چگونه مرگ پنج‌باره یک ستاره، سرعت باورنکردنی انبساط جهان را آشکار کرد؟

چگونه به اینجا رسیدیم؟ به کجا می‌رویم؟ و چه مقدار سفرمان طول می‌کشد؟ این پرسش‌ها قدمتی به‌اندازه‌ی تاریخ بشر دارند و احتمالاً گونه‌هایی بسیار قدیمی‌تر در نقاط دیگر جهان این سؤال‌ها را از خود پرسیده‌اند. این پرسش‌ها همچنین از بنیادی‌ترین مسائلی هستند که در بررسی جهان یا کیهان‌شناسی به دنبال پاسخی برایشان هستیم. یکی از معماهای کیهانی، سرعت انبساط جهان است که بر اساس عددی به نام ثابت هابل اندازه‌گیری می‌شود.

به گزارش وب‌سایت کانورسیشن، برد ای تاکر، اخترفیزیکدان دانشگاه ملی استرالیا در دو مقاله به سرپرستی همکارش پاتریک کلی از دانشگاه مینسوتا، از روش جدیدی شامل نور ستاره‌ی در حال انفجار از مسیرهای مختلف جهان در حال انبساط برای اندازه‌گیری ثابت هابل استفاده کردند. مقاله‌ها در مجله‌های Science و Astrophysical منتشر شده‌اند.

در صورتی که نتایج این مقاله نتواند تنش ثابت هابل را حل کند، حداقل سرنخی درباره‌ی پرسش‌های بیشتر خواهد داد.

از دهه‌ی ۱۹۲۰ می‌دانیم جهان در حال انبساط است. هنریتا لویت، ستاره‌شناس آمریکایی، در سال ۱۹۰۸ روشی برای اندازه‌گیری درخشش حقیقی نوعی ستاره موسوم به متغیر قیفاووسی ارائه کرد. در این روش به‌جای درخشش ظاهری ستاره که به فاصله و معیارهای دیگر وابسته است، درخشش حقیقی ستاره ارزیابی می‌شود. متغیرهای قیفاووسی در یک چرخه‌ی منظم، درخشان و کم‌نور می‌شوند و لوییت نشان داد درخشش حقیقی به طول این چرخه وابسته است.

بر اساس قانون لویت، برای اجرامی که درخشش حقیقی مشخصی دارند می‌توان فاصله را محاسبه کرد. دانشمندان بر اساس این قانون می‌توانند از متغیرهای قیفاووسی به‌عنوان «شمع‌های استاندارد» استفاده کنند.

اما روش شمع استاندارد چگونه کار می‌کند؟ فرض کنید هنگام شب در خیابانی طولانی و تاریک با چند تیر چراغ در کنار جاده ایستاده‌اید. حالا فرض کنید تمام تیرهای چراغ دارای یک نوع لامپ با توان یکسان باشند. می‌بینید لامپ‌های دورتر به نظر کم‌نورتر از لامپ‌های نزدیک می‌رسند. بر اساس قانون مربع معکوس برای نور می‌دانیم نور متناسب با فاصله ضعیف می‌شود. حالا اگر بتوانید میزان درخشش هر نور را محاسبه کنید یا از آن اطلاع داشته باشید، می‌توانید فاصله‌ی هر نور را حساب کنید.

ستاره‌شناس آمریکایی دیگری به نام ادوین هابل در سال ۱۹۲۹، توانست تعدادی از ستاره‌های متغیر قیفاووسی را در کهکشان‌های دیگر پیدا کرده و فاصله‌ی آن‌ها را محاسبه کند. او بر اساس این فاصله‌ها و اندازه‌گیر‌های دیگر به این نتیجه رسید که جهان در حال انبساط است.

روش شمع استاندارد، روشی قدرتمند برای اندازه‌گیری جهان وسیعی است. پژوهشگرها همیشه به دنبال شمع‌های متفاوتی هستند در فواصل دورتر برای اندازه‌گیری فاصله‌ی ستاره‌ها هستند.

