نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 3

انبساط تندشونده‌ی عالم، توضیح دنیایی که ۹۵% آن را نمی‌شناسیم! – قسمت اول

برندگان جایزه نوبل فیزیک سال ۲۰۱۱،  با رصد انفجارهای ستاره‌ای خیلی دور، موجودی عجیب را در عالم آشکار کرده‌اند که انبساط کنونی جهان را تسریع می‌کند. این موجود با نام انرژی تاریک حدود ۷۵% از عالم را تشکیل می‌دهد!

آکادمی علوم سلطنتی سوئد درمورد جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۱ در رشته فیزیک، تصمیم گرفت نیمی از جایزه را به شائول پرلماتر و نیم دیگر را به‌طور مشترک به برایان اشمیت و آدام رییس، به‌خاطر کشف انبساط تندشونده عالم به روش مشاهده ابرنواخترهای دوردست اهدا کند.

«بعضی‌ها می‌گویند دنیا در آتش پایان می‌یابد، بعضی‌ها می‌گویند در یخ…» سرنوشت جهان چه خواهد بود؟ اگر برندگان جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۱ را باور داشته باشیم، باید به پایان یافتن آن در یخ و انجماد بیاندیشیم. آنها ستارگان در حال انفجار موسوم به ابرنواختر را در کهکشان‌های دوردست مورد مطالعه دقیق قرار دادند و دریافتند که انبساط جهان در حال شتاب‌گیری است.

این کشف حتی برای خود برندگان جایزه نوبل حیرت‌آور بود. چیزی که آنها دیدند، مانند این است که یک توپ را به هوا پرتاب کنید و به جای این‌که توپ به سمت پایین برگردد، سریع‌تر و سریع‌تر در آسمان ناپدید شود، گویی نیروی گرانش بر روی مسیر حرکت توپ تاثیری نمی‌گذارد. به نظر می‌رسد که اتفاق مشابهی در تمام کیهان در حال رخ دادن است.

نرخ فزاینده انبساط یا گسترش تندشونده عالم بیان‌گر این است که شکل ناشناخته‌ای از انرژی در چارچوب فضا، در حال هل دادن و دور کردن اجزای جهان از یکدیگر است. این انرژی تاریک (انرژی مجهول) بخش اعظم جهان (بیش از ۷۰ درصد) را تشکیل می‌دهد و هنوز به صورت یک راز باقی مانده است. به همین دلیل تعجبی ندارد که وقتی دو گروه تحقیقاتی مختلف در سال ۱۹۹۸/۱۳۷۷ نتایج مشابه خود را منتشر کردند، بنیان‌های کیهان‌شناسی به لرزه درآمد.

شائول پرلماتر رئیس یکی از این گروه‌های تحقیقاتی بود: پروژه کیهان‌شناسی ابرنواختری که یک دهه قبل از آن و در سال ۱۹۸۸/۱۳۶۷ آغاز شده بود. برایان اشمیت رئیس گروه دیگری از دانشمندان بود که از اواخر سال ۱۹۹۴/۱۳۷۳ وارد این پروژه رقابتی شد: گروه تحقیقاتی ابرنواخترهای بسیار دور یا High-Z که آدام ریس نیز در آن نقش تعیین‌کننده‌ای داشت.

دو گروه تحقیقاتی برای تهیه نقشه کیهان با یکدیگر رقابت می‌کردند. آنها به دنبال یافتن دورترین ابرنواخترها (انفجارهای ستاره‌ای در فضا) بودند. با تعیین فاصله تا ابرنواخترها و سرعتی که این ستارگان از ما دور می‌شوند، دانشمندان امیدوار بودند که بتوانند سرنوشت کیهان را آشکار کنند. آنها انتظار داشتند نشانه‌هایی از کند شدن انبساط کیهان پیدا کنند که باعث ایجاد تعادل بین آتش و یخ می‌شد؛ اما چیزی که آنها یافتند خلاف انتظارشان بود: انبساط عالم تندشونده است!

عالم روز به روز بزرگ‌تر می‌شود

این نخستین بار نیست که یک کشف اخترشناسی باعث دگرگون شدن تصور ما از عالم می‌شود. تنها یک‌صد سال قبل، تصور می‌شد که جهان مکانی آرام و ساکن است و از کهکشان راه‌شیری ما بزرگ‌تر نیست. ساعت کیهان‌شناختی با نرخی ثابت و یکنواخت کار می‌کرد و جهان، ابدی بود! اما این تصویر خیلی زود دگرگون شد!

در آغاز قرن بیستم، بانوی اخترشناس آمریکایی، هنریتا سوان لویت، راهی را برای اندازه‌گیری فاصله ستارگان دوردست کشف کرد. در آن زمان، بانوان اخترشناس به تلسکوپ‌های بزرگ دسترسی نداشتند و اغلب برای انجام وظیفه طاقت‌فرسای تحلیل عکس‌ها استخدام می‌شدند. هنریتا لویت هزاران ستاره تپنده موسوم به متغیرهای قیفاووسی را مورد مطالعه قرار داد و کشف کرد که ستارگان درخشان‌تر، تپش‌های طولانی‌تری دارند. با استفاده از این اطلاعات وی توانست درخشش ذاتی متغیرهای قیفاووسی را اندازه‌گیری کند.

