جدیدترین داده‌های هابل دربارۀ سرعت انبساط کیهان

1
1692

بیگ بنگ: اخترشناسان با استفاده از داده‌های تلسکوپ فضایی هابل ناسا اعلام کردند که گام بسیار مهمی را در حل یک ناهمخوانی میان دو روش کلیدی برای اندازه‌گیری سرعت ِ انبساط کیهان برداشتند. مطالعه اخیر بر این ایده تاکید دارد که شاید نظریه‌های تازه‌ای برای توضیح نیروهای تاثیرگذار در شکل‌دهی به کیهان مورد نیاز باشد.

به گزارش بیگ بنگ، جهان در هر ثانیه بزرگتر و بزرگتر می شود. فضای میان کهکشان‌ها در حال انبساط است. اما جهان با چه سرعتی در حال ِ انبساط است؟ همچنانکه تلسکوپ فضایی هابل و سایر تلسکوپ‌ها در تلاش‌اند تا پاسخی برای این پرسش بدهند، گاهی اختلاف ِ چشمگیری هم میان آنچه دانشمندان پیش‌بینی می کنند و آنچه مشاهده می کنند، رخ می دهد. اندازه‌گیری‌های هابل نشان از سرعت ِ انبساط بالاتری دارد؛ چیزی که در تصورات پیشین لحاظ نشده بود. برای اینکه متوجه شویم جهان چگونه ۱۳ میلیارد سال پیش شکل گرفته، اندازه‌گیری‌های مربوط به ابتدای جهان به کمک ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا انجام شده است. این ناهمخوانی در مقاله‌های علمی که در چند سال گذشته به چاپ رسیده‌، مشاهده شده‌اند، اما معلوم نیست که این اختلافات را باید به شیوه‌های اندازه‌گیری نسبت داد یا اندازه‌گیری‌هایی که با بخت و اقبال زیادی همراه نبوده است.

جدیدترین داده‌های هابل نشان می دهد این ناهمخوانی فقط یک استثنای بسیار نادر است (۱ در ۱۰۰۰۰۰)، کمرنگ می کند. بررسی‌های سال گذشته نشان می داد که این احتمال ۱ در ۳۰۰۰ است. اما دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های هابل که تاکنون به انجام رسیده، بر این ایده تاکید دارد که شاید فیزیک جدیدی برای توضیح این ناهمخوانی مورد نیاز باشد. محقق و برنده جایزه نوبل «آدام رایس» از موسسه علوم تلسکوپ فضایی و همچنین دانشگاه جانز هاپکینز در بالتیمور مریلند گفت: «این ناهمخوانی در حال ِ افزایش بوده و حالا به نقطه‌ای رسیده که دیگر نمی شود آن را بعنوان استثنا در نظر گرفت.»

سفت کردن پیچ و مهره‌ها در نردبان فاصلۀ کیهانی

دانشمندان از «نردبان فاصله کیهانی» برای تعیین فاصلۀ اجرام در کیهان استفاده می کنند. این روش به انجام اندازه‌گیری‌های دقیق از فاصله نسبت به کهکشان‌های مجاور و سپس بررسی کهکشان‌های دیگر بستگی دارد. از ستاره‌های آن کهکشان‌ها نیز بعنوان نشانگرها استفاده می شود. اخترشناسان از این مقادیر و اندازه‌گیری نور کهکشان‌ها استفاده می کنند تا سرعت انبساط کیهان را با گذشت زمان مورد محاسبه قرار دهند. این مقدار را تحت عنوان «ثابت هابل» نامگذاری کرده‌اند. رایس و تیم ابرنواختر H0 در اروپا (SH0ES) از سال ۲۰۰۵ میلادی در تلاش بودند تا این اندازه‌گیری‌های فاصله را به کمک داده‌های تلسکوپ هابل تصحیح کنند و ثابت هابل بهتری را ارائه نمایند.

اخترشناسان در مطالعه جدیدشان از تلسکوپ هابل برای مشاهده ۷۰ ستاره متغیر قیفاووسی در ابر ماژلانی بزرگ استفاده کردند. این مشاهدات به اخترشناسان کمک کرد تا نردبان فاصله را با بهبود مقایسه میان ستاره‌های متغیر قیفاووسی فوق الذکر و خویشاوندان نزدیک آنها در میزبان های کهکشانی، از نو بسازند. تیم آقای رایس میزان نامعلومی در ثابت هابل را از ۱٫۹ درصد به ۲٫۲ درصد کاهش دادند. در این عکس، نمایی از ابر ماژلانی بزرگ را می بینید که با تلسکوپ‌های واقع در زمین تهیه شده است.

