برخورد اعداد کیهانی بهترین نظریه ما درباره جهان را به چالش می کشد | مجله کوانتا

در اوایل دهه 2000، به نظر می رسید که کیهان شناسان بزرگترین و پیچیده ترین معما را حل کرده اند: چگونه جهان کار می کند.

گفت: "این لحظه شگفت انگیز بود که ناگهان همه قطعات کیهان شناسی به هم پیوستند." جی. کالین هیل، کیهان شناس نظری در دانشگاه کلمبیا.

هیل گفت، تمام راه‌های مطالعه جهان - نقشه‌برداری کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ‌تر آنها، گرفتن انفجارهای ستاره‌ای فاجعه‌بار به نام ابرنواخترها، محاسبه فاصله تا ستاره‌های متغیر، اندازه‌گیری درخشش کیهانی باقی‌مانده از کیهان اولیه - داستان‌هایی را روایت می‌کنند که «به نظر می‌رسید همپوشانی دارند».

چسبی که داستان ها را در کنار هم نگه می داشت چند سال قبل، در سال 1998 کشف شده بود: انرژی تاریک، نیرویی مرموز که به جای چسباندن کیهان به یکدیگر، به نوعی باعث می شود که به جای کاهش سرعت در طول زمان، با سرعت بیشتری گسترش یابد. وقتی دانشمندان این چیزی کیهانی را در مدل‌های خود از جهان گنجاندند، نظریه‌ها و مشاهدات به هم پیوستند. آنها آنچه را که اکنون به عنوان مدل استاندارد کیهان شناسی شناخته می شود، به نام Lambda-CDM تهیه کردند که در آن انرژی تاریک تقریباً 70 درصد جهان را تشکیل می دهد، در حالی که موجودیت تاریک مرموز دیگری - نوعی جرم نامرئی که به نظر می رسد فقط با ماده عادی برهم کنش دارد. از طریق گرانش - حدود 25٪ را تشکیل می دهد. 5 درصد باقیمانده همه چیزهایی است که می توانیم ببینیم: ستارگان، سیارات و کهکشان هایی که ستاره شناسان هزاران سال مطالعه کرده اند.

اما آن لحظه آرامش تنها یک استراحت کوتاه بین زمان مبارزه بود. همانطور که ستاره شناسان مشاهدات دقیق تری از کیهان در طول زمان کیهانی انجام دادند، شکاف هایی در مدل استاندارد ظاهر شدند. برخی از اولین نشانه های مشکل ناشی از اندازه گیری است ستاره های متغیر و ابرنواخترها در تعداد انگشت شماری از کهکشان های نزدیک - مشاهداتی که در مقایسه با درخشش کیهانی باقیمانده، نشان می دهد که جهان ما با قوانین متفاوتی از آنچه ما فکر می کردیم بازی می کند، و اینکه یک پارامتر کیهانی حیاتی که تعیین می کند با چه سرعتی جهان از هم جدا می شود، تغییر می کند. آن را با معیارهای مختلف اندازه گیری کنید.

کیهان شناسان مشکلی داشتند - چیزی که آنها آن را تنش نامیدند، یا در لحظات دراماتیک ترشان، الف بحران.

این اندازه‌گیری‌های ناسازگار تنها در حدود یک دهه از زمان ظهور اولین شکاف‌ها متمایزتر شده‌اند. و این اختلاف تنها چالش مدل استاندارد کیهان‌شناسی نیست. مشاهدات کهکشان ها نشان می دهد که روشی که در آن ساختارهای کیهانی در کنار هم قرار گرفته اند در طول زمان ممکن است با بهترین درک ما از چگونگی رشد جهان امروزی از دانه‌های نهفته در کیهان اولیه متفاوت باشد. و حتی ناهماهنگی های ظریف تر از مطالعات دقیق اولین نور جهان به دست می آید.

