کیهان‌شناسی در لبه تغییر؟ درک دانشمندان از انرژی تاریک ممکن است به‌کلی اشتباه باشد

چهارم آوریل، اخترشناسانی که بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین نقشه‌‌ی سه‌بعدی ساخته‌شده تاکنون از تاریخ کیهان را ترسیم کرده‌اند، اعلام کردند که ممکن است در درک خود از انرژی تاریک، نیروی اسرارآمیز عامل تسریع انبساط جهان، نقص بزرگی پیدا کرده باشند.

انرژی تاریک به‌عنوان یک نیروی پایدار در جهان، هم در دوران کنونی و هم درطول تاریخ کیهان فرض شده است؛ اما داده‌های جدید نشان می‌دهد که انرژی تاریک ممکن است تغییرپذیرتر باشد، درطول زمان قوی‌تر یا ضعیف‌تر، معکوس یا حتی ناپدید شود.

آدام ریس، اخترشناس در دانشگاه جانز هاپکینز و موسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور که در مطالعه‌ی جدید مشارکت نداشت، به‌نقل از نیویورک‌تایمز می‌گوید: «یافته‌ی جدید ممکن است اولین سرنخ واقعی باشد که در ۲۵ سال گذشته در مورد ماهیت انرژی تاریک به‌دست آورده‌ایم.» ریس در سال ۲۰۱۱ به‌همراه دو اخترشناس دیگر به پاس کشف انرژی تاریک، جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد.

نتیجه‌گیری اخیر در صورت تایید می‌تواند اخترشناسان و سایر دانشمندان را از پیش‌بینی تلخ سرنوشت نهایی جهان نجات دهد. اگر انرژی تاریک درطول زمان تاثیری ثابت داشته باشد، درنهایت تمام ستارگان و کهکشان‌ها را چنان از یکدیگر دور می‌کند که حتی ممکن است اتم‌ها از هم بپاشند و جهان و کل حیات درون آن، نور و انرژی برای همیشه نابود شوند. درعوض، به‌نظر می‌رسد که انرژی تاریک می‌تواند مسیر را تغییر دهد و کیهان را به سوی آینده‌ای پرحاصل‌تر هدایت کند.

کشف اخیر گزارشی اولیه محسوب می‌شود و به‌صورت مجموعه‌ای از مقالات از سوی گروه مسئول پروژه‌ای بین‌المللی به نام «ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک» یا به اختصار DESI منتشر شده است. این گروه به‌تازگی تلاشی پنج‌ساله را برای ساخت یک نقشه‌ی سه‌بعدی از موقعیت و سرعت ۴۰ میلیون کهکشان درطول ۱۱ میلیارد سال تاریخ کیهان آغاز کرده است. پژوهشگران نقشه‌ی اولیه‌ی خود را براساس اولین سال رصد از فقط شش میلیون کهکشان ساخته‌اند. نتایج چهارم آوریل در نشست انجمن فیزیک آمریکا در ساکرامنتو در کالیفرنیا و در کنفرانسی در ایتالیا ارائه شد.

مایکل لوی، مدیر DESI در بیانیه‌ای که از سوی آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، مرکز ناظر بر پروژه منتشر شد، می‌گوید: «تا اینجا شاهد سازگاری اولیه با بهترین مدل خود از جهان هستیم؛ اما همچنین برخی تفاوت‌های بالقوه جالب را مشاهده می‌کنیم که ممکن است نشانگر تکامل انرژی تاریک با گذشت زمان باشند.»

ناتالی پالانک-دلابرویل، اخترفیزیکدان آزمایشگاه لارنس برکلی و سخنگوی پروژه در مصاحبه‌ای گفت: «تیم DESI انتظار نداشت که به این زودی‌ها به گنج برسد. سال اول نتایج صرفا برای تایید آنچه از قبل می‌شناختیم، طراحی شده بود. تصور می‌کردیم اساسا مدل استاندارد را تایید خواهیم کرد.» اما ناشناخته‌ها درمقابل چشم پژوهشگران ظاهر شد.

وندی فریدمن، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو که تلاش‌های علمی برای اندازه‌گیری انبساط جهان را هدایت کرده است، نتایج تیم را یافته‌هایی فوق‌العاده توصیف می‌کند که از پتانسیل گشودن دریچه‌ای تازه به سوی درک انرژی تاریک برخوردار هستند. انرژی تاریک به‌عنوان نیروی غالب جهان، همچنان بزرگ‌ترین راز در کیهان‌شناسی محسوب می‌شود.

