اولین دستاوردهای پروژه پیشگام نقشه برداری کیهانی
نویسنده: دیوید کاستلوسکی (Davide Castelvecchi)
سوم می 2024
ترجمه و نقد: احمد شمّاع زاده
ابزار طیفسنجی انرژی تاریک (DESI) در رصدخانه کیت پیک در آریزونا در حال جمعآوری دادهها برای بازسازی چگونگی «گستردگی کیهان در طی میلیاردها سال است.
اولین دستاوردهای پروژه پیشگام نقشه برداری کیهانی، گویای آن است که انرژی تاریک طی یازده میلیارد سال گذشته تغییر کرده است؛ که میتواند نظرهایی را که تاکنون در مورد چگونگی تکامل کیهان و آینده آن مطرح شده، دگرگون سازد.
یاداوری: نقد نگارنده با رنگ سبز بر متن مقاله افزوده شده است.
به منظور درک بهتر مطالبی که در نقد این دستاورد تازه کیهانشناسی در پی میآید، شایسته است دیدگاه نگارنده پیرامون کیهان، با ترجمه بخشهایی از A Modern Model for the Universe، به طور خلاصه در اینجا آورده شود:
شکل کیهان حلزونی است؛ و ویژگیهای حلزون کیهانی بدین قرار است:
ـ هرچه به عمق حلزون کیهانی نزدیک شویم، جرم و چگالی بیشتر، فضا کمتر، و زمان کندتر میشود.
زمان کندتر میشود زیرا حرکت کندتر است؛ تا آنجا که هسته حلزون کیهانی، تقریباً بی زمان است.
ـ هر چه از عمق حلزون کیهانی دور شویم، لکّه های روشن (کهکشانها) بیشتر، و مادّه تاریک کمتر میشود؛ به گونهای که در لایه آخر (جهان دیدنی ما) تقریباً همه چیز روشن و دیدنی است.
کیهان به سه جهان تقسیم میشود. (3M Universes):
ـ جهان اصلی (The Main Universe) یا جهان تکینگی (The Singularity World)
ـ جهان میانجی (The Mediator Universe) یا جهان نورونیرو (The Light & Power World)
ـ جهان کوچک (The Mini Universe) یا جهان کثرت (The Multiplicity World)
ویژگیهای جهان اصلی یا جهان نخستین (انرژی تاریک):
ـ هسته حلزون کیهانی، و مرکز گرانش کیهان است؛ و گرانش همه اجزای کیهان زنجیروار به آن وابسته است.
ـ این جهان، که ماهیت کوانتمی دارد، جهان ثابتهاست؛ ولی خود ثابت نیست و با گذر زمان تغییر میکند.
ـ منبع تغذیه جهان میانجی است؛ ولی چون 75 درصد کیهان را شکل میدهد، تغییراتش بسیار جزئی است.
ـ جنس آن از نور مطلق است، که به دلیل جرم و چگالی بسیار بالا، با هیچ وسیلهای به چشم انسان نمیآید.
ویژگیهای جهان میانجی (مادّه تاریک)
ـ حفاظ یا سپری میان دو بخش انرژی تاریک و جهان دیدنی است.
ـ از نظر کارکرد، نقش رابط و واسط میان این دو جهان را داراست.
ـ کارخانه عظیم ستازه سازی است. بدین ترتیب که مقداری انرژی تاریک را که مواد خامی برای تولید کهکشانهاست، گرفته(Input) و پس از کنشواکنشهای گوناگون روی آنها، کهکشانهای دیدنی را به وجود میآورد(Output). A Modern Model for the Universe: https://www.academia.edu/11750437
متن مقاله:
سرگذشت کیهان ممکن است آن گونه که کیهانشناسان تاکنون گمان میکردند، تاریک و خالی نباشد.
