بیگ بنگ: در میان ستارگان بیشماری که در گستره فضا میدرخشند، برخی آنقدر پیر هستند که طلوع جهان را تجربه کردهاند. در فاصلهی ۱۹۰ سال نوری از زمین، ستارهای وجود دارد که براساس تمام مشاهدات، از جهان ۱۳٫۸ میلیارد ساله سن بیشتری دارد؛ اما چگونه چنین چیزی امکانپذیر است؟
به گزارش بیگ بنگ، اخترشناسان بیش از ۱۰۰ سال است که ستاره عجیبی را در صورت فلکی برج میزان رویت کردهاند. این ستاره ۱۹۰ سال نوری از زمین فاصله دارد و با سرعت ۱.۳ میلیون کیلومتر بر ساعت در آسمان حرکت میکند. اما نکته جالبتر این است که HD 140283 یا متوشالح«Methuselah» یکی از قدیمیترین ستارههای شناخته شده در جهان است. طبق براورد دانشمندان قدمت این ستاره ۱۴.۵ میلیارد سال است که بیشتر از سن کیهان است.
دانشمندان در سال ۲۰۰۰ با استفاده از مشاهدات ماهواره هیپارکوس آژانس فضایی اروپا، اقدام به تعیین سن این ستاره کردند. «هاوارد باند» از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا گفت که ناهمخوانی چشمگیری میان عمر این ستاره و عمر کیهان وجود دارد. با توجه به ظواهرِ امر، سن پیشبینیشدهی این ستاره مسئله مهمی را مطرح میسازد. چطور میشود قدمت یک ستاره بیشتر از جهان باشد؟ یا برعکس، چطور میشود قدمت جهان کمتر از ستاره باشد؟ کاملا مشخص بود که ستارۀ متوشالح قدمت زیادی دارد، زیرا از جنس هیدروژن و هلیوم است و آهن بسیار ناچیزی دارد.
محققان ۱۱ مجموعه مشاهده را که بین سالهای ۲۰۰۳ تا ۲۰۱۱ با تلسکوپ فضایی هابل ضبط شده بود، بررسی کردند. هابل موقعیت، فاصله و خروجی انرژی ستارهها را ثبت کرده بود. “باند” این چنین توضیح داد: «یکی از موارد نامعلومی که سن HD 140283 دارد، فاصله دقیق این ستاره بود. محاسبه دقیق آن اهمیت زیادی داشت، زیرا میتوانستیم درخشندگی آن را تعیین کنیم. با توجه به سن، هر چقدر درخشندگی آن بیشتر باشد، ستاره جوانتر است. ما به دنبال اثر اختلاف منظر بودیم.»
“باند” در ادامه افزود: «یکی دیگر از عوامل مهم، مقدار اکسیژن در این ستاره بود. نسبت اکسیژن به آهن در ستاره HD 140283 بسیار بالاتر از حد مورد انتظار بود زیرا اکسیژن در چند میلیون سالِ نخست جهان، به وفور یافت نمیشد. این عامل دوباره به سن زیاد ستاره اشاره میکرد.»
باند و همکارانش تخمین زدند که سن HD 140283 باید ۱۴.۴۶ میلیارد سال باشد؛ لذا با برآورد قبلی که قدمت آن را ۱۶ میلیارد سال اعلام کرده بود، تفاوت فاحشی داشت. با این حال، همین رقم نیز بیشتر از عمر جهان است. دانشمندان اعلام کردند که عمر این ستاره باید ۸۰۰ میلیون سال کمتر یا بیشتر از ۱۴.۴۶ میلیارد سال باشد. در نتیجه، قدمت این ستاره با قدمت جهان تا حدود زیادی همخوانی دارد.
متوشالح یک ستاره زیرغول (Subgiant) بوده که از بسیاری از ستارگان دیگر درخشانتر است، اما هنوز به درخشانی ستارگان غول پیکری نیست که به قدری بزرگ هستند که نسبت اندازه آنها با دما و جرمشان غیرعادی به نظر میرسد. زیرغولها، قرمزتر از ستارههای غولپیکر هستند. ستارگان با سوزاندن هیدروژن در هسته خود و تبدیل آن به هلیوم از طریق همجوشی هستهای انرژی آزاد میکنند. ستارگان پرجرم زمانی که شروع به تخلیه ذخایر هیدروژن خود میکنند به فاز زیرغول میرسند. در این مرحله از زندگی یک ستاره، روشنایی یا درخشندگی آن، راهی عالی برای تخمین سن آن است. کمنور تر بودن ستارگان زیرغول به معنای پیرتر بودن آنها است. این ستاره در طی میلیاردها سال به آرامی کمنورتر شده است، اگرچه نزدیکی آن به زمین باعث میشود که برای ما چندان کمنور نباشد و با دوربین شکاری مناسب قابل مشاهده باشد.
فیزیکدان «رابرت متیوز» از دانشگاه آستون در بیرمنگام انگلیس که نقشی در مطالعه حاضر نداشت، بیان کرد: «به مانند کلیه برآوردها، میتوان گفت که برآورد ما هم در معرض خطای سیستماتیک قرار دارد. نوعی همپوشانی که در برآوردهای خطا وجود دارد، نشان از احتمال تداخل با تعیین سن کیهان دارد. به عبارت دیگر، بهترین پیشبینیِ ارائه شده برای قدمت این ستاره در مغایرت با قدمت جهان قرار دارد. این تناقض تنها با هدایت نمودارهای خطا در پیشبینی به سمت کرانههای آن قابل حل خواهد بود.»
محققان در اندازهگیریهای بعدی خود به این نتیجه رسیدند که ستاره HD 140283 حتی عمر کمتری دارد. مطالعهای که در سال ۲۰۱۴ میلادی انجام شد، سن این ستاره را ۱۴.۲۷ میلیارد سال اعلام کرد. “باند” خاطرنشان کرد: «اینطور نتیجهگیری شد که سن این ستاره تقریباً ۱۴ میلیارد سال است و اگر همه موارد عدمقطعیت را در کار منظور کنیم، یعنی هم در اندازهگیریهای مبتنی بر مشاهده و هم در مدلسازیهای نظری، خطا تقریباً ۷۰۰ یا ۸۰۰ میلیون سال است؛ پس هیچ تناقضی وجود ندارد زیرا ۱۳.۸ میلیارد سال در نمودار خطای این ستاره جای دارد.»
نگاهی دقیق به سن جهان
از دید آقای باند، وجوه تشابه میان سن جهان و سن این ستاره که هردویشان با روشهای تحلیل متفاوتی تعیین شدهاند، یک دستاورد علمی فوقالعاده محسوب میشود که شواهد بسیار قوی و مستدلی برای تصویر بیگ بنگ عرضه میکند. مشکلی که سن قدیمیترین ستاره جهان به وجود آورده، با ملایمت بیشتری در مقایسه با دهه ۱۹۹۰ همراه است. در دهه ۱۹۹۰ بود که سن برخی از ستارهها را ۱۸ میلیارد سال و در برخی موارد حتی ۲۰ میلیارد سال هم تخمین زده بودند. اما آقای متیوز بر این باور است که مشکل کماکان پابرجاست و حل نشده است.
اخترشناسان در کنفرانس بین المللی «کیهان شناسان برتر» در موسسه فیزیک نظری سانتا باربارا در کالیفرنیا (۱۹ جولای ۲۰۱۹) در مورد مطالعاتی با تردید نگاه میکردند که هر کدام ارقام متفاوتی برای سن جهان برآورد کرده بودند. آنها مشغول بررسی اندازهگیریها از کهکشانهای نسبتاً نزدیکی بودند که نشان میدادند جهان صدها میلیون سال جوانتر از سن تعیینشده بهوسیلهی تابش زمینه کیهانی است.
در واقع، همانطور که تلسکوپ فضایی پلانک اروپا با اندازهگیریهای جامع خود از تابش زمینه کیهانی در سال ۲۰۱۳ تخمین زده بود، قدمت جهان میتواند ۱۱.۴ میلیارد سال باشد. یکی از افرادی که در این مطالعات نقش داشت، «آدان رایس» برنده جایزه نوبل از موسسه علوم تلسکوپهای فضایی در بالتیمور مریلند است. نتیجهگیریها بر اساس ایده «انبساط جهان» استوار هستند. ادوین هابل این ایده را در سال ۱۹۲۹ نشان داده بود. ایدۀ مذکور اهمیت زیادی در تبیین بیگ بنگ دارد؛ یعنی زمانی یک حالت چگال و داغی وجود داشت که با انفجارش باعث گستردگی فضا شد.
لذا از نوعی نقطه آغاز حکایت دارد که باید قابل اندازهگیری باشد، اما یافتههای جدید نشان میدهد که آهنگ انبساط تقریباً ۱۰ درصد بیشتر از آن چیزی است که پلانک تخمین زده بود. در واقع، تیم پلانک تعیین کرد که آهنگ انبساط جهان ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک است، اما اندازهگیریهای جدید از آهنگ انبساط جهان به مقدار ۷۳ یا ۷۴ اشاره دارد. یعنی تفاوتی میان سرعت انبساط جهانِ امروز و پیشبینیهای مربوط به اینکه سرعت انبساط باید بر اساس فیزیکِ جهان اولیه چگونه باشد، وجود دارد. اینها باعث میشود ما دوباره نظریههای مورد قبول را ارزیابی کنیم و همچنین از این مسئله غافل نشویم که هنوز باید اطلاعات زیادی دربارۀ ماده تاریک و انرژی تاریک کسب کنیم، چرا که نمیتوان به سادگی از کنار نقش احتمالی این دو نیروی مرموز عبور کرد.