تناقضات دیگر فراوان است. گفت: "مشکلات کوچکتر در جاهای دیگر وجود دارد." الئونورا دی والنتینو، کیهان شناس نظری در دانشگاه شفیلد. "به همین دلیل است که گیج کننده است. زیرا فقط این مشکلات بزرگ نیست.»

برای کاهش این تنش ها، کیهان شناسان دو رویکرد مکمل را در پیش گرفته اند. اول، آنها به مشاهدات دقیق‌تر کیهان ادامه می‌دهند، به این امید که داده‌های بهتر سرنخ‌هایی را در مورد نحوه ادامه کار نشان دهند. علاوه بر این، آنها در حال یافتن راه‌هایی هستند تا مدل استاندارد را به‌طور ماهرانه تغییر دهند تا نتایج غیرمنتظره را تطبیق دهند. اما این راه‌حل‌ها اغلب ساختگی هستند و اگر یک مشکل را حل کنند، اغلب مشکلات دیگر را بدتر می‌کنند.

هیل گفت: «وضعیت در حال حاضر به نظر یک آشفتگی بزرگ است. "من نمی دانم از آن چه کنم."

نور تاب خورده

برای توصیف جهان ما، دانشمندان از تعداد انگشت شماری استفاده می کنند که کیهان شناسان آنها را پارامتر می نامند. موجودات فیزیکی که این مقادیر به آنها اشاره می‌کنند، همگی چرخ دنده‌هایی در یک ماشین کیهانی غول‌پیکر هستند که هر بیت به بقیه متصل است.

یکی از این پارامترها به شدت توده شدن جرم به هم مربوط می شود. این به نوبه خود، چیزی در مورد چگونگی عملکرد انرژی تاریک به ما می گوید، زیرا فشار به سمت بیرون شتاب دهنده آن با کشش گرانشی جرم کیهانی در تعارض است. برای تعیین کمیت کلوخگی، دانشمندان از متغیری به نام استفاده می کنند S₈. توضیح داده شد که اگر مقدار صفر باشد، جهان هیچ تغییر و ساختاری ندارد سونائو سوگیاما، کیهان شناس رصدی در دانشگاه پنسیلوانیا. مانند دشتی مسطح و بی خاصیت است که حتی یک لانه مورچه برای شکستن منظره ندارد. اما اگر S₈ به 1 نزدیکتر است، جهان مانند یک رشته کوه عظیم و دندانه دار است، با توده های عظیم ماده متراکم که توسط دره های نیستی از هم جدا شده اند. مشاهدات انجام شده توسط فضاپیمای پلانک در جهان بسیار اولیه - جایی که اولین بذرهای ساختار در آنجا شکل گرفت - ارزشی معادل 0.83.

اما مشاهدات تاریخ کیهانی اخیر کاملاً موافق نیستند.

برای مقایسه کلوخگی در جهان امروزی با اندازه‌گیری‌های کیهان نوزاد، محققان نحوه توزیع ماده در بخش‌های بزرگی از آسمان را بررسی می‌کنند.

محاسبه کهکشان های مرئی یک چیز است. اما نقشه‌برداری از شبکه نامرئی که آن کهکشان‌ها روی آن قرار دارند، چیز دیگری است. برای انجام این کار، کیهان‌شناسان به اعوجاج‌های کوچک در نور کهکشان‌ها نگاه می‌کنند، زیرا مسیری که نور هنگام عبور از کیهان طی می‌کند، منحرف می‌شود، زیرا نور توسط حجم گرانشی ماده نامرئی منحرف می‌شود.

با مطالعه این اعوجاج ها (معروف به عدسی گرانشی ضعیف)، محققان می توانند توزیع ماده تاریک را در مسیرهایی که نور طی کرده است، ردیابی کنند. آنها همچنین می توانند محل کهکشان ها را تخمین بزنند. با در دست داشتن هر دو بیت اطلاعات، اخترشناسان نقشه های سه بعدی از جرم مرئی و نامرئی کیهان را ایجاد می کنند که به آنها امکان می دهد نحوه تغییر و رشد چشم انداز ساختار کیهانی را در طول زمان اندازه گیری کنند.

