خلاصه مقاله:

  • ما جهان را از دیدگاه خود ۱۳٫۸ میلیارد ساله می‌بینیم؛ عددی که از فرمول‌های اینشتین و نرخ انبساط فضا به دست آمده است. اما فیزیک می‌گوید زمان نسبی است و به گرانش و سرعت بستگی دارد؛ درنتیجه این سؤال مطرح می‌شود که آیا ناظران در کهکشان‌های دیگر هم عمر جهان را همین‌قدر می‌بینند؟
  • طبق نسبیت عام، گرانش شدید زمان را کند می‌کند. اگر جهان ناهمگن بود، ساعتِ کهکشان‌های مستقر در مناطق پرچگال باید میلیاردها سال عقب می‌ماند. اما دانشمندان با تحلیل داده‌های تلسکوپ جیمز وب و نقشه‌های سه‌بعدی کیهان فهمیده‌اند که تفاوت گرانش ساختارهای فضایی، تأثیر چشمگیری بر گذر زمان ندارد.
  • حرکت سریع در فضا نیز طبق نسبیت خاص زمان را کند می‌کند. بااین‌حال، بررسی‌ها نشان می‌دهند سرعت محلی کهکشان‌ها بسیار ناچیز و کمتر از یک درصد سرعت نور است. حتی اگر جرمی کل تاریخ را با این سرعت حرکت باشد، ساعتش تنها چند صدهزار سال عقب می‌ماند که در مقیاس میلیارد ساله کیهان ناچیز است.
  • شواهد اثبات می‌کنند که جهان در مقیاس بزرگ کاملاً همگن است. تفاوت گذر زمان در اعماق کیهان به‌دلیل اختلافات گرانشی و حرکتی، تنها در حد چند قرن یا چندهزار سال است؛ بنابراین، تقریباً تمام ناظران کیهانی جهان را با همین سن ۱۳٫۸ میلیارد سال تجربه می‌کنند.

از دیدگاه ما در کیهان، می‌توانیم به هر جهتی که بخواهیم نگاه کنیم و تا جایی که ابزارهایمان اجازه می‌دهند، اجرام را نه آن‌گونه که امروز هستند، بلکه آن‌گونه که در گذشته بوده‌اند ببینیم. تمام نوری که از هر نقطه‌ی جهان جمع‌آوری می‌کنیم، تنها پس از پیمودن فاصله‌ی عظیم میان ما به‌عنوان ناظر و منبع گسیل‌کننده، به چشم‌ها و ابزارهایمان می‌رسد.

برای ستارگان درون کهکشان خودمان، این فاصله‌ها در حد چند سال نوری سنجیده می‌شوند و برای دورترین ستاره‌های راه شیری به ده‌ها هزار سال نوری می‌رسند. برای کهکشان‌های دیگر، این فاصله از صدها هزار تا میلیاردها سال نوری متغیر است و برای تابشِ به‌جامانده از خود بیگ‌بنگ، این فاصله به ۴۶٫۱ میلیارد سال نوری می‌رسد؛ دورترین چیزی که در حال حاضر می‌توانیم ببینیم.

دلیل اینکه نمی‌توانیم دورتر را ببینیم این نیست که جهان در نقطه‌ای از فضا پایان می‌یابد، بلکه این است که جهان ما با وجود انبساط مداوم، سنی محدود دارد؛ سنی که با آغاز بیگ‌بنگ داغ تعیین می‌شود. به همین دلیل، از دیدگاه ما جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال عمر دارد و هرچه دورتر را نگاه کنیم، به زمان‌های دورتر در گذشته می‌نگریم. بااین‌حال، اگر در هر نقطه‌ی دیگری از جهان قرار داشتیم، راه شیری جوان‌تر به نظر می‌رسید و آن مکان را نیز در جهانی با سن ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌دیدیم. دست‌کم شهود ما چنین می‌گوید. اما آیا واقعاً همین‌طور است؟

همیشه می‌گوییم جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال عمر دارد. این جمله انگار بدین معناست که تمام نقاط جهان روی یک ساعت مشترک قرار دارند، درحالی‌که می‌دانیم چنین نیست. پس چارچوب مرجعی که در آن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال سن دارد، دقیقاً چیست؟

ما فقط یک دیدگاه برای مشاهده‌ی جهان داریم که آن هم دیدگاه خودمان است. در همین چارچوب مرجع است که جهان را ۱۳٫۸ میلیارد ساله می‌بینیم؛‌ اما در ادامه با زومیت همراه باشید تا نگاهی بیندازیم به اینکه هر ناظر، بسته به موقعیت خود، چه تصویری از جهان مشاهده می‌کند.