وجود تاریکی در کیهان، نشانه وجود نورهای بسیار قوی است که دیدگان ما توان دیدن آنها را ندارد؛ نه اینکه واقعاً تاریک باشد. کیهان جای خالی نیز ندارد. طبق این آیه از قرآن هیچ جای خالی در کیهان وجود ندارد: افلم ینظروا الیالسّماء فوقهم کیف بنیناها و زیّنّاها ومالها من فروج (ق: 6)
ترجمه: آیا هرگز به سوی آسمان بالای سر خود (کیهان) نظاره نمیکنند که چگونه بنیان نهاده شده و آراسته شده و هیچ جای خالی در آن وجود ندارد؟
این، تنها یکی از توانمندیهای پروژه ای ابتکاری است، که برخی از بزرگترین نقشه های تدوین شده از کیهان را تولید کرده است. در نشست انجمن فیزیک آمریکا در ساکرامنتو کالیفرنیا که در اوایل آوریل برگزار شد، پژوهشگران نخستین نتایجی را که از ابزار طیفسنجی انرژی تاریک (DESI) مستقر در رصدخانه ملی کیت پیک (Kitt Peak National Observatory) در نزدیکی تاکسون در آریزونا به دست آورده بودند، منتشر کردند.
DESI در سال 2020 نقشهبرداری سه بعدی از کیهان را آغاز کرد؛ که برای اندازهگیری نیرویی مرموز معروف به انرژی تاریک (که احتمالاً موجب پراکندگی میان کهکشانها میشود.)، طراحی شده است.
نتایج اولیه شگفتانگیز است؛ و نشان میدهد که انرژی تاریک با گذشت زمان ضعیف میشود!
آیا JWST (تلسکوپ فضائی جیمز وب) میتواند معمای بزرگ کیهان شناسی را حل کند؟ فیزیکدانان درباره داده های گسترش کیهان بحث میکنند.
سالهاست که معمای جهان هستی حل شده؛ و تنها لازم است نظریه شکل حلزونی کیهان پذیرفته شود.
ناتالی پالانک-دلابرویل کیهان شناس آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا و سخنگوی DESI میگوید: «این واقعاً نشانه ای است از اینکه ممکن است رخدادی غیرمنتظره رخ دهد».
اگرچه این مطالعه تنها بر اساس اولین مورد از پنج سال برنامه ریزی شده برای گرداوری داده ها بود، اما در حال حاضر یکی از بزرگترین نقشه های ساخته شده از کیهان است که اثرات انرژی تاریک را بدون هیچ پیشینه ای در طول تاریخ یازده میلیارد ساله کیهانی، نشان می دهد.
مطمئن باشید که پس از 5 سال نیز به همین نتیجه خواهید رسید؛ زیرا انرژی تاریک با تحویل مواد خام به کارخانه ستاره سازی ماده تاریک، به منظور ساخت و ساز کهکشانها، و نیز نگهداشت و تنظیم امور کیهان، مرتباً ضعیف میشود؛ چنانکه خورشید برای گرم نگه داشتن منظومه خورشیدی هر روزه 350 میلیارد تن از وزن خود را از دست میدهد؛ ولی خم هم به آبروی مبارک نمیآورد!
اگر این دستاورد تأیید شود، نشانه آن است که انرژی تاریک در حال ضعیف شدن است؛ و اولین نتیجه آن، دگرگونی بنیادی در مدل نظری عمومی پذیرفتهشده دهه های اخیر کیهان خواهد بود. بدین ترتیب، اگر انرژی تاریک ثابت نباشد، میتواند نظرهایی را که تاکنون در مورد چگونگی تکامل کیهان و آینده آن مطرح شده، دگرگون سازد.
با خواندن پاراگراف بالا، به یاد آوردم زمانی را که همه محاسبات نشان میداد که کیهان به همه چیز شباهت دارد جز اینکه ایستا باشد؛ ولی چون اینشتاین به جهانی ایستا باور داشت، ثابتی را وارد محاسبات خود کرد تا محاسباتش درست از آب دراید! آنگاه که ثابت شد کیهان ایستا نیست و رو به گسترش است، وی بزرگترین خطای زندگی خود را همین موضوع دانست!
برای نگارنده نیز ثابت شده است که انرژی تاریک (که خود جهان ثابتهاست، ولی خود جهانی ثابت نیست.) رو به سوی دگرگونی دارد؛ چنانکه در آغاز به آن اشاره شد.
