چالش جدید برای نظریه کیهانی؛ گسترش کیهان تأیید شد

مشاهدات جدید تلسکوپ فضایی جیمز وب و راز گسترش سریع جهان

مشاهدات تازه‌ای که از تلسکوپ فضایی جیمز وب به دست آمده، نشان می‌دهد که یک ویژگی جدید در جهان — نه نقصی در اندازه‌گیری‌های تلسکوپ — ممکن است دلیل معمایی باشد که در طول یک دهه در مورد گسترش سریع‌تر جهان در مقایسه با دوران اولیه‌اش وجود داشته است. داده‌های جدید، اندازه‌گیری‌های تلسکوپ فضایی هابل از فواصل میان ستاره‌ها و کهکشان‌های نزدیک را تأیید می‌کند و یک بررسی حیاتی برای حل تناقض در اندازه‌گیری‌های گسترش مرموز جهان ارائه می‌دهد. این تناقض که به عنوان «تنش هابل» شناخته می‌شود، حتی با بهترین مدل‌های کیهان‌شناسی نیز توضیح داده نشده است.

آدام ریس، برنده جایزه نوبل و نویسنده اصلی این تحقیق، که استاد برجسته فیزیک و نجوم در دانشگاه جانز هاپکینز است، گفت: “تناقض بین نرخ گسترش مشاهده‌شده جهان و پیش‌بینی‌های مدل استاندارد نشان می‌دهد که ممکن است درک ما از جهان ناقص باشد. با تأیید یافته‌های یکدیگر از سوی دو تلسکوپ اصلی ناسا، باید این مشکل [تنش هابل] را بسیار جدی بگیریم — این یک چالش است اما همچنین یک فرصت شگفت‌انگیز برای یادگیری بیشتر درباره جهان ماست.“

این تحقیق که در مجله نجوم فیزیکی منتشر شده، بر اساس کشف برنده جایزه نوبل ریس بنا شده است که نشان می‌دهد گسترش جهان به دلیل وجود یک «انرژی تاریک» مرموز که در فضاهای وسیع میان ستاره‌ها و کهکشان‌ها پراکنده است، شتاب می‌گیرد. تیم ریس از بزرگ‌ترین نمونه داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط تلسکوپ وب در دو سال اول فعالیتش برای تأیید اندازه‌گیری نرخ گسترش جهان که به آن «ثابت هابل» می‌گویند، استفاده کرد. آن‌ها از سه روش مختلف برای اندازه‌گیری فواصل کهکشان‌هایی که میزبان سوپرنوا بودند، استفاده کردند و بر روی فواصل قبلاً اندازه‌گیری‌شده توسط تلسکوپ هابل تمرکز کردند که دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های «محلی» از این عدد را تولید می‌کند.

مشاهدات از هر دو تلسکوپ به‌طور نزدیک هم‌راستا بود و نشان داد که اندازه‌گیری‌های هابل دقیق هستند و احتمال خطای کافی برای نسبت دادن این تنش به خطای هابل را رد می‌کند. با این حال، ثابت هابل همچنان یک معما باقی مانده است زیرا اندازه‌گیری‌های مبتنی بر مشاهدات تلسکوپ از جهان کنونی، مقادیر بالاتری را نسبت به پیش‌بینی‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی تولید می‌کند که یک چارچوب پذیرفته‌شده برای نحوه عملکرد جهان است که با داده‌های پس‌زمینه کیهانی میکروویو، که تابش ضعیفی از بیگ بنگ است، کالیبره شده است. در حالی که مدل استاندارد ثابت هابل را حدود 67-68 کیلومتر در ثانیه به ازای مگاپارسک می‌دهد، اندازه‌گیری‌های مبتنی بر مشاهدات تلسکوپ به‌طور منظم مقدار بالاتری بین 70 تا 76 را نشان می‌دهد، با میانگینی برابر 73 کیلومتر بر ثانیه به ازای مگاپارسک.

این تناقض بیش از یک دهه کیهان‌شناسان را سردرگم کرده است زیرا تفاوت 5-6 کیلومتر بر ثانیه به ازای مگاپارسک بسیار بزرگ‌تر از آن است که به سادگی با نقص‌های اندازه‌گیری یا تکنیک‌های مشاهده‌ای توضیح داده شود. (مگاپارسک‌ها فاصله‌های بسیار بزرگی هستند. هر مگاپارسک معادل 3.26 میلیون سال نوری است و یک سال نوری فاصله‌ای است که نور در یک سال طی می‌کند: 9.4 تریلیون کیلومتر یا 5.8 تریلیون مایل.) از آنجا که داده‌های جدید وب، تعصبات قابل توجهی در اندازه‌گیری‌های هابل را رد می‌کند، تنش هابل ممکن است ناشی از عوامل ناشناخته یا شکاف‌هایی در درک فیزیک کیهان‌شناسان باشد که هنوز کشف نشده است، تیم ریس گزارش می‌دهد.

سیانگ لی، دانشجوی تحصیلات تکمیلی که در دانشگاه جانز هاپکینز بر روی این مطالعه کار می‌کند، گفت: “داده‌های وب مانند این است که برای اولین بار به جهان با وضوح بالا نگاه کنیم و واقعاً سیگنال به نویز اندازه‌گیری‌ها را بهبود می‌بخشد.” این مطالعه تقریباً یک سوم از نمونه کامل کهکشان‌های هابل را پوشش داد و از فاصله شناخته‌شده یک کهکشان به نام NGC 4258 به عنوان نقطه مرجع استفاده کرد.

