راز جدید کیهان فاش شد: چرا جهان سریع‌تر از قبل منبسط می‌شود؟

تازه‌ترین یافته‌های تلسکوپ جیمز وب و معمای گسترش کیهان

بررسی‌های اخیر که با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب انجام شده، اشاراتی به یک پدیده‌ی جدید در کیهان داره – و نه صرفاً یه خطای اندازه‌گیری – که می‌تونه توضیحی باشه برای این راز که چرا جهان، در مقایسه با دوران اولیه‌اش، داره با سرعت بیشتری منبسط می‌شه. داده‌های جدید، نتایج اندازه‌گیری‌های تلسکوپ فضایی هابل رو از فاصله‌ی بین ستاره‌ها و کهکشان‌های نزدیک تایید می‌کنه و یه بررسی مهم برای حل این تناقض در اندازه‌گیری‌های گیج‌کننده‌ی انبساط کیهان ارائه می‌ده. این تناقض که به اسم «کشش هابل» شناخته می‌شه، هنوز با وجود بهترین مدل‌های کیهان‌شناسی هم قابل توضیح نیست.

آدام ریس، که جایزه‌ی نوبل رو برده و نویسنده‌ی اصلی این پژوهشه، و همچنین استاد برجسته‌ی فیزیک و نجوم در دانشگاه جانز هاپکینزه، می‌گه: «این تفاوت بین سرعت انبساطی که می‌بینیم و اونچه که مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کنه، نشون می‌ده که شاید درک ما از جهان ناقص باشه. وقتی دو تا از اصلی‌ترین تلسکوپ‌های ناسا این نتایج رو تایید کردن، دیگه باید این [کشش هابل] رو خیلی جدی بگیریم – این هم یه چالش بزرگه و هم یک فرصت فوق‌العاده برای اینه که بیشتر درباره‌ی دنیامون یاد بگیریم.»

این تحقیق که در نشریه‌ی اخترفیزیک (The Astrophysical Journal) منتشر شده، براساس کشف‌های برنده‌ی نوبل ریس انجام شده که نشون می‌ده انبساط جهان به خاطر وجود انرژی مرموزی به اسم «انرژی تاریک» هست، که بین ستاره‌ها و کهکشان‌ها پراکنده شده و باعث شتاب گرفتن جهان می‌شه. تیم ریس از بزرگ‌ترین مجموعه‌ی داده‌هایی که تلسکوپ وب در دو سال اول فعالیتش جمع‌آوری کرده بود، استفاده کرد تا اندازه‌گیری‌های مربوط به سرعت انبساط جهان رو که بهش «ثابت هابل» می‌گن، تایید کنه. اونا از سه روش متفاوت برای اندازه‌گیری فاصله‌ی کهکشان‌هایی که میزبان ابرنواخترها (سوپرنواها) بودن استفاده کردن و روی فواصل قبلاً اندازه‌گیری شده توسط تلسکوپ هابل تمرکز کردن، که دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها رو از این عدد به دست میاره (اندازه‌گیری‌های «محلی»).

نتایج به دست اومده از هر دو تلسکوپ، خیلی به هم نزدیک بود و نشون داد که اندازه‌گیری‌های هابل درسته و بعیده که خطای زیادی داشته باشه که بشه این اختلاف رو به خطای اندازه‌گیری هابل نسبت داد. با این حال، ثابت هابل هنوز یه معما باقی مونده، چون اندازه‌گیری‌های انجام شده با تلسکوپ در جهان امروزی مقدارهای بالاتری نسبت به پیش‌بینی‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی نشون می‌ده. این مدل، که یک چارچوب پذیرفته شده در مورد نحوه‌ی کارکرد جهانه، بر اساس داده‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی مایکروویو تنظیم شده، که تابش ضعیفی از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) هست. در حالی که مدل استاندارد، ثابت هابل رو حدود 67-68 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک تخمین می‌زنه، اندازه‌گیری‌های تلسکوپ مرتباً مقداری بین 70 تا 76 نشون می‌ده، با میانگین 73 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک.

این تناقض، ذهن کیهان‌شناسان رو برای بیش از یک دهه مشغول کرده، چون اختلاف 5-6 کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک خیلی بیشتر از اونه که بشه فقط با خطاهای اندازه‌گیری یا روش‌های رصدی توضیحش داد. (مگاپارسک‌ها فاصله‌های خیلی بزرگی هستن؛ هر مگاپارسک برابر با 3.26 میلیون سال نوریه و یه سال نوری، فاصله‌ایه که نور در یک سال طی می‌کنه: 9.4 تریلیون کیلومتر یا 5.8 تریلیون مایل.) چون داده‌های جدید وب، احتمال وجود اشتباهات بزرگ در اندازه‌گیری‌های هابل رو رد می‌کنه، تیم ریس گزارش می‌ده که کشش هابل ممکنه به خاطر عوامل ناشناخته یا ایراداتی در درک فیزیک کیهان‌شناسان باشه، که هنوز کشف نشده.

