انبساط جهان سریعتر از آنچه قبلا تصور می‌شد در حال انجام است

انبساط جهان به معنی افزایش فاصلهٔ متریک بین اجسام جهان با گذشت زمان است. این انبساط درونی است، یعنی به فاصلهٔ نسبی بین اجزای جهان برمی‌گردد، و به معنی حرکت اجسام به سمت فضای بیرون نیست.حالا یافته های جدید نشان می دهد که انبساط جهان سریعتر از آنچه قبلا تصور می شد در حال انجام است.

اخترشناسان با بهره از تلسکوپ فضایی هابل ناسا دریافته‌اند که نرخ گسترش جهان هستی ( انبساط جهان یا انبساط کیهان ) ۵ تا ۹ درصد سریع‌تر از چشمداشت‌هاست.

رهبر پژوهشگران و برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، آدام ریس از بنیاد علمی تلسکوپ فضایی و دانشگاه جانز هاپکینز در بالتیمور مریلند می گوید:

این یافته‌ی شگفت‌انگیز می‌تواند سرنخی ارزشمند برای شناخت آن بخش‌های رازگونه‌ی کیهان باشد که تا ۹۵ درصد جهان هستی را تشکیل داده و هیچ نوری نمی‌گسیلند، مانند انرژی تاریک، ماده‌ی تاریک و تابش تاریک.

گروه ریس برای دستیابی به این نتیجه، نرخ کنونی گسترش کیهان را اصلاح کردند و خطای آن را به اندازه‌ی بی‌سابقه‌ای کاهش داده و به تنها ۲.۴ درصد رساندند. آنان این پالایش را با شیوه‌های پیشرفته و نوآورانه‌ای انجام دادند که دقت اندازه‌گیری فاصله‌ی کهکشان‌های دوردست را بهبود می‌بخشید.

این دانشمندان کهکشان‌هایی را جستجو کردند که هم ستارگان متغیر قیفاووسی داشتند و هم ابرنواخترهای رده‌ی Ia. ستارگان قیفاووسی با آهنگی که نماینده‌ی درخشش ذاتی‌شان است می‌تپند. با یافتن درخشش ذاتی آنها و سپس مقایسه‌ی آن با درخشش ظاهری‌شان که از روی زمین دیده می‌شود می‌توان فاصله‌ی دقیق آنها را اندازه گرفت. ابرنواخترهای رده‌ی Ia که آنها هم مانند ستارگان قیفاووسی به عنوان پله‌های نردبان کیهانی به کار می‌روند، ستارگان منفجرشونده‌ای هستند که همگی درخششی یکسان دارند. تفاوت ستارگان قیفاووسی و ابرنواخترهای رده‌ی Ia اینست که این گونه ابرنواخترها نور بیشتری دارند و از فاصله‌های به نسبت دورتر هم دیده شوند.

پژوهشگران با سنجش حدود ۲۴۰۰ ستاره‌ی قیفاووسی در ۱۹ کهکشان و مقایسه‌ی درخشش دیده شده‌ی هر دوی این دسته‌ها با هم، توانستند درخشش واقعی همه‌ی آن ها را به دقت اندازه بگیرند و فاصله‌ی زمین تا حدود ۳۰۰ ابرنواختر را در کهکشان‌های دوردست بسنجند.

آنها این فاصله‌ها را با نرخ انبساط جهان که به کمک پدیده‌ی سرخگرایی (انتقال به سرخ- کش آمدن نور کهکشان‌ها که دارند دور می‌شوند) اندازه گرفته شده مقایسه کردند. سپس با بهره از این دو مقدار، سرعت گسترش کیهان با زمان، یا همان “ثابت هابل” را حساب کردند.

مقدار بهبود یافته‌ی ثابت هابل برابر با ۷۳.۲۲ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک شد (هر مگاپارسک هم‌ارز ۳.۲۶ میلیون سال نوریست). این مقدارِ تازه بدین معناست که فاصله‌ی میان اجرام کیهانی تا ۹.۸ میلیارد سال دیگر، دو برابر خواهد شد.

ولی این واسنجیِ بهبود یافته یک چیستان هم در پی می‌آورد، زیرا به طور کامل با نرخ انبساط جهان که از روی مسیرِ دیده شده‌ی این گسترش از اندکی پس از مهبانگ، پیش‌بینی شده همخوانی ندارد. سنجش‌های پس‌تاب نور مهبانگ که توسط کاوشگر ریزموج ناهمسانگرد ویلکینسون ناسا (دبلیومپ، WMAP) و ماهواره‌ی پلانکِ سازمان فضایی اروپا انجام شده بود، به برآوردها و پیش‌بینی‌هایی از ثابت هابل انجامیده که به ترتیب، ۵% و ۹% کوچک‌ترند.

