دانشمندان در مورد سرعت انبساط کیهان اختلاف نظر دارند و فناوری جدید آن را بدتر می کند

چیز بسیار عجیبی در جهان در حال وقوع است. علم کیهان شناسی که جهان را در مقیاس بزرگ مطالعه می کند، در وضعیت بحرانی قرار دارد. در طول قرن گذشته، دانشمندان کوه‌هایی از شواهد را یافته‌اند که جهان در طول زمان در حال انبساط است، زیرا مشاهده کردند که هر چه کهکشان از زمین دورتر باشد، سریع‌تر از ما دور می‌شود.

مشکل این است که هیچ کس مطمئن نیست که این گسترش با چه سرعتی اتفاق می افتد. دو روش مختلف برای اندازه‌گیری این مقدار، که ثابت هابل نامیده می‌شود، دو نتیجه متفاوت ایجاد می‌کند. در دهه‌های گذشته بهترین تئوری‌ها و آزمایش‌هایی دیده شده است که بشریت می‌تواند برای توضیح اینکه چگونه چنین چیزی می‌تواند انجام دهد، مبارزه کند.

معمولاً، هنگامی که چنین اختلافی وجود دارد، فناوری‌های جدیدتر داده‌های تجربی دقیق‌تری را امکان‌پذیر می‌کنند که به حل معما کمک می‌کند. اما در مورد این معما که کشش هابل نامیده می شود، هر چه بیشتر یاد بگیریم، توضیح این اختلاف سخت تر می شود.

نردبان فاصله کیهانی

هنگامی که تلسکوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰ به فضا پرتاب شد، یکی از اهداف اصلی آن بررسی انبساط کیهان بود. بحث بر سر میزان این انبساط بیداد می کرد و دانشمندان مشتاق بودند تا پاسخی دقیق تر پیدا کنند – زیرا این اطلاعات برای درک سن جهان بسیار مهم بود و در این زمان آن سن می توانست به ۸ میلیارد برسد. سال یا به اندازه ۲۰ میلیارد سال.

در اواخر دهه ۲۰۰۰، دانشمندان با مشاهده ستارگانی که با ریتم خاصی درخشیدند، به نام متغیرهای قیفاووس، و نوع خاصی از ابرنواخترها به نام یک شکل به دست آوردند. ابرنواختر نوع Ia. هر دوی این اجرام سطح روشنایی قابل پیش‌بینی دارند، به این معنی که می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری فاصله استفاده کرد – قیفوس برای کهکشان‌های نزدیک‌تر و ابرنواخترهای نوع Ia برای کهکشان‌های دورتر – بنابراین به‌عنوان «شمع‌های استاندارد» برای اندازه‌گیری‌های نجومی استفاده می‌شوند.

با این اندازه گیری های دقیق فاصله، ارزشی که دانشمندان هابل برای انبساط کیهان به دست آوردند ۷۲ کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک بود. این اندازه گیری میزان انبساط بر حسب زمان است با فاصله، زیرا هر چه کهکشان ها از ما دورتر باشند، سریعتر حرکت می کنند. یک پارسک ۳٫۲۶ سال نوری و یک مگاپارسک یک میلیون پارسک است. بنابراین اگر به کهکشانی در فاصله ۳٫۲۶ میلیون سال نوری نگاه کنیم، با سرعتی در حدود ۷۰ کیلومتر در ثانیه یا حدود ۱۵۰۰۰۰ مایل در ساعت از ما دور خواهد شد.

این اندازه‌گیری یک گام علمی بزرگ رو به جلو بود، اما همچنان خطای احتمالی آن حدود ۱۰ درصد بود. تحقیقات بعدی موفق شد این خطا را کاهش دهد و به رقم اخیر ۷۳٫۲km/s/Mpc با نرخ خطای کمتر از ۲ درصد دست یابد، اما آنها در مقابل محدودیت های فیزیکی تلسکوپ بودند.

یک تلسکوپ جدید در جعبه ابزار

در حالی که یک گروه از ستاره شناسان با داده های تلسکوپ فضایی هابل مشغول بودند، گروهی دیگر با بررسی پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB به مکان کاملا متفاوتی نگاه می کردند. این انرژی باقیمانده از بیگ بنگ است و در همه جا به صورت یک زمزمه پس زمینه بسیار خفیف دیده می شود. هنگام محاسبه ثابت هابل بر اساس این داده ها، محققان رقم کاملاً متفاوتی را یافتند: ۶۷ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپیکسل. این تفاوت ممکن است کوچک به نظر برسد، اما سرسختانه است: هر چه هر گروه اندازه گیری های خود را دقیق تر انجام می داد، شکاف عمیق تر به نظر می رسید.

