بیگ بنگ: فیزیکدانان بتازگی عوامل کیهانی دیگری را پیشنهاد داده‌اند که می‌تواند سرعت بیش از حد انتظار انبساط فضا را شرح دهد.

به گزارش بیگ بنگ، اختلاف بین اینکه انبساط کیهان تا چه حد سریع به نظر می‌رسد و اینکه چه سرعت انبساطی مورد انتظار ما است، یکی از جدّی‌ترین مسائل غیر عادیِ همیشگی است. کیهان‌شناسان انتظارشان از نسبت انبساط جهان را بر پایۀ (نسبتی که به عنوان مقدار ثابت هابل شناخته می‌شود) اندازه‌گیری‌ها از تشعشعات گسیل شده اندکی پس از بیگ بنگ قرار داده‌اند. این تشعشع اجزای دقیق جهان اولیه را آشکار می‌سازد. محققان این اجزاء را به مدل تکامل کیهانی‌شان مرتبط می‌کنند و این مدل را پیش می‌برند تا ببینند امروز جهان تا چه اندازه سریع باید منبسط شود.

با این حال پیش‌بینی‌ها جوابگوی انتظارات نیستند، زمانی که کیهان شناسان اجرام نجومی نظیر برخی تپ اخترها را رصد می‌کنند، جهانی را نظاره می‌نمایند که سریع‌تر و با ثابت هابل بزرگتری انبساط می‌یابد. این اختلاف که بعنوان “تنش هابل” شناخته می‌شود، علی‌رغم دقیق‌تر شدن تمام اندازه‌گیری‌ها باقی مانده است. برخی از ستاره‌شناسان به این بحث ادامه می‌دهند که آیا ممکن است این تنش چیزی جز خطایی در اندازه‌گیری نباشد. اما اگر این اختلاف واقعی باشد، به این معناست که مدل دانشمندان از جهان چیزی کم دارد.

بتازگی، نظریه‌پردازان مشغول تصویربرداری از اجزای کیهانی جدیدی هستند که وقتی به مدل استاندارد اضافه شود نسبت انبساط مورد انتظارِ جهان را شدت بخشد و آن را با رصدها مطابقت دهد. آوی لئوب، کیهان‌شناس دانشگاه هاروارد و یکی از ده‌ها محقق که راه کارهایی برای تنش هابل پیشنهاد داده، گفت:« کشف نابهنجاری‌ها راهی بنیادین برای پیشرفت علم است.»

واپاشیِ ماده تاریک

مدل استاندارد کیهان‌شناسی تمامی اشکال آشنا از ماده و تشعشع و برهم‌کنش‌هایشان را در خود جای داده است. همچنین این مدل شامل مواد نامرئی‌ای است که به اسم انرژی تاریک و ماده تاریک شناخته می‌شوند و در مجموع 96% از کیهان را تشکیل می‌دهند. به دلیل اینکه شناخت کمی از این اجزای تاریک وجود دارد، شاید بدیهی‌ترین مکان برای شروع دستکاری در مدل استاندارد باشند. به گفته لئوب:«برای تغییر نسبت انبساط کیهان، کار کردن روی این اجزا تنها گزینه در دسترس است.»

در مدل استاندارد فرض بر این است که ماده تاریک از ذرات کُندی تشکیل شده که با نور اثر متقابلی ندارد.  اما چه می‌شود اگر فرض کنیم که ماده تاریک تنها از یک ماده تشکیل نشده است؟ از آنجایی که ذرات مرئی بسیاری وجود دارند (کوارک‌ها، الکترون‌ها و سایر موارد) شاید ذرات تاریک مختلفی هم وجود داشته باشند.

در مقاله‌ای که تابستان سال قبل در فیزیکال ریوی یو دی منتشر شد، لئوب و دو تن از همکارانش نوعی از ماده تاریک را در نظر گرفتند که به ذره‌ای سبک‌تر و ذره‌ای بی‌جرم که “فوتون تاریک” نام دارد، واپاشی می‌کند. آنها اینگونه استدلال کردند که با واپاشی هرچه بیشتر ماده تاریک در طول زمان، کشش گرانشی‌شان کاهش می‌یابد و بنابراین انبساط کیهان، سریع‌تر خواهد شد و تنش هابل را رها می‌سازد.

اما ایجاد چنین تغییرات کوچکی در مدل استاندارد کیهان شناختی تاثیرات ناخواسته‌ای را به دنبال دارد. “مارک کامیونکاسکی” فیزیکدان نظری در دانشگاه جان هاپکینز گفت:«انجام انواع تغییرات جزئی بسیار ساده است، اما انجام این کار بدون نابود کردن جایگیری مناسب مدل، با بسیاری از مشاهدات نجومی دیگر ممکن نیست.»

با متغیر بودن نسبت واپاشی و میزان ماده تاریکی که در هر واپاشی از بین می‌رود، لئوب و همکارانش مدل واپاشی‌ای را برای ماده تاریک انتخاب نمودند که به گفتۀ آنها هنوز با سایر مشاهدات نجومی دیگر مطابقت دارد. به گفته لئوب:« اگر شما این جزء را به مدل استاندارد کیهان شناسی بیافزایید همه چیز انسجام خودش را حفظ می‌کند.» با این حال او از نظریه واپاشی ماده تاریک راضی نیست، بخشی به این دلیل که این نظریه دو کمیّت جدید را به معادلات اضافه می‌کند.

با مقایسه واپاشی ماده تاریک با پیراچرخه[1] در مدل زمین محور بطلمیوسی از جهان، لئوب گفت: «در این مورد، شما دو پارامتر (عامل) آزاد را به منظور حل یک اختلاف اضافه می‌کنید و من از آن ناراحتم، ترجیح می‌دهم که دو اختلاف را با یک پارامتر شرح دهم.»

انرژی تاریک ناپایدار

از زمان کشف شگفت‌آور “شتاب انبساط کیهان” در سال 1998 ، محققان انرژی تاریک رانشی را در مدلشان از تکامل کیهان قرار داده‌اند. اما ماهیت این انرژی یک راز مانده است. ساده‌ترین امکان ممکن این است که انرژی تاریک همان “ثابت کیهان شناختی” باشد، انرژیِ متعلق به خود فضا، با چگالی یکسان در همه جا. اما اگر میزان انرژی تاریک در تمام جهان ثابت نباشد چه؟

مقدار اضافی‌ای از انرژی تاریک در جهان اولیه، ملقب به انرژی تاریک نخستین می‌تواند مقادیر مغایر با هم از ثابت هابل را تطبیق دهد. فشار رو به بیرون این انرژی تاریک نخستین انبساط کیهان را شتاب بخشیده است. لیزا رندال، فیزیکدان ذرات و کیهان‌شناس در دانشگاه هاروارد گفتک«بخش دشوار این است که (انرژی تاریک نخستین) نمی‌تواند واقعا باقی بماند و باید هرچه سریع‌تر کنار برود.»

رندال و همکارانش راه کارهایی را برای تنش هابل ابداع کرده‌اند که آن را “راک اند رول” می‌نامند، که در مقاله‌ای به ژورنال فیزیک انرژی‌های بالا (High Energy Physics) ارسال شد. هر یک از این افزوده‌ها به مدل استاندارد، شکل متفاوتی از ریاضیات را به خود می‌گیرد، در برخی چگالی انرژی تاریک نوسان دارد یا متزلزل است، در حالی که در دیگر موارد از مقادیر زیاد به صفر نزول می‌کند. اما در تمامی موارد، “انرژی تاریک نخستین” باید پس از چند صد هزار سال در طی دورانی که با نام بازترکیب شناخته می‌شود، ناپدید شود. کامیونکاسکی که نویسندۀ همکار مقاله‌ای در مورد انرژی تاریک است، گفت:«تاریخ کیهان از عصر نو ترکیب، کاملا با مدل استاندارد سازگار است. بنابراین هرگونه دوز و کلکی که در مورد جهان اولیه به کار ببندیم باید محو گردد.»

در کنار انرژی تاریک نخستین، نظریه‌پردازان دیگر شکل‌های عجیب و غریب انرژی تاریک را ارائه داده‌اند، نظیر جوهر اصلی[2] و انرژی تاریک اسرارآمیز که با گذر عمر جهان تغییر می‌کنند. در حالی که این افزوده‌ها به مدل استاندارد، باعث رهاسازی “تنش هابل” می شود، اما آنها از سوی بسیاری از کیهان‌شناسان بعنوان افزوده‌های ریاضیاتی مناسب و منظمی هستند که توجیح دقیقی ندارند.

اما کامیونکاسکی می‌گوید: «اَشکال جدید انرژی تاریک زمانی که دیگر دوران‌های انبساط در تاریخ جهان در نظر گرفته می‌شوند جور در نمی‌آیند. به عنوان مثال، اغلب محققان گمان می‌کنند که فضا در آغاز بیگ بنگ، در دورانی که با نام تورم شناخته می‌شود به گونه‌ای نمایی و سریع، انبساط شده است، و با نوع ِ متفاوتی از انرژی تاریک، با آنچه امروز وجود دارد، کاملا فرق دارد. به گفته کامیونکاسکی اینگونه دوران‌ها که انرژی تاریک بر آنها حاکم بوده گاه و بیگاه در طول تاریخ جهان روی داده است.»

