تا حل معمای انرژی تاریک چقدر فاصله داریم؟

یکی از عجیب‌ترین و اسرارآمیزترین فرضیه‌های دنیای فیزیک انرژی تاریک است. شکل ناشناخته‌ای از انرژی برای حل معمای انبساط تندشونده عالم، معمایی که با مطالعه ابرنواخترهای نوع یک مطرح شد و تا به امروز فقط قسمت‌های کوچکی از انرژی تاریک برای ما فاش شده است. اما بدون شک مطالعه دقیق‌تر این انرژی و اصلاح آن متناسب با پیشرفت‌های و مشاهدات امروزی می‌تواند برای تعیین شکل عالم، انبساط آن و سرنوشت جهان به ما کمک کند. با گجت نیوز همراه باشید.

«سائول مارتر» فیزیکدانی از آزمایشگاه «لورنس برکلی» در کالیفرنیا بود، که در اوایل سال 1990 وارد کار شد. بعدا گروه چند ملیتی دیگری گردهم آمدند و موفق شدند که تقسیم‌بندی جدید و استانداردتری نسبت به ابرنواخترها شکل بدهند تا سال 1998 هر کدام از دو گروه موفق به کشف 12 ابرنواختر شدند. این دو گروه نخستین کسانی بودند که تلاش‌های خود را صرف «پروژه کیهان شناختی ابرنواختر» کرده‌اند.

کاهش اتساع جهان و سرعت انبساط، کم‌تر از آن بود که امگا برابر 1 باشد. همانطور که انتظار می‌رفت امگا در واقع کل ماده موجود در کیهان است، ولی بعضی از دانشمدان متعصب برای اینکه عالم را ساده‌تر توصیف کنند اصرار داشتند امگا را برابر یک بدانند. آنچه غیر منتظره بود این بود که ظاهرا انتشار عالم نه تنها کاهش نیافته بلکه سریعتر نیز شده است.

انفجار بزرگ

با توجه به این نکته که حجم ابرنواخترها هرچقدر هم دور باشند می‌توان اندازه‌گیری دقیقی از آن‌ها داشت؛ البته ابر و غبارهای کیهانی گاهی باعث می‌شوند فاصله ابرنواخترها را بیشتر از آن چیزی که هستند برای ما جلوه کنند به هر شکل اگر انتشار عالم شتاب‌دار باشد نتیجه‌ای اعجاب‌انگیز و غیرمنتظره را می‌توان از آن استنباط کرد که به خود فضا مربوط می‌شود. البته باید نیروی دیگری نیز وجود داشته باشد که بتواند در خلا، چنین «دافعه کیهانی» را تولید کند، که این نیرو در منظومه خورشیدی ما و حتی کهکشان راه شیری محسوس نیست، ولی در مقیاس‌های خوشه‌های کهکشانی بر گرانش فائق می‌آید.

در چنین شرایطی با وجود جاذبه گرانشی ماده تاریک (که باعث کند شدن عالم می‌شود) روند انتشار عالم می‌تواند سریع‌تر شود. آنوقت است که باید عدد دیگری معرفی و توضیح داده شود که به آن پادگرانش گویند. معمولا تصویر ذهنی ما از خلا معادل هیچ است. اما اگر می‌توانستیم قسمتی از فضای بین‌ستاره‌ای را انتخاب و آنرا از اندک ذراتی که داشت خالی کنیم و حتی جلوی تابش‌هایی را که از آن عبور می‌کند بگیریم و آن را تا دمای صفر مطلق سرد کنیم، آنگاه باز فضای باقی مانده، می‌توانست مقداری نیرو وارد کند. خود اینشتین حدس زده بود که چنین می‌تواند باشد. او در سال 1917 اندکی پس از ارائه نسبیت عام به فکر افتاد نظریه نسبیت عام را درباره کل عالم به کار بگیرد.

در آن زمان دیدگاه کیهان‌شناسان این بود که کل عالم، کهکشان راه شیری است و ایستا و ثابت می‌باشد. اینشتین دریافت اگر عالم را ثابت قرار دهیم خیلی زود شروع به کوچک‌شدن می‌کند. زیرا بر اساس گرانش هر جزئی آن شروع به جذب جزء دیگر می‌کند. پس عالم نمی‌توانست ساکن باشد. وی برای مقابله با این مساله یک ثابت کیهان‌شناسی به معادلات خود اضافه کرد. با این کار تاثیر جاذبه را از نظر خودش خنثی نمود. از دهه 1920 میلادی به بعد این تصویر به‌هیچ‌وجه سازگاری با مشاهدات ما نداشت، چرا که درک کردیم کیهان در حال منبسط شدن است. از این رو اینشتین عامل کیهان‌شناسی که وارد معادله‌اش کرد را بزرگترین گاف خود نام برد، ولی اگر او چنین نکرده بود چه بسا ممکن بود او اولین شخصی باشد که انبساط عالم را کشف می‌نمود. اما امروز دهه‌ها از ثابت کیهان‌شناسی اینشتین می‌گذرد.

