مدل استاندارد کیهانشناسی چگونه از آزمون یافتههای جیمز وب سربلند بیرون آمد؟
چهارشنبه ۲۶ بهمن ۱۴۰۱ - ۲۲:۳۰مطالعه 13 دقیقهترکها در دانش کیهانشناسی موجود قرار نبود به این زودیها ظاهر شود؛ اما با باز شدن لنز تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) در بهار گذشته، ناگهان کهکشانهای بسیار درخشان در دوردستها در میدان دید تلسکوپ قرار گرفتند. به گفتهی روهان نایدو، ستارهشناس مؤسسهی فناوری ماساچوست، این کهکشانها به شکل دیوانهواری درخشان هستند.
فاصلههای ظاهری کهکشانها از زمین نشان میدهند این اجرام بسیار زودتر از پیشبینیها در تاریخ جهان شکل گرفتند. (هرچقدر جرمی دورتر باشد به این معنی است که نور آن مسافت دورتری را طی کرده است). به این ترتیب شک و تردید افزایش یافت، اما در ماه دسامبر ستارهشناسان تأیید کردند که برخی از کهکشانها همانقدر که به نظر میرسند دوردست و آغازین هستند. قدمت کهنترین کهکشان کشفشده به ۳۳۰ میلیون سال پس از بیگبنگ میرسد که رکورد جدیدی برای قدیمیترین ساختار جهان است. این کهکشان نسبتا کم نور بود اما کهکشانهای کاندید دیگر مربوط به آن دوران، درخشش بالایی دارند.
ستارهشناسها این پرسش را مطرح کردند که آیا فراوانی اجرام بزرگ آغازین متناقض با درک فعلی از کیهان است؟ برخی پژوهشگرها و رسانهها مدعی شدند که رصدهای تلسکوپی مدل استاندارد کیهانشناسی را نقض میکنند و میتوانند نشانهای بر وجود مواد کیهانی یا قوانین جدید ناظر بر جهان باشند. مدل استاندارد کیهانشناسی، یکی از آزمودهشدهترین مجموعههای معادلات موسوم به مادهی تاریک سرد لامبدا است. بااین حال این مدل دارای انعطاف است؛ بنابراین پژوهشگرها بهجای بازنویسی قوانین کیهانشناسی بر اساس یافتههای تلسکوپ جیمز وب، تصمیم گرفتند دربارهی روند شکلگیری کهکشانها بهویژه در آغاز کیهان تجدیدنظر کنند.
زمانهای سادهتر
پی بردن به دلیل کشف کهکشانهای درخشان در جهان آغازین به درک کیهانشناسی کنونی یا درک فعلی از جهان کمک میکند. جهان نوزاد، پس از بیگبنگ شروع به سرد شدن کرد. تنها در طی چند میلیون سال، پلاسمای آشفتهای که جهان را فرا گرفته بود، فرو نشست و الکترونها، پروتونها و نوترونها به اتمهایی تبدیل شدند که بخش زیادی از آنها را هیدروژن خنثی تشکیل میداد. برای دورهای نامشخص موسوم به «عصر تاریک کیهانی» همه چیز آرام و تاریک بود؛ سپس اتفاقی رخ داد.
بخش زیادی از مادهای که پس از بیگبنگ منتشر شد، ترکیبی نامرئی موسوم به مادهی تاریک بود. این ماده تأثیر قابل توجهی بر کیهان گذاشت. از دیدگاه مدل استاندارد، مادهی تاریک سرد (اصطلاحی به معنی ذرات آهستهی نامرئی) یکسره بر جهان حاکم بود. این ماده در برخی مناطق توزیع متراکمتری داشت و در این مناطق به تودههایی تقسیم شد. مادهی مرئی به معنی اتمها، حول تودههای مادهی تاریک شکل گرفت و در ابتدا ستارهها متولد شدند. این منابع جدید روشنایی باعث باردار شدن هیدروژن خنثایی شدند که جهان را در عصر یونیزاسیون مجدد فراگرفته بود (در نظریهی بیگبنگ، یونیزاسیون مجدد به فرآیندی گفته میشود که باعث یونیزه شدن ماده پس از عصر تاریکی شد). به اینترتیب، ساختارهای پیچیدهتر و بزرگتر از طریق گرانش شکل گرفتند و تاروپود کیهانی وسیعی از کهکشانها را تشکیل دادند.
درهمینحال، اجرام به فاصلهگرفتن از یکدیگر ادامه دادند. بر اساس محاسبات ادوین هابل در دههی ۱۹۲۰، جهان در حال انبساط است و هفت دهه بعد، در اواخر دههی ۱۹۹۰ تلسکوپ همنام او نیز شواهدی از افزایش سرعت انبساط جهان را ثابت کرد. جهان را میتوانید مانند یک قرص نان کشمشی در نظر بگیرید. کار با ترکیب آرد، آب، خمیرمایه و کشمش شروع میشود. با ترکیب این مواد اولیه، خمیرمایه شروع به نفس کشیدن میکند و نان پف میکند. کشمشهای داخل نان را میتوان نمایندهی کهکشانها دانست که با انبساط نان از یکدیگر دور میشوند.
تلسکوپ فضایی هابل شاهد افزایش سرعت پف نان بود. کشمشهای داخل نان هم با سرعتی مخالف کشش گرانشی خود از یکدیگر دور میشوند. عامل این افزایش سرعت، انرژی رانشی خود فضا، موسوم به انرژی تاریک است که با حرف یونانی لامبدا Λ نمایش داده میشود. با قرار دادن مقادیر Λ، مادهی تاریک سرد، مادهی معمولی و پرتوها در معادلهی نسبیت عام اینشتین، معادلهی تکامل جهان به دست میآید. مدل «مادهی تاریک سرد لامبدا» (ΛCDM) تقریبا منطبق با تمام رصدهای کیهانی است.
یکی از روشهای آزمایش مدل استاندارد، رصد کهکشانهای دوردست است. با این کار گویی به زمان سفر میکنید و چند صدمیلیون سال پس از بیگبنگ را میبینید. در این زمان کیهان بسیار سادهتر بود و مقایسهی تکامل آن با پیشبینیها آسانتر است.
ستارهشناسها در سال ۱۹۹۵ برای اولین بار با تلسکوپ هابل ساختارهای آغازین جهان را رصد کردند. هابل در طی ده روز، ۳۴۲ نور را از بخشهای به ظاهر خالی در صورت فلکی دب اکبر رصد کرد. ستارهشناسها تحت تأثیر فراوانی اجرام در این بخش تاریک قرار گرفتند. هابل توانست هزاران کهکشان با مسافتها و مراحل مختلف رشد را رصد کند که قدمت آنها بسیار بیشتر از حد انتظار بود. این تلسکوپ همچنین کهکشانهای دوردستتری را هم رصد کرد؛ برای مثال ستارهشناسان در سال ۲۰۱۶، یکی از دوردستترین کهکشانها به نام GN-z11 را کشف کردند که قدمت آن به ۴۰۰ میلیون سال پس از بیگبنگ بازمیگشت.
کهکشان GN-z11 برای تاریخ کیهانی بسیار کهن بود اما باعث شک نسبت به مدل لامبدا نشد زیرا این کهکشان یک کهکشان تنها و کوچک بود که جرم آن تنها به یک درصد از جرم راه شیری میرسید. ستارهشناسان به تلسکوپی قدرتمندتر نیاز داشتند تا بررسی کنند GN-z11 یک نمونهی منحصربهفرد است یا بخشی از جمعیت بزرگتری از کهکشانهای آغازین بوده است. با پاسخ به این سؤال میتوانستند قطعهی گمشدهی پازل لامبدا سیدیام را پیدا کنند.
بینهایت دوردست
تلسکوپ فضایی جیمز وب، نسل بعدی تلسکوپ پرچمدار ناسا در روز کریسمس ۲۰۲۱ پرتاب شد. با کالیبره شدن این تلسکوپ، نور کهکشانهای آغازین به بخشهای الکترونیکی حساس آن خوردند و بلافاصله ستارهشناسان سیلی از مشاهدات را منتشر کردند.
