جهان سریعتر از آنچه در مدلهای رایج در کیهان‌شناسی پیش‌بینی می‌شود در حال انبساط است!!

فیزیکدانان در جستجوی ایده‌های جدیدی هستند که ممکن است عدم تطابق را توضیح دهد.

فیزیکدانان نمی‌توانند تنش هابل را تنها با تغییر نرخ انبساط در جهان متأخر توضیح دهند.

میدانی از کهکشان‌های دور که توسط تلسکوپ فضایی جیمز وب گرفته شده است. (اعتبار تصویر: NASA، ESA، CSA، و STScI)

رایان کیلی دانش‌آموخته فوق دکترا در فیزیک، دانشگاه کالیفرنیا است.

ستاره‌شناسان دهه‌هاست که می‌دانند جهان در حال انبساط است. وقتی از تلسکوپ برای رصد کهکشان‌های دور استفاده می‌کنند، می‌بینند که این کهکشانها در حال دور شدن از زمین هستند.

از آنجایی که سرعت نور محدود، سریع است، اما بی‌نهایت سریع نیست، دیدن چیزی دور به این معنی است که ما به چیزی نگاه می کنیم که در گذشته چگونه بوده است. با کهکشانهای دور و با انتقال زیاد به قرمز، ما کهکشان را زمانی می‌بینیم که جهان در حالت جوانتری قرار داشت. بنابراین «انتقال به قرمز زیاد» مربوط به زمان‌های اولیه جهان است و «انتقال کم به قرمز» مربوط به زمان‌های متأخر در جهان است.

اما همانطور که اخترشناسان این فواصل را مطالعه کردند، دریافتند که جهان فقط در حال انبساط نیست، بلکه سرعت انبساط آن در حال افزایش است و این سرعت انبساط حتی سریع‌تر از آن چیزی است که نظریه پیش‌بینی می‌کند که باید باشد و کیهان‌شناسانی مانند من را متحیر می‌کند و به دنبال توضیحات جدیدی می‌گردند.

دانشمندان منبع این شتاب را انرژی تاریک می‌نامند. ما کاملاً مطمئن نیستیم که چه چیزی انرژی تاریک را هدایت می‌کند یا چگونه کار می‌کند، اما فکر می‌کنیم رفتار آن را می‌توان با یک ثابت کیهانی توضیح داد که ویژگی فضازمان است که به انبساط جهان کمک می‌کند.

آلبرت اینشتین در ابتدا این ثابت را پیدا کرد – او در نظریه نسبیت عام خود آن را با یک لامبدا مشخص کرد. با یک ثابت کیهانی، همانطور که جهان منبسط می‌شود، چگالی انرژی ثابت کیهانی ثابت می‌ماند.

جعبه‌ای پر از ذرات را تصور کنید. اگر حجم جعبه افزایش یابد، چگالی ذرات با پخش شدن آنها کاهش می‌یابد تا تمام فضای جعبه را اشغال کنند. حالا همان جعبه را تصور کنید، اما با افزایش حجم، چگالی ذرات ثابت می‌ماند.

اینکه چگالی انرژی ثابت کیهانی با انبساط جهان کاهش نمی‌یابد، البته بسیار عجیب است، اما این ویژگی به توضیح جهان در حال شتاب کمک می‌کند.

مدل استاندارد کیهان شناسی

در حال حاضر، نظریه پیشرو یا مدل استاندارد کیهان‌شناسی “لامبدا CDM” نامیده می‌شود. لامبدا نشان دهنده ثابت کیهانی است که انرژی تاریک را توصیف می‌کند و CDM مخفف ماده تاریک سرد است.این مدل هم شتاب جهان در مراحل پایانی و هم سرعت انبساط در روزهای اولیه آن را توصیف می‌کند.

به طور خاص، لامبدا CDM مشاهدات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را توضیح می‌دهد که درخشش پس از تشعشعات مایکروویو از زمانی است که جهان در یک “حالت داغ و متراکم” در حدود 300000 سال پس از انفجار بزرگ قرار داشت. مشاهدات با استفاده از ماهواره پلانک که پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را اندازه‌گیری می‌کند، دانشمندان را به ایجاد مدل CDM Lambda هدایت کرد.

تطبیق مدل لامبدا CDM با پس‌زمینه مایکروویو کیهانی به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تا مقدار ثابت هابل را پیش‌بینی کنند که در واقع یک ثابت نیست، بلکه اندازه‌گیری است که نرخ انبساط فعلی جهان را توصیف می‌کند.

اما مدل لامبدا CDM کامل نیست. دانشمندان نرخ انبساط را با اندازه‌گیری فواصل تا کهکشان‌ها محاسبه کرده‌اند و نرخ انبساط همانطور که در لامبدا CDM با استفاده از مشاهدات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی توضیح داده شده است، در یک ردیف قرار نمی‌گیرند. اخترفیزیکدانان این اختلاف را تنش هابل می‌نامند.

جهان سریعتر از آنچه در مدلهای رایج در کیهان‌شناسی پیش‌بینی می‌شود در حال انبساط است. (اعتبار تصویر: ناسا)

تنش هابل

در چند سال گذشته، من در حال تحقیق در مورد راه‌هایی برای توضیح این تنش هابل بودم. تنش ممکن است نشان دهنده این باشد که مدل لامبدا CDM ناقص است و فیزیکدانان باید مدل خود را اصلاح کنند یا می تواند نشان دهد که زمان آن رسیده است که محققان ایده‌های جدیدی در مورد نحوه عملکرد کیهان ارائه دهندو ایده‌های جدید همیشه هیجان‌انگیزترین چیزها برای یک فیزیکدان هستند.

یکی از راه‌های توضیح تنش هابل، اصلاح مدل لامبدا CDM با تغییر نرخ انبساط در جابه‌جایی کم به قرمز، در زمانهای آخر جهان است. اصلاح مدلی مانند این می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند تا پیش‌بینی کنند چه نوع پدیده‌های فیزیکی ممکن است باعث تنش هابل شوند.

به عنوان مثال، شاید انرژی تاریک یک ثابت کیهانی نباشد، بلکه نتیجه گرانش است که به روش‌های جدید کار می‌کند. اگر اینطور باشد، انرژی تاریک با انبساط جهان تکامل می‌یابد و پس‌زمینه مایکروویو کیهانی که نشان می‌دهد کیهان تنها چند سال پس از ایجاد آن چگونه به نظر می‌رسید، پیش‌بینی متفاوتی برای ثابت هابل خواهد داشت.

اما، آخرین تحقیقات تیم من نشان داده است که فیزیکدانان نمی‌توانند تنش هابل را تنها با تغییر نرخ انبساط در جهان متأخر توضیح دهند، این دسته از راه‌حل‌ها کوتاهی می‌کنند.

در حال توسعه مدل های جدید

برای مطالعه نوع راه‌حل هایی که می‌توانند تنش هابل را توضیح دهند، ابزارهای آماری را توسعه دادیم که ما را قادر می‌سازد تا قابلیت زنده بودن کل کلاس مدلهایی را آزمایش کنیم که نرخ انبساط را در اواخر جهان تغییر می دهند. این ابزارهای آماری بسیار منعطف هستند و ما از آنها برای تطبیق یا تقلید مدل‌های مختلفی استفاده کردیم که به طور بالقوه می‌توانند با مشاهدات نرخ انبساط جهان مطابقت داشته باشند و ممکن است راه‌حلی برای تنش هابل ارائه دهند.

مدل‌هایی که ما آزمایش کردیم شامل مدل‌های انرژی تاریک در حال تکامل است که در آن انرژی تاریک در زمانهای مختلف در جهان متفاوت عمل می‌کند. ما همچنین مدلهای برهمکنش انرژی تاریک-ماده تاریک را آزمایش کردیم، جایی که انرژی تاریک با ماده تاریک تعامل دارد و مدل‌های گرانش اصلاح‌شده که در آن گرانش در زمان‌های مختلف جهان به طور متفاوتی عمل می‌کند.

اما هیچ یک از اینها نمی‌تواند تنش هابل را به طور کامل توضیح دهد. این نتایج نشان می‌دهد که فیزیکدانان باید جهان اولیه را برای درک منبع تنش مطالعه کنند.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

The universe is expanding faster than theory predicts – physicists are searching for new ideas that might explain the mismatch

By Ryan Keeley

https://www.space.com/universe-expanding-faster-than-theory-physicists-new-ideas