ایده‌ی انرژی تاریک در سال ۱۹۹۸ مطرح شد؛ وقتی دو گروه رقیب از اخترشناسان، ازجمله دکتر ریس دریافتند که سرعت انبساط جهان برخلاف انتظار اغلب دانشمندان، به‌جای آنکه کاهش یابد، درحال افزایش است. مشاهدات اولیه ظاهرا نشان می‌داد که انرژی تاریک درست مانند «فاج فکتور» معروفی که با حرف یونانی لامبدا مشخص می‌شود، عمل می‌کند. آلبرت اینشتین لامبدا را در معادلاتش قرار داد تا توضیح دهد چرا جهان دراثر گرانش خود فرونمی‌پاشد؛ اما بعدا این اقدام خود را بزرگ‌ترین اشتباهش خواند.

بااین‌حال، اینشتین احتمالا خیلی زود قضاوت کرد. لامبدا همان‌طور که اینشتین فرمول‌بندی کرده بود، خاصیت خود فضا بود: هرچه با انبساط جهان، فضای بیشتری پدید آید، انرژی تاریک بیشتری وجود دارد که هرچه بیشتر فشار می‌آورد و درنهایت به آینده‌ای افسارگسیخته و بدون نور ختم می‌شود.

انرژی تاریک در مدل استاندارد با عنوان LCDM، متشکل از ۷۰ درصد انرژی تاریک (لامبدا)، ۲۵ درصد ماده تاریک سرد (مجموعه‌ای از ذرات بیگانه‌ی کم‌سرعت) و ۵ درصد ماده‌ی اتمی جای گرفت. این مدل هرچند اکنون از سوی تلسکوپ فضایی جیمز وب خدشه‌دار شده، هنوز اعتبارش را حفظ کرده است. بااین‌حال چه می‌شود اگر انرژی تاریک آن‌طور که مدل کیهان‌شناسی فرض می‌کند، پایدار نباشد؟

مسئله مربوط به پارامتری به نام w، معیار مخصوص سنجش چگالی یا شدت انرژی تاریک است. در نسخه‌ی اینشتین از انرژی تاریک، مقدار این پارامتر درکل حیات جهان به‌طور ثابت منفی یک باقی می‌ماند. کیهان‌شناسان در ۲۵ سال گذشته از این مقدار در مدل‌های خود استفاده کرده‌اند.

پروژه دسی که ۱۴ سال در دست ساخت بوده، برای آزمایش ثبات انرژی تاریک به‌وسیله‌ی اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان در زمان‌های مختلف در گذشته طراحی شده است. به منظور انجام این کار، دانشمندان یکی از تلسکوپ‌های رصدخانه ملی کیت پیک در آریزونای آمریکا را به پنج‌هزار آشکارساز فیبر نوری تجهیز کردند که می‌توانند همزمان روی شمار زیادی از کهکشان‌ها طیف‌سنجی انجام دهند تا دریابند با چه سرعتی از زمین دور می‌شوند.

پژوهشگران از نوسانات در توزیع کیهانی کهکشان‌ها که به «تغییرات آکوستیک باریونیک» معروف هستند، به‌عنوان معیار فاصله استفاده کردند. امواج صوتی موجود در پلاسمای داغ انباشته‌شده در جهان، در زمانی که فقط ۳۸۰هزار سال از عمر آن می‌گذشت، نوسانات را روی کیهان حک کردند. در آن زمان، نوسانات نیم میلیون سال نوری وسعت داشتند. ۱۳٫۵ میلیارد سال بعد، کیهان هزار برابر منبسط شده و نوسانات که اکنون ۵۰۰ میلیون سال نوری وسعت دارند، به‌عنوان خط‌کش‌های مناسب برای اندازه‌گیری‌های کیهانی عمل می‌کنند.

دانشمندان دسی ۱۱ میلیارد سال گذشته‌ی کیهان را به ۷ بازه‌ی زمانی تقسیم کردند و برای هرکدام، اندازه‌ی نوسانات و سرعت دورشدن کهکشان‌های موجود در آن‌ها از ما و از یکدیگر را اندازه گرفتند. وقتی پژوهشگران تمام داده‌ها را کنار هم قرار دادند، دریافتند که این فرض که انرژی تاریک ثابت است، برای توصیف انبساط جهان جوابگو نیست. کهکشان‌ها در سه دوره‌ی اخیر نزدیک‌تر از آنچه باید باشند، به‌نظر آمدند؛ مشاهده‌ای که نشان می‌دهد انرژی تاریک ممکن است با گذشت زمان درحال تکامل باشد.

دکتر پالانک-دلابرویل می‌گوید: «درواقع سرنخی می‌بینیم که نشان می‌دهد خواص انرژی تاریک با یک ثابت کیهانی ساده مطابقت ندارد و درعوض ممکن است دارای برخی انحرافات باشد.» بااین‌حال، وی باور دارد که یافته‌ی جدید خیلی ضعیف است و هنوز مدرک محسوب نمی‌شود. زمان و داده‌های بیشتر، سرنوشت انرژی تاریک و مدل آزمایش‌شده‌ی پژوهشگران را مشخص خواهد کرد.