در مقیاس‌های بزرگتر مثل خوشه‌های کهکشانی چگالی متوسط آنقدر کم است که شاید نیروی دیگری نیروی غالب باشد. به نظر می‌رسد لاندا یا همان نیروی پاد گرانش سرنوشت نهایی کیهان را در دست دارد. در واقع چیزی که اینشتین بزرگترین گاف زندگیش نامید، چندین دهه بعد به عنوان کاندیدای انرژی تاریک لقب گرفت. درست مثل سیاه‌چاله‌ها که از دل نسبیت عام بیرون آمد ولی خود او این مساله را باور نداشت اگر مقدار لاندا بزرگ‌تر از آن چه که هست می‌بود به جای آنکه پس از تشکیل کهکشان‌ها با گرانش به رقابت می‌پرداختند. آن‌گاه این اثر گرانش را در مراحل ابتدایی عالم مغلوب می‌ساخت و طبعا اصلا کهکشانی شکل نمی‌گرفت.

پس می‌بینیم که کیهان ما توسط نیرویی مرموز در حال انتشار عالم شتاب دهنده است. 10 میلیارد سال آینده شاید کمی بیشتر کلیه ساختارهایی که امروز می‌بینیم وجود نخواهد داشت، و آنقدر از هم فاصله خواهند گرفت که حتی فرکانس‌های رادیویی از کهکشان‌های دوردست بسیار کمتر به ما می‌رسد. اگر لاندا صفر باشد، جاذبه گرانش روند دور شدن را کاهش می‌دهد اما هیچ وقت متوقف نمی‌شود. اما اگر لاندا صفر نباشد بلکه مقدار ناچیزی باشد، آن‌گاه دافع کیهانی کهکشان‌ها را با سرعتی فزاینده از هم دور خواهد کرد.

اگر در جستجوی معمایی باشیم که حسابی کیهان‌شناسان را به خودش مشغول کرده باشد، معمایی پیچیده‌تر از انرژی تاریک نیست. این انرژی حدود دوسوم عالم را شکل داده، با این حال هنوز نمی‌دانیم اصلا چیست. در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۹۰، اخترشناسان دریافتند که انبساط عالم در حال شتاب‌گرفتن است. این موضوع کاملاً خلاف انتظارتشان بود؛ آن‌ها فکر می‌کردند چون گرانش در برابر حرکت مقاومت می‌کند پس سرعت انبساط عالم باید کاهش بیابد. انرژی تاریک شبیه نوعی پادگرانش عمل می‌کند. این انرژی امکان دارد نوعی انرژی غیرمنتظره در خلا فضا باشد یا نیرویی جدید در طبیعت. هرچه باشد، به این معناست که باید در فهممان از عالم تغییرات بنیادین بدهیم. احتمال سوم این است که از اول اشتباه محاسبه کرده‌ایم. کیهان‌شناسان فقط زمانی می‌توانند معادلات نظریه‌ی نسبیت عام را حل کنند که برای چگالی ماده در کل عالم مقدار متوسطی را فرض کنند.

در صورت وجود چگالی‌های مختلفی، آنگاه عالم در بخش‌های مختلف خود با سرعت‌های مختلفی منبسط می‌شود. و وقتی ما به این نواحی نگاه کنیم به نظرمان می‌رسد که انبساط عالم در دنیای امروز ما شتاب می‌گیرد. البته این اندیشه‌ بحث‌برانگیز است. اغلب کیهان‌شناسان طرفدار یکی از دو گزینه‌ی نخست احتمالات هستند. ماموریت اقلیدس سازمان اسا برای سال ۲۰۲۰ هر سه احتمال را بررسی خواهد کرد. براساس این تئوری جهان از انفجار یک نقطه بوجود آمده است. این تئوری اولین بار براساس مشاهدات ادوین هابل و همکارانش مبنی بردور شدن همه کهکشانهای آسمان از کهکشان راه شیری بجز کهکشانهای محلی مطرح شد.

