جهان در حال گسترش: از کند شدن تا سرعت

یادداشت سردبیر: این داستان در ابتدا در شماره فوریه 2004 علمی آمریکایی چاپ شد. ما این داستان را دوباره ارسال می کنیم زیرا نویسنده آدام ریس در سال 2008 توسط بنیاد مک آرتور به عنوان همکار مک آرتور انتخاب شد.

از زمان اسحاق نیوتن تا اواخر دهه 1990 ، ویژگی تعیین کننده گرانش ماهیت جذاب آن بود. گرانش ما را پایه گذاری می کند. صعود بیس بال ها را کند می کند و ماه را در مدار اطراف زمین نگه می دارد. جاذبه مانع از پرواز سیستم خورشیدی ما می شود و خوشه های عظیمی از کهکشان ها را به هم متصل می کند. اگرچه نظریه کلی نسبیت انیشتین اجازه می دهد تا گرانش و همچنین کشش را فشار دهد ، اما بیشتر فیزیکدانان این موضوع را یک امکان کاملاً نظری می دانستند ، که امروزه برای جهان بی ربط نیست. تا همین اواخر ، اخترشناسان انتظار داشتند که گرانش را در حال کاهش سرعت گسترش کیهان ببینند.

با این حال ، در سال 1998 ، محققان جنبه دافعه گرانش را کشف کردند. ستاره شناسان با مشاهده دقیق انفجارهای فوق العاده دور - انفجارهای استتار که برای مدت کوتاهی به همان اندازه 10 میلیارد خورشید می درخشد - ستاره شناسان دریافتند که آنها از آنچه انتظار می رفت ، ضعیف تر هستند. قابل قبول ترین توضیح برای اختلاف این است که نور از ابرنواخترها ، که میلیاردها سال پیش منفجر شده بود ، مسافت بیشتری را از آنچه نظریه پردازان پیش بینی کرده بودند ، طی کرد. و این توضیح ، به نوبه خود ، به این نتیجه رسید که گسترش جهان در واقع سرعت می یابد ، نه کند نمی شود. این یک یافته بنیادی بود که برخی از کیهان شناسان اظهار داشتند که سقوط در روشنایی ابرنواختر نتیجه سایر اثرات ، مانند گرد و غبار بین قاره ای است که نور را کم رنگ می کند. با این حال ، در چند سال گذشته ، اخترشناسان با مطالعه ابرنواخترهای دورافتاده تر ، پرونده شتاب کیهانی را تقویت کرده اند.

اما آیا گسترش کیهانی در طول عمر جهان سرعت یافته است ، یا این یک پیشرفت نسبتاً اخیر است - یعنی در پنج میلیارد سال گذشته اتفاق می افتد؟پاسخ پیامدهای عمیقی دارد. اگر دانشمندان متوجه شوند که گسترش جهان همیشه در حال تسریع بوده است ، آنها باید درک خود را از تکامل کیهانی کاملاً تجدید نظر کنند. اما اگر همانطور که کیهان شناسان انتظار دارند ، شتاب به یک پدیده اخیر تبدیل می شود ، محققان ممکن است بتوانند علت آن را تعیین کنند - و شاید با یادگیری چه زمانی و چگونه گسترش سرعت شروع به افزایش سرعت جهان - به سؤال بزرگتر از سرنوشت جهان - پاسخ دهندبشر

نبرد تایتان تقریباً 75 سال پیش ، ستاره شناس ، ادوین هابل با مشاهده اینکه سایر کهکشان ها از ما دور می شوند ، گسترش جهان را کشف کرد. وی خاطرنشان کرد: کهکشانهای دوردست تر ، مطابق آنچه اکنون به عنوان قانون هابل شناخته می شود سریعتر از مناطق اطراف ، سریعتر از آن دور می شوند (سرعت نسبی برابر است با فاصله چند برابر با ثابت هابل). قانون هابل در متن تئوری عمومی انیشتین مشاهده می شود ، به دلیل گسترش یکنواخت فضا ، که صرفاً مقیاس بندی از اندازه جهان است ، بوجود می آید.

در نظریه انیشتین ، مفهوم گرانش به عنوان یک نیروی جذاب هنوز هم برای همه اشکال شناخته شده ماده و انرژی ، حتی در مقیاس کیهانی ، وجود دارد. بنابراین ، نسبیت عام پیش بینی می کند که گسترش جهان باید با سرعت تعیین شده توسط چگالی ماده و انرژی در آن کند شود. اما نسبیت عام همچنین امکان ایجاد اشکال انرژی با خواص عجیب و غریب که باعث جاذبه دافع کننده می شود ، امکان پذیر است. کشف شتاب به جای کاهش سرعت ، ظاهراً وجود چنین فرم انرژی را نشان داده است که به آن انرژی تاریک گفته می شود.