در مقاله تاریخچه کیهانشناسی مدرن نیز آوردهام که داستان گسترش کیهان دهها سال فکر و ذهن دانشمندان فیزیک کیهان را به خود مشغول کرده بود. اگر اینشتاین زمانی که دچار مشکل ‹جهان ایستا› شدهبود، به گونهای از آیه قرآن آگاه میشد، یقیناً کیهانی پویا را باور میداشت؛ و در پی اثبات علمی آن برمیآمد و مینوشت: آب در کوزه و ما تشنهلبان میگردیم؛ ببینید:
والسّماء بنیناها بأید و انّا لموسعون (ذاریات: 47)
ترجمه: و ما آسمان (کیهان) را با دست (توانا و اراده مستقیم) خویش بنیانگذاشتیم و ما مرتباً آن را گسترش میدهیم. (لام بر سر«موسعون» علامت تاکید است.)
تاریخچه کیهانشناسی مدرن: https://www.academia.edu/7656862
اما احساس غالب کیهانشناسان شرکت کننده در گردهمایی 15 و 16 آوریل در انجمن سلطنتی لندن این بود که شواهد دگرگونی در انرژی تاریک هنوز بسیار نامشخص است؛ و مدل استاندارد کیهان شناسی به قوت خویش باقی خواهد ماند. اکثریت کیهانشناسان موافق این نظر هستند؛ و معتقدند با گذشت زمان، بهتر کار میکند.
وندی فریدمن کیهانشناس دانشگاه شیکاگو در ایلینویز، نشانههای تضعیفکننده انرژی تاریک را «وسوسهانگیز» خواند، اما میگوید برای مشاهده اینکه آیا این نشانهها از میان میروند یا نه، به دادههای بسیار بیشتری نیاز است؛ و زمان نشان خواهد داد که آیا آنها در آزمون زمان، پایدار خواهندماند یا خیر.
مخالفان جذب میشوند
کیهان در مقیاسهای بسیار بزرگ، توسط گرانش اداره میشود، و نظریه نسبیت عام انیشتین به گرانش اجازه میدهد تا همان اندازه که جاذبه دارد، دافعه نیز داشته باشد. در حالی که اشکال معمولی انرژی (که شامل جرم ماده است) منجر به نیروی جاذبه میشود. نسبیت عام همچنین پیشبینی میکند که برخی از اشکال عجیب و غریب انرژی، میتوانند گرانش دفعی ایجاد کنند.
انرژی تاریک در سال 1998 کشف شد، زمانی که دو گروه از کیهانشناسان با بهره برداری از انفجارهای ابرنواختری در کهکشانهای دور، چگونگی تغییر شتاب گشترش کیهان را اندازه گیری کردند. دستاورد آنها نشان داد که شتاب گسترش در طول زمان، توسط نیروی دافعه ای نادیدنی که بعداً انرژی تاریک نامیده شد، افزایش یافته است.
باید توجّه داشت که انرژی تاریک که مرکز گرانش (جاذبه) کیهان است نمیتواند دافعه داشته باشد.
گسترش کیهان، مربوط است به نیروی گریز از مرکزی که همزمان با مهبانگ در کیهان ایجاد شده است. همه کهکشانها رو به سوی بیرون، یعنی در جهت مخالف هسته حلزونی کیهانی دارند که مرکز گرانش یا جاذبه کیهان است. بنابراین، هنگامی که انرژی تاریک بر اثر دادن مواد خام به ماده تاریک برای کهکشان سازی ضعیف میشود، به همان اندازه موجب افزایش نیروی گریز از مرکز کهکشانها میشود، و آنها با شتاب بیشتری گسترش مییابند.
این نام در نظر گرفته شده بود تا بازتاب اثرات موجودی به همان اندازه اسرارآمیز، به نام ماده تاریک باشد، که نامرئی است، اما با تأثیری گرانشی که بر کهکشانها وارد میسازد، قابل اندازه گیری است.
دادههای سال 1998 که منجر به کشف انرژی تاریک شد، خطاهای بسیار بزرگی در بر داشتند، و با سادهترین فرض ممکن سازگار شده بودند: یعنی اینکه انرژی تاریک به طور یکنواخت در فضا پخش میشود و عنوان ثابت کیهانی لاندا (Λ) را به آن دادند؛ و بدین ترتیب اجماعی از نظر کیهانشناسان پیرامون فرضیه ای زیر عنوان لاندای ماده تاریک سرد (ΛCDM) شکل گرفت.
