شاید در آینده‌ای نزدیک انبساط جهان متوقف شود

براساس پژوهشی جدید که در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد، پس از گذشت نزدیک به ۱۳.۸ میلیارد سال انبساط بدون توقف، ممکن است انبساط جهان به‌زودی متوقف و به‌آهستگی منقبض شود.

سه دانشمند در مقاله‌ای جدید برای مدل‌سازی ماهیت انرژی تاریک تلاش کردند. انرژی تاریک نیرویی اسرارآمیز است که به‌نظر می‌رسد عامل انبساط جهان با سرعتی بسیار زیاد باشد. در مدل جدید، انرژی تاریک نیروی طبیعی ثابتی نیست؛ بلکه موجودیتی به نام «اثیر» (عنصر پنجم یا quintessence) است که به‌مرورزمان دچار زوال می‌شود.

براساس یافته‌ها، گرچه انبساط جهان از چند میلیارد سال گذشته با سرعت بسیاری افزایش یافته است، قدرت نیروی دافعه‌ی انرژی تاریک رو به کاهش است. طبق مدل پژوهشگرها، افزایش سرعت انبساط جهان ممکن است در ۶۵ میلیون سال آینده به‌پایان برسد و درنهایت طی ۱۰۰ میلیون سال، انبساط جهان کاملاً متوقف و وارد دوره‌ی انقباض کند می‌شود که پس از چند میلیارد سال با نابودی جهان یا شاید تولد مجدد به‌پایان می‌رسد.

به‌باور پاول استینهاردت، یکی از مؤلفان مقاله و رئیس علوم نظری مرکز پرینستون در دانشگاه پرینستون نیوجرسی، تمام این اتفاق‌ها با سرعت بسیار زیادی رخ می‌دهند. او می‌افزاید:

با بازگشت به ۶۵ میلیون سال گذشته، یعنی زمانی که سیارک چیکسولوب به زمین برخورد کرد و به نابودی دایناسورها منجر شد، به این نتیجه می‌رسیم که در مقیاس کیهانی، ۶۵ میلیون سال بازه‌ی بسیار کوتاهی است.

به‌عقیده‌ی گری هینشاو، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه بریتیش کلمبیا، هیچ بخشی از نظریه‌ی یادشده بحث‌برانگیز یا غیرمحتمل نیست. بااین‌حال، به‌دلیل اینکه مدل صرفاً بر رصدهای گذشته‌ی انبساط استوار و ازآن‌‌‌جاکه ماهیت فعلی انرژی تاریک به‌صورت یک راز باقی مانده است، آزمایش پیش‌بینی‌های این مقاله در‌حال‌حاضر غیرممکن است و فعلاً تنها در حد نظریه باقی می‌مانند.

تصویرسازی هنرمند از شکل‌گیری ستاره‌ها در جهان آغازین، چند صد میلیون سال پس از بیگ‌بنگ.

دانشمندان از دهه‌ی ۱۹۹۰ به افزایش سرعت انبساط جهان پی بردند. فضای بین کهکشان‌ها امروز بسیار سریع‌تر از چند میلیارد سال گذشته رو به افزایش است. دانشمندان منبع اسرارآمیز این افزایش سرعت را انرژی تاریک نامیدند؛ موجودیتی نامرئی که به‌نظر می‌رسد در نقطه‌ی مقابل گرانش قرار دارد و سنگین‌ترین اجرام جهان را از یکدیگر دور می‌کند.

گرچه انرژی تاریک نزدیک به ۷۰ درصد از کل جرم انرژی جهان را تشکیل می‌دهد، ویژگی‌های آن به‌صورت یک راز باقی مانده‌اند. براساس نظریه‌ی معروف آلبرت اینشتین، انرژی تاریک یک ثابت کیهانی و شکلی بدون تغییر از انرژی است که با بافت فضازمان گره خورده. اگر این فرض صحیح باشد و نیروی اعمال‌شده‌ی انرژی تاریک هرگز تغییر نکند، در‌نتیجه جهان باید برای همیشه به انبساط ادامه دهد.

بااین‌حال، نظریه‌ای رقیب نشان می‌دهد انرژی تاریک برای تطبیق با رصدهای گذشته‌ی انبساط کیهانی لزوماً نباید ثابت باشد؛ بلکه می‌تواند نوعی موجودیت به نام اثیر (Quintessence) باشد؛ میدانی متغیر که به‌مرورزمان تغییر می‌کند. استینهاردت یکی از سه دانشمندی است که این فرضیه را در مقاله‌ی ۱۹۹۸ مجله‌ی Physical Review Letters ارائه کرد.

برخلاف ثابت کیهانی، اثیر می‌تواند براساس نسبت انرژی جنبشی و پتانسیلش در زمانی مشخص، دفع‌کننده یا جذب‌کننده باشد. اثیر در بازه‌ی ۱۴ میلیارد سال گذشته دفع‌کننده بود و به‌باور استینهاردت در بخش زیادی از این دوره در‌مقایسه‌با پرتوها و ماده، تأثیر ناچیزی بر انبساط جهان گذاشت. باوجوداین، این روند نزدیک به ۵ میلیارد سال گذشته تغییر کرد؛ یعنی زمانی که اثیر به مؤلفه‌ی غالب تبدیل و اثر دافعه‌ی گرانشی آن به افزایش سرعت انبساط جهان منجر شد. استینهاردت می‌گوید:

پرسشی که در مقاله مطرح کردیم، این بود: آیا افزایش سرعت انبساط تا ابد ادامه خواهد داشت؟ اگر پاسخی منفی است جایگزین‌های آن چه هستند و چه زمانی این روند تغییر می‌کند؟

استینهاردت و همکارانش، آنا ایجاس از دانشگاه نیویورک و کاسمین اندره از دانشگاه پرینستون در پژوهش خود پیش‌بینی کردند که چگونه ویژگی‌های اثیر طی چند میلیارد سال آینده تغییر می‌کنند. آن‌ها برای این کار مدلی فیزیکی از اثیر را ساختند و نیروی جاذبه و دافعه‌ی آن را در طول زمان برای تطبیق با رصدهای گذشته‌ی انبساط جهان نشان دادند. پس از آنکه مدل آن‌ها به شکل مطمئنی تاریخچه‌ی انبساط جهان را بازسازی کرد، پیش‌بینی‌های آینده را تعمیم دادند. هینشاو می‌گوید:

عجیب است که انرژی تاریک در مدل آن‌ها به مرور زمان رو به زوال می‌رود. قدرت آن ضعیف می‌‌شود و اگر این روند به شیوه‌ای مشخص ادامه داشته باشد، درنهایت خاصیت ضدگرانشی انرژی تاریک از بین می‌رود و به ماده‌ی شبیه به ماده‌ی معمولی تبدیل خواهد شد.

براساس مدل تیم، نیروی دافعه‌ی انرژی تاریک ممکن است در میانه‌ی رکود سریعی باشد که میلیاردها سال پیش آغاز شده است. در این سناریو، انبساط سریع جهان امروزه در حال کندشدن است و شاید خیلی زود در بازه‌ی تقریبی ۶۵ میلیون سال، این افزایش سرعت کاملاً متوقف شود و سپس طی ۱۰۰ میلیون سال، انرژی تاریک به انرژی جاذبه‌ای تبدیل شود که باعث انقباض کل جهان خواهد شد. به‌بیان دیگر، پس از نزدیک به ۱۴ میلیارد سال رشد، فضا شروع به انقباض می‌کند. استینهاردت بیان می‌کند:

این انقباض از نوع خاصی خواهد بود که به آن انقباض کند می‌گوییم. در واقع به جای انبساط، جهان با سرعت بسیار آهسته‌ای منقبض می‌شود.

در ابتدا انقباض جهان بسیار آهسته خواهد بود؛ به‌طوری‌که انسان‌های آینده‌ی روی زمین هیچ تغییری را حس نخواهند کرد. براساس مدل، چند میلیارد سال انقباض آهسته تا جایی ادامه پیدا می‌کند که جهان به نیمی از اندازه‌ی کنونی خود برسد.

به‌عقیده‌ی استینهاردت، پس از پایان انبساط جهان یکی از این دو اتفاق رخ خواهد داد: ۱. جهان تا جایی به انقباض ادامه می‌دهد که در انهدامی بزرگ (بیگ کرانچ) دچار فروپاشی می‌شود. بدین‌ترتیب فضا زمانی که می‌شناسیم، به‌پایان خواهد رسید؛ ۲. جهان به‌اندازه‌ی کافی منقبض می‌شود تا به وضعیت مشابه با شرایط اولیه‌ی خود، یعنی بیگ‌ بنگ می‌رسد. براساس این نظریه که بیگ‌ باونس (جهش بزرگ) نامیده می‌شود، جهانی جدید از خاکسترهای جهان قدیمی متولد خواهد شد.

در سناریو بیگ باونس که استینهاردت و همکار دیگر او در مقاله‌ی سال ۲۰۱۹ در مجله‌ی Physics Letters B توصیف می‌کنند، جهان تابع الگوی چرخه‌ای انبساط، انقباض، انهدام و جهش است که به‌صورت پیوسته دچار فروپاشی و ساخته می‌شود. درصورت واقعیت داشتن این نظریه، جهان فعلی ما اولین و تنها‌ جهان نخواهد بود؛ بلکه تنها یکی از جهان‌ها در مجموعه‌های نامتناهی جهانی است که قبل از ما در چرخه‌ی انبساط و انقباض قرار داشتند. تمام این فرضیه‌ها بر ماهیت متغیر انرژی تاریک استوار هستند.

متأسفانه روش مناسبی برای آزمایش ماهیت اثیر یا پی‌بردن به کندشدن انبساط کیهانی وجود ندارد. فعلاً این نظریه صرفاً منطبق با رصدهای گذشته است. اینکه رشد بی‌پایان جهان متوقف می‌شود یا زوالی سریع در انتظار آن است، همه به زمان بستگی دارند.