این که آیا گسترش در حال کند شدن یا سرعت زیاد است ، به نبرد بین دو تیتان بستگی دارد: کشش گرانشی جذاب ماده و فشار گرانشی دافع انرژی تاریک. آنچه در این مسابقه مهم است چگالی هر یک است. با گسترش جهان ، چگالی ماده کاهش می یابد زیرا حجم فضا افزایش می یابد.(فقط بخش کوچکی از ماده به شکل ستاره های درخشان است ؛ اعتقاد بر این است که این ماده بسیار تاریک است که به روش قابل توجهی با ماده معمولی یا نور تعامل ندارد اما دارای گرانش جذاب است.) اگرچه در مورد انرژی تاریک اطلاعات کمی وجود داردانتظار می رود چگالی آن به آرامی تغییر کند یا اصلاً با گسترش جهان. در حال حاضر چگالی انرژی تاریک بالاتر از ماده است ، اما در گذشته های دور چگالی ماده باید بیشتر باشد ، بنابراین پس از آن گسترش باید کند می شد.

کیهان شناسان دلایل دیگری دارند که انتظار دارند گسترش جهان همیشه سرعت بخشیده باشد. اگر چنین بود ، دانشمندان برای توضیح وجود ساختارهای کیهانی که در جهان امروز مشاهده شده اند ، ضرر می کنند. طبق نظریه کیهان شناسی ، کهکشان ها ، خوشه های کهکشان و ساختارهای بزرگتر از ناهمگونی های کوچک در چگالی ماده جهان اولیه تکامل یافته اند ، که با تغییر در دمای پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) آشکار می شوند. گرانش جذاب تر از مناطق بیش از حد ماده ، گسترش آنها را متوقف کرده و به آنها امکان می دهد اشیاء گرانشی را به صورت گرانشی شکل دهند - از کهکشان هایی مانند خود ما تا خوشه های بزرگ کهکشان ها. اما اگر گسترش جهان همیشه در حال تسریع بود ، قبل از مونتاژ آنها ، ساختارها را از هم جدا می کرد. علاوه بر این ، اگر گسترش در حال تسریع بود ، دو جنبه اصلی جهان اولیه - الگوی تغییرات CMB و فراوانی عناصر نوری که چند ثانیه پس از بیگ بنگ تولید می شود - با مشاهدات فعلی موافق نیست.

با این وجود ، مهم است که به دنبال شواهد مستقیم از مرحله اولیه و آهسته گسترش باشید. چنین شواهدی به تأیید الگوی استاندارد کیهان شناسی کمک می کند و به دانشمندان سرنخ به علت اصلی دوره فعلی شتاب کیهانی می دهد. از آنجا که تلسکوپ ها هنگام جمع آوری نور از ستاره ها و کهکشان های دور ، به موقع نگاه می کنند ، اخترشناسان می توانند با تمرکز روی اشیاء دوردست ، تاریخ گسترش جهان را کشف کنند. این تاریخ در رابطه بین مسافت و سرعت رکود کهکشان ها رمزگذاری شده است. اگر گسترش در حال کند شدن باشد ، سرعت یک کهکشان دوردست نسبت به سرعت پیش بینی شده توسط قانون هابل نسبتاً بیشتر خواهد بود. اگر گسترش سرعت یابد ، سرعت دوردست کهکشان زیر مقدار پیش بینی شده قرار می گیرد. یا به عبارت دیگر ، یک کهکشان با سرعت رکود خاص دورتر از حد انتظار خواهد بود - و از این رو ضعیف تر - اگر جهان در حال تسریع باشد.

شکار ابرنواختر برای استفاده از این واقعیت ساده مستلزم یافتن اجرام نجومی است که دارای درخشندگی ذاتی شناخته شده هستند - مقدار تابش در ثانیه تولید شده توسط جسم - و می توانند در سراسر جهان دیده شوند. دسته خاصی از ابرنواخترها به نام نوع Ia برای این کار مناسب هستند. این انفجارهای ستاره ای آنقدر درخشان هستند که تلسکوپ های زمینی می توانند آنها را در نیمه راه جهان مرئی ببینند و تلسکوپ فضایی هابل می تواند آنها را حتی از دورتر مشاهده کند. در دهه گذشته، محققان به دقت درخشندگی ذاتی ابرنواخترهای نوع Ia را کالیبره کرده اند، بنابراین فاصله یکی از این انفجارها را می توان از روشنایی ظاهری آن تعیین کرد.