در عکس زیر، یکی از چند خوشه ستاره‌ای را می بینید که در این کهکشان کوتوله قرار دارد. اعضای این خوشه شامل دستۀ ویژه‌ای از ستاره‌ها هستند که با عنوان متغیرهای قیفاووسی شناخته می شوند. نور این ستاره‌ها با سرعت قابل پیش‌بینی کم و زیاد می شود. به محض اینکه اخترشناسان آن مقدار را تعیین کنند، میتوانند نور حاصل از این ستاره‌ها را مورد اندازه‌گیری قرار دهند تا فاصلۀ دقیق نسبت به آن کهکشان محاسبه شود. وقتی مشاهدات جدید هابل با روش اندازه‌گیری فاصله مستقل در خصوص ابر ماژلانی بزرگ همبستگی پیدا کرد، محققان توانستند بنیان «نردبان فاصله کیهانی» را تحکیم ببخشند.

stsci h pa m xاین کار باعث بهبود دقت در اندازه‌گیری ِ سرعت انبساط کیهان شده است؛ سرعتی که با عنوان ثابت هابل شناخته می شود. اگرچه اندازه‌گیری محققان دقیق‌تر شده است، اما محاسبه آنها از ثابت هابل همچنان با مقدار پیش‌بینی شده در تناقض قرار دارد؛ این مقدار از مشاهدات مربوط به انبساط جهان اولیه نشات می گیرد. ماهواره پلانک نقش اصلی را در آن اندازه‌گیری‌ها داشته و مسئولیت ترسیم نقشۀ پس زمینه ریزموج کیهانی را بر عهده دارد؛ نوعی تابش که به ۳۸۰۰۰۰ سال پس از بیگ بنگ تعلق دارد. این اندازه‌گیری‌ها بطور جامع مورد بررسی قرار گرفته‌اند، پس اخترشناسان نمی توانند در حال حاضر خلاء میان دو نتیجه را نادیده بگیرند و دلیل آن خطایی است که در اندازه‌گیری یا روش مورد نظر وجود دارد. هر دو مقدار برای چندین بار به طُرق مختلف آزمایش شده‌اند.

رایس این چنین توضیح می دهد: «این بحث به دو آزمایشی که همدیگر را نقض می کنند، محدود نیست. ما در حال اندازه‌گیری ِ چیز کاملا متفاوتی هستیم. یکی به اندازه‌گیری سرعت انبساط کیهان در حال حاضر اشاره می کند و دیگری یک پیش‌بینی است که بر پایه فیزیک جهان اولیه قرار دارد. اگر این مقادیر با یکدیگر سازگار نباشند، این احتمال قوی وجود خواهد داشت که ما چیزی را در مدل کیهان‌شناسی نداریم. این عامل میتواند دو عصر را به همدیگر پیوند دهد.»

مطالعه چطور به انجام رسید؟

اخترشناسان بیش از یک قرن است که از ستاره‌های متغیر قیفاووسی بعنوان محک‌هایی برای اندازه‌گیری فواصل میان کهکشانی استفاده می کنند. اما تلاش برای دستیابی به چند نمونه از این ستاره‌ها به قدری زمان بر بود که کار را بسیار دشوار میکرد. بنابراین، محققان از روش هوشمند ِ تازه‌ای به نام «DASH» استفاده کردند. در این راستا، از تلسکوپ فضایی هابل بعنوان دوربینی برای تهیه عکس‌های فوری از ستاره‌های درخشانِ تپنده کمک گرفته شد.

در عکس زیر، مراحل اصلی که اخترشناسان از آنها برای محاسبه سرعت انبساط جهان با گذشت زمان استفاده کردند، نشان داده شده است. در تمامی مراحل، ایجاد نردبان فاصله کیهانی از کارهای ضروری است. این کار با اندازه‌گیری فواصل دقیق نسبت به کهکشان‌های نزدیک شروع شده و سپس کهکشان‌های دورتر را در برمیگیرد. این نردبان به یک سری اندازه‌گیری از انواع مختلفی از اجرام فضایی اشاره دارد که درخشندگی ذاتی دارند.

stsci h pb mxاخترشناسان از این درخشش میتوانند برای محاسبه فواصل استفاده کنند. از جمله قابل اطمینان‌ترین موارد برای فواصل کوتاه‌تر، متغیرهای قیفاووسی هستند؛ اینها با سرعتی قابل پیش‌بینی در حال تپش هستند و از درخشش ذاتی بهره می برند. اخترشناسان اخیرا از تلسکوپ فضایی هابل برای مشاهده هفتاد متغیر قیفاووسی در ابر ماژلانی بزرگ استفاده کردند تا دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها را انجام داده باشند. افزون بر این، اخترشناسان اندازه‌گیری‌های مربوط به متغیرهای قیفاووسی را با ستاره‌های واقع در کهکشان‌های دورتر مقایسه می کنند.