در طول چند سال گذشته، سه بررسی با لنز ضعیف نقاط بزرگی از آسمان را ترسیم کرده‌اند: بررسی انرژی تاریک (DES)، که از تلسکوپ در صحرای آتاکامای شیلی استفاده می‌کند. نظرسنجی کیلو درجه (KIDS)، همچنین در شیلی. و اخیراً، یک بررسی پنج ساله از تلسکوپ سوبارو Hyper Suprime-Cam (HSC) در هاوایی.

چند سال پیش، نظرسنجی های DES و KIDS تولید شد S₈ مقادیر کمتر از پلانک - که دلالت بر رشته کوه های کوچکتر و قله های پایین تر از آنچه سوپ کیهانی اولیه ایجاد کرده است. اما اینها فقط نکات وسوسه انگیزی از نقص در درک ما از چگونگی رشد و ترکیب ساختارهای کیهانی بود. کیهان شناسان به داده های بیشتری نیاز داشتند و مشتاقانه منتظر نتایج سوبارو HSC بودند که منتشر شد. در یک سری پنج مقاله در ماه دسامبر.

تیم سوبارو HSC ده‌ها میلیون کهکشان را بررسی کردند که حدود 416 درجه مربع در آسمان یا معادل 2,000 ماه کامل را پوشش می‌دهند. در تکه آسمان خود، تیم محاسبه کرد S₈ مقدار 0.78 - مطابق با نتایج اولیه بررسی‌های قبلی و کوچکتر از مقدار اندازه‌گیری شده از مشاهدات تلسکوپ پلانک از تشعشعات کیهان اولیه. تیم سوبارو با دقت می‌گوید که اندازه‌گیری‌های آن‌ها فقط به یک تنش اشاره می‌کند، زیرا آنها کاملاً به سطح اهمیت آماری که دانشمندان به آن تکیه می‌کنند نرسیده‌اند، اگرچه آنها در حال کار بر روی افزودن سه سال دیگر مشاهدات به داده‌های خود هستند.

"اگر این S₈ تنش واقعا درست است، چیزی وجود دارد که ما هنوز آن را درک نکرده ایم.

اکنون کیهان شناسان در حال بررسی جزئیات مشاهدات هستند تا منابع عدم قطعیت را کشف کنند. برای شروع، تیم سوبارو فاصله تا بیشتر کهکشان‌های خود را بر اساس رنگ کلی آنها تخمین زد که می‌تواند منجر به عدم دقت شود. یکی از اعضای تیم گفت: «اگر تخمین‌های [متوسط] فاصله را اشتباه دریافت کنید، برخی از پارامترهای کیهانی که به آنها اهمیت می‌دهید نیز اشتباه دریافت می‌کنید. راشل ماندلبام از دانشگاه کارنگی ملون

علاوه بر این، انجام این اندازه‌گیری‌ها با پیچیدگی‌های ظریف در تفسیر آسان نیست. و تفاوت بین ظاهر تاب خورده یک کهکشان و شکل واقعی آن - کلید شناسایی جرم نامرئی - اغلب بسیار کوچک است. دیانا اسکوگنامیگلیو از آزمایشگاه رانش جت ناسا. به علاوه، تاری شدن از جو زمین می تواند شکل یک کهکشان را کمی تغییر دهد، که یکی از دلایلی است که Scognamiglio با استفاده از تلسکوپ فضایی جیمز وب ناسا، تجزیه و تحلیل عدسی ضعیف را هدایت می کند.

اضافه کردن سردرگمی بیشتر، دانشمندان با تیم های DES و KIDS اخیراً اندازه گیری های خود را مجدداً تجزیه و تحلیل کردند با هم و مشتق an S₈ مقدار نزدیکتر به نتایج پلانک است.