اخترشناسان می توانند سرعت رکود یک ابرنواختر را با اندازه گیری انتقال به سرخ نور از کهکشانی که در آن قرار دارد استنتاج کنند. تابش اجسام در حال عقب نشینی به طول موج های بلندتر منتقل می شود. به عنوان مثال، نور ساطع شده زمانی که جهان نصف اندازه فعلی اش بود، طول موج دو برابر می شود و قرمزتر می شود. با اندازه گیری انتقال به سرخ و روشنایی ظاهری تعداد زیادی ابرنواختر واقع در فواصل مختلف، محققان می توانند رکوردی از انبساط کیهان ایجاد کنند.

متأسفانه، ابرنواخترهای نوع Ia نادر هستند و به طور متوسط هر چند قرن یک بار در کهکشانی مانند کهکشان راه شیری رخ می دهند. تکنیکی که توسط شکارچیان ابرنواختر استفاده می شود، مشاهده مکرر تکه ای از آسمان حاوی هزاران کهکشان و سپس مقایسه تصاویر است. یک نقطه نورانی گذرا که در یک تصویر ظاهر می شود اما در تصویر قبلی ظاهر نمی شود، می تواند یک ابرنواختر باشد. نتایج سال 1998 که شواهدی از شتاب کیهانی را نشان می دهد، بر اساس مشاهدات دو تیمی بود که به ابرنواخترهایی نگاه کردند که زمانی که جهان حدود دو سوم اندازه کنونی خود بود، یعنی حدود پنج میلیارد سال پیش، منفجر شدند.

با این حال، برخی از دانشمندان تعجب کردند که آیا تیم ها داده های ابرنواختر را به درستی تفسیر کرده اند. آیا این امکان وجود داشت که اثر دیگری به جز شتاب کیهانی باعث شود که ابرنواخترها کم نورتر از حد انتظار ظاهر شوند؟گرد و غبار پر از فضای بین کهکشانی نیز می تواند ابرنواخترها را کم نور جلوه دهد. یا شاید ابرنواخترهای باستانی به تازگی تیره تر به دنیا آمده اند، زیرا ترکیب شیمیایی کیهان با آنچه امروز است، با فراوانی کمتری از عناصر سنگین تولید شده توسط واکنش های هسته ای در ستارگان متفاوت بود.

خوشبختانه ، آزمایش خوبی از فرضیه های رقیب در دسترس است. اگر Supeovae به دلیل دلیل اخترفیزیکی ، مانند صفحه نمایش گسترده گرد و غبار ، نسبت به آنچه انتظار می رود ، نسبت به آنچه انتظار می رود ، به نظر می رسد ، یا به دلیل اینکه ابرنواخترهای گذشته کم رنگ تر به دنیا آمده اند ، اثرات کمرنگ قلمداد باید با تغییر شکل مجدد اشیاء افزایش یابد. اما اگر کم نور نتیجه یک سرعت کیهانی اخیر است که به دنبال دوره قبلی کاهش سرعت است ، ابرنواخترها از دوره کندی نسبتاً روشن تر به نظر می رسند. بنابراین ، مشاهدات Supeovae که هنگامی که جهان کمتر از دو سوم از اندازه فعلی آن منفجر شد ، می تواند شواهدی را ارائه دهد تا نشان دهد کدام یک از فرضیه ها صحیح است.(البته این امکان وجود دارد که یک پدیده ناشناخته اخترفیزیکی دقیقاً با اثرات سرعت و کندی مطابقت داشته باشد ، اما دانشمندان به طور کلی توضیحات تنظیم شده مصنوعی را از بین می برند.)

با این حال ، پیدا کردن چنین ابرنواخترهای باستانی و دور از ذهن دشوار است. یک ابرنواختر از نوع IA که وقتی جهان نیمی از اندازه فعلی آن بود منفجر شد ، تقریباً یک ده میلیاردم به اندازه سیریوس ، درخشان ترین ستاره آسمان است. تلسکوپ های مبتنی بر زمین نمی توانند با اطمینان اشیاء را تشخیص دهند ، اما تلسکوپ فضایی هابل می تواند. در سال 2001 یکی از ما (RIESS) اعلام کرد که تلسکوپ فضایی در مشاهدات مکرر ، به طور جدی از نوع بسیار دور IA IA (دوبله SN 1997FF) تصویر کرده است. با توجه به تغییر شکل نور از این انفجار ستاره ای - که حدود 10 میلیارد سال پیش اتفاق افتاد ، هنگامی که جهان یک سوم اندازه فعلی آن بود - این شی بسیار روشن تر از آنچه در صورت وجود فرضیه جهان گرد و غبار به نظر می رسید ، به نظر می رسید. این نتیجه اولین شواهد مستقیم از دوره کاهش دهنده بود. این دو ما پیشنهاد کردند که مشاهدات مربوط به ابرنواخترهای با تغییر سرعت بیشتر می تواند اثبات قطعی را ارائه دهد و انتقال را از کندی به سرعت بخش کند.