دور شدن کهکشانها با تعیین انتقال به قرمز خطوط طیفی  آنها نتیجه گیری شده است .مشاهدات نشان می‌دادند که هر چه کهکشان ها دورتر باشند سرعت دور شدن آنها هم بیشتر است. منطقی است که نتیجه‌گیری کنیم که اگر در زمان به عقب برگردیم در زمانی همه کهکشانها حرکت خود را از یک نقطه شروع کرده باشند. این نقطه یگانه (نقطه تکینگی کیهانی) نه تنها کهکشانها بلکه ستاره ها٬ گازها و غبارها و حتی تابش الکترومغناطیسی را شامل می‌شد. با توجه به این موارد و با در نظر گرفتن نظریه نسبیت عام ٬ دو مدل برای کیهان مطرح شده است، یکی نظریه کیهان ثابت یا پایدار و دیگری تئوری بیگ بنگ.

طبق مدل اول٬ در حالیکه کیهان منبسط می‌شود مواد٬ بین کهکشانها و در فضای خالی ایجاد شده و در مجموع چگالی کیهان و تمام خواص آن ثابت می‌ماند. این کیهان نه آغاز دارد و نه پایان بلکه بطور پیوسته منبسط شده و مواد جدید خلق می‌شود. براساس مدل دوم جهان از انفجار یک نقطه بوجود آمده است. این مدل به همراه نظریه نسبیت عام٬ با این واقعیت که هرچه کهکشان‌ها از هم دورتر باشند با سرعت بیشتری از هم دور می‌شوند (آن چیزی  که قانون هابل نامیده شده) مطابقت دارند. این مدل پیش بینی می‌کند که دمای اولیه در زمان انفجار در حد یک میلیارد درجه بوده است.

از لحظه آغاز فرآیند آفرینش تا زمانی که به زمان پلانک مشهور است (ده بتوان منفی 43) هیچ رابطه یا فرمول فیزیکی شناخته شده‌ای وجود ندارد و فقط از این زمان به بعد است که روابط فیزیکی وجود دارند. بعد از عبور از چند مرحله ویژه و کاهش تدریجی دما در زمان ده بتوان منفی 12، چهار نیروی بنیادی شکل گرفته و در زمان 10 بتوان منفی شش هم دما آنقدر پایین آمده تا شرایط برای شکل‌گیری هسته اتم‌ها فراهم شود. در این زمان عناصر طبیعی به ویژه هلیوم و هیدروژن شکل گرفته‌اند. بعد از گذشت سیصدهزار سال از لحظه آفرینش، کیهان برای فوتون ‌ها شفاف شده و تابش از ماده جدا شده است. با انبساط کیهان، ماده از تابش زمینه جدا شده و اتم‌ها تشکیل شده‌اند. گرانش موجب تغییر چگالی‌های موضعی شده و ستاره‌ ها شکل گرفته‌اند. براساس این مدل ٬تابش زمینه باید دمای خاصی داشته باشد و با گذشت زمان کاهش یافته و در حال حاضر نیز دمای آن 5 درجه کلوین باشد. کشف تابش زمینه توسط  پنزیاس و روبرت ویلسون و عکسبرداری‌های ماهواره COBE از نقاط قوت این مدل است. گفتنی است در کنار این موارد تایید کننده  ایراداتی نیز بر آن وارد است.

انواع شکل عالم و نسبیت عام اینشتین

شکل عالم مفهومی است برخاسته از نسبیت عام اینشتین، نظریه‌ای که به توصیف چگونگی انحنای فضا زمان در حضور ماده و انرژی می‌پردازد. این انحنا می‌تواند بر شکل عالم تاثیر بگذارد و آن را به سه صورت مختلف تخت (بدون انحنا) باز (انحنای منفی) و بسته (انحنای مثبت) توضیح دهد. هر شکل بستگی به کل جرم و انرژی‌ در واحد حجم دارد. اگر در عالم میزان جرم و انرژی بسیار زیاد باشد در این صورت خمیدگی عالم مثبت خواهد بود، مانند توپی گرد. اگر میزان جرم و انرژی خیلی کم باشد خمیدگی عالم منفی خواهد بود، درست مانند زین اسب. فقط در صورتی که عالم چگالی صحیح با تعداد اندکی پروتون در هر متر مکعب را داشته باشد، می‌تواند بدون خمیدگی و در نتیجه تخت باشد. عالم تخت عالمی است که باریکه‌های نور به موازات یکدیگر حرکت می‌کنند. عالم تخت حد فاصلی بین بسته (پرتوهای نور در آن به سمت یکدیگر همگرا می‌شوند) و عالم باز (باریکه های نور واگرا) است.

