جهان فراتر از درک ما؛ دانشمندان به قانع‌کننده‌ترین شواهد از تضعیف انرژی تاریک دست یافته‌اند

گروهی بین‌المللی از اخترشناسان کمی بیش از دو هفته‌ی پیش (۱۹ مارس)، با ارائه‌ی قانع‌کننده‌ترین شواهد تا به امروز، نشان دادند که انرژی تاریک، پدیده‌ی مرموزی که باعث انبساط فزاینده‌ی جهان ما می‌شود، نیرویی ثابت در طبیعت نیست، بلکه در طول زمان کیهانی دچار تغییر و نوسان می‌شود.

براساس اندازه‌گیری جدید، انرژی تاریک ممکن است سرنوشت جهان ما را به ازهم‌گسیختگی در تمام مقیاس‌ها، از خوشه‌های کهکشانی گرفته تا هسته‌های اتمی، محکوم نکند. بلکه، انبساط کیهانی می‌تواند کاهش یابد و در نهایت جهان را به حالتی پایدار برساند. حتی احتمال می‌رود جهان مسیر خود را معکوس کند و درنهایت به نوعی از فروپاشی برسد که اخترشناسان از آن با عنوان «انقباض بزرگ» (مه‌رمب) یاد می‌کنند.

نتایج جدید، سرنخ جذابی را که سال گذشته در همین روزها منتشر شده بود، تقویت می‌کنند. در آوریل ۲۰۲۴، اخترشناسان یافته‌هایی را ارائه دادند که نشان‌دهنده‌ی وجود تناقض در مدل استاندارد کیهان‌شناسی، یعنی بهترین نظریه دانشمندان درباره تاریخچه و ساختار جهان بود. اندازه‌گیری‌های سال گذشته و ماه مارس امسال، حاصل همکاری تیمی است که ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) را روی تلسکوپی در رصدخانه ملی کیت پیک در آریزونا، به کار گرفته است.

مایکل لوی، کیهان‌شناس در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و مدیر پروژه DESI، گفت: «اکنون [یافته‌ها] کمی بیشتر از سرنخ است. این نتایج ما با سایر اندازه‌گیری‌ها جور درنمی‌آید؛ مگر آنکه انرژی تاریک در طول زمان تغییر کند که در آن صورت، همه چیز به درستی در کنار هم قرار می‌گیرد.»

آدام ریس، اخترفیزیکدان دانشگاه جانز هاپکینز و مؤسسه علوم تلسکوپ فضایی در بالتیمور و برنده جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۱ برای کشف انرژی تاریک که در پژوهش مشارکت نداشت، به نیویورک‌تایمز گفت:

می‌توان گفت این نتیجه در صورت صحت، بزرگ‌ترین سرنخی است که در طول ۲۵ سال گذشته درباره ماهیت انرژی تاریک داشته‌ایم.

اما هرچند مشاهدات DESI مدل استاندارد کیهان‌شناسی را (که پیش‌بینی می‌کند انرژی تاریک در طول زمان ثابت باقی می‌ماند) به چالش کشیده، مجموعه‌ای از یافته‌های دیگر مدل را تقویت کرده‌اند. سه‌شنبه ۱۸ مارس، تیم بین‌المللی تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما در شیلی (ACT)، دقیق‌ترین تصاویر از جهان نوزاد را منتشر کرد؛ زمانی که تنها ۳۸۰هزار سال از عمر کیهان گذشته بود. (این تلسکوپ در سال ۲۰۲۲ به فعالیت خود خاتمه داد.)

نتایج ACT که هنوز تحت داوری همتا قرار نگرفته است، ظاهراً تأیید می‌کند که مدل استاندارد در ابتدای جهان به درستی عمل می‌کرد. یکی از مؤلفه‌های این مدل، ثابت هابل است که سرعت انبساط جهان را توصیف می‌کند. اما در طول نیم‌قرن گذشته، اندازه‌گیری‌های مختلف از این ثابت، نتایج متفاوتی را نشان داده‌اند؛ تناقضی که امروزه به حدود ۹ درصد کاهش یافته است. برخی نظریه‌پردازان پیشنهاد داده‌اند که شاید در مراحل اولیه جهان، زمانی که شرایط برای تشکیل اتم‌ها بیش از حد داغ بود، جهشی اضافی در انرژی تاریک رخ داده باشد که می‌توانست تناقض موسوم به تنش هابل را حل کند.

به‌نظر می‌رسد که نتایج اخیر آتاکاما ایده‌ی یادشده را رد کرده است؛ اما در مورد اینکه آیا ماهیت انرژی تاریک ممکن است بعداً در طول زمان تکامل یافته باشد، چیزی نمی‌گوید.