پس از پایان دوره‌ی تورم کیهانی، نشانه‌هایی در جهان بر جای ماند که منشأ آن‌ها به‌وضوح به همین دوره بازمی‌گردد. تابش زمینه کیهانی تنها یک «عکس فوری» از این نشانه‌ها در نخستین دوران تاریخ کیهان را در اختیار ما قرار می‌دهد؛ اما این فقط یک لحظه از تاریخ جهان است. با بررسی ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان و دیگر اجرام در فواصل و زمان‌های گوناگون، می‌توانیم اطلاعاتی به دست آوریم که از تصویری واحد قابل استخراج نیست. به بیان دیگر، به‌جای تکیه بر یک عکس، مجموعه‌ای از عکس‌ها را از دوره‌های مختلف تاریخ کیهان در اختیار داریم.Caltech/Robert Hurt(IPAC

برای شروع، ببینیم خودِ ما دقیقاً چه چیزی را مشاهده می‌کنیم و چرا جهان را با سنی برابر با ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌بینیم. وقتی به اجرام دوردست جهان نگاه می‌کنیم، چه ستارگان، کهکشان‌ها و دیگر رویدادهای کیهانی در فاصله‌های گوناگون، چه تابش باقی‌مانده از بیگ‌بنگ که امروزه آن را به‌صورت تابش زمینه کیهانی مشاهده می‌کنیم و چه الگوی رشد ساختارهای مختلف در شبکه کیهانی، مانند احتمال یافتن دو کهکشان با فاصله‌ای مشخص از یکدیگر، تمامشان به ما امکان می‌دهند تصویری از تاریخ کیهانی خود ترسیم کنیم.

چنین تصویری، نکات بسیار عمیقی درباره‌ی وجود ما و واقعیت جهان در زمان حال آشکار می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند جهان از چه چیزهایی ساخته شده است (انواع مختلف انرژی و نسبت آن‌ها)، چگونه در طول زمان منبسط شده است (سرعت انبساط کنونی و روند تغییر آن)، بیشترین فاصله‌ای که می‌توانیم در فضا ببینیم چقدر است و چه مدت از آغاز بیگ‌بنگ داغ گذشته است. وقتی این اندازه‌گیری‌ها را در اختیار داشته باشیم، کافی است معادلات اینشتین را برای جهانی که در مقیاس‌های بزرگ همسان‌گرد (در تمام جهت‌ها یکسان)، همگن (در همه‌ی مکان‌ها یکسان) و در حال انبساط است به کار ببریم؛ در این صورت، پاسخ‌های منحصربه‌فردی برای ترکیب جهان، تاریخچه‌ی انبساط، سن و اندازه‌ی آن به دست می‌آید.

این دو معادله که با نام «معادلات فریدمن» شناخته می‌شوند، توضیح می‌دهند که جهان همسان‌گرد و همگن چگونه بسته به چگالی انرژی‌اش در طول زمان، منبسط یا منقبض می‌شود. در این معادلات، نرخ انبساط یا انقباض جهان در سمت چپ و چگالی انرژی (ρ) در سمت راست قرار دارد و عوامل دیگری مانند خمیدگی فضا، فشار و ثابت کیهان‌شناسی نیز در آن‌ها نقش دارند. اگر بدانیم چگالی انرژی جهان در هر مقطع زمانی چگونه تغییر می‌کند، می‌توانیم روند انبساط، انقباض یا به‌طور کلی تکامل جهان را با دقت بسیار زیادی پیش‌بینی کنیم.عکاس: Cameron Bunney/Ville Hirvonen

این همان کیهان‌شناسی فیزیکی استاندارد است؛ چارچوبی که نخستین بار در سال ۱۹۲۲ توسط الکساندر فریدمن ارائه شد و معادلات او هنوز هم بنیان درک مدرن ما از جهان را تشکیل می‌دهند. هر سه روش یادشده، چه به‌صورت جداگانه و چه در کنار هم، تصویری کاملاً سازگار از جهان امروز ارائه می‌کنند:

  • جهان با نرخی حدود ۷۰ کیلومتر بر ثانیه به‌ازای هر مگاپارسک در حال انبساط است (با وجود اختلاف‌های جزئی ناشی از تنش هابل).
  • جهان عمدتاً از انرژی تاریک (حدود ۷۰ درصد) و سپس ماده تاریک (حدود ۲۵ درصد) تشکیل شده است. ماده‌ی معمولی ۴٫۹ درصد، نوترینوها و فوتون‌ها حدود ۰٫۱ درصد را تشکیل می‌دهند و تقریباً هیچ مؤلفه‌ی دیگری وجود ندارد؛ نه نشانی از خمیدگی فضایی، نه ریسمان‌های کیهانی، نه دیواره‌های دامنه و نه منابع عجیب دیگر انرژی.
  • دورترین نوری که امروز می‌توانیم ببینیم (نوری که تازه اکنون به ما رسیده و درست در آغاز بیگ‌بنگ داغ گسیل شده بود)،‌ در فاصله‌ی ۴۶٫۱ میلیارد سال نوری قرار دارد.
  • و سن جهان، یعنی زمانی که از آغاز بیگ‌بنگ داغ سپری شده، ۱۳٫۸ میلیارد سال است.

این همان تصویر استاندارد ما از جهان است؛ تصویری که تقریباً از ۲۸ سال گذشته، یعنی از زمان کشف انرژی تاریک، با ما بوده است. هرچند در این مدت پارامترها را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کرده‌ایم و عدم‌قطعیت‌ها را کاهش داده‌ایم، دلیل خوبی وجود دارد که چرا این تصویر از سال ۱۹۹۸ تاکنون تغییر چشمگیری نکرده است. همان‌طور که آدام ریس، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل و یکی از کاشفان انرژی تاریک، در مصاحبه‌ای گفت:

در تمام تاریخ بشر، فقط یک‌بار این فرصت پیش می‌آید که بتوانیم واقعاً بخش عمده‌ای از جهان را کشف کنیم.
این نمودار سهم اجزای مختلف ماده و انرژی جهان را در زمان کنونی (چپ) و در گذشته‌های دور (راست) نشان می‌دهد. امروزه ماده‌ی تاریک و انرژی تاریک بخش عمده‌ی محتوای جهان را تشکیل می‌دهند، هرچند ماده‌ی معمولی نیز همچنان وجود دارد. در جهان آغازین، ماده‌ی معمولی و ماده‌ی تاریک نقش پررنگی داشتند، در حالی که سهم انرژی تاریک ناچیز بود و فوتون‌ها و نوترینوها نیز بخش مهمی از محتوای کیهان را تشکیل می‌دادند. نرخ انبساط جهان را چگالی واقعی و لحظه‌ای این مؤلفه‌ها تعیین می‌کند، نه صرفاً نسبت‌های نشان‌داده‌شده در نمودار دایره‌ای.عکاس: NASA/WMAP science team, modified by E. Siegel

بااین‌حال، هر نتیجه‌گیری بر پایه‌ی فرض‌هایی انجام می‌شود و سن ۱۳٫۸ میلیارد سالی جهان نیز به چند فرض کلیدی متکی است که معمولاً به آن‌ها اشاره نمی‌شود:

  • نخست، فرض می‌کنیم جهان در مقیاس‌های بزرگ واقعاً همسان‌گرد و همگن است و قوانین نسبیت عام اینشتین بر آن حاکم‌اند. این فرض با مشاهدات ما سازگار است و بسیار مطمئن به نظر می‌رسد، اما برای تکمیل بحث، ذکر آن ضروری است.
  • دوم، فرض می‌کنیم اتساع زمان ناشی از گرانش که بسته به پتانسیل گرانشی محل قرارگیری ناظر، سرعت گذر زمان را تغییر می‌دهد، در مقیاس کل جهان تأثیر ناچیزی بر گذر زمان دارد.
  • سوم، فرض می‌کنیم تمام انتقال به سرخ‌هایی که نسبت به خودمان مشاهده می‌کنیم، صددرصد ناشی از انبساط کیهانی هستند و نه حرکت محلی ما در فضا یا حرکت محلی اجرام دوردست.
  • و در نهایت، فرض می‌کنیم در طول تاریخ کیهان هیچ قانون، نوع انرژی یا گذار جدیدی وجود نداشته است؛ برای مثال، انرژی تاریک آغازینِ واپاشنده، انرژی تاریکِ در حال تحول یا مدل‌های «نور خسته».

