معلوم شد که کیهان اشتباه کرده است

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

کیهان شناسان با یک مشکل جدی علمی روبرو هستند که نشان دهنده ناقص بودن دانش بشر در مورد کیهان است. پیچیدگی مربوط به چیزی به ظاهر پیش پا افتاده مانند نرخ انبساط کیهان است. واقعیت این است که روش های مختلف معانی متفاوتی را نشان می دهند - و تا کنون هیچ کس نمی تواند این اختلاف عجیب را توضیح دهد.

رمز و راز کیهانی

در حال حاضر، مدل استاندارد کیهان شناسی "Lambda-CDM" (ΛCDM) تکامل و ساختار جهان را به دقت توصیف می کند. بر اساس این مدل، جهان دارای یک ثابت کیهانی مثبت غیرصفر (ترم لامبدا) است که باعث انبساط شتابان می شود. علاوه بر این، ΛCDM ساختار مشاهده‌شده CMB (پس‌زمینه مایکروویو کیهانی)، توزیع کهکشان‌ها در کیهان، فراوانی هیدروژن و سایر اتم‌های نور، و سرعت انبساط خلاء را توضیح می‌دهد. با این حال، یک اختلاف جدی در نرخ گسترش ممکن است نشان دهنده نیاز به تغییر اساسی در مدل باشد.

فیزیکدان نظری ویویان پولن از مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه و آزمایشگاه جهان و ذرات در مونپلیه استدلال می کند که این به معنای زیر است: اتفاق مهمی در جهان جوان رخ داده است که ما هنوز درباره آن نمی دانیم. شاید این پدیده ای بود که با نوع ناشناخته ای از انرژی تاریک یا نوع جدیدی از ذرات زیراتمی مرتبط بود. اگر مدل آن را در نظر بگیرد، اختلاف از بین خواهد رفت.

در آستانه بحران

یکی از راه‌های تعیین میزان انبساط کیهان، مطالعه پس‌زمینه مایکروویو است - تابش باقی‌مانده‌ای که 380 هزار سال پس از انفجار بزرگ پدید آمد. ΛCDM می تواند برای استخراج ثابت هابل با اندازه گیری نوسانات بزرگ در CMB استفاده شود. معلوم شد که برابر با 67، 4 کیلومتر در ثانیه برای هر مگاپارسک یا حدود سه میلیون سال نوری است (با چنین سرعتی، اجسام در فاصله مناسب از یکدیگر فاصله می گیرند). در این حالت خطا تنها 0.5 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک است.

اگر با استفاده از روشی متفاوت، مقدار مشابهی را بدست آوریم، آنگاه اعتبار مدل استاندارد کیهان شناسی را تایید می کند. دانشمندان روشنایی ظاهری شمع های استاندارد را اندازه گرفتند - اشیایی که درخشندگی آنها همیشه مشخص است. چنین اجرامی، به عنوان مثال، ابرنواخترهای نوع Ia هستند - کوتوله های سفید که دیگر نمی توانند ماده ستاره های بزرگ همراه را جذب کنند و منفجر شوند. با روشنایی ظاهری شمع های استاندارد، می توانید فاصله آنها را تعیین کنید. به موازات آن، می توانید انتقال به سرخ ابرنواخترها، یعنی تغییر طول موج نور به ناحیه قرمز طیف را اندازه گیری کنید. هر چه انتقال به قرمز بیشتر باشد، سرعتی که جسم از ناظر خارج می شود بیشتر می شود.

بنابراین، تعیین نرخ انبساط کیهان امکان پذیر می شود که در این حالت به ازای هر مگاپارسک معادل 74 کیلومتر در ثانیه می شود. این با مقادیر به دست آمده از ΛCDM مطابقت ندارد. با این حال، بعید است که یک خطای اندازه گیری بتواند اختلاف را توضیح دهد.

به گفته دیوید گراس از مؤسسه فیزیک نظری کاولی در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا، در فیزیک ذرات، چنین اختلافی یک مشکل نیست، بلکه یک بحران نامیده می شود. با این حال، تعدادی از دانشمندان با این ارزیابی مخالف بودند. وضعیت با روش دیگری پیچیده شد، که آن نیز مبتنی بر مطالعه جهان اولیه است، یعنی نوسانات صوتی باریونی - نوسانات در چگالی ماده مرئی پرکننده جهان اولیه.این ارتعاشات ناشی از امواج آکوستیک پلاسما هستند و همیشه دارای ابعاد شناخته شده ای هستند و آنها را شبیه شمع های استاندارد می کند. در ترکیب با اندازه‌گیری‌های دیگر، آنها ثابت هابل را مطابق با ΛCDM می‌دهند.

مدل جدید

این احتمال وجود دارد که دانشمندان هنگام استفاده از ابرنواختر نوع Ia اشتباه کرده باشند. برای تعیین فاصله تا یک جسم دور، باید یک نردبان فاصله بسازید.

اولین پله این نردبان قیفاووس است - ستارگان متغیر با رابطه دوره-درخشندگی دقیق. از قیفاووس می توان برای تعیین فاصله تا نزدیکترین ابرنواختر نوع Ia استفاده کرد. در یکی از مطالعات، به جای قیفاووس، از غول های قرمز استفاده شد که در مرحله خاصی از زندگی به حداکثر روشنایی می رسند - این برای همه غول های قرمز یکسان است.

در نتیجه ثابت هابل 69.8 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک بود. وندی فریدمن از دانشگاه شیکاگو، یکی از نویسندگان مقاله، می گوید هیچ بحرانی وجود ندارد.

اما این بیانیه نیز زیر سوال رفت. همکاری H0LiCOW ثابت هابل را با استفاده از عدسی گرانشی اندازه‌گیری کرد، اثری که زمانی رخ می‌دهد که یک جسم عظیم پرتوهای یک جسم دور را در پشت خود خم می‌کند. دومی می‌تواند اختروش باشد - هسته‌های کهکشان‌های فعال که توسط یک سیاه‌چاله بسیار پرجرم تغذیه می‌شوند. به دلیل عدسی های گرانشی، چندین تصویر از یک اختروش می تواند به طور همزمان ظاهر شود. دانشمندان با اندازه گیری سوسو زدن این تصاویر، ثابت هابل به روز شده 73.3 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک را به دست آورده اند. در همان زمان، دانشمندان تا آخرین بار نتیجه احتمالی را نمی دانستند، که احتمال تقلب را رد می کند.

نتیجه اندازه گیری ثابت هابل از میزرهای طبیعی که هنگام چرخش گاز به دور سیاهچاله شکل گرفت، 74 کیلومتر در ثانیه بر مگاپارسک بود. سایر روش ها 76.5 و 73.6 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را نشان می دهند. مشکلاتی نیز در اندازه‌گیری توزیع ماده در کیهان ایجاد می‌شود، زیرا عدسی‌های گرانشی در مقایسه با اندازه‌گیری‌های پس‌زمینه مایکروویو، مقدار متفاوتی می‌دهند.

اگر معلوم شود که این اختلاف به دلیل خطاهای اندازه گیری نیست، آنگاه یک نظریه جدید برای توضیح تمام داده های موجود در حال حاضر مورد نیاز است. یک راه حل ممکن، تغییر مقدار انرژی تاریک است که باعث انبساط شتابان جهان می شود. اگرچه اکثر دانشمندان طرفدار انجام بدون به روز رسانی فیزیک هستند، مشکل حل نشده باقی مانده است.