ابرنواخترها پیش‌بینی اینشتین از اتساع زمان را تایید می‌کنند

چهارشنبه ۱۳ تیر ۱۴۰۳ - ۲۲:۳۰
مطالعه 5 دقیقه
ابرنواختر نوع 1a
ستاره‌شناس‌ها با تحلیل ۱۵۰۴ ابرنواختر در جهان دوردست، واضح‌ترین مدرک برای اتساع زمان کیهانی را منطبق با نظریه‌های اینشتین ارائه دادند.
تبلیغات

با وجود بیش از یک قرن تلاش برای رد دستاوردهای اینشتین، به نظر می‌رسند نظریه‌های او به‌ویژه نسبیت خاص هنوز هم نمی‌توانند اشتباه باشند. بر اساس این نظریه، زمان برای اجرامی که با سرعت‌های بسیار بالا حرکت می‌کنند، کندتر می‌گذرد. این پدیده که اتساع زمان نامیده می‌شود در سرعت نزدیک به نور شدیدتر است.

برای درک بهتر اتساع زمان فرض کنید مسافری روی یک فضاپیمای در حال شتاب، گذر زمان عادی را تجربه می‌کند، اما از دید ناظر خارجی، هر چقدر سرعت فضاپیما به سرعت نور نزدیک شود، آهسته‌تر حرکت می‌کند. بااینکه این پدیده در نگاه اول دور از ذهن و منطق به نظر می‌رسد، در حرکت همه‌چیز از ماهواره‌های مدار زمین تا کهکشان‌های دوردست ثابت شده است.

اکنون گروهی از پژوهشگرها با مشاهده بیش از ۱۵۰۰ ابرنواختر در جهان دوردست، آزمایش‌ها را یک گام فراتر برده‌اند تا تاثیرات اتساع زمان را در مقیاس‌های خیره‌کننده‌ی کیهانی آشکار کنند. این بار هم پژوهشگرها به یافته‌ای آشنا رسیدند. به نقل از گرینت لویس یکی از مؤلفان پژوهش از دانشگاه سیدنی: «یک بار دیگر ثابت شد که حق با اینشتین بوده است.»

فرضیه فضاپیما و اتساع زمانی
از دید ناظر زمینی، هرچقدر سرعت فضاپیما به سرعت نور نزدیک‌تر شود، زمان برای آن کندتر می‌گذرد.

رایان وایت از دانشگاه کوئینزلند استرالیا و همکارانش در مقاله‌ای که ماه گذشته در پایگاه پیش‌انتشار آرکایو منتشر شد، از داده‌های بررسی انرژی تاریک (DES) برای بررسی پدیده‌ی اتساع زمان استفاده کردند. پژوهشگرها در دهه‌ی گذشته با استفاده از DES و تلسکوپ ویکتور ام. بلانکو در رصدخانه‌ی میان‌آمریکایی سرو تولولو در شیلی به بررسی ستاره‌های در حال انفجار مشخصی به نام ابرنواخترهای نوع 1a در فاصله‌ی میلیاردها سال از تاریخ کیهان پرداختند.

داده‌های بررسی انرژی تاریک با استفاده از مجموعه‌ای غنی از ابرنواخترها به دنبال تغییر درک ما از انبساط شتاب‌دار جهان است که به نظر می‌رسد با انرژی تاریک کنترل می‌شود. پژوهشگرها در ماه ژانویه از این مجموعه‌ی داده استفاده کردند تا اشاره کنند که شتاب انبساط جهان ممکن است درطول زمان درحال تغییر باشد.

داده‌های ابرنواخترهای DES فرصتی را برای مطالعه‌ی اتساع زمان کیهانی، یعنی کش‌آمدن زمان دراثر انبساط جهان، در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد. خروجی چنین انبساطی می‌تواند این باشد که اجرام دوردست‌تر با سرعت بیشتری نسبت به اجرام نزدیک‌تر از ما دور می‌شوند. به این ترتیب هر چه نقاط در DES دورتر باشند، پدیده‌ی اتساع زمان قوی‌تری رویت خواهد شد.