گرانش تغییر یافته

در مدل استاندارد کیهان شناسی، تمامی اشکال شناخته شده از ماده و تشعشع، به علاوه ماده تاریک و انرژی تاریک در نظریه گرانشی آلبرت اینشتین جای می‌گیرند، و معادلات اینشتین نشان می‌دهند که چطور فضا در نتیجۀ آن انبساط می‌یابد. به این معنا که در کنار تغییرات و افزودن اجزای کیهانی به مدل، راه دیگری هست که فیزیکدانان می‌توانند آن را با نسبت انبساط کیهانی مشاهده شده تطبیق دهند. به گفته لئوب:« می‌توانید تصور کنید که معادلات اینشتین صحیح نیستند.»

ویلیام بارکر، دانشجوی دکترا در دانشگاه کمبریچ تابستان سال گذشته به دنبال نظریه‌ای برای “گرانش تغییر یافته” بود که به راه کاری برخورد که بتوان تنش هابل را حل کرد. بارکر مدل تغییریافتۀ گرانشی‌ای را پیدا کرد تا طوری رفتار کند که انگار تشعشع اضافی‌ای در جهان اولیه وجود داشته است. فشار ناشی از تشعشعی که نسبت انبساط کیهانی را افزایش می‌دهد.

اما در نسخه پیش چاپی که در ماه مارس به فیزیکال ری ویو دی ارسال شد، بارکر و سه نویسنده همکارش تصدیق کردند که تجزیه تحلیل‌های بسیار بیشتری نیاز است تا مشاهد شود که آیا مدل می‌تواند نه تنها نحوه چگونگی انبساط جهان را شرح دهد، بلکه می‌تواند نحوۀ تکامل ساختارهایی نظیر کهکشان‌ها و خوشه‌ها را نیز توضیح دهد.

با تلسکوپ‌های معاصر که داده‌هایی به میزان تحسین برانگیزی دقیق در مورد چنین ساختارهایی ارائه کرده‌اند، ابداع نظریه‌ای که با تمام رصدها مطابقت داشته باشد شاهکار یک بسیار عالی است. کامیونکاسکی گفت:«بسیاری از نظریه‌های تغییر یافتۀ گرانشی، نظریه‌های کاملی نیستند و زمانی که سعی دارید محاسبات دقیقی را با دسته‌ای از داده‌های پیچیده انجام دهید…سخت است که این کار را به شکلی قاطعانه اجرا کنید.»

صبر کن و بنگر

راندل در مورد طرح‌هایی که تاکنون ارائه شده‌اند می‌گوید:«همگی می‌دانیم که موقتی و موردی هستند، نکتۀ جالب این است که حتی با این افزوده‌های موقتی، هنوز بسیار دشوار است که با اختلاف موجود سازگار شوند.» حتی با آزادی عمل اضافه، اغلب مدل‌های غیراستاندارد، تنش هابل را تنها کاهش می دهند تا اینکه آن را رفع کنند. آنها انبساط کیهانی سریع‌تری را نسبت به مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کنند، اما هنوز آنقدر سریع نیست که با رصدها از ابرنواخترها و دیگر اجرام نجومی تطابق یابد.

در سال‌های پیش رو، تلسکوپ اقلیدس و دیگر تلسکوپ‌ها به دقت، نحوۀ تاثیر گرانش و نیروی انرژی تاریک را در فرم‌دهی به تکامل کیهانی نقشه برداری می کنند. در این فاصله، امواج گرانشی ساطع شده از برخورد ستاره‌های نوترونی راه جدیدی را برای اندازه‌گیری ثابت هابل ارائه می‌کند. داده‌های جدید برخی از این راه کارهای نوظهور در مورد تنش هابل را رد می‌کنند؛ اما ممکن است خلل‌های تازه‌ای در مدل استاندارد ظاهر شود. در حال حاضر، بسیاری از کیهان‌شناسان مایل نیستند در حالی که مدل به خوبی کار می‌کند آن را پیچیده‌تر کنند. راندل می‌گوید:« کمی حس انتظار و به نظاره نشستن وجود دارد، مگر اینکه کسی ایدۀ خیلی خوبی داشته باشد.»

او افزود که حتی اگر مشخص شود “تنش هابل” چیزی بیش از انباشت خطاها نبوده، این تحقیق برای فیزیک نوین بی‌ثمر نبوده است. راند اظهار داشت:« گاهی نتایج قابل توجهی از مسائلی سر بدست می‌آید که در نهایت کنار خواهند رفت. این امر شما را وادار می‌کند که بیاندیشید چه می‌دانیم؟ و تا چه حد می‌توانیم اوضاع را تغییر دهیم؟»

ترجمه: حسین طریقی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: quantamagazine.org

[1] Epicycle: دایره‌ای که مرکزش روی دایره بزرگتر است و در مدار دایره بزرگتری حرکت می‌کند.

[2] Quintessence: در کیهان‌شناسی به نظریه‌ای اطلاق می‌شود که انرژی تاریک در جهان شاید به دلیل میدان اسکالر است و در طی زمان شکل می‌گیرد.