انتشار این مقاله


بزرگ‌ترین اسرار گیتی (۱): سن جهان چقدر است؟

بزرگ‌ترین اسرار گیتی به انتخاب مجلۀ معتبر Astronomy

طی یک قرن اخیر، ستاره‌شناسان چندین روش مختلف را برای برآورد کردن سن جهان آزموده‌اند. اما با ورود به قرن جدید، نه تنها عمر قطعی جهان تعیین نگردید، بلکه محاسبۀ آن نیز دشوارتر از گذشته به نظر می‌رسید.

خوش‌بختانه، با آغاز مأموریت کاوشگر ناهمسان‌گرد ریزموجی ویلکینسون یا WMAP در سال ۲۰۰۱، و به دنبال آن، پرتاب ماهواره پلانک توسط آژانس فضایی اروپا در سال ۲۰۰۹،  تا حدود زیادی از این عدم قطعیت فروکاست. صرف نظر از پیشرفت‌های بزرگی که در قرن ۲۱ام در این حوزه صورت گرفت، تلاش دانشمندان در سدۀ گذشته برای دست‌یابی به برآورد نسبتاً دقیقی از عمر جهان، داستانی معمایی را رقم زد، که شنیدن آن خالی از لطف نیست.

سال‌ها قبل از کاوشگر ویلکینسون و ماهواره پلانک، بهترین روش برای تخمین سن جهان، استفاده از واحدی جنجال‌برانگیز به نام ثابت هابل (hubble constant) بود، که برای نشان دادن سرعت انبساط جهان تعریف شده بود. ستاره‌شناسان به منظور محاسبۀ ثابت هابل، فاصلۀ کهکشان‌های دوردست و سرعت دور شدن‌شان از زمین را اندازه‌گیری می‌کنند. اندازه‌گیری فاصلۀ این کهکشان‌ها از زمین به کمک متغیرهای دلتا قیفاووسی یا هر جرم آسمانی دیگر با درجۀ شناخته‌شده‌ای از روشنایی، صورت می‌گیرد. متغیر دلتا قیفاووسی (Cepheid variable) به ستاره‌ای اطلاق می‌شود که قطر، حرارت و روشنایی‌اش در دوره‌های زمانی منظم، با شدت ثابت تغییر کند. اگر بخواهیم خیلی ساده و کوتاه بگوییم، ثابت هابل از طریق تقسیم کردن سرعت دور شدن کهکشان بر فاصله‌اش از زمین، به دست می‌آید. پس از محاسبۀ این مقدار، می‌توان وارون ضربی آن را نیز به دست آورد؛ یعنی مقداری که اگر در ثابت هابل ضرب کنیم، عدد یک حاصل شود. تخمین عمر جهان نیز به کمک همین وارون ضربی انجام می‌شود.

اما قضیه به همین سادگی نیست. مقادیری که دانشمندان در آن زمان برای به عنوان ثابت هابل به دست آورده بودند، بر اساس فرضیات متعددی در مورد تراکم و ترکیب ساختاری جهان، محاسبه شده بود. حتی روشی که هر یک از دانشمندان برای اندازه‌گیری فاصله کهکشان از زمین به کار گرفته بودند، در نتیجۀ نهایی تأثیرگذار بود. همین عوامل باعث شد که ستاره‌شناسانی که اندیشه‌های متفاوت داشتند، ارقام متفاوت نیز به دست آورند!


بیش‌تر بخوانید:

مسأله‌ی گسترش جهان حل نمی‌شود که هیچ، مبهم‌تر هم می‌شود!

جهانی در حال گسترش در آزمایشگاه

ترکیب‌های ایده‌آل برای سنجش انبساط کیهانی


مقادیر گوناگونی که به عنوان ثابت هابل معرفی شده بودند، اغلب به دو دسته تقسیم می‌شدند؛ گروهی در بازۀ ۵۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک قرار می‌گرفتند، و دسته دوم نیز دور و بر ۸۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک می‌چرخیدند. (یک مگاپارسک معادل با ۳.۲۶ میلیون سال نوری یا ۲۰ میلیاد میلیارد مایل است.) حال اگر بخواهیم بر اساس این دو مقدار از ثابت هابل، سن جهان را محاسبه کنیم، به بازه‌ای بین ۱۰ تا ۱۶ میلیارد سال خواهیم رسید. توجه داشته باشید که مقادیر بالاتر از ثابت هابل، سن کوچک‌تری را برای جهان پیشنهاد می‌کنند. تحقیقاتی که در ادامه توسط ستاره‌شناسان حاضر در پروژۀ تلسکوپ فضایی هابل صورت گرفت، و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری هم که به کمک این تلسکوپ انجام شد، توانستند به حد بالاتری از ثابت هابل دست یافته، و سن پایین‌تری نیز برای جهان پیشنهاد دهند. اما باز هم عدم قطعیت دست بردار نبود.