ریس می‌گوید:

اگر مقدار آغازین مواد کیهان -مانند ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک- را بدانیم و قانو‌ن‌های فیزیکمان هم درست باشند، می‌توانیم از یک اندازه در اندکی پس از مهبانگ آغاز کرده و با بهره از شناختی که داریم، سرعتی که گسترش کیهان باید در زمان کنونی داشته باشد را پیش‌بینی کنیم. ولی اگر این ناهمخوانی بر جا بماند، احتمال دارد شناخت درست پیدا نکرده باشیم، و این باعث می‌شود مقداری که باید ثابت هابل امروزه داشته باشد تغییر کند.

به گفته‌ی ریس، مقایسه‌ی نرخ‌های گسترش کیهان که با دبلیومپ، پلانک و هابل به دست آمده‌اند مانند ساختن یک پل است. در ساحل آن سمت، مشاهدات تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی از کیهان آغازین را داریم و در ساحل این سمت، سنجش های گروه ریس به کمک تلسکوپ هابل را.

ریس می‌گوید:

از دو سو آغاز می‌کنیم، و انتظار داریم اگر طرحمان و اندازه‌گیری‌هایمان درست باشد، در میانه به هم برسیم. ولی اکنون نقطه‌ای که از دو سو به آن رسیده‌ایم درست در میانه‌ نیست و می‌خواهیم بدانیم چرا.

چند توضیح احتمالی برای این سرعت افزوده‌ی کیهان وجود دارد. بر پایه‌ی یک احتمال، شاید انرژی تاریک که به عنوان شتاب‌دهنده‌ی گسترش کیهان شناخته شده، دارد کهکشان‌ها را با نیرویی بیشتر از چیزی که پنداشته می‌شود -و یا نیرویی فزاینده، یعنی رو به افزایش- هُل می‌دهد و از هم دور می‌کند.

نظریه‌ی دیگر اینست که جهان هستی در آغاز تاریخش یک ذره‌ی زیراتمی تازه داشت که با سرعتی نزدیک به سرعت نور جابجا می‌شد. چنین ذرات پرسرعتی به طور کلی به نام “تابش تاریک” شناخته شده‌اند و ذرات شناخته شده‌ای مانند نوترینو را هم در بر می‌گیرند. افزودن انرژی تابش تاریک می‌تواند بهترین تلاش‌هایی که تاکنون برای پیش‌بینی نرخ کنونی انبساط جهان از روی مسیر پس از مهبانگِ آن شده را به باد دهد.

افزایش شتاب می‌تواند به این معنی هم باشد که ماده‌ی تاریک دارای برخی ویژگی‌های شگفت‌انگیز و نامنتظره است. ماده‌ی تاریک ستون فقرات کیهان است که کهکشان‌ها ساختارهای بزرگ-مقیاسی که امروزه می‌بینیم را بر روی آن ساخته‌اند.

و سرانجام، شاید معنای کیهانِ سریع‌تر برای اخترشناسان این باشد که نظریه‌ی گرانش اینشتین ناقص است.

لوکاس ماکری از دانشگاه ای اند ام در کالج استیشن تگزاس، و یکی از همکاران اصلی این پژوهش می‌گوید:

ما آگاهی بسیار کمی از بخش تاریک کیهان داریم. مهم است که چگونگی فشار و کشش این بخش‌ها بر فضا در درازنای تاریخ کیهان را بسنجیم.

مشاهدات هابل با کمک چشم تیزبین دوربین میدان گسترده‌ی شماره ۳ی آن (WFC3) و به رهبری گروه Supernova H0 for the Equation of State یا SH0ES انجام شد. هدف این گروه، بهبود دقت ثابت هابل و رساندن آن به مقداریست که به ما امکان شناخت بهترِ رفتار کیهان را بدهد.

گروه SH0ES هنوز هم به بهره‌برداری از تلسکوپ هابل برای کاهش بیشترِ خطای ثابت هابل، به امید رسیدن به دقت ۱% ادامه می‌دهد. تلسکوپ‌های کنونی مانند ماهواره‌ی اروپایی گایا (Gaia)، و تلسکوپ های آینده مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، یک رصدخانه‌ی فروسرخ، و تلسکوپ پیمایش فروسرخ میدان گسترده (WFIRST) هم می توانند به اخترشناسان در اندازه‌گیری بهترِ نرخ گسترش کیهان یا همان انبساط جهان کمک کنند.