دوربین پیشرفته برای نظرسنجی ها ، یک ابزار تصویربرداری جدید که در سال 2002 روی تلسکوپ فضایی نصب شده است ، دانشمندان را قادر می سازد هابل را به یک دستگاه شکار سوپرنووا تبدیل کنند. RIESS تلاش کرد تا نمونه مورد نیاز Supeovae از نوع بسیار دور از نوع بسیار دور را با پیگیری در مورد بررسی های عمیق Origintories Origins Origins کشف کند. این تیم شش ابرنواختر پیدا کردند که وقتی جهان کمتر از نیمی از اندازه فعلی خود (بیش از هفت میلیارد سال پیش) منفجر شد. همراه با SN 1997ff ، این دورترین نوع ابرنواخترهای IA است که تاکنون کشف شده است. این مشاهدات وجود یک دوره کاهش سریع را تأیید کرد و "نقطه ساحل" انتقالی را بین کندی و سرعت در حدود پنج میلیارد سال پیش قرار داد. این یافته با انتظارات نظری سازگار است و بنابراین به کیهان شناسان اطمینان بخش است. شتاب کیهانی یک تعجب آور و یک معمای جدید برای حل آن بود ، اما آنقدر تعجب آور نیست که ما را به تجدید نظر در مورد آنچه فکر می کردیم درباره جهان می فهمیم ، تجدید نظر کنیم.

سرنوشت کیهانی ما ، ابرنواخترهای باستانی همچنین سرنخ های جدیدی در مورد انرژی تاریک ، علت اصلی سرعت کیهانی ارائه می دهد. کاندیدای پیشرو برای توضیح اثرات انرژی تاریک ، انرژی خلاء است ، که از نظر ریاضی معادل ثابت کیهان شناسی است که انیشتین در سال 1917 اختراع کرد. از آنجا که انیشتین فکر می کرد که او نیاز به مدل سازی یک جهان استاتیک دارد ، وی "فاکتور فود کیهان شناختی" خود را معرفی کرد تا تعادل با گرانش جذاب را متعادل کند. از مادهدر این دستور العمل ، چگالی ثابت نیمی از ماده بود. اما برای تولید شتاب مشاهده شده جهان ، تراکم ثابت باید دو برابر ماده باشد. این چگالی انرژی از کجا می تواند ناشی شود؟اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی مستلزم این است که خلاء پر از ذرات زندگی شده در زمان و انرژی وام گرفته شده باشد ، و از وجود آن خارج شود. اما هنگامی که نظریه پردازان سعی می کنند چگالی انرژی مرتبط با خلاء کوانتومی را محاسبه کنند ، مقادیری را ارائه می دهند که حداقل 55 مرتبه از بزرگی بسیار بزرگ هستند. اگر چگالی انرژی خلاء واقعاً زیاد باشد ، همه ماده در جهان فوراً از هم جدا می شوند و کهکشان ها هرگز شکل نمی گرفتند.

این اختلاف بدترین شرمساری در تمام فیزیک نظری نامیده شده است ، اما در واقع ممکن است نشانه یک فرصت عالی باشد. اگرچه این امکان وجود دارد که تلاش های جدید برای برآورد چگالی انرژی خلاء فقط برای توضیح شتاب کیهانی به مقدار مناسب منجر شود ، اما بسیاری از نظریه پردازان معتقدند که یک محاسبه صحیح ، شامل یک اصل تقارن جدید ، به این نتیجه می رسد که انرژی مرتبط با کوانتومخلاء صفر است.(حتی هیچ چیز کوانتومی هیچ وزن ندارد!) اگر این درست باشد ، باید چیز دیگری باعث سرعت بخشیدن به جهان شود.

نظریه پردازان ایده های مختلفی را ارائه داده اند ، از تأثیر ابعاد اضافی و پنهان گرفته تا انرژی مرتبط با یک زمینه جدید از طبیعت ، که گاه به آن quintessence گفته می شود. به طور کلی ، این فرضیه ها چگالی انرژی تاریک را ایجاد می کنند که ثابت نیست و معمولاً با گسترش جهان کاهش می یابد.(اما این پیشنهاد که با گسترش جهان نیز چگالی انرژی تاریک در حال افزایش است.) شاید رادیکال ترین ایده این باشد که به هیچ وجه انرژی تاریک وجود ندارد بلکه باید تئوری گرانش انیشتین اصلاح شود.