اما زمانی که تلسکوپ فضایی جیمز وب در سال ۲۰۲۱ به فضا پرتاب شد، محققان ابزار جدید و حتی دقیق تری برای اندازه گیری های خود داشتند. گروهی از محققان از جمله ریچارد اندرسون از موسسه فناوری فدرال لوزان سوئیس دست به کار شدند بررسی دوبار اندازه گیری هابل با استفاده از این فناوری جدید شاید اندازه‌گیری‌های تلسکوپ فضایی هابل به دلیل محدودیت‌های تلسکوپ نادرست بوده است، که ممکن است ارقام مختلف را توضیح دهد، و این ابزار جدید می‌تواند به نشان دادن این موضوع کمک کند.

مزیتی که جیمز وب نسبت به هابل در این زمینه دارد، تفکیک فضایی بیشتر هنگام نگاه کردن به قیفاووس است. اندرسون به Digital Trends توضیح داد: «پیش از این، زمانی که وضوح کمتری داشتید، باید نور منابعی را که با هم ترکیب می‌شوند، تصحیح آماری کنید. و این تصحیح آماری باعث ایجاد شک و تردید در داده های هابل شد. برخی استدلال کردند که شاید نرخ انبساط اندازه‌گیری شده توسط هابل نادرست باشد، زیرا ابزارهای آماری مورد استفاده برای این تصحیح نادرست بودند.

اگرچه با وضوح فضایی بهتر داده های وب جدید، این تصحیح آماری بسیار کوچکتر است. اندرسون گفت: «بنابراین اگر نیازی به تصحیح زیاد نباشید، خطای کمتری اضافه می‌کنید و اندازه‌گیری شما دقیق‌تر می‌شود.» داده های وب نه تنها با اندازه گیری های قبلی هابل مطابقت دارد، بلکه دقت آن اندازه گیری را نیز افزایش می دهد.

شواهد موجود استو واضح است: اندازه گیری هابل از سرعت انبساط صحیح است. البته، هیچ چیز این پیچیده را نمی توان فراتر از هر گونه تردیدی اثبات کرد، اما اندازه گیری ها به اندازه ای دقیق هستند که ما عملاً می توانیم آنها را انجام دهیم.

یک مشکل چسبنده

بنابراین اگر داده های تلسکوپ هابل درست باشد، شاید مشکل از اندازه گیری دیگر باشد. شاید این داده های پس زمینه مایکروویو کیهانی اشتباه است؟

با این حال، این نیز سخت است. زیرا همانطور که محققان در حال تصحیح این رقم از داده‌های هابل بودند، محققان CMB نیز رقم خود را بیشتر و دقیق‌تر می‌کردند. بزرگترین گام رو به جلو در این زمینه پرتاب رصدخانه فضایی پلانک آژانس فضایی اروپا در سال ۲۰۰۹ بود. این ماموریت به طور خاص برای اندازه گیری CMB طراحی شده بود و دقیق ترین داده ها را از تغییرات کوچک دما در سراسر CMB بدست آورد. این مهم است زیرا اگرچه CMB تقریباً در همه جا در دمای ثابتی قرار دارد، تغییرات کوچکی در این دما به میزان ۱ قسمت در ۱۰۰۰۰۰ وجود دارد.

به همان اندازه که این تغییرات دما کوچک هستند، مهم هستند زیرا نشان دهنده تغییراتی هستند که در زمان شکل گیری جهان وجود داشتند. با نگاهی به تغییرات موجود در حال حاضر، محققان می‌توانند ساعت را به عقب برگردانند تا بفهمند جهان در مراحل اولیه‌اش چگونه بوده است.

هنگامی که محققان از داده‌های پلانک برای تخمین انبساط جهان استفاده می‌کنند، بر اساس درک ما از جهان که در دوران جوانی وجود داشت، رقمی را برای ثابت ۶۷٫۴ km/s/Mpc با خطای کمتر تعیین کردند. بیش از ۱% دیگر هیچ تلاقی بین عدم قطعیت دو رقم وجود ندارد – هر دو ثابت هستند و موافق نیستند.

تاریخچه گسترش

دانشمندان از دهه ۱۹۶۰ بر روی CMB مطالعه کردند و در آن زمان تحقیقات به درجه ای از دقت پیشرفت کرده است که متخصصان آن را به یافته های خود مطمئن می کند. وقتی نوبت به مدل‌سازی تورم جهان در مراحل اولیه می‌شود، طبق گفته جیمی باک از Caltech، PI برای ماموریت SPHEREx آتی ناسا برای بررسی CMB، آنها تا حد ممکن دقیق شده‌اند.

بوک گفت: “پس زمینه مایکروویو بسیار نزدیک به رسیدن به محدودیت های کیهانی در این اندازه گیری ها است.” به عبارت دیگر، شما نمی‌توانید آزمایش بهتری بسازید.

SPHEREx یک ماموریت فضایی خواهد بود که اندازه گیری مستقیم ثابت هابل را انجام نخواهد داد. اما این به محققان کمک می کند تا با بررسی دوره ای از جهان اولیه به نام تورم، زمانی که جهان به سرعت منبسط شد، درباره تاریخچه انبساط جهان بیاموزند. در این دوره بسیار اولیه، جهان بسیار بسیار کوچکتر، داغتر و متراکمتر بود و این بر نحوه انبساط آن تأثیر گذاشت. در طول عمر خود، مهم ترین عوامل محرک انبساط کیهان با رشد، سرد شدن و کم تراکم شدن تغییر کرده است. ما می دانیم که امروزه، شکل فرضی انرژی به نام انرژی تاریک، نیروی اصلی است که جهان را به سمت انبساط سوق می دهد. اما در زمان‌های دیگر در تاریخ جهان، عوامل دیگری مانند وجود ماده تاریک مهم‌تر بوده است.

بوک توضیح داد: «مسیر جهان بر اساس نوع ماده و انرژی که در آن زمان غالب هستند تعیین می‌شود. به عنوان مثال، انرژی تاریک “فقط در نیمه دوم عصر جهان شروع به تسلط بر انبساط کیهان کرده است. قبل از آن، ماده تاریک بود که تکامل جهان را هدایت می کرد.”

یک نظریه رایج برای تفاوت در این دو اندازه گیری این است که انرژی تاریک می تواند مقصر باشد. شاید انرژی تاریک در جهان اولیه بیش از آنچه در حال حاضر تصور می شود وجود داشته است که باعث می شود سریعتر گسترش یابد. ممکن است با ماموریت های جدیدی مانند این امکان بیشتر بیاموزیم اقلیدس ESAکه اخیرا راه اندازی شده است و هدف آن ترسیم یک قطعه عظیم از جهان به صورت سه بعدی برای مطالعه ماده تاریک و انرژی تاریک است.

یک دماسنج برای درک ما از کیهان

شما می‌توانید دو مقدار ثابت هابل را که از کیهان اندازه‌گیری می‌شود، همانطور که اکنون می‌بینیم، که جهان متأخر نامیده می‌شود، در مقایسه با اندازه‌گیری از کیهان در زمان جوانی که جهان اولیه نامیده می‌شود، اندازه‌گیری کنید. زمانی که دو نرخ متفاوت با استفاده از روش‌های کمتر دقیق محاسبه شدند، ممکن بود که این دو واقعاً با هم همخوانی داشته باشند اما به دلیل همپوشانی خطاها بیشتر از هم ظاهر می‌شدند.

اما از آنجایی که دانشمندان این خطاها را کاهش داده اند، این توضیح دیگر نمی تواند کارساز باشد. یا یکی از اندازه‌گیری‌ها اشتباه است – همیشه ممکن است، اما با توجه به کوهی از داده‌ها در مورد هر یک، بعید است – یا چیزی اساسی در مورد کیهان وجود دارد که ما هنوز آن را درک نکرده‌ایم.

اندرسون گفت: «آنچه ما اینجا داریم مانند دماسنج است که درک ما از کیهان در این زمان خوب است. و فکر می کنم دماسنج به ما می گوید که ما تب داریم و مشکل داریم.

و به خاطر داشته باشید که ثابت هابل یک مسئله جزئی نیست. این یک اندازه گیری اساسی است که مسلماً مهمترین عدد در کیهان شناسی است. و هرچه اندازه گیری های ما از آن دقیق تر باشد، راز عمیق تر می شود.

جستجو برای تأیید مستقل

این روش دیگری برای اندازه‌گیری جهان است که اکنون می‌بینیم، و آن با مشاهده امواج گرانشی است. هنگامی که اجرام به اندازه کافی عظیم با هم برخورد می کنند، مانند ادغام دو سیاهچاله، نیروهای عظیم امواجی را در فضا-زمان ایجاد می کنند که امواج گرانشی نامیده می شود که می توانند از میلیاردها سال نوری دورتر شناسایی شوند.

این امواج را می توان بر روی زمین توسط تاسیسات تخصصی مانند LIGO (رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری) شناسایی کرد و می توان از آنها برای تعیین دور بودن منبع استفاده کرد، به این معنی که از نظر تئوری می توان از آنها برای اندازه گیری نرخ انبساط نیز استفاده کرد.