بدین ترتیب تاریخ کیهان، غالباً نتیجه مبارزه میان کشش ماده تاریک و فشار انرژی تاریک است.
این نتیجهگیری تا اندازهای درست است؛ البته با کمی اختلاف نظر:
کشش، ذاتی ماده تاریک نیست؛ بلکه هنگامی که مادّه تاریک، کهکشانهای نو را پدید میآورد، این نیروی گریز از مرکز کهکشانهاست که به کشش تعبیر شده است. درست آن است که بگوییم پایداری کیهان، مبتنی بر توازن میان گرانش انرژی تاریک و نیروی گریز از مرکز کهکشانهاست.
جدا از انحرافات کوچکی که توضیح داده نشده، همه شواهدی که کیهانشناسان تاکنون گرداوری کرده اند، به قوت خود باقی است؛ و مدل ΛCDM را تقویت کرده است. استاندارد طلا در سال 2013 توسط فضاپیمای پلانک وابسته به آژانس فضایی اروپا (ESA) تعیین شد؛ که تابش باقیمانده از آغاز آفرینش کیهان را که تابش پسزمینه ریزموج کیهانی نامیده میشود، نقشهبرداری کرد.
گفتنی است ‹ویلسون› و ‹پنزیاس› در سال 1965، با گیرنده بسیار بزرگ و بوقیشکل خود تابش پسزمینه ریزموج کیهانی (CMB) را کشف، و اعلامکردند که این امواج تمام ارکان کیهان را فرا گرفته است؛ و با این کشف، جایزه نوبل را از آن خود کردند.
جورج افستاتیو(George Efstathiou)، کیهانشناس و پژوهشگر ارشد پلانک در دانشگاه کمبریج بریتانیا، میگوید دادههای مأموریت پلانک با مدل ΛCDM سازگارترین همخوانی را دارد. فضاپیمای پلانک دریافت که کیهان کنونی حدود 70 درصد انرژی تاریک، 25 درصد ماده تاریک و 5 درصد ماده معمولی است، شامل ستارگان، سیّارگان و مردمان.
بخشی از نقشه کیهان بر مبنای آنچه که DESI مشاهده کرده است، الگوهایی را در آرایش کهکشانها نشان میدهد:
گمانه زنی های بسیار!
فرض استاندارد ΛCDM این است که گسترش کیهان به شتاب خود ادامه میدهد و بیشتر کهکشانها در نهایت از دید ناپدید میشوند. اما نظریه پردازان، انرژی تاریک را به صدها مدل توسعه داده اند. بسیاری بر این باورند که انرژی تاریک ممکن است به آرامی رقیق شود و انبساط کیهان شروع به کندشدن خواهد کرد. احتمال دیگر این است که انرژی تاریک قویتر شود و در نهایت موجب تفرقه میان کهکشانها شود.
اینچنین نیست که اینان تصور میکنند؛ بلکه همانگونه که در بالا آمد، انرژی تاریک برای تنظیم امور کیهان، مرتباً ضعیف میشود؛ ولی چنین تغییراتی، در مقیاسهای بزرگ و بویژه در مورد انرژی تاریک 75 درصدی، تأثیری بر آرایش کیهان ندارد؛ چنانکه تغییرات روزانه خورشید، تآثیری بر آرایش سیستم خورشیدی نمیگذارد.
مدتهای مدیدی، دستاوردهای مشاهدات نجومی، برای پاسخگویی به حتّا ابتدایی ترین پرسشها پیرامون انرژی تاریک بسیار مبهم بود و پاسخی برای اینگونه پرسشها نداشت که تا چه اندازه قوی است، ثابت است و یا به آرامی در حال تغییر است؟ DESI در نسل جدید تجربههای هدفمند کیهانی برای پاسخ دادن به اینگونه پرسشها پیشگام است. موارد دیگر:
- فضاپیمای اقلید ESA، که سال گذشته به فضا پرتاب شد.
- تأسیس تلسکوپ عظیم هشت متری رصدخانه Vera C. Rubin در کوههای آند شیلی که رو به اتمام است.
- تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس ناسا که قرار است در سال 2027 پرتاب شود.
تلسکوپ دیگری به نام eROSITA که بخشی از یک مأموریت فضایی روسی-آلمانی است، کیهان را در طیف پرتو ایکس نقشه برداری کرده است.
کیهان با چه سرعتی رو به گسترش است؟ کیهانشناسان بیش از پیش گیج شدهاند!
Palanque-Delabrouille در جلسه انجمن سلطنتی گفت:
شماری از پروژهها کار خود را آغاز کردهاند و یا در شرف گرفتن دادهها هستند؛ و این رخداد در تاریخ کیهانشناسی واقعاً بینظیر است. همه این تلاشها متّکی بر نقشهبرداری از توزیع ماده در فواصل طولانی کیهانی است؛ هم به دلیل زمانی که نور طول میکشد تا به زمین برسد، و هم به معنای طول زمان در ابعاد کیهانی است. وی ادامه داد:
DESI مانند یک دوربین تلسکوپ معمولی از آسمان عکسبرداری نمیکند؛ بلکه نور را از جاهای انتخاب شده در میدان دید خود گرداوری میکند. این کار را با نشان دادن فیبرهای نوری به سمت اجرام کیهانی (معمولاً کهکشانها یا اخترنماها) با 5000 بازوی روباتیک خود انجام میدهد؛ و نور جذب شده را به طیفنگارهای حساس هدایت می کند. در این حالت طیف نور هر جرم کیهانی فاصله جرم را نشان میدهد؛ زیرا هر چه جرم کیهانی، دورتر باشد، سریعتر دور میشود؛ و هرچه طیفش انتقال به سرخ بیشتری داشته باشد، به سمت طول موجهای طولانی تر میرود.
منظور این است که یک جرم کیهانی هرچه از مرکز حلزون کیهانی دور میشود، سرعت گریز از مرکزش بیشتر میشود؛ و این یکی از ویژگیهای مهم هر حلزونی است. از همین نکته که اولین بار ادوین هابل به آن دست یافت و مبنای اصل مهبانگ قرار گرفت، نیز میتوان پی برد که شکل کیهان حلزونی است!
وی افزود: تیم DESI برای بازسازی تاریخچه گسترش کیهان بر مبنای داده های سه بعدی خود، یکی از بهترین تکنیکهای پذیرفته شده در کیهانشناسی را مورد بهره برداری قرار میدهد. DESI پسماندهای امواج صوتی در کیهان اولیه را نیز بررسی میکند.
با گسترش کیهان، و سرد شدن ماده در طول زمان، امواجی که وظیفه توزیع باریونها (پروتون ها و نوترون ها) را در سراسر کیهان بر عهده داشتهاند، کارایی خود را از دست میدهند. این تأثیر و کارامدی که نوسانات صوتی باریونی یا BAO نامیده میشود، هنوز در شیوه پراکندگی کهکشانها در گستره کیهان، قابل تشخیص است.
از آنجا که عبارت سراسر کیهان مادّه تاریک را نیز در بر میگیرد که از مادّه (پروتون و نوترن) تشکیل نشده، بهتر بود گفته میشد سراسر کهکشهانها یا همه کهکشانها.
ویژگیهای BAO گستردهترین ساختارهای کیهان هستند. وی توضیح میدهد: اگر میتوانستیم آنها را به صورت منفرد و جداجدا ببینیم، تنها پوسته ای را میدیدیم. مثل زمانی که شما سنگریزه ها را در یک دریاچه پرتاب میکنید. اگر فقط یک سنگریزه را پرتاب کنید، میتوانید امواج آن را در حال گسترده شدن ببینید؛ ولی اگر سنگریزه های زیادی را به طور همزمان پرتاب کنید، امواجی که هر یک از آن سنگریزه ها تولید میکنند، یکدیگر را پوشش میدهند؛ و نیروی تشخیص شما ناکارامد میشود.