هر دو گزارش با تحسین و تمجید فراوان دیگر کیهان‌شناسان روبه‌رو شده‌اند؛ اما در عین حال، آن‌ها به نوعی سردرگمی کیهانی درباره معنی واقعی این نتایج اعتراف کردند. وندی فریدمن، کیهان‌شناس دانشگاه شیکاگو که در هیچ‌کدام از مطالعات مشارکت نداشت، گفت: «در این مرحله، فکر نمی‌کنم ایده‌ای باقی مانده باشد که بتواند تنش هابل را توضیح دهد.»

مایکل ترنر، نظریه‌پرداز دانشگاه شیکاگو که اصطلاح «انرژی تاریک» را ابداع کرد، افزود: «خبر خوب این است که هنوز هیچ شکافی در مدل کنونی کیهان‌شناسی دیده نمی‌شود. خبر بد هم این است که هنوز هیچ شکافی دیده نمی‌شود!» وی افزود اگر هم شکافی در مدل استاندارد وجود داشته باشد، هنوز به اندازه‌ای باز نشده که بتوانیم «کشف بزرگ بعدی در کیهان‌شناسی» را به وضوح ببینیم.

اخترشناسان اغلب کهکشان‌های موجود در جهان در حال انبساط را به کشمش‌های داخل کیکی در حال پخت تشبیه می‌کنند. با افزایش حجم خمیر، کشمش‌ها از یکدیگر دورتر می‌شوند و هر چه فاصله‌شان بیشتر شود، با سرعت بیشتری از هم جدا می‌شوند.

در سال ۱۹۹۸، دو گروه از اخترشناسان انبساط جهان را با مطالعه‌ی درخشندگی نوع خاصی از ابرنواختر یا ستارگان در حال انفجار، اندازه‌گیری کردند. این نوع ابرنواخترها مقدار مشخصی نور تولید می‌کنند؛ بنابراین هرچه دورتر باشند، به‌طرز پیش‌بینی‌پذیر کم‌نورتر به نظر می‌رسند. اگر، همان‌طور که دانشمندان آن زمان باور داشتند، انبساط جهان در حال کندشدن بود، نور انفجارهای دوردست باید کمی روشن‌تر از حد انتظار دیده می‌شد.

هیچ انرژی شناخته‌شده‌ای در فیزیک نمی‌تواند موجب چنین انبساط شتاب‌داری شود؛ زیرا نیروی آن باید در حین پخش‌شدن در جهان رو به رشد، ضعیف‌تر شود؛ مگر اینکه این انرژی از خود فضا سرچشمه بگیرد.

این انرژی تاریک، تمام ویژگی‌های یک «ضریب تصحیحی» را داشت که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۷ به معادلات گرانش خود اضافه کرد تا توضیح دهد چرا جهان تحت تأثیر گرانش خود فرو نمی‌پاشد. این ضریب تصحیحی که به عنوان ثابت کیهانی شناخته می‌شود، نوعی دافعه‌ی کیهانی را نشان داد که گرانش را متعادل می‌کند و جهان را پایدار نگه می‌دارد یا دست‌کم اینشتین این‌طور تصور می‌کرد. بااین‌حال در سال ۱۹۲۹، زمانی که مشخص شد جهان در حال انبساط است، اینشتین ثابت کیهانی را کنار گذاشت و ظاهراً آن را بزرگ‌ترین اشتباه خود نامید.

اما دیگر خیلی دیر شده بود. یکی از ویژگی‌های نظریه کوانتوم که در سال ۱۹۵۵ مطرح شد، پیش‌بینی می‌کند که فضای خالی مملو از انرژی است و می‌تواند نیروی دافعه‌ای ایجاد کند که درست شبیه ضریب تصحیحی اینشتین باشد. درطول ۲۵ سال گذشته، این ثابت به بخشی از مدل استاندارد کیهان‌شناسی تبدیل شده است. این مدل، جهانی را توصیف می‌کند که ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش در انفجاری عظیم به نام بیگ‌بنگ متولد شد و شامل ۵ درصد ماده اتمی، ۲۵ درصد ماده تاریک و ۷۰ درصد انرژی تاریک است. اما این مدل نمی‌گوید که ماده تاریک و انرژی تاریک واقعاً چه هستند.

اگر انرژی تاریک واقعاً همان ثابت اینشتین باشد، مدل استاندارد آینده‌ای تاریک را پیش‌بینی می‌کند: جهان تا ابد با شتاب بیشتری گسترش خواهد یافت، تاریک‌تر و متروک‌تر خواهد شد. کهکشان‌های دوردست در نهایت آن‌قدر دور خواهند شد که دیگر مشاهده‌پذیر نخواهند بود. تمام انرژی، حیات و اندیشه از کیهان مکیده خواهد شد.