شیانگ لی، دانشجوی دکتری که در دانشگاه جانز هاپکینز روی این مطالعه کار می‌کنه، می‌گه: «داده‌های وب مثل اینه که برای اولین‌بار با وضوح خیلی بالا به جهان نگاه می‌کنیم و واقعاً سیگنال رو از نویز اندازه‌گیری‌ها جدا می‌کنه.» این مطالعه تقریباً یک سوم از کل کهکشان‌هایی که هابل بررسی کرده رو پوشش داده و از فاصله‌ی شناخته شده‌ی یه کهکشان به اسم NGC 4258 به عنوان یه نقطه‌ی مرجع استفاده کرده.

رسیدن به دقت بالا در اندازه‌گیری ثابت هابل

با وجود مجموعه‌ی کوچیک‌تری از داده‌ها، تیم تحقیقاتی تونست به دقت قابل توجهی دست پیدا کنه و تفاوت در اندازه‌گیری‌ها کمتر از 2 درصد بود، که خیلی کمتر از اختلاف 8-9 درصدیه که در اندازه‌گیری‌های هابل وجود داره. علاوه بر بررسی ستاره‌های متغیر و ضربان‌دار به اسم ستاره‌های قیفاووسی (Cepheid)، که به‌عنوان معیار طلایی برای اندازه‌گیری فواصل کیهانی در نظر گرفته می‌شن، تیم تحقیقاتی، اندازه‌گیری‌ها رو بر اساس ستاره‌های غنی از کربن و بزرگ‌ترین غول‌های سرخ در همون کهکشان‌ها هم بررسی کرد.

تمامی کهکشان‌هایی که توسط تلسکوپ وب مشاهده شدن، به همراه ابرنواخترهاشون، مقدار ثابت هابل رو 72.6 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک تعیین کردن که تقریباً با مقدار 72.8 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک که هابل برای همون کهکشان‌ها به دست آورده بود، برابره. این مطالعه شامل نمونه‌هایی از داده‌های تلسکوپ وب از دو گروه مستقل بود که در حال کار بر روی تصحیح ثابت هابل هستن؛ یکی از تیم SH0ES ریس (Supernova, H0, for the Equation of State of Dark Energy) و دیگری از برنامه‌ی هابل کارنگی-شیکاگو، به همراه داده‌هایی از تیم‌های دیگه.

اندازه‌گیری‌های ترکیبی، دقیق‌ترین تعیین موجود از فاصله‌های اندازه‌گیری شده با استفاده از تلسکوپ هابل رو ارائه می‌ده. ستاره‌های قیفاووسی که برای تعیین ثابت هابل اساسی هستن، در این تحقیق نقش مهمی ایفا کردن. اگرچه ثابت هابل تأثیر مستقیمی روی منظومه‌ی شمسی، زمین یا زندگی روزمره‌ی ما نداره، اما نشون‌دهنده‌ی تکامل جهان در مقیاس‌های خیلی بزرگه، به‌طوری‌که بخش‌های وسیعی از فضا خودشون رو منبسط می‌کنن و کهکشان‌های دور رو، درست مثل کشمش‌هایی در یه خمیر در حال ور اومدن، از هم دور می‌کنن.

این عدد، یه مقدار حیاتیه که دانشمندا ازش برای ترسیم ساختار جهان و درک عمیق‌ترش از وضعیتش در 13 تا 14 میلیارد سال بعد از بیگ بنگ استفاده می‌کنن و بعد، ازش برای محاسبه‌ی جنبه‌های اساسی دیگه کیهان استفاده می‌کنن. حل معمای هابل می‌تونه بینش‌های جدیدی درباره‌ی تناقض‌های دیگه با مدل کیهان‌شناسی استاندارد که در سال‌های اخیر به وجود اومده، ارائه بده. مارک کامیونکوسکی، کیهان‌شناس دانشگاه جانز هاپکینز، که در محاسبه‌ی ثابت هابل کمک کرده و اخیراً یه توضیح جدید برای این اختلاف ارائه داده، می‌گه: «یکی از توضیح‌های احتمالی برای اختلاف هابل اینه که یه چیزی در درک ما از جهان اولیه کم هست، مثل یه مؤلفه‌ی جدید از ماده – انرژی تاریک اولیه – که به جهان پس از بیگ بنگ یه شتاب غیرمنتظره داد.»

اون ادامه می‌ده: «و ایده‌های دیگه‌ای هم وجود داره، مثل ویژگی‌های عجیب ماده‌ی تاریک، ذرات عجیب، تغییر جرم الکترون یا میدان‌های مغناطیسی اولیه که ممکن است کارساز باشند. به نظریه‌پردازا اجازه داده شده که خلاق باشن.»

سایر نویسندگان این تحقیق شامل دن اسکولنیک و تیانروی وو از دانشگاه دوک؛ گگان‌دیپ اس. آناند، استفانو کاسرتانو و ریچل بیتون از موسسه‌ی 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 هستن.

این تحقیق با حمایت‌های مالی از 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.

“`