پژوهشگرها از یک نسخه اثر داپلر برای اندازهگیری مسافت اجرام استفاده کردند. این روش مشابه محاسبهی موقعیت یک آمبولانس بر اساس آژیر آن است: گام صدای آژیر با نزدیک شدن افزایش مییابد و سپس کاهش یافته و فروکش میکند. هرچقدر کهکشانی دورتر باشد، سریعتر از ما دور میشود و با کشیده شدن نور آن به سمت طول موجهای طولانیتر، رنگ سرختری پیدا میکند. به این فرآیند «انتقال به سرخ» گفته میشود که با حرف z تعریف میشود. مقدار مشخصی از z نشان میدهد نور یک جرم برای رسیدن به ما چه مسافتی را باید طی کند.
نایدو، ستارهشناس MIT و همکاران او یکی از اولین مقالهها را دربارهی دادههای جیمز وب منتشر کردند. الگوریتم جستجوی آنها کهکشانی را نشانهگذاری کرد که به شکل غیرمنتظرهای درخشان و دور بود. نایدو این کهکشان را GLASS-z13 نامگذاری کرد که نشاندهندهی فاصلهی ظاهری آن با مقدار انتقال به سرخ ۱۳ است. این کهکشان دورتر از هر جرمی بود که قبلا رصد شده بود. مقدار انتقال به سرخ این کهکشان بعدا با دقت بیشتری برابر با ۱۲٫۴ تعیین شد و نام آن هم به GLASS-z12 تغییر کرد.
از طرفی ستارهشناسهای دیگری که روی مجموعههای متنوعی از رصدهای جیمز وب کار میکردند مقادیر انتقالبهسرخ ۱۱ تا ۲۰ را به دست آوردند. یکی از این رصدها مربوط به کهکشانی به نام CEERs-1749 یا CR2-z17-1 بود که نور آن به ۱۳٫۷ میلیارد سال قبل و درست ۲۲۰ میلیون سال پس از بیگبنگ بازمیگردد. این زمان در مقیاس کیهانی مانند چشمبرهم زدنی است. بر اساس این اکتشافات، روایت مدل استاندارد لامبدا سیدیام ناقص به نظر میرسد. کریس لاول، اخترفیزیکدان دانشگاه پورتثماوث انگلستان میگوید:
در جهان آغازین معمولا انتظار دیدن کهکشانهای سنگین را ندارید؛ زیرا چنین کهکشانهایی زمان کافی برای شکلگیری ستارههای زیاد یا ادغام با یکدیگر را نداشتند.
در پژوهشی که نوامبر گذشته منتشر شد، پژوهشگرها به تحلیل شبیهسازیهای کامپیوتری جهانهای منطبق با مدل استاندارد پرداختند. بر اساس یافتهها، کهکشانهای درخشان جیمز وب سنگینتر از کهکشانهایی بودند که در شبیهسازیها ظاهر شدند.
برخی ستارهشناسها و رسانههای خبری مدعی شدند جیمز وب، مدل استاندارد کیهانشناسی را نقض کرده است اما این نتیجهگیری برای همه قانعکننده نبود. یکی از مشکلات مدل استاندارد این است که پیشبینیهای آن همیشه شفاف نیستند. در حالی که مادهی تاریک و انرژی تاریک ساده هستند، مادهی مرئی دارای برهمکنشها و رفتارهای پیچیده است و هیچکس نمیداند در اولین سالهای پس از بیگبنگ دقیقا چه اتفاقی رخ داده است. این زمانهای آغازین را باید در شبیهسازیهای کامپیوتری تخمین زد. مشکل دیگر این است که بهسختی میتوان مسافت دقیق کهکشانها را اندازهگیری کرد.