دستیابی به دقت بالا در اندازه‌گیری ثابت هابل

با وجود مجموعه داده‌های کوچک‌تر، تیم تحقیقاتی موفق به دستیابی به دقت چشمگیری شد و تفاوت‌های اندازه‌گیری کمتر از ۲ درصد بود که به مراتب کمتر از حدود ۸-۹ درصد اختلاف موجود در اندازه‌گیری‌های هابل است. علاوه بر تحلیل ستاره‌های متغیر پالس‌دار به نام ستاره‌های سِفید (Cepheid)، که استاندارد طلایی برای اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی محسوب می‌شوند، تیم اندازه‌گیری‌ها را بر اساس ستاره‌های غنی از کربن و بزرگ‌ترین غول‌های سرخ در همان کهکشان‌ها نیز بررسی کرد.

تمام کهکشان‌هایی که توسط تلسکوپ وب مشاهده شدند، به همراه سوپرنواهایشان، مقدار ثابت هابل را ۷۲.۶ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک تعیین کردند که تقریباً با مقدار ۷۲.۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک که هابل برای همان کهکشان‌ها پیدا کرده بود، یکسان است. این مطالعه شامل نمونه‌هایی از داده‌های تلسکوپ وب از دو گروه مستقل بود که به تصحیح ثابت هابل می‌پردازند؛ یکی از تیم SH0ES ریِس (Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy) و دیگری از برنامه هابل کارنگی-شیکاگو، به همراه داده‌های سایر تیم‌ها.

اندازه‌گیری‌های ترکیبی، دقیق‌ترین تعیین موجود از فاصله‌های اندازه‌گیری شده با استفاده از تلسکوپ هابل را ارائه می‌دهد. ستاره‌های سِفید که برای تعیین ثابت هابل اساسی هستند، در این تحقیق نقش مهمی ایفا کردند. اگرچه ثابت هابل تأثیر عملی بر روی منظومه شمسی، زمین یا زندگی روزمره ندارد، اما نشان‌دهنده تکامل جهان در مقیاس‌های بسیار بزرگ است، به طوری که نواحی وسیعی از فضا خود به خود کشیده و کهکشان‌های دور را مانند کشمش‌هایی در خمیر در حال رشد از یکدیگر دور می‌کند.

این مقدار کلیدی است که دانشمندان برای نقشه‌برداری از ساختار جهان و عمیق‌تر کردن درک خود از وضعیت آن ۱۳ تا ۱۴ میلیارد سال پس از بیگ بنگ استفاده می‌کنند و جنبه‌های بنیادی دیگر کیهان را محاسبه می‌کنند. حل اختلاف هابل می‌تواند بینش‌های جدیدی درباره دیگر تناقضات با مدل کیهانی استاندارد که در سال‌های اخیر به وجود آمده است، ارائه دهد. مارک کامیونکوسکی، کیهان‌شناس دانشگاه جانز هاپکینز که در محاسبه ثابت هابل کمک کرده و به تازگی توضیح جدیدی برای این اختلاف ارائه داده است، گفت: “یکی از توضیحات ممکن برای اختلاف هابل این است که چیزی در درک ما از جهان اولیه کم است، مانند یک مؤلفه جدید از ماده — انرژی تاریک اولیه — که به جهان پس از بیگ بنگ یک شتاب غیرمنتظره داد.”

او ادامه داد: “و ایده‌های دیگری نیز وجود دارد، مانند ویژگی‌های عجیب ماده تاریک، ذرات عجیب، تغییر جرم الکترون یا میدان‌های مغناطیسی اولیه که ممکن است کارساز باشند. نظریه‌پردازان مجاز به خلاقیت هستند.”

نویسندگان دیگر این تحقیق شامل دن اسکولنیک و تیانروی وو از دانشگاه دوک؛ گگان‌دیپ اس. آناند، استفانو کاسرتانو و ریچل بیتون از موسسه علوم تلسکوپ فضایی؛ لویی بروفال، ون‌لونگ یوان، یوکئی اس. موراگامی، گریم ای. آدیسون و چارلز بنت از دانشگاه جانز هاپکینز؛ لوکاس ام. مکری از NSF NOIRLab؛ کارولین دی. هوانگ از مرکز اخترفیزیک | هاروارد و اسمیتسونیان؛ سوراب جها از دانشگاه راتگرز، ایالت نیوجرسی؛ دیلون برات از دانشگاه بوستون؛ ریچارد آی. اندرسون از École Polytechnique Fédérale de Lausanne; الکسی وی. فیلیپنکو از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی؛ و آنتونی کار از دانشگاه کوئینزلند، بریزبن هستند.

این تحقیق با حمایت‌های مالی از سوی وزارت انرژی با گرنت DE-SC0010007، بنیاد دیوید و لوسیله پکارد، بنیاد تمپل‌تون، بنیاد اسلون، JWST GO-1685 و GO-2875، HST GO-16744 و GO-17312، و صندوق کریستوفر آر. ردلیچ انجام شده است.