هر یک از این فرض‌ها شایسته‌ی بررسی دقیق‌تر هستند. به‌عنوان مثال، فرض آخر در سال‌های اخیر به‌لطف نتایج اولیه‌ی ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) مورد تردید قرار گرفته است. بااین‌حال، فعلاً فرض کنیم همگی آن‌ها (و سایر فرض‌های زیربنایی) درست هستند. حتی در این صورت، آنچه هنگام نگاه‌کردن به سراسر جهان می‌بینیم، نکته‌ی جالبی درباره‌ی «سن» اجرامی که مشاهده می‌کنیم آشکار می‌کند.

با نگاه به هر «برش» از جهان، می‌توانیم ستاره‌ها، کهکشان‌ها و تابش به‌جامانده از بیگ‌بنگ را تا ۱۳٫۸ میلیارد سال به عقب، یعنی تا آغاز بیگ‌بنگ داغ، رصد کنیم. داده‌ها نیز به‌روشنی نشان می‌دهند که هرچه کهکشان‌ها دورتر باشند، ستاره‌هایشان جوان‌تر، جرمشان کمتر و تکاملشان ناتمام‌تر است. همچنین، این کهکشان‌ها نسبت به امروز با تراکم بیشتری در فضا دیده می‌شوند.SDSS and the Planck Collaboration

ما فقط «اکنون» را مشاهده می‌کنیم که در آن زندگی می‌کنیم؛ اکنونی که در آن سن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال است. اگر زودتر به وجود آمده بودیم، چه در گذشته‌ی زمین و چه در نقطه‌ای دیگر از جهان، روی سیاره‌ای که پیش از منظومه‌ی شمسی شکل گرفته بود، جهان را در زمانی می‌دیدیم که جوان‌تر، کوچک‌تر، چگال‌تر و داغ‌تر بود؛ زیرا در آن صورت، زمان کمتری از آغاز بیگ‌بنگ داغ سپری شده بود. در نتیجه، انبساط تجمعی جهان کمتر، حجم فضا کمتر افزایش یافته (یا به عبارت دیگر، «فضای جدید» کمتری ایجاد شده) و نور در مسیر حرکت خود دچار انتقال به سرخ کمتری شده بود؛ بنابراین طول موج آن نیز کمتر کشیده شده بود.

هر ناظر، در هر جایی که باشد، «سن» جهان را براساس مدت زمانی که از آغاز بیگ‌بنگ داغ برای او گذشته است، اندازه‌گیری می‌کند. او می‌تواند با مشاهده‌ی اجرام و سیگنال‌های اطراف خود، از نزدیک‌ترین تا دورترین نقاط جهان، نرخ انبساط، تاریخچه‌ی تحول انبساط، ترکیب جهان، اندازه‌ی جهان مشاهده‌پذیر و در نهایت سن جهان را استنباط کند. برای ما این سن ۱۳٫۸ میلیارد سال است، اما کسی که زودتر از ما به وجود آمده بود، جهان را جوان‌تر می‌دید و کسی که در آینده‌ی کیهانی زندگی کند، جهانی پیرتر را مشاهده خواهد کرد؛ هرچند آن زمان هنوز برای ما فرا نرسیده است.

کهکشان‌های هم‌اندازه‌ی راه شیری امروزی در جهان فراوان‌اند؛ اما کهکشان‌های جوانی که به راه شیری شباهت دارند، در مقایسه با نمونه‌های امروزی کوچک‌تر، آبی‌تر و به‌طور کلی غنی‌تر از گاز هستند. همچنین هرچه به گذشته‌ی دورتر کیهان نگاه کنیم، تعداد کهکشان‌های مارپیچی و دیسکی کمتر می‌شود. با گذشت زمان نیز بسیاری از کهکشان‌های کوچک‌تر بر اثر گرانش به یکدیگر متصل شده‌اند و در نتیجه، هم با یکدیگر ادغام شده‌اند و هم گروه‌ها و خوشه‌هایی متشکل از شمار زیادی کهکشان را پدید آورده‌اند.NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.), and the 3-D-HST Team

بااین‌حال، هرچه دورتر را نگاه کنید، هر جرمی که می‌بینید، نسبت به خودتان جوان‌تر به نظر می‌رسد. برای اجرام نزدیکی که از نظر گرانشی به ما متصل هستند و همراه با انبساط کیهان از ما دور نمی‌شوند، این اختلاف فقط به اندازه‌ی زمان سفر نور است. برای نمونه:

  • ابرغول سرخ ابط‌الجوزا که حدود ۶۴۰ سال نوری از ما فاصله دارد، ممکن است تاکنون منفجر شده و به ابرنواختر تبدیل شده باشد، اما اگر چنین شده باشد، نور آن انفجار هنوز در راه است و به ما نرسیده است.
  • ستون‌های آفرینش در سحابی عقاب که حدود ۷هزار سال نوری دور هستند، ممکن است در اثر وقوع ابرنواختری که درطول هفت‌هزار سال گذشته رخ داده نابود شده باشند، اما هنوز نمی‌دانیم، زیرا آن سیگنال‌ها هنوز به زمین نرسیده‌اند.
  • کهکشان IC 10 که حدود ۲٫۳ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد، عضوی از گروه محلی و تنها کهکشان ستاره‌فشان شناخته‌شده در این گروه است. احتمالاً از زمانی که تصویر کنونی‌اش را برایمان گسیل کرده، هزاران ستاره‌ی جدید در آن شکل گرفته‌اند، زیرا ما آن را همان‌گونه می‌بینیم که ۲٫۳ میلیون سال پیش، در میانه‌ی یک دوره‌ی شدید ستاره‌زایی، بوده است.

اما برای کهکشان‌های بسیار دورتری که همراه با انبساط جهان از ما دور می‌شوند، میان تصویری که ما از آن‌ها می‌بینیم و وضعیت کنونی‌شان فاصله‌ی زمانی بسیار بیشتری وجود دارد. افزون بر این، فاصله‌ی امروزی آن‌ها از ما نیز از مدت زمانی که نورشان در راه بوده بیشتر است، زیرا جهان در طول این مدت به انبساط خود ادامه داده است.

این تصویر، نقشه‌ای سه‌بعدی از توزیع ماده تاریک در کیهان را نشان می‌دهد. دانشمندان با اندازه‌گیری شکل میانگین کهکشان‌ها در سراسر جهان می‌توانند اعوجاج‌هایی را که تنها بر اثر جرم میان آن‌ها و ناظر ایجاد شده است، شناسایی کنند. این روش که «همگرایی گرانشی ضعیف» نام دارد، برای ترسیم توزیع ماده تاریک در کیهان به کار می‌رود. این روش نیز مانند بسیاری از روش‌های مستقل دیگر، نشان می‌دهد که جهان حدود پنج برابر بیشتر از ماده‌ی معمولی، ماده تاریک در خود دارد. همچنین مشخص می‌کند که حتی متراکم‌ترین نواحی شناخته‌شده در مقیاس‌های بزرگ نیز از نظر قدرت گرانشی، قابل مقایسه با محیط نزدیک افق رویداد سیاه‌چاله‌ها نیستند.NASA/ESA/Richard Massey (California Institute of Technology)

بااین‌حال،‌ اگر جهان ما در مقیاس‌های بزرگ همسان‌گرد و همگن نبود، ممکن بود مناطقی وجود داشته باشند که «گذر زمان» را به شکلی کاملاً متفاوت از آنچه ما تجربه کرده‌ایم، پشت سر گذاشته باشند. اگر در بخشی از فضا، چگالی ماده در مقیاس‌های کیهانی بسیار بیشتر از میانگین جهان بود، اتساع زمانی گرانشی در آن ناحیه می‌توانست بسیار چشمگیر باشد. در چنین شرایطی، زمان برای ناظران آن منطقه کندتر می‌گذشت و در نتیجه جهان برای آن‌ها کمتر «پیر» می‌شد. بنابراین، اگر ما در ناحیه‌ای با چگالی معمولی زندگی می‌کردیم، ممکن بود ناظری که در منطقه‌ای بسیار پرچگال قرار دارد، از زمان بیگ‌بنگ تاکنون به‌جای ۱۳٫۸ میلیارد سال، چند میلیارد سال کمتر را تجربه کرده باشد.

بیشتر بخوانید

برعکس، اگر خود ما در چنین ناحیه‌ی فوق‌العاده پرچگالی زندگی می‌کردیم، گذر زمان را کندتر از ناظری در منطقه‌ای با چگالی معمولی یا کمتر از میانگین تجربه می‌کردیم. در این صورت، آنچه ما ۱۳٫۸ میلیارد سال احساس می‌کردیم، برای ناظری دوردست که تحت چنین اتساع زمانی گرانشی شدیدی نبود، می‌توانست معادل چند میلیارد سال بیشتر از عمر کیهان باشد.

