چرا جهان با سرعت بالایی در حال انبساط است؟

کیهان‌شناسان، براساس تشعشعات منتشرشده در فاصله‌ی کوتاهی از بیگ‌بنگ به محاسبه‌ی سرعت انبساط جهان (که به ثابت هابل معروف است) می‌پردازند. این تشعشعات می‌توانند مواد اولیه‌ی آغاز کیهان را با دقت بالایی آشکار کنند. کیهان‌شناسان مواد اولیه را وارد مدل تکامل کیهانی خود کرده و سپس مدل را برای بررسی سرعت انبساط کیهان در شرایط حال، پیاده‌سازی کردند؛ بااین‌حال، پیش‌بینی‌ها دارای کمبودهایی هستند.

کیهان‌شناسان معمولا هنگام رصد اجرامی مثل ستاره‌های تپنده و ابرنواخترهای درحال انفجار، شاهد انبساط سریع جهان با ثابت بزرگتر هابل هستند. بحث تنش هابل با وجود افزایش دقت ارزیابی‌ها، به قوت خود باقی است. برخی اخترفیزیک‌دان‌ها معتقدند شاید تنش هابل چیزی بیش از یک خطای اندازه‌گیری نباشد؛ اما اگر این مفهوم واقعی باشد، به‌معنی نقص در مدل کیهانی فعلی است.

اخیرا نظریه‌پردازها، به‌دنبال بررسی مواد جدید کیهانی هستند که با اضافه کردن این مواد به مدل استاندارد کیهانی، سرعت انبساط قابل انتظار جهان افزایش می‌یابد و می‌توان این سرعت را با مشاهدات موجود تطبیق داد. به‌گفته‌یآوی لوئب، کیهان‌شناس دانشگاه هاروارد و یکی از پژوهشگرهایی که راه‌حل‌هایی را برای مسئله‌ی تنش هابل پیشنهاد داده است: «کشف ناهنجاری‌ها، راهی بنیادی برای پیشرفت علم است.» در ادامه به فرضیه‌های برجسته‌ درباره‌ی افزایش سرعت انبساط جهان اشاره شده است.

در مدل استاندارد کیهان‌شناسی از شکل‌های مختلف ماده، پرتو و واکنش آن‌ها استفاده می‌شود. همچنین این مدل شامل ماده‌هایی موسوم به انرژی یا ماده‌ی تاریک است که روی هم رفته ۹۶ درصد از کیهان را تشکیل می‌دهند. ازآنجاکه اطلاعات بسیار اندکی درباره‌ی مواد تشکیل‌دهنده‌ی ماده‌ی تاریک وجود دارد، می‌توان از آن برای تغییر مدل استاندارد استفاده کرد. به گفته‌ی لوئب:

ماده‌ی تاریک می‌تواند یکی از علت‌های تغییر سرعت انبساط جهان باشد.

طبق مدل استاندارد، ماده‌ی تاریک از ذرات کم سرعتی تشکیل شده است که با نور واکنش نمی‌دهند؛ اما اگر فرض کنیم ماده‌ی تاریک صرفا از یک ماده‌ی واحد تشکیل نشده است، چه اتفاقی خواهد افتاد؟ ازآنجاکه جهان مرئی از تعداد زیادی از ذرات مثل کوارک، الکترون و موارد دیگر تشکیل شده است پس می‌توان انتظار داشت ماده‌ی تاریک هم از ذرات متنوعی تشکیل شده باشد.

لوئب و همکاران او با تغییر سرعت تجزیه و مقدار ماده‌ی تاریک از بین رفته در هر تجزیه، مدلی از ماده‌ی تاریک در حال تجزیه را انتخاب کردند که به اعتقاد آن‌ها با دیگر مشاهدات نجومی، منطبق است. لوئب می‌گوید: «اگر این مواد را به مدل استاندارد کیهان‌شناسی اضافه کنید، همه چیز به خوبی در کنار یکدیگر قرار خواهد گرفت.»

لوئب هنوز از ایده‌ی ماده‌ی تاریک در حال تجزیه راضی نیست؛ زیرا دو کمیت جدید مبهم را در معادلات خود معرفی کرده است. او با مقایسه‌ی فرضیه‌ی ماده‌ی تاریک در حال تجزیه با مقدار تدویر (دایره‌ای فرضی که مرکز آن روی مدار سیاره است) در مدل زمین مرکزی پیتولمی (ریاضی‌دان و منجم یونانی) می‌گوید: «در این نمونه، دو پارامتر آزاد برای حل یک اختلاف اضافه می‌شود؛ اما من ترجیح می‌دهم دو اختلاف داشته باشیم که با یک پارامتر توصیف شوند».

کیهان‌شناسان از زمان کشف حیرت انگیز افزایش سرعت انبساط جهان در سال ۱۹۹۸، انرژی تاریک رانشی را هم به مدل تکامل کیهانی خود اضافه کردند؛ اما ماهیت این مدل هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است. ساده‌ترین احتمال این است که انرژی تاریک، «ثابتی کیهانی» باشد؛ یعنی برابر با انرژی خود فضا با تراکم ثابت در تمام نقاط آن باشد؛ اما در صورتی که مقدار انرژی تاریک جهان ثابت نباشد چه اتفاقی خواهد افتاد؟

بخش زیادی از انرژی تاریک در جهان آغازین یا انرژی تاریک اولیه، می‌تواند تناقض‌های ثابت هابل را حل کند. فشار خارجی این انرژی تاریک منجر به افزایش سرعت جهان شد. به گفته‌ی لیزا راندال، فیزیکدان ذرات و کیهان‌شناس هاروارد: بخش عجیب این مسئله اینجا است که انرژی تاریک آغازین نمی‌تواند در یک جا باقی بماند.

لیزا رندال، فیزیکدان ذرات و کیهان‌شناس دانشگاه هاروارد، فرضیه‌هایی را برای عوامل افزایش سرعت انبساط کیهانی ارائه داده است.

رندال و همکاران او راه‌حل‌هایی را برای تنش هابل ابداع کردند و مقاله‌ی خود را در مجله‌ی High Energy Physics منتشر کردند. هر کدام از مواردی که به مدل استاندارد اضافه می‌شوند، شکل ریاضی متفاوتی دارند. در برخی، چگالی انرژی تاریک در حال نوسان است؛ درحالی‌که در برخی دیگر از مقداری بالا به مقدار صفر حرکت می‌کند؛ اما در تمام موارد، انرژی تاریک آغازین ممکن است پس از چند صد سال در طول دورانی به‌نام ترکیب مجدد، ناپدید شود. به‌گفته‌ی کامیونکفسکی، یکی از مؤلفان مقاله‌ی انرژی آغازین تاریک که ماه گذشته در مجله‌ی Phisical Review Letters منتشر شد:

تاریخچه‌ی جهان از زمان ترکیب مجدد، کاملا سازگار با مدل استاندارد است؛ بنابراین هر شیطنتی که در جهان آغازین انجام دهیم، ناپدید خواهد شد.

نظریه‌پردازان علاوه بر انرژی تاریک آغازین، شکل‌های دیگری از انرژی تاریک مثل انرژی تاریک اثیری و شبح‌وار را پیشنهاد می‌دهند. چنین نظریه‌هایی حتی سن جهان را تغییر می‌دهند. با اینکه تمام ضمیمه‌های مدل استاندارد، تنش هابل را کاهش می‌دهند، به اعتقاد بسیاری از کیهان‌شناسان این نظریه‌ها توجیه واضحی ندارند.

به‌گفته‌ی کامیونکفسکی، شکل‌های جدید ماده‌ی تاریک، همراه‌با دیگر دوره‌های انبساط در تاریخ جهان، اعتبار بیشتری پیدا می‌کنند. برای مثال به اعتقاد اغلب کیهان‌شناسان، فضا در آغاز بیگ‌بنگ و در دورانی به‌نام تورم با سرعتی نمایی رشد می‌کرد. دلیل این سرعت وجود انواع مختلف انرژی تاریک بود. به‌گفته‌ی کامیونکفسکی، معمولا دوره‌های تسلط انرژی تاریک بر جهان، در طول تاریخ تکرار می‌شوند.