مقدار بالای ثابت هابل از سن کمتر جهان حکایت دارد. ثابت ۶۷.۷۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به عُمری بالغ بر ۱۳.۸ میلیارد سال ختم میشود، در حالیکه ثابت ۷۳ یا ۷۴ (بر طبق برخی از مطالعات) نشان میدهد که عمر جهان نباید بیشتر از ۱۲.۷ میلیارد سال باشد. این ناهمخوانی نشان میدهد که ستاره HD 140283 قدمتی بیشتر از جهان دارد. مقاله منتشر شده در سال ۲۰۱۹ در مجله معتبر «Science» این برآورد را باطل دانسته و پیشنهاد کرد که ثابت هابل ۸۲.۴ است؛ یعنی جهانِ ما فقط ۱۱.۴ میلیارد سال عمر دارد. “متیوز” اعلام کرده که جواب نهایی در نوعی نگرش اصلاح شدهی کیهانشناسانه نهفته است: «گمان میکنم کیهانشناسان آن عاملی را که باعث این تناقض شده، نادیده گرفتهاند. مسئله تعیین سن جهان، برخلاف تعیین سن ستارگان، با نامعلومیهای زیادی در بخش نظری و مشاهده همراه است.»
آیا دانشمندان موفق به حل این مسئله خواهند شد؟
“متیوز” در ادامه گفت: «دو راه پیش رویمان وجود دارد؛ تاریخ علم نشان میدهد که در چنین مواردی، واقعیت ترکیبی از این دو راه است. در این مورد، منابعِ خطای مشاهداتی مورد توجه است که بهطور کامل آنها را درک نکردهایم؛ همچنین شکافهایی در نظریه دینامیک جهان وجود دارد؛ مثل قدرت انرژی تاریک که اصلیترین عامل انبساط کیهان برای چند میلیارد سال بوده است. این احتمال وجود دارد که تناقض سنی فعلی بازتابدهنده تغییر زمانی در انرژی تاریک است؛ یعنی تغییر در نرخ شتاب. برخی از دانشمندان بر این باورند که این احتمال با ایدههای مربوط به طبیعت بنیادی جاذبه سازگاری دارد. تحقیقات جدید درباره امواج گرانشی میتواند در حل این تناقض نقش موثری داشته باشد.»
دانشمندان برای انجام این کار، تحریفهای موجود در تار و پود فضا و زمان را بررسی میکنند که جفت ستارههای مُرده آنها را پدید آورده است؛ پس آنها بر پس زمینه ریزموج کیهانی یا نظارت بر اجرام سماویِ نزدیک مثل متغیرهای قیفاووسی و ابرنواخترها تکیه نمیکنند تا ثابت هابل را اندازهگیری کنند. مشکل اینجاست که اندازهگیری امواج گرانشی به هیچ وجه کار آسانی نیست؛ با توجه به اینکه این امواج برای نخستین بار در سال ۲۰۱۵ مورد شناسایی قرار گرفتند.
اما بر طبق اعلام «استفان فینای» اخترفیزیکدان در موسسه فلاتریون در نیویورک، احتمال دارد در دهه آتی دستاورد بزرگی در این زمینه کسب شود. هدف محققان، جمعآوری داده از برخورد میان جفت ستارههای نوترونی با استفاده از نور مرئی است که چنین برخوردهایی انتشار میدهند. محققان میخواهند سرعت حرکت آنها را مورد محاسبه قرار دهند. رازِ سن ستاره HD 140283 به مسئله بزرگتری ختم میشود که به لحاظ علمی بسیار پیچیده است، لذا درک ما از چگونگی کارکرد جهان تغییر میکند.
“متیوز” در پایان گفت: «محتملترین توضیح برای این تناقض عبارتست از نوعی اثر مشاهدهای که نادیده گرفته شده یا چیز بزرگی که ما از آن خبر نداریم. اخترشناسان هنوز نمیدانند این «چیز» چیست و چه ماهیتی دارد و قصد دارند در بررسیهای آتی خود از این قضیه سر در بیاورند.»
ترجمه: منصور نقیلو/ سایت علمی بیگ بنگ
منبع: space.com
لینک کوتاه نوشته : http://bigbangpage.com/?p=89686