افزایش سرعت گسترش جهان؛ بحرانی در دنیای کیهان‌شناسی

جهان هستی بسیار سریع‌تر از آنچه که دانشمندان تصور می‌کردند در حال گسترش است و هیچکس نمی‌داند که علت این امر چیست. گروهی از پژوهشگران این پدیده‌ی عجیب را با به‌کارگیری فناوری جدید آینه‌های انعطاف‌پذیر در تلسکوپ‌ها تأیید می‌کنند. براساس مطالعه‌ای که ماه گذشته در ماهنامه‌ی مجله‌ی Royal Astronomical Society منتشر شد، پژوهشگران موفق شدند تا سرعت دقیق گسترش جهان را اندازه‌گیری کنند. آن‌ها همچنین نشان دادند که تصور دانشمندان از سرعت گسترش جهان مبنی بر مدل استانداردی که ده‌ها سال به آن رجوع می‌کردند، درست نبوده است. کریس فسناخت، اختر فیزیکدان و از نویسندگان این پژوهش، در بیانیه‌ی مطبوعاتی گفت: 

این پدیده از بحرانی در دل کیهان‌شناسی به ما خبر می‌دهد.

سایر پژوهش‌ها هم که در اوایل سال جاری منتشر شده‌اند، به نتایج مشابهی دست یافتند. آدام ریس، از زمره‌ی دانشمندان برنده‌ی جایزه نوبل و از محققین مطالعه‌ای که در ماه آوریل منتشر شد، در بیانیه‌ی مطبوعاتی گفت:

اطلاعات به‌دست آمده، با آنچه که دانشمندان پیش‌تر تصور می‌کردند تفاوت چشمگیری دارد و همواره این اختلاف در حال افزایش بوده است؛ به‌طوری که اکنون نادیده گرفتن آن غیر ممکن به‌نظر می‌رسد. 

آدام ریس همچنین افزود:

 احتمالا با کشف این پدیده، به هیجان‌انگیزترین پیشرفت در کیهان‌شناسی در دهه‌های اخیر دست یافته باشیم.

جهان دائما در حال گسترش بوده و با بزرگتر شدن خود، کهکشان‌ها را از یکدیگر دور می‌سازد. برای ده‌ها سال دانشمندان تلاش کردند تا ببینند دنیا با چه سرعتی رشد و گسترش می‌یابد؛ سرعتی که آن‌را ثابت هابل یا آهنگ گسترش گیتی می‌خوانند. پژوهشگران سعی دارند تا قطعات مختلفی از تاریخ کیهان را همچون یک پازل جمع‌آوری و سرهم کنند. آن‌ها این کار را با استفاده از درخشش باقیمانده از بیگ بنگ یا انفجار بزرگ انجام می‌دهند. بیگ بنگ در حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده و دانشمندان نام درخششی را که هنوز از آن باقی مانده است، تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB) نام‌گذاری کرده‌اند. 

درواقع دانشمندان با بررسی تابش زمینه‌ی کیهانی علاوه‌بر مشاهده‌ی فواصل بسیار دور، به گذشته‌های بسیار دوردستی نگاه می‌کنند؛ زیرا نور با سرعت ثابتی حرکت می‌کند. برای مثال، زمانی‌که به آسمان نگاه کرده و خورشید را مشاهده می‌کنیم، درواقع تصویر هشت دقیقه قبل خورشید را می‌بینیم. زیرا نوری که از سطح خورشید حرکت می‌کند تا به زمین برسد و در چشمان ما تصویری را تشکیل می‌دهد، هشت دقیقه در مسیر بوده است. بنابراین، زمانی‌که دانشمندان در حال مشاهده‌ی اجرامی در فواصل بسیار دوری هستند، تصویری که نور از آنان ارائه می‌کند، به زمانی تعلق دارد که جهان متولد می‌شد. براساس این مشاهدات، دانشمندان کشف کردند که پس از بیگ بنگ جهان با سرعت بسیار زیادی گسترش یافت. سپس سرعت گسترش جهان کاهش پیدا کرد. گفته می‌شود کاهش سرعت تحت تأثیر جاذبه‌ی ناشی از ماده‌ی تاریک که نیرویی نامرئی و مرموز به‌حساب می‌آید، رخ می‌دهد. ماده‌ی تاریک ۸۵ درصد از کل مواد موجود در دنیا را تشکیل می‌دهد.

اخیرا دانشمندان با مشکل  جدیدی رو‌به‌رو شده‌اند. اندازه‌گیری‌های کنونی نشان می‌دهد که جهان با سرعت بسیار بالایی در حال گسترش است، به‌طوری که با مدل‌های پیش‌بینی استاندارد مطابقت ندارد. مطالعه‌ی ریس در ماه آوریل نشان داد که جهان ۹ درصد سریع‌تر از آنچه که براساس تابش زمینه‌ی کیهانی پیش‌بینی شده بود، در حال گسترش است. وی در این باره می‌گوید:

 تعداد زیادی از آزمایش‌ها این اختلاف را تأیید می‌کنند. ما در آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های خود اختلافی اساسی را شاهد هستیم. در یکی از آزمایش‌ها بررسی کردیم که جهان امروزی با چه سرعتی در حال گسترش است. طی آزمایش دیگری، براساس پیش‌بینی‌های فیزیک جهان اولیه، تخمین زدیم که سرعت گسترش جهان امروزی چقدر باید باشد. اگر نتایج به دست آمده از این دو آزمایش با یکدیگر همخوانی نداشته باشند، به احتمال زیاد محاسبات ما مشکل دارد. 

فناوری جدید به‌کار رفته در تلسکوپ‌ها، وجود چنین اشکالی را تأیید می‌کند؛ اما راهی برای مرتفع ساختن آن پیش روی دانشمندان قرار نمی‌دهد.

در پژوهش اخیر از سیستمی استفاده شده که در آن آینه‌هایی با گوشه‌ها و کناره‌های کروی‌شکل و صیقل داده شده به کار گرفته شده است. این سیستم در رصدخانه کِک، هاوایی قرار دارد. در دستگاه یادشده آینه‌های انعطاف‌پذیری وجود دارد که قادر به اصلاح تحریفات ناشی از جو زمین هستند و در نهایت تصاویر فوق‌العاده‌ای را با وضوح بالا از اجرام فضایی ارائه می‌کند. در تصویر زیر، تلسکوپ‌های Keck I و Keck II در Mauna Kea در هاوایی را مشاهده می‌کنید.

پژوهشگران با استفاده از تلسکوپ‌ها اختروَش یا کوازارهای فعال و بسیار درخشانی را رصد کردند. آن‌ها با استفاده از روشی به‌نام عدسی گرانشی، کوازارها را مورد مطالعه قرار دادند و میزان خمش نوری را که به سمت زمین حرکت می‌کرد، هنگام عبور از کنار اجرام عظیم اندازه گیری کردند. یک جسم عظیم (مانند کهکشانی غول پیکر) می‌تواند نور را به سوی جهات مختلفی منحرف کند. دانشمندان با استفاده از همین پدیده می‌توانند نسخه‌های متفاوت و تحریف شده‌ای از کوازار مورد مطالعه‌ی خود را کمی عقب‌تر در محور زمان مشاهد کنند.

سپس دانشمندان می‌توانند با مقایسه‌ی تصاویر به دست آمده، مدت‌زمانی را که نورِ برخاسته از کوازارها در سفر است تا به زمین برسد، محاسبه کنند و اطلاعاتی را درباره‌‌ی میزان گسترش جهان در همین مدت‌زمان به‌دست آورند. 

همچون پژوهش‌های گذشته، نتایج جدید نشان می‌دهند که سرعت گسترش جهان بیشتر از پیش‌بینی دانشمندان براساس مدل‌های استاندارد است. پژوهشگران نتایج خود را با اطلاعات به‌دست آمده از  تلسکوپ فضایی هابل (HST) مقایسه کردند؛ نتایج به دست آمده با این اطلاعات مطابقت داشت. اخترفیزیکدانی به‌نام شری سووی، در بیانیه‌ی مطبوعاتی درباره‌ی تحقیقات اخیر گفت:

تفاوت در میزان ثابت هابل میان محاسباتی که در زمان‌های گذشته و محاسبات جدید وجود دارد، نشان می‌دهد که مدل استاندارد امروزی دچار اشکال است.

به‌عنوان مثال، ممکن است چنین اشکالی ناشی از راز و رمزهایی در انرژی تاریک باشد یا شاید هم یک ذره‌ی نسبیتی جدید یا اساسا دنیای جدیدی از فیزیک باشد که هنوز کشف نشده است.

دانشمندان هنوز نمی‌دانند که قطعه‌ای از پازل که در محاسبات مدل‌های استاندارد امروزی گم شده است، چیست. بعضی از دانشمندان معتقدند این قطعه می‌تواند انرژی تاریک باشد؛ اصطلاحی که برای نیروی نامرئی و مرموز به‌کار گرفته می‌شود که ۶۸ درصد از جهان را شکل می‌دهد. شاید این انرژی عاملی باشد که در مقابل جاذبه‌ی ماده‌ی تاریک مقاومت کرده است و درنتیجه، سرعت گسترش جهان را افزایش داده باشد. 

فاسناخت امیدوار است دانشمندان با به‌کارگیری فناوری جدید آینه‌های انعطاف‌پذیر در تلسکوپ‌ها اطلاعات دقیق‌تری در جست‌وجو برای یافتن قطعه‌ی گمشده‌ی پازل به‌دست آورند که سبب اشکال در درک دانشمندان از جهان می‌شود. وی در این مورد می‌گوید:

 احتمالا، بروز این اشکال، دانشمندان را به سوی تشکیل مدل جامع‌تری از کیهان‌شناسی سوق خواهد داد.