آیا تنش هابل حل خواهد شد ؟ اخترشناسان در حال مسابقه برای حل این مشکل

جهان با سرعتی شتابان در حال گسترش است، اما ماهیت این گسترش – دلیل گسترش و علت شتاب زیاد آن – هنوز نامشخص است. یکی از عوامل احتمالی این پدیده چیزی است که "انرژی تاریک" نامیده می‌شود، [انرژی تاریک] شکلی فرضی از انرژی که می‌توان آن را به‌عنوان نوعی ضد جاذبه در نظر گرفت. هرچند که هنوز به‌طور دقیق مشخص نیست که انرژی تاریک چیست، اما محققان از آن به‌عنوان یک ثابت کیهانی استفاده میکنند، ستاره‌شناسان تا حدودی بر اثرات آن توافق داشتند و از آن برای اندازه‌گیری نرخ انبساط جهان، معروف به ثابت هابل، استفاده می‌کردند. ولی این توافق اکنون به چالش کشیده شده است.

در ماه‌های اخیر، تحقیقات جدیدی منتشر شده و اخبار متعددی درباره اندازه‌گیری‌های تازه‌ای از نرخ انبساط جهان گزارش شده است. این موضوع به یکی از بحث‌های داغ در کیهان‌شناسی تبدیل شده است. در طول چند سال گذشته، توافق قبلی با وجود اختلاف‌های بزرگ در نتایج بر اساس روش‌های مختلف اندازه‌گیری، از بین رفته است. این مسئله که به "تنش هابل" معروف شده، به موضوع اصلی بحث‌ها تبدیل شده است، جایی که کیهان‌شناسان و اخترفیزیکدانان هر کدام به نفع یکی از روش‌های اندازه‌گیری و نتیجه حاصل از آن استدلال می‌کنند، اما هنوز هیچ نتیجه قطعی وجود ندارد.

چطور ممکن است این مسئله به موضوعی کلیدی تبدیل نشود؟ 

مدل استاندارد کیهان‌شناسی می‌گوید که جهان با انفجار بزرگ آغاز شده، به‌طور نمایی تورم کرده و از آن زمان به بعد در حال گسترش بوده است (جهان شامل ماده معمولی، ماده تاریک و انرژی تاریک به نسبت 5:25:70) است این مدل ممکن است در خطر باشد. پیشرفته‌ترین رصدخانه‌هایی که بشر تا به حال به منظور اندازه‌گیری پدیده‌های خارق‌العاده به فضا فرستاده، نمی‌توانند روی یک عدد مشخص برای نرخ انبساط جهان توافق کنند.

رصدخانه پلانک یکی از این رصدخانه‌ها است که به تابش زمینه کیهانی (CMB) نگاه کرده است. CMB تابش پس زمینه کیهانی اولین نوری است که در جهان منتشر شده است. این نور به‌عنوان پژواک نورانی انفجار بزرگ در نظر گرفته می‌شود، که زمانی ساطع شد که جهان به اندازه کافی سرد شد تا اتم‌های خنثی تشکیل شوند و دیگر این نور به آن‌ها محدود نماند.

دانشمندان با استفاده از داده‌های تابش زمینه کیهانی (CMB) محاسبه کرده‌اند که جهان با سرعت ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک در حال گسترش است، در حالی که هر مگاپارسک برابر با ۳.۲۶ میلیون سال نوری است. این بدان معناست که اگر دو کهکشان در فاصله یک مگاپارسکی از هم قرار داشته باشند، گسترش جهان باعث می‌شود به نظر برسد که آن‌ها با سرعت ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه (۴۲ مایل بر ثانیه) از یکدیگر دور می‌شوند.

ستاره‌شناسان برای اندازه‌گیری فواصل در جهان از روش‌های مختلفی استفاده می‌کنند. یکی از این روش‌ها استفاده از "شمع‌های استاندارد" است شمع های استاندارد اجرامی هستند  که درخشندگی ذاتی آن‌ها یکسان است و با اندازه‌گیری میزان کم‌نور شدن آن‌ها، می‌توان فاصله دقیقشان را محاسبه کرد.

 تلسکوپ فضایی هابل چندین مورد از این شمع‌های استاندارد را اندازه‌گیری کرده است. یکی از این اجرام، ستاره متغیر قیفاووسی است که به‌ویژه برای ستاره‌شناسان بسیار مفید بوده است. با استفاده از همین ستاره، آن‌ها نرخ انبساط جهان را محاسبه کرده‌اند. اما نتیجه‌ای که به دست آمده، عدد متفاوتی است: ۷۳ کیلومتر بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک.

عدم قطعیت در هر دو عدد بسیار کم است و هیچ تداخلی بین آن‌ها وجود ندارد. انگار که دو نرخ انبساط متفاوت در جهان وجود دارد؛ یکی برای جهان اولیه و دیگری برای چند میلیارد سال اخیر. با این حال، مدل استاندارد کیهان‌شناسی، که بهترین نظریه کنونی ما برای توصیف جهان است، می‌گوید که این نرخ باید یکسان باشد. بنابراین یا مدل ما اشتباه است یا اندازه‌گیری‌های ما نادرست هستند. این همان چیزی است که به "تنش هابل" معروف شده است.

رصدخانه‌های متعددی تلاش کرده‌اند تا نرخ انبساط را با استفاده از شمع‌های استاندارد اندازه‌گیری کنند. حتی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) – قوی‌ترین تلسکوپی که تاکنون به فضا فرستاده شده – نیز در مورد ستاره‌های قیفاووسی با هابل هم‌نظر است.

آیا راه‌حل جدیدی پیدا شده؟ 

با توجه به عدم قطعیت‌های موجود، مقدار ثابت هابل که از تابش زمینه کیهانی به دست آمده با نتایج محاسبات دیگر سازگار است، اما این سازگاری نمی‌تواند احتمال وجود فیزیک جدید را رد کند.

پروفسور وندی فریدمن می‌گوید،

در حال حاضر پاسخ قطعی برای این مشکل وجود ندارد، اما در آوریل گذشته تحقیقاتی منتشر شد که فقط چند روز فاصله داشتند و بینش‌های هیجان‌انگیزی را ارائه کردند. ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) بزرگ‌ترین نقشه سه‌بعدی از جهان را منتشر کرد که به پژوهشگران اجازه داد به‌طور مستقل نرخ انبساط جهان را بین ۸ تا ۱۱ میلیارد سال پیش تخمین بزنند. نتیجه این تحقیقات با داده‌های تابش زمینه کیهانی هم‌خوانی داشت.

اما چالش جدید دیگری نیز به وجود آمده است. تیمی به رهبری پروفسور وندی فریدمن از دانشگاه شیکاگو نیز از JWST برای تخمین دقیق‌تر ثابت هابل استفاده کرده‌اند. کار آن‌ها شامل سه روش مستقل برای برآورد فاصله در کهکشان‌های یکسان است، که از شمع‌های استاندارد مختلف (از جمله ستاره‌های قیفاووسی) بهره می‌گیرد.

این رویکرد به‌گونه‌ای بهینه‌سازی شده که هر روش برای اندازه‌گیری فاصله‌ها تا حد ممکن دقیق باشد. پروفسور فریدمن و تیم او به عدد ۶۹.۹۶ کیلومتر (۴۳.۵ مایل) بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک برای نرخ انبساط جهان دست یافته‌اند. با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌ها، این مقدار با داده‌های تابش زمینه کیهانی سازگار است، اما فریدمن هنوز آماده نیست که بگوید "تنش هابل" کاملاً از بین رفته است. او خاطرنشان کرده که هنوز به مشاهدات بیشتری نیاز است.

پروفسور فریدمن در گفت‌وگو با IFLScience گفته است: «کهکشان‌های دورتر نتایج متفاوتی نسبت به کهکشان‌های نزدیک‌تر نشان می‌دهند. اندازه‌گیری‌های مربوط به کهکشان‌های دورتر وضوح کمتری دارند و از دقت کمتری برخوردارند. بنابراین، هنوز نیاز است که JWST تعیین کند آیا در این اجرام بسیار دور مشکلی وجود دارد یا نه. داده‌های مربوط به این اجرام هنوز از JWST به دست نیامده است.»

آیا فیزیک به شکل کنونی آن امن است؟ 

در میان این عدم قطعیت‌ها، ممکن است فیزیک جدیدی نهفته باشد. پیشنهادی بسیار جدید مطرح شده که نوع جدیدی از انرژی تاریک را در دوران آغازین جهان مطرح می‌کند. برخلاف انرژی تاریک که امروز وجود دارد (هرچند هنوز نمی‌دانیم دقیقاً چیست)، این نسخه که "انرژی تاریک اولیه" نامیده شده، تنها برای مدت کوتاهی وجود داشته است. اما حضور آن می‌تواند مسئله تنش هابل را حل کند.

وجود این انرژی تاریک در شبیه‌سازی‌ها باعث افزایش تعداد کهکشان‌های درخشان اولیه شده است؛ نتیجه‌ای که دو مشکل را هم‌زمان حل می‌کند. با این حال، درستی این فرضیه به مشاهدات آینده بستگی دارد. ممکن است تنش هابل ناپدید شود و پارادایم تکامل کهکشان‌ها از روش‌های دیگری تغییر کند.

پروفسور فریدمن به IFLScience گفت: «با توجه به عدم قطعیت‌های موجود، مقدار ثابت هابل با داده‌های تابش زمینه کیهانی همخوانی دارد، اما این موضوع نمی‌تواند احتمال وجود فیزیک جدید را رد کند. این پژوهش نشان می‌دهد که پیش از آنکه نیاز به اضافه کردن به مدل استاندارد کیهان‌شناسی باشد، به داده‌های بیشتری نیاز است.»

یافته‌های DESI و همچنین کار پروفسور فریدمن و تیمش گامی هیجان‌انگیز در داستان تنش هابل محسوب می‌شوند. این نتایج راه حلی را به تصویر می‌کشند که به عددی نزدیک‌تر به مقدار اندازه‌گیری‌شده توسط تابش زمینه کیهانی می‌رسد. با این حال، فعلاً عدم قطعیت‌ها باقی می‌مانند و تا زمانی که ستاره‌شناسان نتوانند دقیقاً توضیح دهند چرا این تنش به وجود آمده و کجا باید اصلاحات انجام شود، این عدم قطعیت‌ها از بین نخواهند رفت.

تنش هابل ممکن است واقعاً از بین برود، اما باید منتظر بمانیم تا ببینیم این نابودی از طریق تغییر بنیادین مدل فعلی جهان صورت می‌گیرد یا فقط با اصلاح مشاهدات.

 ترجمه مجله علمی جهان ما ( کازمولوژی)

منبع

IFL SCIENCE