Henrietta Swan Leavitt

اگر تنها فاصله یکی از ستارگان قیفاووسی معلوم می‌شد، تعیین فاصله دیگر ستارگان متغیر قیفاووسی امکان‌پذیر بود: هر چه ستاره کم‌نورتر باشد، فاصله آن از زمین بیشتر است. شمع استاندارد معتبری ایجاد شده بود، نخستین علامت در مقیاس کیهانی که هنوز هم مورد استفاده اخترشناسان است. با استفاده از متغیرهای قیفاووسی، اخترشناسان خیلی زود به این نتیجه رسیدند که کهکشان راه‌شیری تنها یکی از بی‌شمار کهکشان‌های موجود در عالم است. در دهه ۱۹۲۰/۱۳۰۰، بزرگ‌ترین تلسکوپ آن روزگار در مونت‌ویلسون کالیفرنیا به بهره‌برداری رسید و اخترشناسان (ادوین هابل و همکارانش) به کمک آن توانستند نشان دهند که تقریبا تمام کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما هستند. آنها پدیده موسوم به انتقال‌ به‌ سرخ را مورد مطالعه قرار دادند که زمانی اتفاق می‌افتد که یک منبع نوری در حال دور شدن از ما باشد. در این حالت طول ‌موج نور کش می‌آید و هر چه که این موج طولانی‌تر باشد، رنگ آن قرمزتر است. نتیجه تحقیقات این بود که کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما و یکدیگر هستند و هر چه دورتر باشند، با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند؛ پدیده‌ای که با نام اصل هابل شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، جهان در حال رشد و بزرگ شدن است.

رفت و آمد ثابت کیهان‌شناختی

آن‌چه در کیهان مشاهده شده بود، قبل از آن توسط محاسبات نظری نیز پیش‌بینی شده بود. در سال ۱۹۱۵/۱۲۹۴، آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام خود را منتشر کرد که از آن زمان به پایه درک ما از جهان تبدیل شده است. این نظریه جهانی را توصیف می‌کرد که در حال انبساط یا انقباض بود.

این نتیجه‌گیری یک دهه قبل از کشف کهکشان‌های دورشونده انجام شد، اما حتی اینشتین هم نمی‌توانست این حقیقت را بپذیرد که جهان ایستا نیست. به همین دلیل و برای جلوگیری از انبساط ناخواسته کیهانی، اینشتین یک ثابت به معادله خود اضافه کرد که به ثابت کیهان‌شناختی مشهور شد. بعدها اینشتین از وارد کردن این ثابت کیهان‌شناختی به عنوان یک اشتباه بزرگ نام برد. با این وجود، با مشاهدات انجام شده در سال‌های ۱۹۹۷ و ۱۹۹۸/۱۳۷۶ و ۱۳۷۷ که جایزه نوبل فیزیک امسال را برای محققان به ارمغان آورد، می‌توانیم نتیجه بگیریم که ثابت کیهان‌شناختی اینشتین (که به دلایل اشتباهی وارد معادله شد) واقعا یک شاهکار است.

کشف انبساط تندشونده عالم، نخستین مرحله در ایجاد مدل استاندارد کیهانی حاضر است که بر اساس آن، جهان در کمتر از ۱۴ میلیارد سال قبل و با مهبانگ آغاز شد. هم زمان و هم فضا بعد از این حادثه آغاز شدند. از آن زمان، جهان در حال انبساط است. همانند کشمش‌های یک کیک کشمشی که درون فر باد می‌کند، کهکشان‌ها نیز به دلیل انبساط عالم از یکدیگر دور می‌شوند. اما ما به کجا می‌رویم؟

ابرنواخترها؛ مقیاس جدید کیهان

وقتی‌که اینشتین از شر ثابت کیهان‌شناختی خلاص شد و ایده یک جهان غیرپایا را قبول کرد، شکل هندسی عالم را به سرنوشت آن ربط داد. آیا جهان باز است، بسته است یا چیزی است بین این دو، یک جهان مسطح و هموار؟

جهان باز، جهانی است که در آن نیروی گرانشی ماده آن‌قدر قوی نیست که بتواند مانع انبساط عالم شود. در جهان در حال بزرگ شدن، سرد شدن و افزایش فضای خالی، ماده در حال رقیق شدن و چگالی آن رو به کاهش است، سرنوشتی که بعضی آن را به یخ زدن تعبیر می‌کنند. از طرف دیگر، در جهان بسته، نیروی گرانشی به اندازه کافی قوی است که انبساط را متوقف و حتی آن را معکوس کند. به همین دلیل انبساط جهان در نهایت متوقف می‌شود و ماده موجود در جهان با بازگشت به سوی یکدیگر، پایانی داغ و شدید را رقم می‌زند. با این وجود، اغلب کیهان‌شناسان ترجیح می‌دهند که در ساده‌ترین و برازنده‌ترین فرم ریاضی جهان زندگی کنند: جهانی مسطح که انبساط در آن انکار می‌شود. بنابراین سرنوشت جهان در آتش یا انجماد تعریف نمی‌شود. اما برای این گروه هیچ انتخابی وجود ندارد. اگر یک ثابت کیهان‌شناختی وجود داشته باشد، انبساط به شتاب‌گیری خود ادامه می‌دهد، حتی اگر جهان هموار و مسطح باشد.

برندگان جایزه نوبل ۲۰۱۱  انتظار داشتند که کاهش سرعت کیهان را اندازه بگیرند، یا بفهمند که چطور انبساط کیهان کند می‌شود. روش آنها در اصل شبیه روشی بود که اخترشناسان از شش دهه پیش به کار می‌گرفتند: مکان‌یابی ستارگان دوردست و اندازه‌گیری میزان حرکت آنها. با این وجود، حرف زدن در این باره خیلی راحت‌تر از انجام آن است. از زمان هنریتا لویت، متغیرهای قیفاووسی زیادی حتی در فواصل دورتر کشف شده بودند؛ اما در فاصله‌ای که اخترشناسان برای انجام مشاهدات خود نیاز داشتند، میلیاردها سال نوری دور از زمین، متغیرهای قیفاووسی دیگر قابل مشاهده نیستند. مقیاس کیهانی نیاز به توسعه داشت.

ابرنواخترها یا ستارگان در حال انفجار، به شمع‌های جدید کیهانی تبدیل شدند. تلسکوپ‌های پیچیده‌تر زمینی و فضایی به همراه کامپیوترهای قدرتمندتر، این امکان را در دهه ۱۹۹۰/۱۳۷۰ به وجود آوردند که بتوان قطعات جدیدتری را به پازل کیهانی اضافه کرد. نقش تعیین‌کننده را در این میان، حسگرهای تصویربرداری دیجیتال حساس به نور موسوم به CCD بر عهده داشتند که توسط ویلارد بویل و جرج اسمیت اختراع شدند. این دو به خاطر همین اختراع جایزه نوبل سال ۲۰۰۹/۱۳۸۸ را به خود اختصاص دادند.

انفجار کوتوله‌های سفید

جدیدترین ابزار در جعبه‌ابزار اخترشناسان نوع خاصی از انفجارهای ستاره‌ای است: ابرنواخترهای نوع اول. تنها در طی چند هفته، یک ابرنواختر از این نوع می‌تواند به اندازه کل یک کهکشکان از خود نور ساطع کند. این نوع از ابرنواخترها نتیجه انفجار ستاره‌ای پیر و فوق فشرده هستند که اگرچه به اندازه خورشید ما سنگین است، اما اندازه آن به کوچکی زمین است: یک کوتوله سفید.

برای یک کوتوله سفید که بخشی از یک سیستم ستاره‌ای دوگانه است، پایان هیجان‌انگیزی وجود دارد. خوشبختانه این سیستم‌های ستاره‌ای در کیهان از فراوانی خوبی برخوردار هستند. در این حالت، گرانش قدرتمند کوتوله سفید اقدام به ربودن گازهای ستاره همدم خود می‌کند. با این وجود، زمانی‌که سنگینی کوتوله سفید به ۱.۴ برابر جرم خورشید می‌رسد، دیگر نمی‌تواند ساختار خود را حفظ کند. زمانی‌که این اتفاق می‌افتد، هسته کوتوله سفید به اندازه کافی داغ می‌شود که یک واکنش همجوشی هسته‌ای به راه بیاندازد و در نتیجه ،ستاره در کسری از ثانیه از هم می‌پاشد.

 همجوشی هسته‌ای تابش قدرتمندی را ساطع می‌کند که به سرعت و در طی چند هفته نخست پس از انفجار افزایش می‌یابد، و پس از چند ماه کاهش می‌یابد. به همین دلیل، یافتن یک ابرنواختر کار دشواری است، چرا که دوره انفجار آنها کوتاه است. در محدوده جهان قابل مشاهده در هر دقیقه حدود ۱۰ ابرنواختر نوع اول ایجاد می‌شود. اما جهان بسیار گسترده و عظیم است. در یک کهکشان نمونه، تنها یک یا دو انفجار ابرنواختری در طی هزاران سال رخ می‌دهد. در سپتامبر ۲۰۱۱/شهریور ۱۳۹۰، ما بسیار خوش‌شانس بودیم که توانستیم انفجاری از این نوع را در کهکشانی در نزدیکی صورت‌فلکی دب‌اکبر مشاهده کنیم که با استفاده از یک دوربین دوچشمی معمولی نیز قابل مشاهده بود. اما اغلب ابرنواخترها در فواصل بسیار دورتر قرار دارند و بسیار کم‌نورترند. پس کی و در کجا باید به تماشای آسمان بنشینیم؟

ادامه دارد ….

منبع:  خبرآنلاین

نقل از بیگ بنگ

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 1

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 2

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 3

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 4

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 5

نسبیت عام، کیهان شناختی و انرژی تاریک - 6

نوترینوی سترون کاندیدی برای ماده تاریک!

Reconsidering relativistic Newton's second law and its results

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات