فیل در خانه‌ی تاریک

یک قرن پیش، دنیا جایی ساکن و آرام بود؛ حداقل کیهان‌شناسان که این گونه فکر می‌کردند. همزمان با غرش صدای تفنگ‌ها در غرب جهان، آلبرت انیشتین آخرین ظریف‌کاری‌هایش را روی دیدگاهش از یک جهان کاملاً متعادل انجام می‌داد. در مقاله‌ای که او در فوریه‌ی ۱۹۱۷ تقدیم آکادمی علوم پروس کرد چیزهای جدیدی به محاسبات خام نسبیت عام افزوده شده بود؛ یکی از آن‌ها طراحی شده بود تا تضمین کند که جهان می‌تواند کاملاً بدون تغییر باقی بماند.

امروز اروپا در جنگ نیست ولی در عوض عالم بسیار ناآرام است. مدت‌هاست که ایده‌ی استاتیک انیشتین کنار گذاشته‌ایم و معلوم شده که نه تنها جهان در حال گسترش است، بلکه این بسط عالم با شتاب مثبت هم جلو می‌رود و همه‌ی این‌ها به لطف عاملی اسرارآمیز، به نام انرژی تاریک اتفاق می‌افتد.

کسی نمی‌داند ماهیت این انرژی تاریک چیست ولی این واقعیت که باید دو سوم هر چیزی را که وجود دارد، تشکیل دهد، مبرهن است. البته همین واقعیت علمی هم انگار زیاد درست نیست. اندازه‌گیری‌های جدید از سرعت گسترش جهان، اطلاعات کنونی ما را درباره‌ی انرژی تاریک به چالش می‌کشد. مثل این است که شبحی بالای سر جهان کمین کرده و دورنمای این دیدگاه، تأثیر شگرفی بر کیهان‌شناسان گداشته است. نه تنها اجزای جهان در حال دور شدن از یکدیگرند، بلکه این مفهوم را نیز می‌رساند که اصلاً ما نباید این جا بوده باشیم.

شما به مفهوم دقیق آن توجه می‌کنید ولی (انرژی تاریک) مفاهیم عجیبی به دنبال دارد.

از دانشگاه جان‌هاپکینز Adam Riess

زمانی که انیشتین در سال ۱۹۱۵ برای آخرین بار، نظریه‌ی نسبیت عام را چکش‌کاری می‌کرد، بر سر یک دوراهی قرار گرفت. محاسبات او توصیف ظریفی از جهانی که تحت سلطه‌ی جاذبه بود، ارائه می‌داد، ولی فقط یک چیزش کم بود: توجیهی برای استاتیک بودن جهان وجود نداشت (همانطور که آن زمان تصور می‌شد، جهان ثابت در نظر گرفته می‌شود؛ یعنی نه در حال انبساط و نه انقباض). راه‌حل او، یک حرف بی‌معنی کلاسیک بود: اصطلاح جدیدی به نام “ثابت کیهان‌شناسی” به منظور توجیه انرژی اضافی مورد نیاز برای تثبیت جهان.

انیشتین خودش طرفدار چیزی که ابداع کرد، نبود و زیاد طول نکشید که ستاره‌شناسانی به نام‌های ادوین هابل و میلتون هوماسون دلیلی جور کردند، تا او این ثابت را انکار کند. در دهه‌ی ۱۹۲۰، نشان داده شد که کهکشان‌های دور در حال دور شدن از ما هستند و بنابراین، جهان در حال گسترش می‌باشد. مشهور است که انیشتین ثابت مذکور را بزرگ‌ترین اشتباه خود نامیده است.

ثابت متغیر!

در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰، ثابت کیهان‌شناسی بازگشت شکوهمندانه‌ای به عرصه داشت. وقتی دو گروه از ستاره‌شناسان که یکی توسط Riess رهبری می‌شد، با استفاده از نور ستارگان دور (ابرنواخترها) نشان دادند که گسترش عالم، با شتاب مثبت صورت می‌گیرد.

وجود یک انرژی تاریک دافع که با انرژی گرانشی کل ماده در عالم مقابله می‌کند، تنها توجیه غیرقابل‌انکار به نظر می‌رسد. راه‌های زیادی برای توجیه این انرژی وجود داشت (چون نمی‌دانیم چیست!) ولی ساده‌ترین راه، تعریف دوباره‌ی ثابت کیهان‌شناسی بود. با این که ثابت کیهانی ابتدا برای تثبیت در عالم ابداع شده بود، ولی اگر مقدار صحیحی برای آن انتخاب شود، امکان به وجود آوردن اثر ماده‌ی تاریک دلخواه فراهم خواهد شد. آخرین مشاهدات پیشنهاد می‌کنند، چیزی که به‌واسطه‌ی ثابت کیهان‌شناسی محاسبه می‌شود، بیش از ۶۸ درصد عالم را تشکیل داده است.

یعنی چه می‌تواند باشد؟ توجیه مورد علاقه‌ی بیشتر فیزیکدانان این است که انرژی تاریک، معرف چگالی انرژی فضا می‌باشد؛ یعنی همه چیز برمی‌گردد به اثرات پایه‌ای کوانتوم که حتی در خلأ بین کهکشان‌ها و منظومه‌های ستاره‌ای نیز وجود دارد. اما بر اساس بهترین ارزیابی‌های ما، قدرت این نوسانات کوانتومی ۱۰^۱۲۰ برابر بیشتر از چیزی خواهد بود که برای گسترش جهان با این سرعت لازم است. Alessandro Melchiorri در دانشگاه رم اینگونه نتیجه‌گیری می‌کند:

ثابت کیهان‌شناسی شدیداً مشکل‌ساز است؛ راستش را بخواهید، ما هیچ توجیهی نداریم.

با این حال، انرژی تاریک و ثابت کیهان‌شناسی، اکنون جزو ارکان اصلی مدل استاندارد کیهان‌شناسی (Lambda-CDM) محسوب می‌شوند. حرف یونانی Lambda همان ثابت کیهان‌شناسی و CDM سرواژه‌ی عبارت cold dark matter به معنای ماده‌ی تاریک سرد است. ماده‌ی تاریک هم از لحاظ اسرارآمیز بودن، چیزی از انرژی تاریک کم ندارد. اعتقاد بر این است که ماده‌ی تاریک کهکشان‌ها را کنار هم نگه داشته است.

مدل Lambda-CDM در طول دو دهه‌ی اخیر به خوبی خودش را اثبات کرده و هر جنبه‌ی جدیدی از دیدگاه در حال تکامل ما را از کیهان‌شناسی توجیه می‌کند. با این حال، در طول چند سال اخیر ترک‌هایی بر بدنه‌ی این بنا افتاده که می‌تواند کل آن را در هم بشکند.

اختلاف‌های بین مشاهدات امروزه از جهان با آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند، همگی از نحوه‌ی پیدایش جهان منشأ می‌گیرد و مهم‌ترین‌شان هم سرعت گسترش جهان است؛ عددی با عنوان ثابت هابل. تا همین اواخر، مقدار مورد قبول از طرف ماهواره‌ی پلانکِ آژانس فضایی اروپا اعلام می‌شد که نور ۳۸۰,۰۰۰ ساله‌ بیگ‌بنگ را اندازه گرفته بود. این‌ها دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها از تابش زمینه‌ی کیهانی۱ تا به امروز می‌باشد که دیدگاه بی‌سابقه‌ای را از اولین لحظات عالم در اختیار ما قرار داده است.

با بهره بردن از این دانش، محققان الگوهای موجود در تابش زمینه‌ی کیهانی را بدست آورده و آن‌ها را ۱۳ میلیارد سال به جلو بردند تا نرخ گسترش شتابدار امروز را محاسبه نمایند: ۶۷.۳ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک۲.

اعدادی که با ماهواره‌ی پلانک بر اساس شواهد و قرائن گسترش داده شده، با مشاهدات اخیر کیهان‌شناسان قرابت شیوایی دارد. این اطلاعات، کمتر یا بیشتر، با ثابت کیهان‌شناسی خوانایی دارد ولی محاسبه‌ی ثابت هابل فقط از راه پیش‌بینی تابش زمینه‌ی کیهانی انجام نمی‌گیرد.

از زمان خود هابل، ‌ستاره‌شناسان این ثابت را به طور مستقیم و با استفاده از نور ستاره‌ها و کهکشان‌های دور اندازه‌گیری کرده‌اند. برخی ستاره‌ها با عنوان شمع‌ استاندراد۳، مقدار معینی انرژی از خود ساطع می‌کنند که امکان اندازه‌گیری فواصل اطراف را فراهم می‌سازد. مشاهده‌ی کل کهکشان‌ها به ما اجازه می‌دهد در تکنیکی به نام نردبان فاصله‌ی کیهانی^۴، فواصل بیشتری را بسنجیم.

Riess یک دهه‌ی گذشته را صرف تنظیم و گسترش تکنیک نردبال فاصله‌ی کیهانی کرده است. وقتی او در سال ۲۰۱۱، اولین نتایج خود را منتشر کرد، عدم قطعیت در اندازه‌گیری‌های او و اطلاعاتی که ماهواره‌ی پلانک ثبت کرده بود، به قدر معینی بزرگ بود که بتوان آن‌ها را پایدار در نظر گرفت. با این حال، آن عدم قطعیت‌ها رفته‌رفته کاهش پیدا کرد و دو عدد ارائه شده (یکی با استفاده از نور ستارگان و عدد منظور نظر ما، با سنجش تابش زمینه‌ی کیهانی) کاملاً از هم جدا شدند. آخرین اندازه‌گیری‌های Riess، ثابت هابل را ۷۳.۲ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپاراسک محاسبه کرده که ۹۹.۹ درصد صحت داشته و با اطلاعات پلانک فاصله دارد.

این میزان اختلاف بین محاسبات در حال جدی شدن است. امکان دارد فقط یک اشتباه باید ولی این، تنها چیزی نیست که کیهان‌شناسان را نگران کرده است.

فیل در خانه‌ی تاریک۵

Catherine Heymans در دانشگاه ادینبورگ انگلستان روی Kilo-Degree Survey) KiDS) کار می‌کند که هدفش نقشه‌بندی نوار گسترده‌ای از آسمان با استفاده از تکنیک weak lensing می‌باشد. این تکنیک مسیری را که نور در اطراف توده‌های جرمی خم می‌شود، اندازه می‌گیرد. مشاهدات آن‌ها روی پیش‌بینی کلیدی دیگرِ مدل استاندارد محدودیت اعمال می‌کند: طریقه‌ای که ماده‌ی تاریک در پهنه‌ی کهکشان‌ها به صورت توده درمی‌آید. آخرین آنالیز آن‌ها که امسال منتشر شد، عدد کاملاً متفاوتی را بدست آورده که شباهتی به چیزی که پلانک پیش‌بینی کرده، ندارد. همچنین توزیع ماده‌ی تاریک کمی آهسته‌تر از چیزی که انتظار می‌رفت.

هیمانز زمانی را به یاد می‌آورد که او نتایج متضاد را در سال ۲۰۱۲ ارائه داد، به نظر می‌آمد George Efstathiou، یکی از مسئولان تیم پلانک همیشه در طرف مقابل نشسته و می‌گوید: “کاترین! می‌توانی برای حضار توضیح دهی که کجای کار را اشتباه انجام داده‌ای؟” “من جزئتش را نداشتم که بگویم: جورج! تو می‌توانی برای حضار توضیح دهی که تیمت کجای راه را اشتباه رفته است؟”

شاید هیچکس کارش را اشتباه انجام نداده باشد. در طول قرن گذشته، ما از جهانی که ساکن در نظر گرفته می‌شد، به جهانی منتقل شدیم که با سرعت در حال گسترش بود و اکنون می‌گوئیم که این سرعت هم ثابت نیست، بلکه با شتابی ثابت در حال افزایش می‌باشد.

ساده‌ترین راه برای توافق روی این تنش‌هایی که برای مدل استاندارد (Lambda-CDM) پیش‌ آمده، این است که یک قدم فراتر نهیم. شهاب جودکی از دانشگاه آکسفورد و یکی دیگر از اعضای KiDS، بر این باور است که باید روی این مفهوم که چگالی انرژی در طول عمر عالم بایستی ثابت بماند، تجدید نظر کنیم:

شتابی که به ثابت کیهان‌شناسی نسبت داده شده، خودش در حال افزایش می‌باشد؛ پس ثابت کیهان‌شناسی هر عددی باشد، این نیست.

این ایده که انرژی تاریک می‌تواند تکامل یابد، چیز جدیدی نیست. محبوب‌ترین متغیری که با عنوان quintessence (جوهر یا نیروی پنجم) شناخته می‌شود، برای اولین بار در دهه‌ی ۱۹۸۰ پیشنهاد شد. این متغیر انرژی تاریک را به صورت زمینه‌ای گسترده در نظر گرفت که می‌تواند نقش نیروی پنجم۶ را در طبیعت بازی کند؛ البته با قدرت متغیر. ولی نیروی پنجمِ از مد افتاده نتوانست استانداردهای لازم را کسب نماید. برای توجیه آخرین نتایج، ما به انرژی تاریکی نیاز داریم که به طریقی شگفت‌آور تکامل می‌یابد.

رفتار انرژی تاریک را می‌توان در رابطه‌ی چگالی انرژی آن و فشار به بیرونی که اعمال می‌کند، خلاصه کرد. در مدل استاندارد، نسبت این دو خصوصیت، ثابتی با عددی در حدود منفی یک (۱-) می‌باشد. تحت مدل‌های قدیمی عنصر پنجم، این ثابت می‌تواند هر چقدر می‌خواهد بالا رود تا اثبات کند که با گذشت زمان چگالی انرژی آن محو خواهد شد.

با این حال، برخلاف چیزی که گفتیم و بر اساس آخرین نتایج بدست آمده، این ثابت چیزی کمتر از منفی یک است. معنی این حرف آن است که نه تنها انرژی تاریک در عالم محو نمی‌شود، بلکه بیشتر هم خواهد شد.

این سناریو، واقعاً عجیب به نظر می‌رسد.

هیمانز

انرژی منفی (نوعی انرژی که در حال جدا کردن اجزای عالم از یکدیگر است) باید بدون پایان و از ناکجا ایجاد شود. ما هیچ انرژی‌ای سراغ نداریم که از هیچ تولید شود. مدل‌هایی که چنین چیزی را پیش‌بینی می‌کردند، به عادت زمان خودشان، نادیده گرفته شدند؛ به همین دلیل هم لقب شبح انرژی تاریک را به آن دادند. ولی اکنون به ضیافت ارواح دعوتیم!

نتایجی که می‌توان برای آخرالزمان عالم متصور شد، دراماتیک است. در زمان به پیش می‌رویم؛ آنقدر پیش می‌رویم که شتاب شتابدار عالم، هر ذره‌ای را در هر مقیاسی از هم جدا خواهد کرد. نهایتاً تمام ذرات تشکیل‌دهنده‌ی عالم در سناریویی تحت عنوان big rip از هم جدا خواهند شد.

تفکر آزاردهنده‌ی دیگری هم وجود دارد که کل ایده را زیر سؤال می‌برد. در عالمی که توسط انرژی تاریک تکه‌تکه شده، ماده‌ی معمولی برای ثابت ماندنش مثل سابق، زیادی بی‌ثبات است. در چنین شرایطی بسیار پیش‌تر از آن که ما به عرصه‎ی وجود قدم بگذاریم، همه چیز به انرژی تاریک تنزل یافته بود.

برای Claudia de Rham از کالج سلطنتی لندن، این نشانه‌ای از عدم دانش ما نسبت به چیزی بسیار پایه‌ای‌تر است. “من شبح انرژی تاریک را پایان داستان نمی‌دانم”.

پس چه چیزی می‌تواند پشت نقاب این شبح باشد؟ یکی از ایده‌ها این است که دو تا از ضداجتماع‌ترین ساکنین عالم، ماده و انرژی تاریک طوری با هم برهمکنش دارند که نتایج آن را چنین می‌بینیم. اگر ماده‌ی تاریک به طور پیوسته‌ای به انرژی تاریک تنزل بیاید، می‌توان چنین رشدی را در عالم توجیه کرد. گزینه‌ی بعدی این است که چند میدان انرژی کشف‌نشده وجود دارد و این انرژی‌ها طوری با هم ممزوج شده‌اند که در طول زمان به چنین وضعیت دافعی انجامیده است. ولی این گزینه زیاد محبوب نیست؛ چون مسأله را غامض‌تر می‌کند.

این واقعیت که نظریه‌پردازان به سمت قلمروهایی می‌روند که بسیار ناشناخته است، فیزیکدانان تجربی را نگران می‌کند. بسیاری امیدوارند، تفاوت در اندازه‌گیری‌ها آنقدر بیشتر شود که کسی توان رویگردانی از فیزیک جدید را نداشته باشد.

اگر همه چیز، همین Lambda-CDM ساده است، شاید بروم و بقیه‌ی عمرم را به کار دیگری مشغول شوم.

باب نیکول، مدیر مؤسسه‌ی کیهان‌شناسی و گرانش در دانشگاه پورت اسموت انگلستان

مقاله‌ی مرتبط: این تصویر از لحظه‌ی تولد عالم، ۳ میلیون دلار جایزه برده است!

آلارم استاندارد

نسل جدیدی از مشاهدات باید یک بار برای همیشه بحث ماده را جمع کند. کاوشکر فضایی Euclid قرار است در سال ۲۰۲۰ پرتاب شود و برنامه‌ریزی شده Large Synoptic Survey Telescope کار رصد آسمان جنوبی را از ۲۰۱۹ شروع کند؛ این‌ها همه در راستای بهبود اندازه‌گیری‌ها می‌باشد. همچنین اندازه‌گیری امواج گرانشی می‌تواند به سنجش دقیق‌تر سرعت گسترش جهان کمک نماید ولی فعلاً عدم قطعیت آن زیاد است. با این حال ممکن است به زودی قضاوت مستقلی هم از این سو داشته باشیم.

در اوایل سال میلادی جاری، رصدخانه‌ی تداخل لیزری امواج گرانشی (LIGO) و شناساگرهای Virgo امواج ضعیفی را در فضا-زمان رصد کردند که از ادغام دو ستاره‌ی نوترونی به وجود آمده بود. ستاره‌شناسان توانایی پیگیری این وقایع را در آسمان‌ها دارند. این برای اولین بار بود که یک واقعه‌ی کیهانی هم به وسیله‌ی نور و هم توسط امواج گرانشی مشاهده می‌شد. چنین پدیده‌ای به فیزیکدانان راه جدیدی معرفی کرد تا بتوانند نرخ شتاب گسترش عالم را محاسبه کنند. عقیده بر این است که این روش دقیق‌تر خواهد بود؛ چون لازم نیست بر فرضیات پیشین که براساس متدهای قبلی ارائه شده‌اند تکیه نماید.

این اولین “آلارم استاندارد” به تنهایی کافی نیست ولی با چندین روش مشابه می‌توان به دقتی دست یافت که در آن نقطه باید تصمیم بگیریم که وقت تجدید نظر در مفهوم انرژی تاریک شده یا نه. نهایتاً، همان‌طور که در صدسالگیِ ثابت کیهان‌شناسی با یک انفجار نابودگر سورپرایز شدیم، تضمینی هم برای جانشینان آن وجود ندارد.

به حد کافی در این باره صحبت کرده‌ایم و فکر نمی‌کنم نظریه‌ی خوبی وجود داشته باشد. یک طاعون در هر دو خانه۷؛ هیچ کدام راحت نیستند.

باب نیکول

پی‌نوشت:

1. تابش زمینه‌ی کیهانی یکی از پیش‌بینی‌های نظریه‌ی بیگ‌بنگ است. طبق این نظریه، عالم نخستین پلاسمای داغی از فوتون‌ها، الکترون‌ها و باریون‌ها بود. فوتون‌ها پیوسته با الکترون‌ها برهمکنش تامسون داشتند. با انبساط جهان و پایین‌آمدن دمای آن، الکترون‌ها با پروتون‌ها ترکیب شدند و اتم‌های هیدروژن را ساختند. در این هنگام که دمای جهان ۳,۰۰۰ کلوین بود و ۳۷۹,۰۰۰ سال از عمر جهان می‌گذشت، پراکندگی تامسون متوقف شد و فوتون‌ها توانستند آزادانه حرکت کنند. این پدیده بازترکیب یا واجفتیدگی نام دارد (زیرا ماده و تابش از این زمان به بعد با هم جفت نبودند). از آن زمان تاکنون این فوتون‌ها همچنان سردتر می‌شوند. دمای کنونی آن‌ها ۲.۷۲ کلوین است و تا جایی که انبساط عالم ادامه داشته باشد سردتر خواهند شد.
2. پارسِک (Parsec) یکی از واحدهای سنجش مسافت در ستاره‌شناسی است. یک پارسِک برابر با ۳۰.۹ تریلیون کیلومتر و معادل ۳.۲۶ سال نوری است.
3. شمع استاندارد نوعی جرم نجومی است که درخشندگی معینی دارد و معیاری برای اندازه‌گیری فاصله است.
4. نردبان فاصله کیهانی (Cosmic distance ladder) که به نام مقیاس فاصله وراکهکشانی(extragalactic distance scale) نیز شناخته می‌شود، یک توالی از روش‌هایی است که اخترشناسان برای تعیین فاصله تا اجرام آسمانی از آن استفاده می‌کنند.
5. این داستان ریشه‌دار، یک بار هم با عنوان و “فیل و کوران” در مثنوی مولوی آمده و نمادی از نقص کشف حسی می‌باشد.
6. چهار نیروی بنیادی شناخته شده در جهان عبارتند از: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، الکترومغناطیس و گرانش.
7. برای فهم این مَثل می‌توانید به ماجرای Mercutio در داستان رومئو و ژولیت مراجعه کنید.