از آنجا که نحوه تغییر چگالی انرژی تاریک به مدل نظری بستگی دارد ، هر نظریه زمان متفاوتی را برای نقطه انتقال پیش بینی می کند وقتی گسترش جهان از کندی به سرعت تغییر می کند. اگر چگالی انرژی تاریک با گسترش جهان کاهش یابد ، نقطه سوئیچ در اوایل زمان از زمان دیگری برای یک مدل با فرض چگالی انرژی تاریک ثابت رخ می دهد. حتی مدلهای نظری که در آن جاذبه اصلاح شده است منجر به امضای قابل تشخیص در زمان سوئیچ می شود. آخرین نتایج Supeova مطابق با تئوری هایی است که تراکم انرژی تاریک ثابت را نشان می دهند ، اما آنها همچنین با اکثر مدل هایی که فرض می کنند چگالی انرژی تاریک متفاوت هستند موافق هستند. فقط نظریه هایی که تغییرات زیادی در چگالی انرژی تاریک را نشان می دهند ، رد شده اند.

برای محدود کردن دامنه امکانات نظری ، تلسکوپ فضایی هابل در حال جمع آوری داده های ابرنواختر است که می تواند جزئیات مرحله انتقال را پایین بیاورد. اگرچه این تلسکوپ فضایی تنها وسیله ای برای بررسی تاریخ اولیه گسترش کیهانی است ، اما بیش از نیمی از برنامه های مبتنی بر زمین در تلاشند تا دقت اندازه گیری سرعت کیهانی اخیر را به اندازه کافی برای آشکار کردن فیزیک انرژی تاریک بهبود بخشند. جاه طلب ترین پروژه مأموریت مشترک انرژی تاریک (JDEM) است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده و ناسا پیشنهاد شده است. JDEM یک تلسکوپ فضایی دو متری و گسترده است که به کشف و اندازه گیری دقیق هزاران نوع ابرنواختر از نوع IA اختصاص داده شده است. شکارچیان Supeova امیدوارند که JDEM را در آغاز دهه آینده راه اندازی کنند. تا آن زمان ، آنها برای تشخیص دورترین انفجارهای ستاره ای باید به تلسکوپ هابل اعتماد کنند.

حل رمز و راز شتاب کیهانی ، سرنوشت جهان ما را نشان می دهد. اگر چگالی انرژی تاریک با گذشت زمان ثابت یا در حال افزایش باشد ، در 100 میلیارد سال یا حدوداً چند صد کهکشان خیلی تغییر یافته است که دیده می شود. اما اگر چگالی انرژی تاریک کاهش یابد و ماده دوباره حاکم شود ، افق کیهانی ما رشد می کند و بیشتر جهان را آشکار می کند. آینده های شدیدتر (و کشنده) آینده ممکن است. اگر چگالی انرژی تاریک به جای سقوط افزایش یابد ، جهان سرانجام تحت یک "سرعت بیش از حد" قرار می گیرد که کهکشان ها ، سیستم های خورشیدی ، سیارات و هسته های اتمی را از هم جدا می کند. یا اگر چگالی انرژی تاریک به یک مقدار منفی بیفتد ، ممکن است جهان حتی یادآوری کند. تنها راه پیش بینی آینده کیهانی ما ، کشف ماهیت انرژی تاریک است.

درباره نویسنده (ها)

Adam G. Riess و Michael S. Tuer راه را در کاوش در تاریخ گسترش جهان پیش بردند. RIESS یک ستاره شناس وابسته در موسسه علوم تلسکوپ فضایی (دفتر مرکزی علوم تلسکوپ فضایی هابل) و استادیار کمکی فیزیک و نجوم در دانشگاه جان هاپکینز است. در سال 1998 او نویسنده اصلی این مطالعه منتشر شد که توسط تیم High-Z Supeova منتشر شد و اعلام کرد کشف یک جهان شتاب دهنده است. ترنر ، استاد خدمات برجسته Rauner در دانشگاه شیکاگو ، اکنون به عنوان دستیار مدیر علوم ریاضی و فیزیکی در بنیاد ملی علوم خدمت می کند. مقاله او در سال 1995 با لارنس م. کراوس شتاب کیهانی را پیش بینی کرد و او اصطلاح "انرژی تاریک" را ابداع کرد.