بنابراین در حال حاضر، تصویر به هم ریخته است. و برخی از کیهان شناسان هنوز متقاعد نشده اند که انواع مختلف S₈ اندازه گیری ها در کشش هستند هیل گفت: «فکر نمی‌کنم نشانه آشکاری از یک شکست فاجعه‌بار بزرگ وجود داشته باشد. اما، او افزود، "غیرقابل قبول نیست که اتفاق جالبی در جریان باشد."

جایی که ترک ها مشهود هستند

ده ها سال پیش، دانشمندان اولین نشانه های مشکل را با اندازه گیری پارامترهای کیهانی دیگر مشاهده کردند. اما سال ها طول کشید تا داده های کافی جمع آوری شود تا اکثر کیهان شناسان متقاعد شوند که با یک بحران کامل دست و پنجه نرم می کنند.

به طور خلاصه، اندازه‌گیری‌های سرعت انبساط جهان امروزی - که به عنوان ثابت هابل شناخته می‌شود - با مقداری که هنگام برون‌یابی از جهان اولیه دریافت می‌کنید مطابقت ندارد. این معما به تنش هابل معروف شده است.

برای محاسبه ثابت هابل، ستاره شناسان باید بدانند که اشیا چقدر دور هستند. در کیهان نزدیک، دانشمندان فواصل را با استفاده از ستارگانی به نام متغیرهای Cepheid که به طور دوره ای در روشنایی تغییر می کنند، اندازه گیری می کنند. یک رابطه شناخته شده بین سرعت حرکت یکی از این ستارگان از درخشان ترین به کم نورترین و میزان انرژی تابش آن وجود دارد. این رابطه، که در اوایل قرن بیستم کشف شد، به اخترشناسان اجازه می دهد تا درخشندگی ذاتی ستاره را محاسبه کنند و با مقایسه آن با میزان روشنایی آن، بتوانند فاصله آن را محاسبه کنند.

با استفاده از این ستارگان متغیر، دانشمندان می توانند فواصل کهکشان ها را تا حدود 100 میلیون سال نوری از ما اندازه گیری کنند. اما برای دیدن کمی دورتر و کمی دورتر در زمان، از نشانگر مایل روشن‌تر استفاده می‌کنند - نوع خاصی از انفجار ستاره‌ای به نام ابرنواختر نوع Ia. اخترشناسان همچنین می‌توانند روشنایی ذاتی این «شمع‌های استاندارد» را محاسبه کنند، که به آنها اجازه می‌دهد تا فاصله کهکشان‌هایی را که میلیاردها سال نوری از ما فاصله دارند، اندازه‌گیری کنند.

در طول دو دهه گذشته، این مشاهدات به ستاره شناسان کمک کرده است تا میزان سرعت انبساط کیهان مجاور را مشخص کنند: تقریباً 73 کیلومتر در ثانیه در هر مگاپارسک، به این معنی که وقتی دورتر را نگاه می کنید، برای هر مگاپارسک (یا 3.26 میلیون سال نوری) ) از مسافت، فضا 73 کیلومتر در ثانیه سریعتر از زمین دور می شود.

اما این ارزش با ارزشی که از خط کش دیگری که در جهان نوزادی جاسازی شده است، در تضاد است.

در همان ابتدا، کیهان پلاسما را داغ می‌کرد، سوپی از ذرات بنیادی و انرژی. گفت: "این آشفتگی داغ بود." ویویان پولن-دتوله، کیهان شناس دانشگاه مونپلیه.

در کسری از ثانیه در تاریخ کیهانی، برخی رویدادها، شاید دوره‌ای از شتاب شدید که به عنوان تورم شناخته می‌شود، تکان‌هایی - امواج فشار - را در پلاسمای تیره فرستاد.

سپس، با سرد شدن جهان، نوری که در مه پلاسمای عنصری به دام افتاده بود، سرانجام آزاد شد. پولن-دتوله گفت که این نور - پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB - آن امواج فشار اولیه را آشکار می کند، درست همانطور که سطح دریاچه یخ زده روی تاج های همپوشانی امواج یخ زده در زمان نگه می دارد.

کیهان شناسان رایج ترین طول موج آن امواج فشار منجمد را اندازه گیری کرده و از آن برای محاسبه مقدار ثابت هابل استفاده کرده اند. 67.6 کیلومتر بر ثانیه در مگاپیکسل، با عدم قطعیت کمتر از 1٪.

مقادیر عجیب و غریب ناهماهنگ - تقریباً 67 در مقابل 73 - بحث آتشینی را در کیهان شناسی برانگیخته است که هنوز حل نشده است.

ستاره شناسان به نشانگرهای مستقل مایل کیهانی روی می آورند. در شش سال گذشته، وندی فریمن از دانشگاه شیکاگو (که برای ربع قرن روی ثابت هابل کار کرده است) بر روی یک نوع ستاره قدیمی و قرمز تمرکز کرده است که معمولاً در بخش های بیرونی کهکشان ها زندگی می کند. در خارج از کشور، ستارگان درخشان کمتر با هم تداخل دارند و گرد و غبار کمتر می تواند به اندازه گیری های واضح تر منجر شود. فریدمن و همکارانش با استفاده از این ستارگان، نرخ انبساط را در حدود 70 کیلومتر بر ثانیه در مگاپیکسل اندازه‌گیری کرده‌اند - «که در واقع با قیفاووس‌ها همخوانی خوبی دارد». اما با پس‌زمینه مایکروویو همخوانی خوبی دارد.»

او اکنون به چشم مادون قرمز قدرتمند JWST روی آورده است تا به مشکل نزدیک شود. او با همکارانش در حال اندازه‌گیری فواصل تا این ستاره‌های قرمز غول‌پیکر در 11 کهکشان مجاور است و به طور همزمان فاصله تا قیفاووس و نوعی ستاره کربنی تپنده را در همان کهکشان‌ها اندازه‌گیری می‌کند. آنها انتظار دارند نتایج را در بهار امسال منتشر کنند، اما او گفت: "داده ها واقعاً دیدنی به نظر می رسند."

هیل که برای درک مدل‌های جهان کار می‌کند، گفت: «من بسیار علاقه‌مندم ببینم چه چیزی پیدا می‌کنند. آیا این مشاهدات جدید شکاف‌های مدل مورد علاقه کیهان‌شناسی را بیشتر می‌کند؟

مدل جدید؟

از آنجایی که مشاهدات همچنان این پارامترهای حیاتی کیهان‌شناسی را محدود می‌کنند، دانشمندان در تلاش هستند تا داده‌ها را با بهترین مدل‌های خود از نحوه عملکرد کیهان تطبیق دهند. شاید اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر مشکلات آنها را حل کند، یا شاید تنش‌ها فقط مصنوع چیزی پیش پا افتاده باشند، مانند ویژگی‌های عجیب ابزارهای مورد استفاده.

یا شاید مدل‌ها اشتباه باشند و ایده‌های جدیدی - "فیزیک جدید" - مورد نیاز باشد.

هیل گفت: «یا به اندازه کافی باهوش نبوده‌ایم که بتوانیم مدلی را ارائه کنیم که واقعاً با همه چیز مطابقت داشته باشد، یا «در واقع ممکن است چندین قطعه از فیزیک جدید در بازی وجود داشته باشد.»

چه چیزی ممکن است باشد؟ به گفته هیل، شاید یک میدان نیروی بنیادی جدید، یا فعل و انفعالات بین ذرات ماده تاریک که ما هنوز نمی‌دانیم، یا اجزای جدیدی که هنوز بخشی از توصیف ما از جهان نیستند.