برای مثال، ابرنواخترهای نوع «la» در این مقایسه‌ها هستند. این ابرنواخترها درخشان‌تر از متغیرهای قیفاووسی هستند. اخترشناسان از آنها بعنوان نشانگرهای خوبی برای اندازه‌گیری فاصلۀ زمین با آن کهکشان‌های دوردست استفاده می کنند. هر کدام از این نشانگرها بر پایه مرحله قبلی در نردبان فاصله کیهانی قرار دارند. اخترشناسان با گسترش این نردبان با بهره‌گیری از انواع مختلفی از نشانگرها میتوانند به فواصل بسیار بزرگتری در جهان دست یابند. اخترشناسان این مقادیر فاصله را با اندازه‌گیری‌های مربوط به نور کل یک کهکشان مقایسه می کنند. در نهایت، زمینه برای محاسبه سرعت انبساط کیهان فراهم می شود؛ سرعتی که با عنوان ثابت هابل شناخته می شود.

«استفانو کاسرتانو» یکی از اعضای تیم و محقق در دانشگاه جانز هاپکینز خاطرنشان کرد: «وقتی تلسکوپ هابل با تمرکز روی ستاره‌های راهنما، از روش نقطه‌یابی دقیق استفاده می کند، این توانایی را دارد که یک متغیر قیفاووسی را در هر ۹۰ دقیقه گردش هابل به دور زمین مشاهده کند. پس برای تلسکوپ خیلی هزینه بر است که همه ستاره‌های متغیر قیفاووسی را مشاهده کند. در عوض، ما به جستجوی گروه‌هایی از متغیرهای قیفاووسی گشتیم که فاصله نزدیکی به هم داشتند و این امکان برای ما وجود داشت که بدون تنظیم مجدد نقطه تمرکز تلسکوپ، بین آنها حرکت کنیم. این متغیرهای قیفاووسی از نور و درخشش بالایی برخوردار هستند، ما فقط نیاز داریم برای دو ثانیه آنها را ببینیم. این روش به ما فرصت میدهد تا چندین متغیر قیفاووسی را در طول یک گردش ببینیم.»

اخترشناسان نتایج خود را با مجموعه دیگری از مشاهدات(پروژه اوراسیا) ترکیب نمودند. این پروژه یک همکاری میان اخترشناسانی از موسسه‌های علوم فضایی در شیلی، آمریکا و اروپا می باشد. محققان با مشاهدۀ کاهش نور ستاره‌ها در هنگام عبور یک ستاره از مقابل دیگری، فاصله نسبت به ابر ماژلانی بزرگ را اندازه‌گیری کردند. در مجموع، اندازه‌گیری‌ها به محققان اجازه داد تا میزان درخشش دقیق متغیرهای قیفاووسی را بفهمند. با این نتیجۀ دقیق، محققان توانستند قسمت‌های باقی ماندۀ نردبان فاصله را تکمیل نمایند. این برآورد جدید از ثابت کیهانی، ۷۴ کیلومتر در هر ثانیه در هر مگاپارسک است. یعنی برای کهکشانی که ۳٫۳ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد، ظاهرا با سرعت ۷۴ کیلومتر در ثانیه سریع‌تر حرکت می کند که نتیجۀ انبساط ِ کیهان است. این عدد نشان می دهد که کیهان ۹ درصد سریع‌تر از برآورد قبلی سریع‌تر منبسط می شود.

خب چه چیز میتواند این ناهمخوانی را توضیح بدهد؟

در یکی از توضیحات مربوط به این ناسازگاری، پیدایش غیرمنتظرۀ «انرژی تاریک» در کیهانِ جوان مطرح می شود. انتظار می رود انرژی تاریک ۷۰ درصد از محتوای کیهان را تشکیل بدهد. نظریه‌ای تحت عنوان «انرژی تاریک اولیه» توسط اخترشناسان در دانشگاه جانز هاپکینز پیشنهاد داده شده که نشان می دهد کیهان مثل یک نمایشنامه سه پرده‌ای تکامل یافت. اخترشناسان این فرضیه را به پیش کشیده‌اند که انرژی تاریک در طول نخستین ثانیه‌ها پس از بیگ بنگ وجود داشته و ماده را در سرتاسر جهان پراکنده است. این عامل در انبساط ابتدایی، نقش عمده را داشته است. انرژی تاریک همچنین میتواند دلیل انبساط شتابدار کیهان باشد.

نظریه جدید اظهار میدارد که مدتی پس از بیگ بنگ، دوره سوم انرژی تاریک هم روی داده است. این دوره توانست کیهان را سریع‌تر از آنچه دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند، گسترش دهد. وجود این انرژی تاریک اولیه میتواند در تنش ِ میان دو مقدار ثابت هابل هم نقش داشته باشد. در هر حال، انبساط واقعی هنوز در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. رایس پاسخ قانع کننده‌ای برای این مسئله ندارد، اما او و تیمش در تلاش خواهند بود تا از تلسکوپ هابل برای کاهش موارد نامعلوم در ثابت هابل استفاده کنند. هدف آنها کاهش این نامعلومی به ۱% است. این کار میتواند به اخترشناسان کمک کند تا دلیل این ناهمخوانی را شناسایی کنند. نتایج تیم تحقیق در The Astrophysical Journal منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی‌لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: NASA


یک دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

Please enter your comment!
Please enter your name here

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.