاس بزرگ از طبیعت و ویژگی‌های عالم است.

از آنجایی که این رشته در تلاش است تا ویژگی‌های بزرگ مقیاس عالم را شرح دهد، با رشته‌های دیگر مانند اخترفیزیک، شیمی، فیزیک ذرات و غیره در ارتباط نزدیک است. پس کیهان‌شناسی را می‌توان یک علم میان‌رشته دانست.

تاریخچه کیهان

ماهیت میان‌رشته‌ای این علم و نیازمندی آن به ابزار پیشرفته رصدی سبب شد تا کیهان‌شناسی نسبتاً دیر پیشرفت کند - می‌توان گفت تنها حدود صد سال است که کیهان‌شناسی به‌عنوان یک علم مستقل شناخته می‌شود؛ زیرا تصویر مدرن ما از کیهان در دهه ۱۹۲۰ تحولی عظیم یافت؛ زمانی که آلبرت انیشتین با ارائه نظریه نسبیت عام به‌عنوان چهارچوبی ریاضیاتی که فضا-زمان و خمیدگی آن را توصیف می‌کند، دید بشر از عالم را توسعه داد. درک جدید ما از گرانش سبب شد تا بفهمیم سیارات و ستاره‌ها چطور شکل گرفته و چطور در کنار هم قرار گرفته‌اند تا منظومه‌ها، کهکشان‌ها، خوشه‌های کیهانی و درنهایت ساختارهای کیهانی بزرگ مقیاس را توصیف کنند.

از سوی دیگر، در اواسط دهه ۱۹۲۰ ستاره‌شناس برجسته «ادوین هابل» رصدهایی با استفاده از تلسکوپ ۲۵۴ سانتی‌متری هوکر در رصدخانه مونت ویلسون در کالیفرنیا انجام داد که تأثیر شگرفی بر دانش بشر در شناخت عالم داشت. او در تلاش بود تا ماهیت ابرهایی را که در فضا دیده می‌شد، مشخص کند. او دریافت این ابرها درحقیقت کهکشان‌هایی هستند که امروزه می‌دانیم تعداد آن‌ها به تریلیون‌ها می‌رسد.

اما این تازه ابتدای راه بود. بزرگ‌ترین تحولات در دانشگاه ما از کیهان در راه بود. مطالعات هابل در اواخر دهه ۱۹۲۰ نشان داد کهکشان‌ها در جهت‌های مختلف درحال دورشدن از ما - از یکدیگر - هستند و فاصله آن‌ها با سرعت دورشدنشان رابطه خطی دارد. به عبارت دیگر، هرچقدر کهکشان‌ از ما دورتر باشد، با سرعت بیشتری نیز درحال دورشدن است.

در توضیح بیشتر مفهوم انبساط عالم می‌توان گفت: فرض کنید روی سطح بادکنک باد نشده‌ای، دو نقطه را با فاصله معینی علامت بزنیم. سپس شروع به بادکردن بادکنک کنیم. می‌بینیم هرچه بادکنک بیشتر باد شود، فاصله دو نقطه از یکدیگر افزایش می‌یابد. حال فرض کنید بادکنک عالم ماست و نقاط مذکور کهکشان‌ها و ساختارهایی هستند که با انبساط عالم درحال دورشدن از یکدیگر هستند. این مفهوم انبساط عالم است. بااین‌حال در نظر داشته باشید که خود کهکشان‌ها و ساختارهای کیهانی نیز دارای سرعت و حرکت‌های رندوم هستند، اما درنهایت انبساط شتاب‌دار رفتار حاکم بر عالم به‌عنوان یک سیستم کلی است.

این درحالی بود که اینشتین در زمان ارائه نظریه نسبیت عام خود و معادلاتی که قادر هستند عالم ما را توصیف کنند، کمیتی با نام ثابت کیهان‌شناختی را به معادلات خود افزود؛ زیرا باور داشت عالم ما ایستا و ساکن است. بعدها که هابل انبساط عالم را با رصد به اثبات رساند، اینشتین از ورود ثابت کیهان‌شناختی به معادلات خود به‌عنوان بزرگ‌ترین اشتباه عمرش یاد کرد.

علاوه‌براین، کشف امواج زمینه ریزموج کیهانی (CMB) در دهه ۱۹۶۰ نظریه محتملی را مطرح کرد: عالم در ابتدا ابعاد بسیار بسیار ناچیزی داشته و در کسر بسیار کوچکی از زمان دچار انبساط شده است و ساختارهای کیهانی کم‌کم در آن شکل گرفته‌اند. این نظریه که بیگ‌بنگ نام دارد، نشان می‌دهد احتمالاً عالم نیز آغاز و پایانی دارد. نظریه بیگ‌بنگ تحول عظیمی در کیهان‌شناسی ایجاد کرده است.

یکی دیگر از مهم‌ترین یافته‌هایی که تغییرات بزرگی در درک ما از عالم ایجاد کرد، کشف وجود ماده‌ای نامرئی بود که بخش اعظمی از محتوای ماده عالم را به خود اختصاص داده است. جالب است بدانید آنچه در عالم مشاهده می‌کنیم (آنچه به‌عنوان ماده مرئی شناخته می‌شود) تنها حدود ۵ درصد محتوای ماده عالم را در بر می‌گیرد. ۹۵ درصد دیگر را محتوایی تشکیل می‌دهد که نامرئی است. این ماده نامرئی به دو قسمت انرژی تاریک و ماده تاریک تقسیم می‌شود که دانشمندان عقیده دارند انرژی تاریک عامل انبساط شتاب‌دار عالم در دوره کیهانی اخیر است. به بیانی دیگر، انرژی تاریک قادر است به نیروی گرانش غلبه کند و سبب انبساط عالم شود‌.

ماده تاریک نیز همانند یک چسب گرانشی سبب می‌شود تا کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ مقیاس در کنار هم قرار بگیرند. از آنجا که این ماده به‌صورت مرئی قابل رؤیت نیست، آن را به کمک اثرات گرانشی که در فضا ایجاد می‌کند، شناسایی می‌کنند.

بدین‌ترتیب می‌توان گفت محتوای ماده و انرژی در عالم به این صورت تقسیم‌بندی شده است: ماده مرئی ۵ درصد، ماده تاریک ۲۵ درصد و انرژی تاریک ۷۰ درصد.

کیهان‌شناسی مدرن

کیهان‌شناسان امروزه این دانسته‌ها را تحت مدل «Lambda-CDM» بیان می‌کنند. این مدل که اتفاقاً معادلات نسبتاً ساده‌ای دارد، قادر است عالم ۱۳.۸ میلیارد ساله را از حدود ثانیه‌های اول شکل‌گیری تاکنون با دقت بسیار خوبی توصیف کند. همچنین این مدل مقدار عددی انرژی تاریک، ماده تاریک و ماده مرئی (که آن را ماده تاریک سرد نیز می‌نامند) را طوری حدس می‌زند که درنهایت می‌توان معادلات را به‌خوبی با داده‌های مشاهده و اندازه‌گیری‌شده از عالم تطبیق داد.

اما این بدان معنا نیست که علم کیهان‌شناسی به پایان خود نزدیک شده و درک ما از هستی تکمیل شده است. هنوز سؤالات متعدد بسیاری در این علم شگفت‌انگیز وجود دارد که کسی قادر به پاسخ‌دادن به آن‌ها نیست. به عنوان مثال: ماهیت انرژی تاریک چیست؟ اصل و مبدأ انرژی تاریک چیست؟ ماده تاریک از چه چیزی ساخته شده است؟ انرژی تاریک چطور می‌تواند سبب انبساط عالم شود؟ سرعت انبساط عالم دقیقاً چقدر است؟

نظریه تورم کیهانی

در میان سؤالات متعدد بی‌پاسخی که علم کیهان‌شناسی فعلاً با آن‌ها روبه‌رو است، می‌توان به زوایای تاریک نظریه «تورم کیهانی» نگاه کرد. تورم کیهانی یک نظریه شناخته شده است که به کمک آن ثانیه‌های اولیه شکل‌گیری عالم توصیف می‌شود.

در این نظریه بیان می‌شود عالم در ابتدا ذره‌ای بی‌نهایت کوچک بوده است که دوره‌ای تورمی را پشت سر گذاشته، به‌طوری که در مدت زمان بسیار بسیار کوتاهی رشد فزاینده چشمگیری داشته است. در اثر این تورم، اختلالاتی در عالم ایجاد شده که کم‌کم رشد کرده و ساختارهای کیهانی را شکل داده‌اند.

اما هیچ‌کس دقیقاً نمی‌داند جزئیات نظریه تورم چیست و چطور متوقف شده تا مراحل بعدی رشد عالم آغاز شود. آن ذره کوچک چه بوده است؟ منشأ عالم چیست؟ وقتی انبساط رخ می‌دهد، عالم سرد می‌شود؛ چطور عالم مجدداً گرم شده است تا ساختارها در آن شکل بگیرند؟ یافتن پاسخ این سؤالات نیازمند پیشرفت ابزار رصدی و تکنولوژی مرتبط با آن‌هاست. فیزیکدانان امیدوارند با کمک داده‌هایی که تلسکوپ‌هایی هم‌مانند هابل و جیمز وب در اختیار آن‌ها قرار می‌دهند و همچنین اکتشافاتی مانند امواج گرانشی، بتوانند به‌مرورزمان به این سؤالات پاسخ دهند.

دوره‌های کیهانی

داستان شروع عالم و رسیدن آن به مرحله‌ای که اکنون در آن قرار دارد، بدین صورت است: پس از آنکه تورم کیهانی رخ داد و ذره‌ای بی‌نهایت کوچک تحت تورم به‌صورت نمایی رشد کرد، عالم سرد و تاریک بود؛ یعنی ذرات نور (فوتون) وجود نداشت که عالم را روشن کند.

مدل استاندارد کیهان‌شناسی بیان می‌کند در حدود ده ثانیه پس از بیگ‌بنگ هر چهار نیروی بنیادی عالم (نیروی گرانش‌، نیروی الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف) که تا آن لحظه باهم نیروی واحدی را تشکیل می‌دادند، تبدیل به نیروهای جداگانه شدند. فرایند جدا‌شدن نیروها از یکدیگر را «شکست خود‌به‌خودی تقارن» می‌گویند.

در ادامه احتمالاً فرایندی که «بازگرمایش» نامیده می‌شود، رخ داد. در این مرحله عالم مجدداً گرم شد تا شرایط برای به‌وجودآمدن ساختارهای اولیه فراهم شود. در دوره بازگرمایش احتمالاً فوتون‌ها شروع به شکل‌گیری کردند و عالم روشن شد.

با افزایش تولید فوتون‌ها عالم وارد مرحله‌ای می‌شود که اصطلاحاً به آن «تابش غالب» می‌گویند. در این دوره عالم اصطلاحاً شفاف شده است و ما قادر هستیم تابشی را از آن دوره دریافت کنیم که در عالم پراکنده شده است و CMB نام دارد. CMB تابش همگن و همسانگردی است که اختلالات آن بسیار جزئی هستند. این تابش با دمای حدودی ۳ کلوین، حدود سیصد هزار سال پس از بیگ‌بنگ بر عالم غالب شده است. در آن زمان دمای عالم به‌اندازه‌ای بوده که پلاسمای گازی از اتم‌های خنثی تشکیل شود. از آنجا که در آن زمان هنوز ماده شکل نگرفته بود، این ذرات فوتون توانستند آزادانه در عالم حرکت کرده و پراکنده شوند.

در این دوره ذرات بنیادی شکل گرفتند و عناصر سبک اولیه مانند هیدروژن، هلیوم‌، لیتیوم و غیره را شکل دادند. عناصر سنگین‌تر پس از آنکه ستارگان شکل گرفتند و دما و فشار در مرکز آن‌ها به‌اندازه کافی بالا رفت‌، شکل گرفتند. برای شکل‌گیری این اجرام نیاز به رشد اختلالات مذکور بود. رشد اختلالات جزئی در راستای زمان سبب شد تا عالم وارد مرحله دیگری شود.

پس از آنکه اختلالات به‌اندازه کافی رشد کردند و غیرخطی شدند، کم‌کم ساختارهای کیهانی و آنچه امروزه به‌عنوان ماده در عالم می‌شناسیم، ایجاد شد. این دوره را دوره «ماده غالب» می‌نامند. کیهان‌شناسان باور دارند کهکشان‌ها، ستاره‌ها، منظومه‌ها، هاله‌های کهکشانی، خوشه‌های کیهانی و غیره همگی در این دوره شکل گرفته‌اند.

اما کم‌کم انرژی تاریک که مبدأ و ماهیت آن برای ما ناشناس است، بر عالم غلبه کرد و سبب شد تا عالم وارد فاز انبساط شتاب‌دار شود. این دوره، دوره «انرژی تاریک غالب» نام دارد؛ زیرا کیهان‌شناسان باور دارند انرژی تاریک عامل اصلی این انبساط است. عالم ما هم‌اکنون در این دوره قرار دارد و اجرای عالم مانند کهکشان‌ها و غیره درحال دورشدن از یکدیگر، با شتاب مثبت هستند.

دقت کنید دوره‌های مطرح‌شده مانند تابش غالب، ماده غالب و انرژی تاریک غالب هر کدام برای چند میلیارد سال بر عالم حاکم بوده‌اند و دقیقاً مشخص نیست فرایندهای گذار در آن‌ها به چه صورت بوده است. از سوی دیگر، احتمالاً دوره‌های تورم کیهانی و بازگرمایش تنها در کسری از ثانیه رخ داده‌اند و نهایتاً عالمی که امروزه مشاهده می‌کنیم، شکل گرفته است.

سؤالات متداول