برخی از مدل‌های فیزیک جدید انرژی تاریک را تغییر می‌دهند و در لحظات اولیه کیهان، قبل از اینکه الکترون‌ها و پروتون‌ها به یکدیگر برخورد کنند، شتاب کیهانی اضافه می‌کنند. می‌گوید: «اگر می‌توان سرعت انبساط را به نحوی افزایش داد، فقط برای مدتی در کیهان اولیه». مارک کامیونکوفسکیکیهان شناس در دانشگاه جان هاپکینز، "شما می توانید تنش هابل را حل کنید."

کامیونکوفسکی و یکی از دانشجویان فارغ التحصیلش این ایده را در سال 2016 مطرح کردند و دو سال بعد آنها برخی از امضاها را مشخص کرد که یک تلسکوپ پس زمینه مایکروویو کیهانی با وضوح بالا باید قادر به دیدن آن باشد. و تلسکوپ کیهان شناسی آتاکاما که بر روی کوهی در شیلی قرار داشت، برخی از این سیگنال ها را مشاهده کرد. اما از آن زمان، دانشمندان دیگر نشان دادند که این مدل مشکلاتی ایجاد می کند با سایر اندازه گیری های کیهانی

گفت: این نوع مدل دقیق تنظیم شده، که در آن نوع دیگری از انرژی تاریک برای لحظه ای موج می زند و سپس محو می شود، برای توضیح آنچه اتفاق می افتد بسیار پیچیده است. دراگان هوترر، کیهان شناس نظری در دانشگاه میشیگان. و دیگر راه‌حل‌های پیشنهادی برای تنش هابل با مشاهدات حتی ضعیف‌تر مطابقت دارند. او گفت که آنها «به طرز ناامیدکننده‌ای تنظیم شده‌اند»، مانند داستان‌هایی که خیلی خاص هستند و نمی‌توانند با این ایده قدیمی که نظریه‌های ساده‌تر در مقابل نظریه‌های پیچیده پیروز می‌شوند، همخوانی داشته باشند.

داده‌هایی که در سال آینده می‌آیند ممکن است کمک کند. ابتدا نتایج حاصل از تیم فریدمن خواهد بود که به بررسی کاوشگرهای مختلف نرخ انبساط نزدیک می‌پردازد. سپس در ماه آوریل، محققان اولین داده‌ها را از بزرگترین بررسی آسمان کیهانی تا به امروز، یعنی ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک، فاش خواهند کرد. در اواخر سال، تیم تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما - و محققانی که با استفاده از تلسکوپ قطب جنوب، نقشه پس‌زمینه اولیه دیگری می‌سازند - احتمالاً نتایج دقیق خود را از پس‌زمینه مایکروویو با وضوح بالاتر منتشر خواهند کرد. مشاهدات در افق دورتر از تلسکوپ فضایی اقلید آژانس فضایی اروپا که در ماه ژوئیه پرتاب شد و رصدخانه Vera C. Rubin، یک ماشین نقشه برداری از آسمان که در شیلی ساخته می شود و در سال 2025 به طور کامل عملیاتی می شود، انجام خواهد شد.

جهان ممکن است 13.8 میلیارد سال سن داشته باشد، اما تلاش ما برای درک آن - و جایگاه ما در آن - هنوز در مراحل اولیه است. همه چیز در کیهان شناسی فقط 15 سال پیش، در یک دوره کوتاه آرامش که به یک سراب تبدیل شد، با هم هماهنگ شدند. شکاف هایی که یک دهه پیش ظاهر شدند به طور گسترده ای باز شدند و شکاف های بزرگ تری در مدل مورد علاقه کیهان شناسی ایجاد کردند.

دی والنتینو گفت: اکنون همه چیز تغییر کرده است.

یادداشت سردبیر: دانشمندان متعددی که در این مقاله ذکر شده‌اند، بودجه‌ای را از این سازمان دریافت کرده‌اند بنیاد سیمونز، که همچنین بودجه این مجله مستقل سرمقاله را تامین می کند. تصمیمات مالی بنیاد سیمونز تأثیری بر پوشش ما ندارد. جزئیات بیشتر هستند اینجا موجود است.