پیش از این که تلسکوپ هابل در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شود، برآوردها از ثابت هابل تا دو برابر متغیر بود. در اواخر دهه ی ۹۰، برنامه‌ای به نام “پروژه‌ی کلیدی تلسکوپ فضایی هابل برای فاصله‌های فراکهکشانی” مقدار ثابت هابل را پالود و با رساندن خطای آن به تنها ۱۰ درصد، به یکی از هدف های کلیدی‌اش دست یافت. گروه SH0ES از آغاز کارشان در سال ۲۰۰۵ تاکنون خطای مقدار ثابت هابل را به اندازه‌ی ۷۶ درصد کاهش داده‌اند.

پویانمایی زیر، اصول نردبان فاصله‌های کیهانی که آرام ریس و گروهش برای کاهش خطای ثابت هابل از آن بهره گرفتند را نشان می‌دهد:

 

نتایج این پژوهش در یکی از شماره‌های آینده‌ی آستروفیزیکال جورنال منتشر خواهد شد.

انبساط جهان

اگر یک بادکنک خالی از باد را فرض کنیم و روی آن نقاطی را رسم کرده و سپس بادکنک را باد کنیم مشاهده می‌کنیم که هرچه حجم بادکنک بیش‌تر شود، فاصله نقاط از یکدیگر افزایش می‌یابد. این مفهومِ جهان در حال انبساط است. انبساط جهان به معنی افزایش فاصلهٔ متریک بین اجسام جهان با گذشت زمان است. این انبساط درونی است، یعنی به فاصلهٔ نسبی بین اجزای جهان برمی‌گردد، و به معنی حرکت اجسام به سمت فضای بیرون نیست. انبساط جهان از ویژگی‌های مهم کیهان‌شناسی مهبانگ است و ریاضیات آن با متریک FLRW و نظریه میدان اسکالر برای توضیح فرم شتابدار آن توصیف می‌شود.

بخشی از این انبساط به خاطر اثر ماند (اینرسی) است (یعنی انبساط کنونی به خاطر این است که جهان در گذشته منبسط می‌شده‌است). بخش دیگر به خاطر نیروی رانش ناشناخته‌ای است که شاید از یک ثابت کیهان‌شناسی یا انرژی تاریک آمده باشد. بخش نخست در جهان آغازین اثر مهم‌تری بوده است، و مدل لامبدا-سی‌دی‌ام پیش‌بینی می‌کند که در آینده ثابت کیهان شناسی یا انرژی تاریک اثر مهم‌تری باشد. هم‌اینک هر دو عامل اثر کم‌وبیش برابری دارند.

انبساط جهان به سرعت‌های بالاتر از سرعت نور می‌انجامد که برای تازه‌واردان و گاهی فیزیک‌پیشگان حرفه‌ای گمراه‌کننده است. ولی سرعت‌های بیشتر از c در انبساط جهان با نظریه نسبیت خاص ناسازگاری‌ای ندارد. به طورکلی سه گونه مختلف از جهان در حال انبساط معرفی و گمان زده شده است که هر کدام سرنوشتی متفاوت را برای جهان توصیف می‌کند. مدل اول جهان باز است که تا ابد و در طی دوره زمانی نامحدودی منبسط می‌شود. مدل دوم جهانی را توصیف می‌کند که مسطح است. این بدان معناست که جهان منبسط می‌شود و تا بی‌نهایت این روند ادامه دارد، اما سرعت انبساط آن مدام به صفر نزدیک می‌شود؛ و بالاخره مدل سوم جهانی است که جهان بسته نامیده می‌شود. در این جهان انبساط در مدت زمانی محدود ادامه پیدا کرده و پس از به انتها رسیدن آن جهان به جمع شدن در خود و متلاشی شدن روی می‌آورد و احتمالا پس از متلاشی‌شدن آماده انفجار بزرگی دیگر می‌گردد.

انبساط جهان حقیقتی است که مدت‌ها است به اثبات رسیده است. اما مشکلی که در اندازه‌گیری فاصلهٔ کهکشان‌ها، مستقل از قرمزگرایی آن‌ها، وجود دارد به حدی است که تعیین نرخ کنونی انبساط، ثابت هابل، به یک فرایند طاقت‌فرسا و طولانی در ۵۰ سال گذشته تبدیل شده است. با وجود این، در نتیجه تلاش‌ها، شامل پروژهٔ کلیدی تلسکوپ فضایی هابل، و به‌طور کلی‌تر، از ترکیب مجموعهٔ وسیعی از شواهد که مدل استاندارد کیهان‌شناسی را پشتیبانی می‌کنند، امروزه به نظر می‌رسد با خطایی کمتر از ۲۰٪، و با اطمینان ۹۵٪، می‌توان اعتقاد داشت که h ≃ 0 / 7 است.^{ویکی پدیا}