سلسله ‌روش‌‎های دیگری به با هدف محاسبۀ عمر جهان به کار گرفته شدند، سعی داشتند از طریق اندازه‌گیری سن کهن‌ترین اجرام آسمانی، عمر جهان را نیز تعیین کنند. ستاره‌شناسان می‌توانند به کمک اندازه‌گیری میزان فروپاشی عناصر پرتوزا، عمر کیهان را تخمین بزنند. اعدادی که به کمک این روش به دست می‌آیند، ۴.۴ میلیارد سال برای قدیمی‌ترین سنگ‌های موجود در زمین (زیرکُن‌هایی که در جک هیلز استرالیا کشف شده‌اند)، و ۴.۶ میلیارد سال برای کهن‌ترین شهاب‌واره‌ها هستند. روش فوق برآورد قابل قبولی را از سن منظومه شمسی ارائه می‌کند، اما در تخمین عمر جهان، خیلی دقیق نیست.

اگر همین روش بالا را برای گازهای موجود در کهکشان راه شیری و یا سایر ستارگان کهن‌سال مورد استفاده قرار دهیم، عدد چندان دقیقی به دست نخواهد آمد. دقت غیرقابل قبول این روش به دلیل فرضیات گوناگونی است که در مورد فراوانی بدوی ایزوتوپ‌های گازی مطرح شده‌اند. در صورتی که با همین روش به کار خود ادامه دهیم، به جهانی ۱۲ تا ۱۵ میلیارد ساله خواهیم رسید، که به نظر برابر با اعداد حاصل از روش ثابت هابل می‌آید. مشکل کار این است که با عدم قطعیتی برابر با مثبت/منفی ۳ تا ۴ میلیارد سال رو‌به‌رو هستیم.

ستاره‌شناسان با استفاده از یک روش دیگر به اندازه‌گیری سن کوتوله‌های سفید نیز پرداخته‌اند. (تا شاید با این راه بتوانند به تخمین درستی از سن جهان دست یابند) کوتوله سفید به بقایای یک ستاره گفته می‌شود که جرمی برابر با خورشید داشته، اما اندازه‌ای معادل با زمین دارد. دانشمندان با شناسایی کم‌سوترین، و در نتیجه قدیمی‌ترین کوتوله‌های سفید، مدت‌زمانی را که برآورد کردند که این اجرام متراکم در حال خنک شدن بوده‌اند. تلاش‌های گسترده‌ای که برای دسته‌بندی کوتوله‌های سفید و اندازه‌گیری عمر آن‌ها صورت گرفت، رقمی معادل با ۱۰ میلیارد سال را برای سن دیسک کهکشان راه شیری پیشنهاد داد. دیسک این کهکشان در حدود ۲ میلیارد سال بعد از مه‌بانگ شکل گرفته‌ است، که به این معنی است که جهان سنی برابر با ۱۲ میلیارد سال دارد.


بیش‌تر بخوانید:


اندازه‌گیری سن خوشه‌های ستاره‌ای قدیمی، از دیگر گذرگاه‌هایی است که می‌تواند ما را به تخمین سن جهان راهنمایی کند. ستاره‌شناسان با بررسی درخشان‌ترین ستارگان واقع در خوشه‌های ستاره‌ای کروی می‌توانند یک کران بالا برای عمر هر خوشه تعیین کنند. این کار با بررسی درخشان‌ترین ستاره‌ها بر روی نموداری تحت عنوان “توالی اصلی” انجام می‌شود. توالی اصلی خطی است که بین دو محور درخشندگی و حرارت ستاره‌ای رسم می‌شود.

مطالعاتی از این قبیل بر روی تعداد زیادی از خوشه‌های ستاره‌ای کروی، با در نظر گیری داده‌های مربوط به اندازه‌گیری‌های انجام شده توسط دو مأموریت هیپارکوس (Hipparcos) و گایا (Gaia) – متعلق به آژانس فضایی اروپا – نشان داده است که بسیاری از ستارگان قدیمی که در گوشه و کنار گیتی به چشم می‌خورند، عمری بالغ بر ۱۳ میلیارد سال دارند. به عقیدۀ ستاره‌شناسان، سن خوشه‌های ستاره‌ای کروی، شاخص بسیار مناسبی برای تعیین حدودی سن جهان است؛ چرا که این خوشه‌ها به ندرت دارای عناصر سنگین‌تری نسبت به هیدروژن و هلیم‌اند. این که تقریباً تمام ساختمان چنین ستارگانی از عناصر ساده‌ای نظیر هیدروژن و هلیم تشکیل شده، نشان می‌دهد که آن‌ها اولین اجرامی هستند که در جهان به وجود آمده‌اند.

در پی انتشار داده‌های حاصل از مأموریت WMAP، بیش‌تر اختلاف نظرها در بین دانشمندان مرتفع گردید. اعلام جدیدترین یافته‌های ماهواره پلانک در سال ۲۰۱۵ نیز تقریباً اجازه نداد دیگر اختلاف نظری در این زمینه باقی بماند. ستاره‌شناسان با مطالعه و بررسی دقیق تابش زمینه کیهانی (CMB) سن جهان را ۱۳.۸ میلیارد سال اعلام کرده‌اند؛ که دقتی برابر با ۰.۰۱ دارد. این نتایج مانند آبی بود که بر روی آتش مباحثات قبلی فرو ریخته باشد، اما … خیلی زمان برد تا بتوانیم به این نقطه برسیم.

میلاد شیرولیلو


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *