ستاره‌شناسان چگونه دیدگاه ما را درباره کیهان تغییر دادند؟

زمانی هیچ‌کس تصور نمی‌کرد بتوان به ترکیب ستاره‌ها پی برد یا سن جهان را اندازه‌گیری کرد. بشر امروزه می‌داند جهان بسیار بزرگ‌تر و عجیب‌تر از حد تصور اوست. ستاره‌شناسان سن جهان را به بیش از ۱۳/۸ میلیارد سال و درست یک‌میلیاردیم ثانیه پس از بیگ‌بنگ تخمین زده‌اند و قوانین فیزیکی جدید حاکم بر جهان را کشف کردند؛ اما داستان و مسیر رسیدن به این اکتشافات پر از شگفتی‌های غیرمنتظره است.

برای اولین‌بار گوستاو کیرشهف در سال ۱۸۶۰ با مشاهده‌ی خط سیاهی در طیف نوری خورشید ماهیت واقعی ستاره‌ها را بررسی کرد. پس از او ستاره‌شناسان متعددی ویژگی‌های نوری ستاره‌های درخشان و مواد تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها را اندازه‌گیری کردند و متوجه شدند عناصر موجود در ستاره‌ها را می‌توان روی زمین هم پیدا کرد و برخلاف عقاید باستانی، عنصر پنجمی در کار نیست.

بااین‌همه، کمی طول کشید تا بشر بتواند به سوخت ستاره‌ها و دلیل درخشش آن‌ها پی ببرد. طبق محاسبات لرد کلوین، انرژی خورشید صرفا از جاذبه تأمین نمی‌شود؛ زیرا در این صورت سن آن فقط به ۲۰ تا ۴۰ میلیون سال می‌رسید. او در مقاله‌ی خود در سال ۱۹۰۸ به منبع انرژی دیگری برای سوخت ستاره‌ها اشاره کرد. این منبع انرژی همان فرایند گداخت یا همجوشی هسته‌ای بود. در این فرایند، با اتصال هسته‌های اتم و تولید هسته‌های بزرگ‌تر، انرژی تولید می‌شود.

در سال ۱۹۲۵، فیزیک‌دانی به‌نام سیسیلیا گاپوشکین از طیف نوری ستاره‌ها برای محاسبه‌ی فراوانی عناصر شیمیایی استفاده کرد و متوجه شد برخلاف زمین، بخش زیادی از ستاره‌ها را هیدروژن و هلیم تشکیل می‌دهند. ادوین هابل در سال ۱۹۲۴ با اندازه‌گیری مسافت سحابی‌ها ثابت کرد این اجرام می‌توانند خارج از کهکشان راه شیری هم وجود داشته باشند. هابل متوجه شد جهان بسیاری بزرگ‌تر از حد تصور اوست و همچنان به رشد خود ادامه می‌دهد. او در سال ۱۹۲۹ باتوجه‌به شاخصه‌های طیفی نور ستاره‌ها در کهکشان‌های دوردست متوجه رنگ سرخ کهکشان‌های دوردست به‌دلیل طول‌ موج‌های طولانی‌تر شد.

در سال ۱۹۳۳، فریتز زویکی جرم تمام ستاره‌های موجود در خوشه‌ی کهکشانی کوما را تخمین زد و متوجه شد جرم آن‌ها تنها یک درصد از جرم لازم برای قرارگرفتن این کهکشان‌ها کنار یکدیگر است. بدین‌ترتیب، معمای جرم گم‌شده مطرح شد. این مسئله تا دهه‌ی ۱۹۷۰ بی‌پاسخ ماند تا اینکه گروهی از دانشمندان ثابت کردند دیسک‌های کهکشانی از هم می‌پاشند؛ مگر اینکه نیروی گرانشی قوی آن‌ها را کنار یکدیگر نگه دارد. درنتیجه، اغلب ستاره‌شناسان بر سر وجود نوعی ماده‌ی تاریک به‌توافق رسیدند.

پیش از آن اینشتین با انتشار نظریه‌ی نسبیت عام مفهوم جدیدی از جاذبه را ارائه داده بود. براساس این نظریه، جاذبه به تغییر شکل بافت فضا و زمان گفته می‌شود. این نظریه را در ابتدا دانشمندان به‌سختی پذیرفتند؛ اما پس از مشاهده‌ها و رصدهای متعدد به‌مرور ثابت شد. در اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰، ستاره‌شناسان پدیده‌های عجیب و جدیدی کشف کردند که تنها با فرضیه‌های اینشتین توصیف‌پذیر بودند؛ اما عجیب‌ترین نتیجه‌ی نظریه‌ی اینشتین، مفهوم سیاهچاله‌ها بودند؛ اجرامی که حتی نور هم نمی‌تواند از نیروی گرانشی آن‌ها بگریزد. ده‌ها سال سیاهچاله‌ها صرفا در حد فرضیه بودند و حتی اینشتین در سال ۱۹۳۹ نوشت سیاهچاله‌ها واقعیت فیزیکی ندارند؛ اما ستاره‌شناسان پس از چند دهه متوجه وجود سیاهچاله‌ها در مرکز کهکشان‌ها شدند.

به‌طور کلی در اواسط قرن بیستم، دو نظریه درباره‌ی آغاز جهان منتشر شد: ۱. مدل بیگ‌بنگ داغ که طبق آن جهان از نقطه‌ای کوچک، داغ و متراکم آغاز شده و در طول زمان توسعه یافته است؛ ۲. مدل وضعیت پایدار که طبق آن جهان همیشه به شکلی یکسان وجود داشته است. با اینکه فعلا بیگ‌بنگ به‌عنوان مدل اصلی آغاز جهان پذیرفته شده است و هنوز بحث و جدال بر سر چگونگی آغاز جهان ادامه دارد، طبق شواهدی که از میزان سردی یا یکنواختی بخش‌های مختلف جهان به‌دست آمده، ممکن است بیگ‌بنگ نقطه‌ی آغاز جهان نباشد.

دانشمندان به‌مرور و طی اکتشافات متعدد به عناصر سازنده‌ی ستاره‌ها و سیاره‌ها و حتی بدن انسان پی بردند. پیشرفت‌های فیزیک اتمی از دهه‌ی ۱۹۵۰ به مدل‌سازی‌های دقیقی از ستاره‌ها انجامید. همچنین، دانشمندان متوجه شدند هسته‌‌ی ستاره‌ها و سیاره‌ها فقط از اتم‌های هیدروژن و هلیم تشکیل نشده‌اند؛ بلکه عناصر دیگری هم در ساخت هسته نقش دارند. آنان به فرایند مرگ ستاره‌ها و چگونگی تخلیه‌ی هیدروژن آن‌ها پی بردند. ستاره‌های سبک‌تر به اجرام متراکم و کم‌نوری به‌نام کوتوله‌سفید‌ها تبدیل می‌شوند؛ اما ستاره‌های سنگین‌تر بخش زیادی از جرم خود را در انفجارهای عظیم سوپرنوا از دست می‌دهند.

تا دهه‌ی ۱۹۹۰، شواهدی از سیاره‌های فراخورشیدی وجود نداشت. در سال ۱۹۹۵، مایکل مایرو و دیدیر کولز با استفاده از روش کشش گرانشی سیاره‌ و تأثیر آن بر نوسان نور ستاره‌ی میزبان، سیاره‌ای فراخورشیدی به‌نام 51 Pegasi bi را کشف کردند. این سیاره اولین سیاره‌ی فراخورشیدی بود که در مدار ستاره‌ای مشابه خورشید می‌چرخید. با پرتاب فضاپیمای کپلر در سال ۲۰۰۹، بیش از ۲۰۰۰ سیاره‌ی فراخورشیدی دیگر کشف شدند.

امواج گرانشی یکی از پدیده‌هایی است که در نظریه‌ی نسبیت عام پیش‌بینی شده بود. امواج گرانشی به نوسان‌های فضازمانی گفته می‌شود که براثر حرکت اجرام سنگین به‌وجود می‌آیند. با وجود ده‌ها سال تلاش برای جست‌وجوی این امواج، دانشمندان اولین‌بار در سپتامبر ۲۰۱۵ موفق شدند اولین موج گرانشی را کشف کنند. آن‌ها با رصدخانه‌ی LIGO، اولین شواهد از امواج گرانشی را کشف کردند. این موج براثر برخورد دو سیاهچاله در منظومه‌ای دودویی به‌وجود آمده بود. از آن زمان تاکنون تعداد بیشتری از امواج گرانشی کشف شدند.

با وجود پیشرفت‌های علم نجوم در طول ۱۷۵ سال گذشته، هنوز پرسش‌های زیادی درباره‌ی پدیده‌های جهان بی‌پاسخ مانده‌اند. یکی از این جست‌وجوها، پی‌بردن به ماهیت ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک است. انرژی تاریک به نیروی ناشناخته‌ای گفته می‌شود که با حفظ فاصله‌ی اجرام از برخورد آن‌ها جلوگیری می‌کند. هنوز اطلاعات دقیقی از ماهیت این انرژی یا حتی میزان قدرت آن در دست نیست.