رابطه‌ی فوق به شکل زیبایی ساده است: مقدار کشیده‌شدن  نور حاصل از درخشش و ناپدیدشدن یک ابرنواختر، ضریبی از 1+z است. در این معادله z انتقال به سرخ ابرنواختر است، این مقیاس به میزان کشیده‌شدن نور ابرنواختر بر اثر انبساط کیهانی در مسیر حرکتش به سمت زمین گفته می‌شود؛ بنابراین انتقال به سرخ بالاتر متناظر است با فاصله‌های کیهانی بیشتر. لویس می‌گوید:

ما در دنیایی در‌حال انبساط زندگی می‌کنیم و یکی از پیامدهای این انبساط این است که در حال دیدن حرکت آهسته‌ی جهان دوردست نسبت به جهان کنونی هستیم.

برای اجرامی که در فواصل نزدیک قرار دارند و انتقال به سرخ آن‌ها نزدیک به صفر است، پدیده‌ی اتساع زمان کیهانی بسیار کوچک است؛ اما جهان بسیار بزرگ است. به عنوان مثال، تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا (JWST)، به تازگی کهکشانی دوردست با مقیاس انتقال به سرخ بی‌سابقه‌ی ۱۴٫۳۲ را در فاصله‌ی فقط ۲۹۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ شناسایی کرد. معمولا یک ابرنواختر از زمان اولین انفجار تا آخرین درخشش به مدت سه ماه یا بیشتر دوام می‌آورد اما وقتی اتساع زمان وارد عمل می‌شود، مدت زمان ماندگاری ابرنواختری با انتقال به سرخ یک، در رصدها دو برابر خواهد شد.

ابرنواختر نوع 1a
تصویرسازی هنری از ابرنواختر نوع 1a که به دنبال انفجار ستاره‌ی کوتوله سفید (سمت چپ) پس از سرقت مقدار ثابت ماده از ستاره‌ی همراهش (سمت راست) رخ می‌دهد.

اتساع زمان کیهانی از دیرباز پیش شناخته شده، اما اندازه‌گیری آن کاری دشوار است. برخی از بهترین تلاش‌ها، به زمان‌بندی انفجارهای پرتوی گاما اختصاص یافته‌اند؛ جرقه‌های درخشانی از انرژی که در جهان دیده می‌شوند یا اختروش‌ها که مناطق درخشان و داغ مواد چرخان اطراف سیاه‌چاله‌های کلان‌جرم هستند. سال گذشته، لویس از تعداد تقریبی ۲۰۰ اختروش برای بررسی اتساع زمان کیهانی استفاده کرد و تقریبا توانست رابطه‌ی دقیق 1+z را در عمل ببیند، اما این بررسی با ابهامات زیادی همراه بود. پروژه‌ی وایت از مجموعه‌ی بزرگ‌تری از ابرنواختر‌ها استفاده کرده که پیش‌بینی‌پذیرتر از اختروش‌ها هستند و امکان اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر را می‌دهند.

هر چقدر مقدار انتقال به سرخ جرمی بیشتر باشد، در فاصله دورتری از ما قرار دارد

ابرنواخترهای نوع 1a انفجارهای کیهانی بزرگی هستند و زمانی به وجود می‌آیند که یک کوتوله‌ی سفید (لاشه‌ی در حال سرد شدن از یک ستاره‌ با ابعاد متوسط) مقدار زیادی از مواد را از ستاره‌ی همراهش به سرقت ببرد. این عمل باعث واکنش گرماهسته‌ای و در نهایت انفجار می‌شود. این انفجار وقتی رخ می‌دهد که کوتوله‌ی سفید در حال رشد به ۱٫۴۴ برابر جرم خورشید ما برسد، آستانه‌ای که به حد چاندراسخار معروف است. این مبنای فیزیکی تمام ابرنواخترهای نوع 1a با درخشش نسبتا پیوسته را دربرمی‌گیرد و آن‌ها را به فانوس‌های کیهانی سودمندی برای اندازه‌گیری فاصله‌های میان‌کهکشانی تبدیل می‌کند. وایت می‌گوید:

ابرنواخترهای 1a صرف‌نظر از اینکه به کدام نقطه از جهان نگاه کنیم، رویدادهای یکسانی هستند. تمام این ابرنواخترها حاصل انفجار ستاره‌های کوتوله‌ی سفید هستند که معمولا تقریبا صرف‌نظر از موقعیت در جرم یکسانی رخ می‌دهند.