این شکل‌های مختلف ارتباطی منطقی با مفاهیم محدود بودن و نامحدود بودن عالم دارد. بدین معنا که عالم تخت یا انحنای منفی لزوما نامحدود، وعالم با انحنای مثبت، محدود است. بر پایه شکل عالم می‌توان هر سه مدل مشابه از جهان انبساطی را پیشنهاد کرد: مدل‌های تخت، باز و بسته. بر پایه هر سه مدل، هستی حال حاضر در حال انبساط است و برای خلق اولیه از یک تکنیگی در زمان صفر، یا همان مهبانگ سر چشمه می‌گیرد.

بنابراین هر سه مدل نزدیک به این نقطه تکینگی، رفتار یکسانی دارند، اما با گذشت زمان تحول این سه مدل تغییر می‌کند. مدل اول عالمی را توصیف می‌کند که مسطح است به این معنا که جهان منبسط می‌شود و تا بی نهایت این روند ادامه خواهد داشت. اما سرعت انبساط آن مدام به صفر نزدیک می‌شود. مدل دوم عالم باز است که تا ابد در دوره زمانی نامحدودی منبسط می‌شود و بالاخره مدل سوم عالمی است که بسته نامیده می‌شود. در عالم بسته انبساط در مدت زمان محدود ادامه پیدا می‌کند و پس از آنکه این مدت زمان به پایان برسد، عالم به جمع شدن و متلاشی شدن روی می‌آورد تا شاید آماده مهبانگ دیگری شود.

آیا انرژی تاریک تنها پاسخ  انبساط عالم است؟

همان‌طور که مشاهدات ابرنواخترهای نوع یک نشان داد، عالم با نرخی فراتر از نرخ اولیه انفجار بزرگ و با سرعتی بیشتر در حال انبساط است. این بدان معنا بود که عالم حدود 5 میلیارد سال قبل، شروع به انبساط تندشونده کرده است. انرژی تاریک، همگن و بسیار رقیق در نظر گرفته شده می‌شود و با فرض درست بودن مدل استاندارد کیهان شناسی که بهترین مدل موجود برای توضیح ویژگی‌های کیهان است، سهمی حدود 69 درصد از کل انرژی جهان قابل مشاهده را تشکیل می‌دهد. ماده تاریک و ماده باریونی به ترتیب سهمی حدود 26 و 5 درصد دارند و دیگر اجزا مانند نوترین و هاوفوتون نیز بخش بسار کوچکی از این انرژی کلی را تشکیل داده‌اند.

از آنچا که به نظر می‌رسد انرژی تاریک می‌تواند از خواص ذاتی فضا باشد، پس همراه با انبساط عالم و گسترش فضا رشد می‌یابد. این بدان معناست که وقتی عالم به دو برابر سن کنونی خود برسد، انرژی تاریک علاوه بر اینکه درستی ادعای اینشتین را نشان می‌دهد راهی برای حل معمای کاستی‌های انبساط عالم تخت هم بود. دنیای فیزیک از این فرضیه بسیار راضی بود و به نظر می‌رسید توانسته است راه حل مناسبی برای کشف معمای انبساط و شکل عالم بیابد، اما اندازه‌گیری‌های جدید نشان می‌دهد میزان انبساط عالم از آنچه در گذشته اندازه گرفته شده، بیشتر است و انرژی تاریک نمی‌تواند تنها پاسخ انبساط عالم باشد. شاید زمان آن رسیده که به مطالعه دقیق‌تر سایر مدل‌های انبساطی بپردازیم.

گویا در دایره باطلی گیر افتاده‌ایم؛ برای دانستن نوع هندسه عالم به مشخص کردن ماهیت انرژی تاریک نیاز داریم و برای مشخص کردن مقدار انرژی تاریک در عالم باید هندسه آن را بدانیم و دانستن یکی بدون پی‌بردن به دیگری ناممکن به نظر می‌رسد. بدون شک جهان عجیب‌تر از چیزی است که بتوان فکرش را کرد، اما هر گامی که دانشمندان در هر دوره‌ای، از زمان نیوتون با دستان خالی گرفته تا تحقیقات بزرگ، با امکانات فوق‌پیشرفته امروزی برداشته‌اند، تکه کوچکی از پازل بزرگ این عالم را بر ما آشکار کرده است.