تحقیقات جدید درباره جاذبه طبق نظریه نسبیت انیشتین

تأثیر گرانش بر کیهان

گرانش کیهان ما را شکل داده است. این نیروی جاذبه، تفاوت‌های کوچک در مقدار ماده موجود در جهان اولیه را به رشته‌های گسترده‌ای از کهکشان‌ها که امروز می‌بینیم، تبدیل کرده است. یک مطالعه جدید با استفاده از داده‌های ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) نشان داده است که این ساختار کیهانی در طول ۱۱ میلیارد سال گذشته چگونه رشد کرده است و دقیق‌ترین آزمایش تا به امروز از گرانش در مقیاس‌های بسیار بزرگ را ارائه می‌دهد.

DESI یک همکاری بین‌المللی متشکل از بیش از ۹۰۰ محقق از بیش از ۷۰ مؤسسه در سراسر جهان است و تحت مدیریت آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (Berkeley Lab) وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده قرار دارد. در مطالعه جدید خود، محققان DESI دریافتند که گرانش طبق پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام انیشتین عمل می‌کند. این نتیجه، مدل پیشرو ما از جهان را تأیید کرده و نظریه‌های ممکن گرانش اصلاح‌شده‌ را محدود می‌کند که به عنوان روش‌های جایگزین برای توضیح مشاهدات غیرمنتظره، از جمله انبساط شتابدار جهان ما که معمولاً به انرژی تاریک نسبت داده می‌شود، پیشنهاد شده‌اند.

تأیید نظریه نسبیت عام

پائولین زاروق، کیهان‌شناس در مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) و یکی از سرپرستان این تحلیل جدید، گفت: “نظریه نسبیت عام در مقیاس‌های منظومه‌های شمسی به خوبی آزمایش شده است، اما ما همچنین نیاز داشتیم که فرضیه‌های خود را در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر آزمایش کنیم.” او افزود: “مطالعه نرخ تشکیل کهکشان‌ها به ما این امکان را می‌دهد که نظریه‌های خود را به طور مستقیم آزمایش کنیم و تا کنون، نتایج ما با پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام در مقیاس‌های کیهانی هم‌راستا است.”

محدودیت‌های جدید بر جرم نوترینوها

این مطالعه همچنین محدودیت‌های جدیدی بر جرم نوترینوها، تنها ذرات بنیادی که جرم آن‌ها هنوز به طور دقیق اندازه‌گیری نشده است، ارائه داد. آزمایش‌های قبلی نوترینو نشان داده‌اند که مجموع جرم سه نوع نوترینو باید حداقل ۰.۰۵۹ الکترون‌ولت بر c² باشد. (برای مقایسه، جرم یک الکترون حدود ۵۱۱,۰۰۰ الکترون‌ولت بر c² است.) نتایج DESI نشان می‌دهد که مجموع باید کمتر از ۰.۰۷۱ الکترون‌ولت بر c² باشد، که پنجره‌ای باریک برای جرم نوترینوها باقی می‌گذارد.

تحلیل‌های پیچیده و نقشه‌برداری ۳ بعدی

همکاری DESI نتایج خود را در چندین مقاله که امروز در مخزن آنلاین arXiv منتشر شده است، به اشتراک گذاشت. این تحلیل پیچیده از نزدیک به ۶ میلیون کهکشان و کوازار استفاده کرده و به محققان این امکان را می‌دهد که تا ۱۱ میلیارد سال به گذشته نگاه کنند. با تنها یک سال داده، DESI دقیق‌ترین اندازه‌گیری کلی از رشد ساختار را انجام داده و از تلاش‌های قبلی که دهه‌ها طول کشیده بود، پیشی گرفته است.

نتایج امروز، تحلیلی گسترده از سال اول داده‌های DESI را ارائه می‌دهد که در آوریل، بزرگ‌ترین نقشه ۳ بعدی از جهان ما را تا به امروز ترسیم کرده و نشانه‌هایی از این که انرژی تاریک ممکن است در طول زمان در حال تحول باشد، نشان داده است. نتایج آوریل به ویژگی خاصی از نحوه خوشه‌بندی کهکشان‌ها به نام نوسانات صوتی باریونی (BAO) پرداخته است.

تحلیل جدید شکل کامل: گامی به سوی درک بهتر کیهان

تحلیل جدیدی که به نام تحلیل شکل کامل شناخته می‌شود، دامنه کار را گسترش می‌دهد تا اطلاعات بیشتری از داده‌ها استخراج کند و توزیع کهکشان‌ها و ماده را در مقیاس‌های مختلف در سراسر فضا اندازه‌گیری کند. این مطالعه نیاز به ماه‌ها کار اضافی و بررسی‌های متقابل داشت. مانند مطالعه قبلی، از تکنیکی استفاده شد که نتایج را تا پایان از دانشمندان پنهان نگه می‌داشت تا هرگونه تعصب ناخودآگاه کاهش یابد.

دراگان هوترر، استاد دانشگاه میشیگان و یکی از سرپرستان گروه DESI که داده‌های کیهانی را تفسیر می‌کند، گفت: “نتایج BAO و تحلیل شکل کامل ما هر دو شگفت‌انگیز هستند. این اولین باری است که DESI به رشد ساختار کیهانی نگاه می‌کند. ما توانایی جدیدی را برای بررسی گرانش تغییر یافته و بهبود محدودیت‌ها بر روی مدل‌های انرژی تاریک نشان می‌دهیم و این تنها نوک کوه یخ است.”

DESI یک ابزار پیشرفته است که می‌تواند به طور همزمان نور ۵۰۰۰ کهکشان را ثبت کند. این ابزار با تأمین مالی از سوی دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده ساخته و اداره می‌شود. DESI بر روی تلسکوپ ۴ متری نیکلاس یو مایال، متعلق به بنیاد ملی علوم ایالات متحده در رصدخانه ملی کیت پیک نصب شده است (برنامه‌ای از NSF NOIRLab). این آزمایش اکنون در چهارمین سال از پنج سال خود برای بررسی آسمان قرار دارد و برنامه‌ریزی شده است تا حدود ۴۰ میلیون کهکشان و کوازار را تا پایان پروژه جمع‌آوری کند.

این همکاری در حال حاضر در حال تحلیل داده‌های جمع‌آوری شده از سه سال اول است و انتظار دارد که اندازه‌گیری‌های به‌روزرسانی شده‌ای از انرژی تاریک و تاریخچه انبساط جهان را در بهار ۲۰۲۵ ارائه دهد. نتایج گسترش‌یافته DESI که امروز منتشر شده، با تمایل قبلی آزمایش به سمت انرژی تاریک در حال تحول سازگار است و به انتظارات تحلیل‌های آینده افزوده می‌شود.

مارک ماوس، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که بر روی نظریه و مدل‌سازی اعتبارسنجی برای تحلیل جدید کار کرده است، گفت: “ماده تاریک حدود یک چهارم جهان را تشکیل می‌دهد و انرژی تاریک حدود ۷۰ درصد دیگر را، و ما واقعاً نمی‌دانیم هر یک از آن‌ها چیست.” او افزود: “این ایده که می‌توانیم تصاویری از جهان بگیریم و به این سوالات بزرگ و بنیادی بپردازیم، شگفت‌انگیز است.”

DESI از سوی دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده و مرکز محاسبات علمی تحقیقاتی انرژی ملی حمایت می‌شود. حمایت‌های اضافی برای DESI از سوی بنیاد ملی علوم ایالات متحده؛ شوراهای تسهیلات علمی و فناوری بریتانیا؛ بنیاد گوردون و بتّی مور؛ بنیاد هایسینگ-سیمونز; کمیسیون انرژی‌های جایگزین و انرژی هسته‌ای فرانسه (CEA); شورای ملی علوم انسانی، علوم و فناوری‌های مکزیک; وزارت علوم و نوآوری اسپانیا; و مؤسسات عضو DESI تأمین می‌شود.

همکاری DESI مفتخر است که اجازه انجام تحقیقات علمی در I’oligam Du’ag (کیت پیک) را دارد، کوهی که برای ملت Tohono O’odham اهمیت ویژه‌ای دارد.

چندین مقاله مرتبط: https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/