معمای جهان با معادلات انیشتین در هم می‌آمیزد!

چرا انبساط جهان ما در حال شتاب است؟

بیست و پنج سال پس از کشف این پدیده، هنوز هم یکی از بزرگ‌ترین معماهای علمی به شمار می‌رود. حل این معما نیازمند آزمایش قوانین بنیادی فیزیک، از جمله نسبیت عام آلبرت اینشتین است. تیمی از دانشگاه‌های ژنو (UNIGE) و تولوز III – پل ساباتیه پیش‌بینی‌های اینشتین را با داده‌های حاصل از پروژه انرژی تاریک مقایسه کردند. دانشمندان اختلافی جزئی را کشف کردند که در دوره‌های مختلف تاریخ کیهانی متفاوت است. این نتایج که در نشریه Nature Communications منتشر شده‌اند، اعتبار نظریه‌های اینشتین را در توضیح پدیده‌های فراتر از منظومه شمسی در مقیاس جهانی به چالش می‌کشند.

نظریه اینشتین و انحراف نور

بر اساس نظریه آلبرت اینشتین، جهان به وسیله ماده دچار تغییر شکل می‌شود، مانند یک ورق بزرگ و انعطاف‌پذیر. این تغییرات که به وسیله گرانش اجسام آسمانی ایجاد می‌شوند، «چاه‌های گرانشی» نامیده می‌شوند. زمانی که نور از این چارچوب نامنظم عبور می‌کند، مسیر آن به وسیله این چاه‌ها خم می‌شود، مشابه اثر یک لنز شیشه‌ای. با این حال، در این مورد، گرانباری است که نور را خم می‌کند، نه شیشه. این پدیده به عنوان «لنزینگ گرانشی» شناخته می‌شود و مشاهده آن بینش‌هایی درباره اجزا، تاریخ و انبساط جهان ارائه می‌دهد. اولین اندازه‌گیری این پدیده در طول یک کسوف خورشیدی در سال 1919 انجام شد که نظریه اینشتین را تأیید کرد و پیش‌بینی کرد که انحراف نور دو برابر بیشتر از پیش‌بینی‌های اسحاق نیوتن است. این تفاوت ناشی از معرفی یک عنصر کلیدی جدید توسط اینشتین است: تغییر شکل زمان، علاوه بر تغییر شکل فضا، برای دستیابی به انحنای دقیق نور.

نظریه در برابر داده‌ها

آیا این معادلات هنوز هم در لبه جهان معتبر هستند؟ این سوال توسط بسیاری از دانشمندان مورد بررسی قرار می‌گیرد که به دنبال کمیت‌سنجی چگالی ماده در کیهان و درک شتاب انبساط آن هستند. با استفاده از داده‌های پروژه انرژی تاریک که اشکال صدها میلیون کهکشان را نقشه‌برداری می‌کند، تیمی از دانشگاه‌های ژنو (UNIGE) و تولوز III – پل ساباتیه بینش‌های جدیدی را ارائه می‌دهند. «تا کنون، داده‌های پروژه انرژی تاریک برای اندازه‌گیری توزیع ماده در جهان استفاده شده است.»

تحقیقات جدید در مورد انحراف زمان و فضا

در مطالعه ما، از این داده‌ها برای اندازه‌گیری مستقیم انحراف زمان و فضا استفاده کردیم که به ما این امکان را می‌دهد تا یافته‌های خود را با پیش‌بینی‌های انیشتین مقایسه کنیم،» می‌گوید کامیل بون‌وین، استاد همکار در دپارتمان فیزیک نظری دانشگاه ژنو (UNIGE) که رهبری این تحقیق را بر عهده داشته است.

اختلاف جزئی

داده‌های نظرسنجی انرژی تاریک به دانشمندان این امکان را می‌دهد که به عمق فضا نگاه کرده و به دورانی دورتر از گذشته سفر کنند. تیم فرانسوی-سوئیسی ۱۰۰ میلیون کهکشان را در چهار نقطه مختلف از تاریخ جهان تحلیل کردند: ۳.۵، ۵، ۶ و ۷ میلیارد سال پیش. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که چطور چاه‌های گرانشی در طول زمان تکامل یافته‌اند و بیش از نیمی از تاریخ کیهان را در بر گرفته‌اند.

«ما کشف کردیم که در گذشته دور – ۶ و ۷ میلیارد سال پیش – عمق چاه‌ها به خوبی با پیش‌بینی‌های انیشتین هم‌راستا است. اما نزدیک‌تر به امروز، یعنی ۳.۵ و ۵ میلیارد سال پیش، این چاه‌ها کمی کم‌عمق‌تر از آنچه انیشتین پیش‌بینی کرده بود هستند،» ایزاک توتوسائوس، ستاره‌شناس دستیار در مؤسسه تحقیقات اخترفیزیک و سیاره‌شناسی (IRAP/OMP) در دانشگاه تولوز III – پل ساباتیه و نویسنده اصلی این مطالعه، افشا می‌کند.

همچنین در این دوره که به امروز نزدیک‌تر است، گسترش جهان شروع به شتاب گرفتن کرد. بنابراین، پاسخ به دو پدیده – شتاب جهان و رشد کندتر چاه‌های گرانشی – ممکن است یکسان باشد: گرانش ممکن است تحت قوانین فیزیکی متفاوتی در مقیاس‌های بزرگ‌تر از آنچه انیشتین پیش‌بینی کرده، عمل کند.

چالش انیشتین؟

«نتایج ما نشان می‌دهد که پیش‌بینی‌های انیشتین با اندازه‌گیری‌ها دارای ناسازگاری ۳ سیگما هستند. در زبان فیزیک، چنین آستانه‌ای از ناسازگاری توجه ما را جلب کرده و نیاز به تحقیقات بیشتری را مطرح می‌سازد. اما این ناسازگاری در این مرحله به اندازه‌ای بزرگ نیست که نظریه انیشتین را رد کند. برای این کار، ما نیاز به رسیدن به آستانه ۵ سیگما داریم. بنابراین، ضروری است که اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری انجام شود تا این نتایج اولیه تأیید یا رد شوند و مشخص شود که آیا این نظریه در جهان ما، در فواصل بسیار بزرگ، معتبر باقی می‌ماند یا خیر،» ناستاسیا گریم، پژوهشگر پسادکتری در دپارتمان فیزیک نظری دانشگاه ژنو و همکار نویسنده این مطالعه، تأکید می‌کند.

تیم در حال آماده‌سازی برای تحلیل داده‌های جدید از تلسکوپ فضایی یودید است که یک سال پیش پرتاب شده است. با توجه به اینکه یودید جهان را از فضا مشاهده می‌کند، اندازه‌گیری‌های آن از لنز گرانشی به طور قابل توجهی دقیق‌تر خواهد بود. علاوه بر این، انتظار می‌رود که در طول شش سال مأموریت، حدود ۱.۵ میلیارد کهکشان را مشاهده کند. این امر امکان اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری از انحرافات زمان-فضا را فراهم می‌آورد و به ما این امکان را می‌دهد که به عقب در زمان نگاه کنیم و در نهایت معادلات انیشتین را آزمایش کنیم.