در اولین ماههای انتشار مقالهها، سن برخی کهکشانها با مقدار انتقالبهسرخ بالا بازنگری شدند. برخی از آنها به خاطر کالیبراسیون بهروزرسانیشدهی تلسکوپ وب به مراحل بعدی تکامل کیهانی تنزل رتبه پیدا کردند. کهکشان CEERS-1749 در بخشی از آسمان همراه با یک خوشهی کهکشانی دیگر قرار دارد که نور آن از ۱۲٫۴ میلیارد سال پیش به تلسکوپ رسیده است و ممکن است این کهکشان بخشی از این خوشه باشد. همچنین این احتمال وجود دارد که یک تودهی غبار نزدیکتر باعث افزایش مقدار انتقالبهسرخ کهکشان شده باشد. به باور نایدو، CEERS-1749 صرفنظر از مسافت، کهکشانی عجیب است زیرا ممکن است نوع جدیدی باشد که چیزی از آن نمیدانیم: کهکشانی کمجرم و کوچک که احتمالا مقدار زیادی غبار از خود دارد و معمولا در رصدها دیده نمیشود. چنین انواع جدیدی احتمالا با جستجوی کهکشانهای بسیار دوردست در تضاد هستند.
شکست لایمن
برای رسیدن به تخمینهای قطعی باید از قدرتمندترین قابلیت جیمز وب استفاده کرد. جیمز وب نهتنها از طریق نورسنجی، نور ستارهها یا درخشش آنها را اندازهگیری میکند بلکه همچنین از قابلیت طیفسنجی یا اندازهگیری طول موجهای نور هم برخوردار است. اگر رصد نورسنجی را به تصویر یک چهره در جمعیتی شلوغ تشبیه کنیم، رصد طیفسنجی به تست DNA شباهت پیدا میکند که میتواند سوابق خانوادگی یک شخص را بازگو کند. نایدو و دیگران هم که کهکشانهای عظیم آغازین را پیدا کردند، مقدار انتقال به سرخ آنها را با استفاده از اندازهگیریهای مبتنی بر درخشش اندازهگیری کردند و در واقع با استفاده از یک دوربین بسیار خوب به چهرهای در میان شلوغی نگاه کردند. این روش بدون ضعف نیست. (در نشست ماه ژانویهی انجمن نجوم آمریکا، ستارهشناسان این فرض را مطرح کردند که شاید فقط نیمی از کهکشانهای آغازین که با روش نورسنجی رصد شدهاند، بهدرستی اندازهگیری شده باشند).
اما در اوایل ماه دسامبر کیهانشناسان اعلام کردند که هر دو روش نورسنجی و طیفسنجی را برای چهار کهکشان ترکیب کردهاند. گروه نقشهبرداری فراکهکشانی پیشرفتهی عمیق جیمز وب (JADES) به جستجوی کهکشانهایی پرداختند که طیف نور فروسرخ آنها بهطور ناگهانی یک طول موج مشخص موسوم به شکست لایمن را قطع میکند. این شکست به این دلیل رخ میدهد که هیدروژن شناور در فضای میان کهکشانها نور را جذب میکند. به دلیل تداوم انبساط جهان یا همان قرص نان در حال پف، نور کهکشانهای دورتر و در نتیجه، طول موجی که شکست را قطع میکند، جابهجا میشوند. وقتی نور کهکشانی در طول موجهای طولانیتر قطع میشود به این معنی است که در فاصلهی دورتری قرار دارد. JADES طیفهایی با مقادیر انتقال به سرخ ۱۳٫۲ را شناسایی کرده است که نشان میدهد نور کهکشان از ۱۳٫۴ میلیارد سال پیش منتشر شده است.
برانت رابرتسون، ستارهشناس JADES از دانشگاه سانتاکروز کالیفرنیا میگوید، جهان آغازین بهسرعت در چند میلیارد سال اول تغییر کرده است و کهکشانها با سرعتی ده برابر امروز به تکامل رسیدند. این روند را میتوان به مرغ مگسخواری تشبیه کرد که با وجود کوچکی ابعاد، ضربان قلبی سریع دارد. قلب کهکشانهای آغازین هم بسیار سریعتر از راه شیری میتپد.