اخترشناسان تیم DESI تلاش می‌کنند تا ماهیت انرژی تاریک را با بررسی کهکشان‌ها در دوره‌های مختلف زمانی کیهانی درک کنند. بی‌نظمی‌های جزئی در توزیع ماده در جهان آغازین، بر فواصل بین کهکشان‌های امروزی تأثیر گذاشته‌اند؛ فاصله‌هایی که به‌طور قابل اندازه‌گیری همراه با جهان گسترش یافته‌اند.

داده‌های استفاده‌شده برای تازه‌ترین اندازه‌گیری DESI شامل فهرستی از تقریباً ۱۵ میلیون کهکشان و سایر اجرام آسمانی بود. این مجموعه داده به‌تنهایی نشان نمی‌دهد که درک نظری از انرژی تاریک مشکل دارد. اما وقتی این داده‌ها با دیگر روش‌های اندازه‌گیری انبساط جهان ترکیب می‌شوند، مانند مطالعه‌ی ابرنواخترها و بررسی قدیمی‌ترین نور جهان که صدهزار سال پس از بیگ‌بنگ منتشر شده است، دیگر با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد همخوانی ندارند.

تفاوت بین داده‌ها و نظریه در حدود ۴٫۲ سیگما (واحدی که فیزیکدانان برای بیان سطح عدم قطعیت استفاده می‌کنند) است که معادل یک در ۵۰هزار احتمال برای تصادفی‌بودن نتایج است. اما این میزان هنوز به ۵ سیگما (معادل یک در ۳٫۵ میلیون احتمال) که معیار سخت‌گیرانه برای تأیید یک کشف علمی محسوب می‌شود، نرسیده است.

بااین‌حال، ناسازگاری بین داده‌های جدید و مدل استاندارد نشان می‌دهد که چیزی در مدل کیهان‌شناسی به‌درستی درک نشده است. شاید دانشمندان نیاز داشته باشند که نحوه‌ی تفسیر گرانش یا درک نور باستانی بیگ‌بنگ را بازبینی کنند. ستاره‌شناسان DESI باور دارند که ماهیت انرژی تاریک می‌تواند عامل این اختلاف باشد.

مصطفی اسحاق بوشاکی، کیهان‌شناس در دانشگاه تگزاس در دالاس که به هدایت ‌تجزیه‌وتحلیل اخیر DESI کمک کرده است، می‌گوید: «اگر انرژی تاریک را پویا درنظر بگیریم، قطعات پازل بهتر با هم جور درمی‌آیند.»

ویل پرسیوال، کیهان‌شناس در دانشگاه واترلو کانادا و سخنگوی تیم DESI، از آنچه در پیش است، ابراز هیجان کرد: «نتایج درواقع انگیزه‌ای تازه برای این حوزه است. حالا ما چیزی داریم که باید آن را دنبال کنیم.»

در دهه ۱۹۵۰، اخترشناسان تصور می‌کردند که تنها دو عدد برای توصیف کیهان‌شناسی کافی است: یکی مربوط به سرعت انبساط جهان و دیگری مربوط به کاهش سرعت این انبساط. اما در دهه ۱۹۶۰، کشف شد که جهان غرق در تابش پس‌زمینه کیهانی ناشی از بیگ‌بنگ است. اندازه‌گیری این تابش به دانشمندان امکان داد که فیزیک جهان اولیه و نحوه‌ی شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها را بررسی کنند. درنتیجه، مدل استاندارد کیهان‌شناسی اکنون به شش پارامتر، از جمله چگالی ماده معمولی و ماده تاریک در جهان، نیاز دارد.

هم‌زمان با افزایش دقت اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی، اختلاف‌های بیشتری بین مقادیر پیش‌بینی‌شده و مقادیر اندازه‌گیری‌شده‌ی این پارامترها نمایان شده و همین امر، انبوهی از بسط‌های نظری به مدل استاندارد را در پی داشته است. اما به‌نظر می‌رسد جدیدترین نتایج تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما که شفاف‌ترین نقشه‌های تابش پس‌زمینه کیهانی تا به امروز را ارائه داده، بسیاری از آن الحاقات نظری را زیر سؤال برده است.

هر کدام از این تلسکوپ‌ها نور آسمان را جذب، بخش‌هایی از کیهان را از دیدگاه‌های مختلف اندازه‌گیری و درمجموع به درک گسترده‌تر از کیهان کمک خواهند کرد. تمام این تلاش‌ها یادآوری می‌کنند که حل رازهای کیهان تا چه حد پیچیده و دشوار است. الکسی لوتو، کیهان‌شناس در دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز و سخنگوی DESI گفت: «هر کدام از این مجموعه داده‌ها دارای نقاط قوت خاص خود هستند. کیهان پیچیده است و ما در تلاشیم تا بسیاری از گره‌های معما را باز کنیم.»