ثبات ابرنواخترهای نوع 1a در کل جهان مشاهده‌پذیر، باعث می‌شود به نمونه‌های خوبی برای بررسی اتساع زمان تبدیل شوند. پژوهش وایت با استفاده از ۱۵۰۴ ابرنواختر DES با دقت چشمگیری نشان می‌دهد که این همبستگی تا انتقال به سرخ ۱٫۲ صادق است، یعنی زمانی که جهان تنها ۵ میلیارد سال داشت. وایت می‌افزاید:

این دقیق‌ترین اندازه‌گیری اتساع زمان کیهانی است که تاکنون به دست آمده و تا هفت برابر دقیق‌تر از اندازه‌گیری‌های قبلی اتساع زمان است که از تعداد کمتری از ابرنواخترها استفاده می‌کردند.

به گفته‌ی آمیتش سینگ از دانشگاه می‌سی‌سی‌پی، نتایج پژوهش بسیار تأثیرگذار هستند؛ چرا که اندازه‌گیری اتساع زمان یکی از مستقیم‌ترین شواهد انبساط جهان به شمار می‌رود.

اتساع زمان معماهای جالبی را به وجود می‌آورد. اخیرا تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، ابرنواخترهایی را در کیهان دوردست آشکار کرد که یکی از آن‌ها از نوع 1a با انتقال به سرخ ۲٫۹ یا ۲ میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ است. این جرم دوردست‌ترین ابرنواختری محسوب می‌شود که تاکنون رصد شده است. اوری فاکس، ستاره‌شناس مؤسسه‌ی علوم تلسکوپ فضایی می‌گوید به دلیل اتساع زمان، در انتقال به سرخ ۲، زمان در سه ضرب می‌شود؛ بنابراین رویدادهایی در انتقال به سرخ ۲ در نهایت ۹ ماه تا یک سال از دید ناظر زمینی دوام می‌آورند.

اما در انتقال‌به سرخ‌های بالاتر، حتی می‌توان درباره‌ی مقیاس زمانی سالانه صحبت کرد. در نتیجه ابرنواخترها در جهان آغازین به سختی دیده می‌شوند؛ زیرا ستاره‌شناس‌ها آن‌ها را هنگام مقایسه‌ی تصاویر قبل و بعد کهکشان‌های میزبان احتمالی ابرنواختر جستجو می‌کنند. برای مثال، وقتی انتقال به سرخ ۱۰ باشد، دیدن خاموش و روشن شدن یک ابرنواختر حداقل ۴ سال به طول می‌انجامد.

تمرکز بررسی انرژی تاریک (DES) بر ابرنواخترها در همین‌جا به پایان می‌رسد؛ بنابراین تا زمان دریافت داده‌های جدید، بعید است اندازه‌گیری‌های وایت از اتساع زمان کیهانی شکست بخورند. به این ترتیب یکی از بهترین نظریه‌ها که جهان را در مقیاس بزرگ توصیف می‌کند، صحیح است؛ اما به‌گفته‌‌ی دیویس بدین معنی نیست که نباید آن را بررسی کنیم. نظریه‌ی اینشتین یکی از فرضیاتی است که جهان ما را توصیف می‌کند. نمی‌توانیم صرفا به آن بسنده کنیم و هیچ کاری انجام ندهیم، بلکه باید فرضیاتمان را آزمایش کنیم.

تبلیغات
داغ‌ترین مطالب روز
تبلیغات

نظرات