این یک اندازه گیری اواخر جهان است، اما همچنین کاملاً مستقل از سفیدها و ابرنواخترهای مورد استفاده در تحقیقات دیگر است. این بدان معناست که اگر اندازه‌گیری‌های نرخ انبساط بر اساس داده‌های امواج گرانشی مشابه به نظر می‌رسند، می‌توانیم حتی مطمئن‌تر باشیم که رقم بالاتر درست است – و اگر اینطور نباشد، بهتر می‌دانیم مشکل کجاست.

مزیت استفاده از امواج گرانشی برای این نوع اندازه‌گیری این است که امضا بسیار تمیز است – استفان بالمر، متخصص امواج گرانشی از دانشگاه سیراکیوز، می‌گوید: «تنها چیزی که بر آن تأثیر می‌گذارد جرم‌های بسیار سنگین است». و هنگامی که سیاهچاله ها ادغام می شوند، رفتار دینامیکی آنها بدون توجه به اندازه آنها بسیار سازگار است. به گفته بالمر، این آنها را به شمع‌های استاندارد ایده‌آل برای اندازه‌گیری فواصل تبدیل می‌کند – به گفته بالمر.

بنابراین اندازه گیری فاصله با امواج گرانشی نسبتا ساده است. چالش استفاده از این اندازه‌گیری‌ها برای محاسبه نرخ انبساط، یافتن سرعت است. با ابرنواخترها، تشخیص انتقال به سرخ (که به شما سرعت می دهد) آسان است، اما شناخت روشنایی مطلق (که به شما فاصله می دهد) دشوار است. در حالی که با امواج گرانشی دانستن فاصله آسان است اما شناخت سرعت دشوار است.

یکی از راه‌های نزدیک شدن به موضوع سرعت این است که به دنبال ادغام‌هایی باشید که در کهکشان‌های نزدیک اتفاق می‌افتد، و سپس از انتقال به سرخ شناخته شده آن کهکشان‌ها برای سرعت موج گرانشی خود استفاده کنید. این تنها زمانی کار می کند که بتوانید منبع امواج گرانشی را پیدا کنید و آن را در جایی نزدیک مشخص کنید.

اما در آینده، هنگامی که دانشمندان به اندازه کافی از این رویدادهای امواج گرانشی را مشاهده کنند، قادر خواهند بود تصویری از ظاهر میانگین رویداد ایجاد کنند و از آن اطلاعات برای محاسبه نرخ انبساط در مقیاس بزرگ استفاده کنند.

نسل بعدی امکانات

برای این کار، در مقایسه با تعداد انگشت شماری که اکنون داریم، به صدها نقطه داده در مورد رویدادهای امواج گرانشی نیاز داریم. این یک حوزه تحقیقاتی بسیار جدید است و توانایی ما برای تشخیص امواج گرانشی هنوز به تعداد کمی از امکانات محدود است. در حال حاضر، عدم قطعیت های نرخ انبساط اندازه گیری شده با استفاده از امواج گرانشی هنوز بزرگتر از دو روش دیگر است.

بالمر گفت: “در حال حاضر، سیگنال ما درست در وسط بین دو نتیجه دیگر قرار دارد.”

با این حال، این ممکن است در آینده تغییر کند. با توجه به نسل بعدی آشکارسازهای امواج گرانشی که برای ساخت در دهه های آینده برنامه ریزی شده است، این اندازه گیری ها می توانند دقیق تر و دقیق تر شوند.

عمیق‌تر شدن این معما ممکن است منبعی برای ناامیدی باشد، اما همچنین انگیزه‌ای برای آزمایش‌های جدید و بهتر است زیرا دانشمندان از طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها به یکی از سؤالات بزرگ در مورد جهان همانطور که می‌بینیم رسیدگی می‌کنند.

بالمر گفت: “تنها راه برای شناخت واقعی این است که آزمایش را بهتر کنیم.” “این دنیایی است که ما در آن زندگی می کنیم.”

توصیه های سردبیران

• جیمز وب در حال بررسی یک سیاره فراخورشیدی فوق العاده پف کرده است که در آن شن باران می بارد

• جیمز وب تصویری از سحابی معروف و زیبای خرچنگ می گیرد

• محققان یک جریان جت ۳۲۰ مایل در ساعت را در اطراف استوای مشتری کشف کردند

• روی یک تصویر فوق‌العاده دقیق جیمز وب از سحابی شکارچی زوم کنید

• Swatch به شما امکان می دهد یک تصویر فضای وب خیره کننده را روی صفحه ساعت قرار دهید