این همان اثری است که در فیلم محبوب «میان‌ستاره‌ای»‌ نیز به آن اشاره شد. ناظری که بسیار نزدیک به افق رویداد سیاه‌چاله قرار دارد، واقعاً چنین اتساع زمانی گرانشی شدیدی را تجربه می‌کند؛ به‌گونه‌ای که برای او زمان بسیار اندک می‌گذرد، در حالی که برای ناظری دور از سیاه‌چاله، زمان با آهنگ معمول خود سپری می‌شود و در مقایسه با فرد نزدیک سیاه‌چاله، بسیار سریع‌تر پیش می‌رود.

این تصویر که با فیلم «میان‌ستاره‌ای» شهرت زیادی پیدا کرد، سیاه‌چاله‌ای را نشان می‌دهد که از لبه و در کنار قرص برافزایشی‌اش، در فضازمانی به‌شدت خمیده دیده می‌شود. این تصویر به‌خوبی نشان می‌دهد که یک سیاه‌چاله تا چه اندازه می‌تواند فضازمان را دچار خمیدگی کند. در نزدیکی افق رویداد، اما همچنان بیرون از آن، زمان برای ناظری که در آن ناحیه قرار دارد با آهنگی کاملاً متفاوت از ناظری می‌گذرد که دور از میدان گرانشی سیاه‌چاله است. بااین‌حال، تعداد سیاه‌چاله‌های موجود در جهان و همچنین توزیع جرم آن‌ها همچنان از موضوعات داغ پژوهش‌های اخترفیزیکی محسوب می‌شود.عکاس: Jeremy Schnittman / NASA’s Goddard Space Flight Center

این سناریوی نظری حدود یک‌ونیم سال پیش، زمانی مورد توجه قرار گرفت که دیوید ویلتشر، اخترفیزیک‌دان نیوزیلندی، بر پایه‌ی همین ایده، مدل کیهان‌شناسی تایم‌اسکیپ (Timescape) را پیشنهاد کرد؛ مدلی که جهانی بسیار ناهموار و مملو از نواحی پرچگال و کم‌چگال را توصیف می‌کند. اما داده‌هایی که تاکنون از خود جهان گردآوری کرده‌ایم، نشان می‌دهند این سناریو احتمالاً توصیف درستی از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم نیست.

از دیدگاه رصدی، می‌توانیم ستارگان، کهکشان‌ها، گاز، غبار و همچنین اثر کلی ماده را از طریق همگرایی گرانشی اندازه‌گیری کنیم و به این ترتیب، نقشه‌های سه‌بعدی از توزیع جرم جهان بسازیم. سپس با استفاده از این نقشه‌ها، چگالی جرم هر ناحیه و میزان اتساع زمانی گرانشی ناشی از آن را برآورد کنیم.

از دیدگاه نظری نیز می‌توان طیف اولیه‌ی نوسان‌های چگالی را که نظریه‌ی تورم کیهانی پیش‌بینی می‌کند (و آثار آن در تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ‌مقیاس جهان مشاهده شده است)، در طول زمان تکامل داد و محاسبه کرد که جهان در مقیاس‌های مختلف تا چه اندازه پرچگال یا کم‌چگال شده است. سپس با استفاده از شبیه‌سازی‌ها می‌توان میزان اتساع زمانی گرانشی ناشی از این ناهمگنی‌ها را محاسبه کرد.

این تصویر چندرنگ، بخشی از خوشه‌ی کهکشانی MJ0308 را نشان می‌دهد که در قالب پروژه‌ی VENUS با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب ثبت شده و تصاویر تلسکوپ هابل نیز در آن به کار رفته‌اند. دایره‌ی سفید محل کهکشانی را مشخص می‌کند که به‌دلیل همگرایی گرانشی، چندین بار دیده می‌شود. در یکی از این تصاویر، ابرنواختر SN Ares به چشم می‌خورد، در حالی‌که تصویر دیگر همان کهکشان را با حدود ۶۰ سال اختلاف زمانی نشان می‌دهد. بااین‌حال، تا زمانی که نور تصویر دوم این ابرنواختر در دهه‌ی ۲۰۸۰ به زمین نرسد، پژوهشگران نمی‌توانند از آن برای بررسی‌های دقیق کیهان‌شناسی بهره ببرند.NASA/JWST/VENUS collaboration

نتیجه در هر دو روش یکسان است: بیشترین اختلاف زمانی که مشاهده یا پیش‌بینی می‌شود، در حد چند قرن تا چندهزار سال است. در مقایسه با ۱۳٫۸ میلیارد سال، این اختلاف تنها در حد حدود ۰٫۰۰۰۰۱ درصد یا کمتر است. افزون بر این، مشاهدات اخیر تلسکوپ فضایی جیمز وب از اجرامی نیز که چندین بار تحت همگرایی گرانشی قرار گرفته‌اند، این نتیجه را تأیید می‌کند. هنگامی که نور از میان پرجرم‌ترین خوشه‌های کهکشانی عبور می‌کند، مسیرهای متفاوتی را می‌پیماید و اختلاف زمانی میان این مسیرها قابل اندازه‌گیری است. رکورددار این اختلاف تاکنون ابرنواختر SN Ares است که اختلاف زمانی میان تصاویر آن حدود ۶۰ سال اندازه‌گیری شده است.

بنابراین، نه اتساع زمانی گرانشی و نه حتی جهانی که اندکی «ناهموارتر» از حالت ایده‌آل باشد، اختلاف چشمگیری در گذر زمان میان نواحی مختلف ایجاد نمی‌کنند. تنها اگر بسیار به افق رویداد سیاه‌چاله نزدیک شوید، ممکن است تفاوت قابل‌توجهی در سن تجربه‌شده‌ی جهان احساس کنید؛ آن هم فقط از این جهت که برای ناظری که در آن چاه گرانشی عمیق قرار دارد، زمان با آهنگ کندتری سپری می‌شود.

اما موضوع دیگری نیز وجود دارد: حرکت کیهانی. اجرام فقط در بستر جهان در حال انبساط قرار ندارند، بلکه درون آن نیز حرکت می‌کنند. ما در فضا حرکت می‌کنیم، تمام ستارگان کهکشان ما حرکت می‌کنند و خود کهکشان‌ها، گروه‌های کهکشانی و خوشه‌های کهکشانی نیز دارای حرکت هستند. هرچند انبساط کیهانی بزرگ‌ترین اثر در مقیاس‌های عظیم است، حرکت نسبی اجرام نیز واقعیتی انکارناپذیر است.

همان‌طور که نسبیت عام اتساع زمانی گرانشی و کیهان‌شناختی را توصیف می‌کند، نسبیت خاص نیز اتساع زمانی ناشی از حرکت را در بر دارد؛ یعنی هرچه جسمی سریع‌تر در فضا حرکت کند، زمان برای آن کندتر می‌گذرد. اگر کهکشان‌ها با کسری قابل‌توجه از سرعت نور حرکت می‌کردند، ممکن بود از زمان بیگ‌بنگ تاکنون بسیار کمتر از ۱۳٫۸ میلیارد سال را تجربه کرده باشند. اما می‌دانیم که چنین نیست؛ موضوعی که با اندازه‌گیری‌های دقیق تأیید شده است.

این نقشه‌ی پردازش‌شده، تابش زمینه کیهانی را پس از حذف دمای میانگین آن (۲٫۷۲۵۵ کلوین) نشان می‌دهد. آنچه باقی مانده، با الگوی دوقطبیِ مورد انتظار سازگار است؛ الگویی که نشان می‌دهد منظومه شمسی با سرعتی حدود ۳۷۰ کیلومتر بر ثانیه نسبت به چارچوب مرجع جهان حرکت می‌کند. تنها ناهنجاری‌های قابل مشاهده نیز ناشی از تابش‌های پیش‌زمینه‌ی صفحه کهکشان راه شیری هستند.R.M. Sullivan and D. Scott, Proceedings of the MG16 Meeting on General Relativity, 2021

اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که سرعت واقعی کهکشان‌ها نسبت به حرکت ناشی از انبساط جهان (جریان هابل) معمولاً تنها چند صد تا چندهزار کیلومتر بر ثانیه است؛ یعنی کمتر از حدود یک درصد سرعت نور. منظومه شمسی نیز نسبت به چارچوب مرجع تابش ریزموج کیهانی با سرعت ۳۶۸ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند؛ مقداری که از ناهمسان‌گردی دوقطبی این تابش به دست آمده است.

حتی اگر فرض کنیم جرمی در سراسر تاریخ کیهان همواره با سرعتی برابر با یک درصد سرعت نور نسبت به جریان هابل حرکت کرده باشد، ساعت آن در مقایسه با ساعت ما تنها حدود ۷۰۰هزار سال عقب می‌ماند. این اختلاف، در مقایسه با عمر ۱۳٫۸ میلیارد ساله‌ی جهان، تنها ۰٫۰۰۵ درصد است و عملاً ناچیز به شمار می‌رود.

بیشتر بخوانید

بنابراین، اگر جهان واقعاً همسان‌گرد و همگن باشد (و شواهد از این موضوع پشتیبانی می‌کنند)، اگر قوانین نسبیت عام اینشتین بر آن حاکم باشند (که شواهد همین را نشان می‌دهند)، اگر ناهمگنی‌های چگالی آن در همان حدی باشند که مشاهده می‌کنیم (نه میلیون‌ها برابر شدیدتر)، اگر اجرام با همان سرعت‌هایی حرکت کنند که اندازه‌گیری کرده‌ایم (نه صد برابر سریع‌تر)، و اگر جهان تنها از همان گونه‌های انرژی شناخته‌شده تشکیل شده باشد (و نه انواع ناشناخته و عجیب)، آنگاه پاسخ مثبت است: اجرام مختلف جهان درطول ۱۳٫۸ میلیارد سال گذشته اندکی متفاوت از ما پیر شده‌اند. اما این اختلاف‌ها تنها در حد چند دهه، چند قرن یا چند هزار سال هستند، نه صدها میلیون یا میلیاردها سال.

در هر دوره از تاریخ کیهان، هر ناظری در میان «دریایی» از تابش قرار دارد که از تمام جهت‌ها به‌طور یکنواخت به او می‌رسد و منشأ آن به بیگ‌بنگ بازمی‌گردد. تابش زمینه کیهانی از یک نقطه یا یک سطح مشخص گسیل نشده است، بلکه تابشی است که در سراسر جهان حضور دارد. با گذشت هر سال، دمای این تابش حدود ۰٫۲ نانوکلوین کاهش می‌یابد و چند میلیارد سال دیگر، بر اثر انبساط جهان، طول موج آن آن‌قدر کشیده خواهد شد که به‌جای امواج ریزموج، در محدوده‌ی امواج رادیویی قرار می‌گیرد. همچنین هرچه به نقاط دورتر جهان نگاه کنیم، کیهان را در سنین جوان‌تر و تابش زمینه کیهانی را در دمایی بالاتر مشاهده خواهیم کرد.NASA/BlueEarth; Milky Way: ESO/S. Brunier; CMB: NASA/WMAP

با وجود اینکه نمی‌توانیم جهان را مستقیماً از نقطه‌ای غیر از محل حضور خودمان مشاهده کنیم، قوانین فیزیک و مشاهدات دوردست به ما اجازه می‌دهند به‌صورت کمی محاسبه یا اندازه‌گیری کنیم که هر ناحیه از جهان چه مقدار از ناحیه‌ای دیگر «پیرتر» یا «جوان‌تر» است. تقریباً در تمام مقیاس‌ها (به‌جز شاید درست در نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله‌ها) مهم‌ترین عاملی که تعیین می‌کند چیزی جوان‌تر یا پیرتر به نظر برسد، سرعت نور و مدت زمانی است که نور برای پیمودن فاصله‌ها در جهانِ در حال انبساط نیاز دارد.

اگر ناظری را دقیقاً ۱۳٫۸ میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ در هر نقطه‌ای از جهان قرار دهید، او در مقیاس‌های بزرگ همان جهانی را خواهد دید که ما امروز می‌بینیم. این نتیجه نه‌تنها شگفت‌انگیز است، بلکه نشان می‌دهد انحراف‌ها از جریان هابل تا چه اندازه کوچک‌اند و حتی سریع‌ترین کهکشان‌ها نیز نسبت به چارچوب مرجع تابش زمینه کیهانی (همان تابش باقی‌مانده از بیگ‌بنگ) با چه سرعت اندکی حرکت می‌کنند. شاید جهان در همه‌جا دقیقاً یکسان نباشد، اما وقتی صحبت از ۱۳٫۸ میلیارد سال است، اختلاف‌هایی در حد چند دهه، چند قرن یا حتی چندهزار سال، در عمل تفاوت چشمگیری رقم نمی‌زنند.