در مدل استاندارد کیهان‌شناسی، تمام شکل‌های شناخته‌شده‌ی ماده، تشعشعات و همچنین ماده‌ و انرژی تاریک در نظریه‌ی گرانش آلبرت اینشتین صدق می‌کنند و معادلات اینشتین هم انبساط جهان را اثبات می‌کنند. درنتیجه در کنار تغییرات و اضافه شدن مواد کیهانی به مدل استاندارد، روش‌های دیگری هم برای تطبیق مدل با سرعت انبساط عینی کیهان وجود دارد. به گفته‌ی لوئب: «حتی می‌توان فرض کرد معادلات اینشتین، صحیح نیستند.»

ویلیام بارکر، دانشجوی دکترای دانشگاه کمبریج در تابستان گذشته روی نظریه‌ای به‌نام «گرانش تغییریافته» کار می‌کرد. بارکر در حال کار روی مسئله‌ی تنش هابل، متوجه‌ تغییر گرانش در شرایط پرتوهای شدید جهان آغازین شد. فشار تشعشعات منجر به افزایش سرعت انبساط کیهان شده است.

بارکر و سه تن از مؤلفان در نسخه‌ی پیش‌انتشار مقاله‌ی Physical Review D، معتقدند که برای توصیف چگونگی انبساط جهان و همچنین تکامل ساختار کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی نیاز به تحلیل‌های بیشتری دارد باتوجه به داده‌های دقیق تلسکوپ‌های جدید روی ساختارهای داده‌ای، دستیابی به نظریه‌ای منطبق با تمام مشاهدات، دستاوردی چشمگیر خواهد بود. کامیونکفسکی می‌گوید: «بسیاری از نظریه‌های گرانش تغییریافته، نظریه‌های کاملی نیستند و به‌سختی می‌توان به روشی پایدار، براساس مجموعه‌ای پیچیده از داده‌ها به محاسباتی دقیق دست یافت».

 راندال می‌گوید: «طرح‌های پیشنهادی معمولا تک بعدی هستند. نکته‌ی جالب توجه این است که حتی چنین طرح‌هایی هم به سختی می‌توانند مسئله را حل کنند».

اغلب مدل‌های غیراستاندارد صرفا می‌توانند تنش هابل را کاهش دهند و قادر به حذف آن نیستند. طبق پیش‌بینی‌ها، سرعت انبساط کیهانی بیشتر از مدل استاندارد است؛ اما هنوز منطبق با مشاهدات سوپرنواها و دیگر اجرام نجومی نیست.

در سال‌های آینده، تلسکوپ یوکلید و دیگر ابزار نجومی، به بررسی دقیق نقش گرانش و انرژی تاریک در تکامل کیهانی خواهند پرداخت. در عین حال، امواج گرانشی منتشرشده از برخورد ستاره‌های نوترونی هم، روشی جدید برای ارزیابی ثابت هابل ارائه خواهند داد. داده‌های جدید، راه‌حل‌های جدیدی را برای تنش هابل ارائه خواهند داد؛ اما احتمال بروز شکاف‌های جدید در مدل استاندارد وجود خواهد داشت. در حال حاضر بسیاری از کیهان‌شناسان، نسبت به پیچیده‌سازی مدل بی‌میل هستند. رندال می‌گوید: «فعلا باید صبر کرد و تماشا کرد، مگر اینکه شخصی ایده‌ی بسیاری خوبی ارائه کند».

رندال در ادامه افزود که حتی اگر تنش هابل چیزی بیش از مجموعه‌ای از خطاها نباشد، این جست‌وجو برای فیزیک نوین بیهوده نخواهد بود. او می‌گوید: «گاهی نتایج جذابی از چنین جستجوهایی به دست می‌آیند. این پژوهش‌ها شما را وادار به تفکر درباره‌ی این پرسش‌ها می‌کنند: چه می‌دانیم؟ و تا چه اندازه می‌توانیم همه چیز را تغییر دهیم؟»