توان بالای تصویرسازی
DESI با گستردگی دیدش، BAO ها را تنها در کیهان کنونی بررسی نمیکند؛ بلکه نقشه سهبعدی آنها، به گذشته های دور بازمیگردد؛ و کیهانشناسان با این اندازهگیری که چگونه اندازه متوسط ویژگیها در طول زمان رشد کردهاند، میتوانند نرخ گسترش کیهان و پس از آن، استحکام و توان انرژی تاریک را بازسازی کنند. نتایجی که از ابزار DESI به دست آمده، در اصل میتواند با همه گزینه ها سازگاری نشان دهد که آیا انرژی تاریک ثابت است، ضعیف شده، یا تقویت هم شده است؟
اوفر لاهاو، کیهانشناس دانشگاه کالج لندن که در بخشی، با DESI همکاری میکند، میگوید در ابتداییترین سطح، نتایج DESI تأیید محکمی بر کشف اصلی است. او میگوید برای من هیجان آور است که بشود تأیید کرد که جهان در حال شتاب است، و کم و بیش همان ارزشی را دریافت کنید که مردم ۲۵ سال پیش ادعا میکردند!
نقشهبردار انرژی تاریک، ۱۱ میلیارد سال تاریخ کیهانی را بازسازی خواهد کرد.
مارک کامیونکوفسکی، کیهان شناس نظری در دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور مریلند میگوید: «ابزار، داده ها و اندازه گیریها فوق العاده هستند. وی میگوید او در تفسیر نتایج نمودار ضعیف شدن انرژی تاریک محتاط است. میگوید این نتایج میتوانند اثری از گونه خاصی از تجزیه و تحلیلی باشد که تیم انجام داده است.
پدرو فریرا، فیزیکدان نظری در دانشگاه آکسفورد، بریتانیا، با این موضوع موافق است و به مطالعهای اشاره میکند که سال گذشته با همکارش ویلیام ولف منتشر کرد، که از کیهانشناسان خواسته بود نحوه تفسیر دادههای انرژی تاریک را تغییر دهند.(W. J. Wolf and P. G. Ferreira Phys. Rev. D 108, 103519; 2023)
فریرا می افزاید او بدبین است که حتّا مطالعاتی با توانمندی بالا، و با همکاری با یکدیگر بتوانند در آینده، مدلی نظری برای انرژی تاریک پیدا کنند.
با نظر این کیهانشناس نظری موافقم و معتقدم تا شکل حلزونی کیهان باور نشود، مسائل و مشکلات کیهانشناسی هیچگاه حل نخواهد شد؛ چنانکه میبینیم با اینهمه ماهواره، ابزارهای پیشرفته، و مأموریتهای فضائی، طی دهها سال، هنوز نتوانسته اند مشکلی از مشکلات کنونی کیهانشناسی را برطرف سازند؛ و اگر هم به نتیجهای برسند باز هم نظریه شکل حلزونی کیهان آن را پیشتر حل کرده است. این نکتههای مهم و اساسی را در مقاله های کیهانشناسی خود گوشزد کردهام؛ ولی تاکنون گوش شنوایی وجود نداشته؛ هرچند امید به وجودش را در آیندهای نزدیک، از دست ندادهام.
اما پژوهشگران امیدوارند که دستاوردهای بعدی، به سویه های تازهای اشاره کنند.
خانم الئونورا دی والنتینو، کیهان شناس دانشگاه شفیلد بریتانیا میگوید مدل استاندارد به عنوان ساده ترین نظریه ممکن برای کیهان ایجاد شده است، اما محتوای فیزیک واقعی، احتمالاً پیچیده تر است. او میگوید: «من باور نمیکنم که ΛCDM بتواند پاسخ نهایی را دریابد.
جیمز پیبلز کیهانشناس، و معمار ارشد مدل استاندارد که موجب شد جایزه نوبل سال 2019 را به دست آور، میگوید با نظر خانم والنتینو موافق است. پیبلز که در دانشگاه پرینستون در نیوجرسی مشغول کار است، میگوید: «تصور اینکه ΛCDM پایان داستان باشد، برای من بسیار دشوار است؛ و این موضوع، موضوع پیچیدهای نیست».
منبع: Nature 629, 274-275 (2024)
پایان ترجمه، ویرایش و نگارش: دوم خرداد 1403
احمد شمّاع زاده