احتمالهای نظری
در حالی که ستارهشناسها و عموم مردم از تصاویر جیمز وب شگفتزده بودند، پژوهشگرها در پشت صحنه برای پاسخ به این پرسش تلاش میکردند که کهکشانها واقعا مدل لامبدا سیدیام را نقض میکنند یا صرفا ارقام دقیقتری را برای معادلهها تولید میکنند. یکی از نگرانیهای مهم در رابطه با جرم کهکشانها است. کیهانشناسها با اندازهگیری جرم این اجرام تلاش میکند انطباق آنها با مدل لامبدا سیدیام و پیشبینی آن از سیر رشد کهکشانی را مقایسه کنند.
جرم یک کهکشان بر اساس درخشش آن به دست میآید؛ اما مگان دوناهو، اخترفیزیکدان دانشگاه میشیگان معتقد است در بهترین حالت، رابطهی بین جرم و درخشش، حدسی قریب به یقین است که بر اساس فرضیههای جمعآوریشده از ستارهها و کهکشانهای موجود به دست میآید.
بر اساس فرضیهای کلیدی، ستارهها همیشه در یک طیف مشخص آماری، موسوم به تابع جرمی اولیه (IMF) شکل میگیرند. برای رسیدن به جرم کهکشان بر اساس میزان درخشش، وجود پارامتر IMF ضروری است، زیرا ستارههای داغ و سنگین آبی نور بیشتری را تولید میکنند، در حالی که بخش زیادی از جرم کهکشانها در ستارههای کوچک و سرد سرخ جمع شده است.
اما ممکن است IMF در جهان آغازین متفاوت بوده باشد؛ بنابراین این احتمال وجود دارد کهکشانهای آغازین جیمز وب زیاد هم سنگین نباشند؛ بلکه احتمالا کهکشانهایی درخشان و سبک هستند. این احتمال باعث سردرگمیهای زیادی شد زیرا تغییر این مقدار اولیه در مدل لامبدا سیدیام میتواند هر پاسخ دلخواهی را ایجاد کند.
به گفتهی وندی فریدمن، اخترفیزیکدان دانشگاه شیکاگو، عدم درک تابع جرم اولیه باعث میشود درک کهکشانهایی با مقدار انتقال سرخ به بالا به یک چالش جدی تبدیل شود. تیم فریدمن در حال کار بر رصدها و شبیهسازیهای کامپیوتری است که به اندازهگیری IMF در محیطهای مختلف کمک میکنند.
بسیاری از کارشناسان گمان میکردند اعمال تغییراتی در IMF و دیگر فاکتورها برای تطبیق رصد نور کهکشانهای کهن جیمز وب با مدل لامبدا سیدیام کافی است. به گفتهی راشل سامرویل، اخترفیزیکدان مؤسسهی فلاتریون، میتوان این رصدها را با الگوی استاندارد تطبیق داد. او میگوید:
با این کار به این پرسشها پاسخ میدهیم: هالههای مادهی تاریک با چه سرعتی میتوانند گازها را جمعآوری کنند؟ با چه سرعتی میتوان گاز را سرد و متراکم کرد و ستارهها را ساخت؟ شاید این اتفاق در جهان آغازین با سرعت بیشتری رخ داده باشد؛ شاید گاز متراکمتر باشد شاید هم با سرعت بیشتری در جریان باشد. هنوز در حال یادگیری دربارهی این فرآیندها هستیم.
سامرویل همچنین به بررسی احتمال تداخل سیاهچالهها با کهکشان نوزاد پرداخته است. ستارهشناسها تعداد محدودی سیاهچالهی کلانجرم درخشان با مقدار انتقال به سرخ ۶ یا ۷ را رصد کردند که قدمت آنها تقریبا به یک میلیارد سال پس از بیگبنگ بازمیگردد. به سختی میتوان تصور کرد که ستارهها بهمرور زمان شکل میگیرند، میمیرند و سپس به سیاهچالههایی تبدیل میشوند که همهچیز در اطراف خود را میبلعند و باقیماندهی مواد را به شکل تشعشعات به بیرون تف میکنند.
- ۱۰ راز کیهانی که برخورددهنده هادرونی بزرگ میتواند آشکار کند29 اردیبهشت 01مطالعه '12
- تلسکوپ فضایی جیمز وب از اسرار جهان آغازین پرده برمیدارد1 دی 01مطالعه '6
تطبیق مدل لامبدا سیدیام با کهکشانهای آغازین جیمز وب در روزهای پیش از کریسمس ثابت شد. ستارهشناسان به رهبری بنجامین کلر از دانشگاه ممفیس، مجموعهای از شبیهسازیهای ابرکامپیوتری جهانهای لامبدا سیدیامی را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که این شبیهسازیها میتوانند کهکشانهایی به سنگینی چهار کهکشان کشفشده را تولید کنند که توسط تیم JADES بررسی شده بودند. این چهار کهکشان به شکل قابلتوجهی کوچکتر و کمنورتر از دیگر کهکشانهای آغازین مثل GLASS-z12 هستند. بر اساس تحلیل این گروه، تمام شبیهسازیها به کهکشانهایی هماندازه با یافتههای JADES با مقدار انتقال به سرخ ۱۰ رسیدند. یکی از شبیهسازیها کهکشانهایی با انتقال به سرخ ۱۳ را تولید کرد که دقیقا منطبق با مشاهدات JADEs بود و دو شبیهسازی دیگر هم توانستند کهکشانهایی با انتقال به سرخ بالاتر را بسازند. بر اساس گزارشهای کلر و همکاران او در سرور پیشانتشار arxive.org در تاریخ ۲۴ دسامبر، هیچکدام از کهکشانهای JADES در تضاد با الگوی فعلی لامبدا سیدیام نبودند.
گرچه کهکشانهای JADES برای نقض مدل کیهانشناسی رایج کافی نبودند، ویژگیهای خاص دیگری داشتند. به گفتهی هینلاین، ستارههای این کهکشانها مواد فلزی کمتری داشتند؛ بنابراین میتوان گفت این ستارهها از نوع ستارههای جمعیت ۳ یا نسل اول ستارههایی بودند که در آسمان درخشیدند و ممکن است در یونیزاسیون مجدد جهان نقش داشته باشند. اگر این حقیقت داشته باشد، تلسکوپ جیمز وب به دورهی اسرارآمیزی اشاره کرده است که مسیر فعلی جهان از آن آغاز شد.
شواهد خارقالعاده
طیفسنجی کهکشانهای آغازین دیگر در بهار امسال و بر اساس تخصیص زمانی تلسکوپ جیمز وب به اثبات خواهد شد. همچنین کمپین رصد WDEEP به جستجوی کهکشانهایی با قدمت کمتر از ۳۰۰ میلیون سال پس از بیگبنگ میپردازد. با اثبات کهکشانهای دورتر و رسیدن به تخمینهای بهتری از جرم آنها، سرنوشت مدل لامبدا سیدیام هم تعیین خواهد شد.
فریدمن در حال بررسی تابع اولیهی جرم است تا از دادههای جیمز وب دربارهی ستارههای متغیر بهعنوان شمعهای استانداردی برای اندازهگیری فاصلهها و سنها استفاده کند. این اندازهگیریها به مسئلهی احتمالی دیگری در مدل لامبدا سیدیام به نام تنش هابل کمک میکنند. مشکل اینجاست که جهان بسیار سریعتر از پیشبینیهای مدل استاندارد در حال انبساط است. کیهانشناسان هم تعداد زیادی توضیح احتمالی را در اینباره مطرح کردهاند.
کیهانشناسها احتمالهای متعدد را مطرح میکنند. برخی از آنها گمان میکنند، شاید چگالی انرژی تاریکی که باعث افزایش سرعت انبساط جهان شده است منطبق با مدل استاندارد ثابت نباشد بلکه به مرور تغییر کند. تغییر تاریخچهی انبساط جهان نهتنها میتواند راهحلی برای معمای تنش هابل باشد بلکه ممکن است محاسبات سن جهان را هم تغییر دهد.