در برخی تلاش‌های جدید برای اندازه‌گیری جهان از جمله پروژه‌ی SHOES به رهبری آدام رایس، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل، متغیرهای قیفاووسی در کنار نوعی ستاره‌ی در حال انفجار به نام ابرنواختر نوع Ia به‌عنوان شمع استاندارد به کار می‌روند. همچنین روش‌های دیگری مثل تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی برای اندازه‌گیری ثابت هابل وجود دارند. تابش پس‌زمینه، نور یا پرتویی است که در فاصله‌ی کوتاهی پس از بیگ‌بنگ سفر خود را در جهان آغاز کرده است.

مسئله اینجا است که این دو اندازه‌گیری که یکی از آن‌ها از ابرنواختر و دیگری از متغیر قیفاووسی استفاده می‌کنند و روش دیگری که از تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی استفاده می‌کند تقریبا ۱۰ درصد با یکدیگر تفاوت دارند. ستاره‌شناسان به این تفاوت، تنش هابل می‌گویند و به دنبال روش‌های اندازه‌گیری جدید برای حل آن هستند.

پژوهشگرها در روشی جدید از ابرنواختر رفسدال برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان استفاده کردند. آن‌ها در سال ۲۰۱۴ تصاویر متعددی از یک ابرنواختر را رصد کردند. اولین بار ابرنواختر «همگرا» شده رصد شد. در واقع تلسکوپ هابل به‌جای دیدن یک ابرنواختر، پنج ابرنواختر را رصد کرد.

اما همگرایی گرانشی چگونه رخ داد؟ درواقع نور ابرنواختر در تمام جهت‌ها پخش شد اما مسیر خود را از طریق فضایی خمیده‌شده در میدان‌های گرانشی عظیم خوشه‌های کهکشانی بزرگ طی کرد. به این صورت بخشی از مسیر نور خمیده شد و در نهایت نور از مسیرهای مختلف به منابع زمینی رسید. در نتیجه هر کدام از تصاویر ابرنواختر از طریق مسیری متفاوت در جهان به ما رسیده‌اند.

برای درک بهتر این مسئله، فرض کنید سه قطار یک ایستگاه را به‌صورت همزمان ترک می‌کنند. قطار اول از مسیری مستقیم به ایستگاه بعدی می‌رود در حالی که قطار دیگر از میان کوهستان و قطار سوم از کنار ساحل عبور می‌کنند. تمام قطارها به مقصد یکسانی می‌رسند با این تفاوت که مسیرهای متفاوتی را طی کرده‌اند و با اینکه همزمان ایستگاه را ترک کرده‌اند در زمان‌های متفاوتی به مقصد می‌رسند.

بنابراین تصاویر همگراشده، ابرنواختر یکسانی را نمایش می‌دهند که در یک نقطه از زمان منفجر شده، اما هر تصویر مسیر متفاوتی را طی کرده است. با نگاه کردن به زمان رسیدن هر تصویر ابرنواختر به زمین که یکی از آن‌ها در سال ۲۰۱۵ رصد شد، می‌توانیم زمان سفر آن‌ها و در نهایت سرعت انبساط جهان را تخمین بزنیم.

بدین‌ترتیب روش اندازه‌گیری منحصربه‌فرد و متفاوتی از رشد جهان را به دست می‌آوریم. پژوهشگرها این اندازه‌گیری را به اندازه‌گیری تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی نزدیک‌تر می‌دانند. بااین‌حال بر اساس موقعیت باید به اندازه‌گیری متغیر قیفاووسی و ابرنواختر نزدیک‌تر باشد.

با اینکه این اندازه‌گیری‌ها هنوز موضوع تنش هابل را حل نکرده‌اند می‌توانند سرنخی برای حل این مسئله باشند. شاید مشکل از درک خوشه‌های کهکشانی و مدل‌هایی باشد که برای همگرایی گرانشی به کار می‌روند. هنوز راه زیادی تا رسیدن به پاسخ قطعی داریم.