-
دیوید واینبرگ، استاد نجوم، دانشگاه ایالتی اوهایو
-
اشلی راس، استادیار پژوهشی فیزیک، دانشگاه ایالتی اوهایو
-
کلاوس هونشاید، استاد فیزیک، دانشگاه ایالتی اوهایو
-
پاول مارتینی، استاد نجوم و فیزیک، دانشگاه ایالتی اوهایو
گرانش ما را به زمین می‌کشد – درسی که اولین بار هنگام زمین خوردن، آن را با تمام وجود درک می‌کنیم.
آیزاک نیوتن، گرانش را به عنوان نیرویی جذاب و جهانی توصیف کرد؛ نیرویی که ماه را در مدار زمین، سیارات را در مدار خورشید و خورشید را در مدار مرکز کهکشان نگه می‌دارد.
در دههٔ ۱۹۹۰، اخترشناسان کشف شگفت‌انگیزی کردند: انبساط کیهان در ۵ میلیارد سال گذشته سریع‌تر شده است. این یعنی گرانش می‌تواند فشار هم وارد کند، نه فقط کشش.
نظریه نسبیت عام انیشتین، گرانش را نتیجهٔ خمیدگی فضا-زمان می‌داند؛ این نظریه امکان هر دو نوع گرانش – جاذبه و دافعه – را فراهم می‌کند. برای ایجاد دافعهٔ گرانشی، به شکلی نوین از انرژی با ویژگی‌های فیزیکی عجیب نیاز است که به آن انرژی تاریک می‌گویند.
انرژی تاریک و انبساط کیهان
ساده‌ترین توضیح برای شتاب‌گرفتن انبساط کیهان، این است که انرژی تاریکی وجود دارد که فضای خالی را پر کرده و مقدار آن با گذر زمان تغییر نمی‌کند.
بر اساس مکانیک کوانتومی، فضای «خالی» پر از ذراتی است که به طور موقت ظاهر و ناپدید می‌شوند. این پدیده می‌تواند دلیل خوبی برای وجود انرژی تاریک ثابت باشد، اما پیش‌بینی‌های سادهٔ آن با داده‌های واقعی هم‌خوانی ندارند. با این حال، فرضیهٔ انرژی تاریک ثابت، توانسته بسیاری از مشاهدات کیهان‌شناسی را توضیح دهد.
در مدلی که با داده‌های پروژه DESI هماهنگ است، چگالی انرژی تاریک ابتدا افزایش می‌یابد و سپس کاهش پیدا می‌کند — این روند با یک منحنی آبی نمایش داده شده — برخلاف مدل استاندارد کیهان‌شناسی که چگالی انرژی تاریک را همواره ثابت در نظر می‌گیرد و آن را با یک خط‌چین افقی نشان می‌دهد.
در هر دو مدل، با گسترش جهان، چگالی اتم‌ها و مادهٔ تاریک به تدریج رقیق‌تر می‌شود (که با یک منحنی قرمز نشان داده شده) و امروزه تنها حدود نیمی از چگالی انرژی تاریک را تشکیل می‌دهد.
اثر دافعه‌ای انرژی تاریک از حدود ۸ میلیارد سال پیش از اثر جاذبه‌ای ماده پیشی گرفت — این نقطه زمانی با عنوان «آغاز شتاب‌گیری» مشخص شده است.
اندازه‌گیری‌های جدید از انرژی تاریک
اندازه‌گیری‌های جدید توسط پروژهٔ ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) چالشی جدی برای این مدل استاندارد محسوب می‌شود.
یافته‌ها نشان می‌دهند که چند میلیارد سال پیش، کیهان با سرعتی کمی بیشتر از مدل انرژی تاریک ثابت – حدود ۱ تا ۳ درصد – منبسط می‌شده است. سپس این انبساط به مقدار پیش‌بینی‌شده بازگشته.
یک توضیح این است که «فنریت» یا خاصیت فنری انرژی تاریک – ترکیبی از انرژی و فشار که اثر دافعه آن را تعیین می‌کند – در گذشته بیشتر بوده و بعداً کاهش یافته است.
چگونه این تاریخ را می‌فهمیم؟
از آنجا که نور با سرعت محدود حرکت می‌کند، ما اجسام دوردست را آن‌گونه می‌بینیم که در گذشته بوده‌اند. انبساط کیهان باعث کش آمدن طول‌موج نور می‌شود – پدیده‌ای که به آن «سرخ‌گرایی» می‌گویند. با اندازه‌گیری دقیق نور، می‌توان اندازه کیهان را در لحظهٔ انتشار آن نور فهمید.
داده‌های جدید DESI بر پایهٔ اندازه‌گیری سرخ‌گرایی بیش از ۱۴ میلیون کهکشان است، که نقشه‌ای سه‌بعدی از کیهان طی ۱۲ میلیارد سال فراهم کرده. آن‌ها از یک اثر صوتی خاص در چگالش کهکشان‌ها برای اندازه‌گیری دقیق‌تر استفاده کردند.
نمایی نزدیک از صفحهٔ کانونی ابزار DESI را نشان می‌دهد که در آن تعدادی از ۵٬۰۰۰ جایگاه فیبر نوری دیده می‌شوند. لکه‌های سفید درون دایره‌های متمایل به آبی، فیبرهای نوری هستند که نور جمع‌آوری‌شده از کهکشان‌های دوردست را به سوی طیف‌سنج‌هایی در فاصلهٔ حدود ۴۰ متری هدایت می‌کنند.
نتایج هیجان‌انگیز
ترکیب داده‌های DESI با داده‌های ماموریت فضایی Planck (که چگالی ماده در جهان را اندازه‌گیری می‌کند) نشان می‌دهد مدل انرژی تاریک متغیر نسبت به مدل ثابت ترجیح دارد – با ضریب اطمینان ۳.۱ انحراف معیار (یعنی فقط ۱ در ۵۰۰ احتمال تصادفی بودن).
برای تقویت نتیجه، آن‌ها داده‌های حاصل از بررسی انرژی تاریک (Dark Energy Survey) را نیز افزودند که از انفجارهای ابرنواختر برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌کند. حالا، ترکیب داده‌ها مدل متغیر را با احتمال ۴۰٬۰۰۰ به ۱ ترجیح می‌دهد.
با این حال، برخی مطالعات دیگر همچنان با مدل ثابت هم‌خوانی دارند، بنابراین هنوز اکثر کیهان‌شناسان برای کنار گذاشتن مدل استاندارد آماده نیستند.
گامی بزرگ در علم
حتی اگر یافته‌های DESI پابرجا بمانند، هنوز نمی‌دانیم ماهیت انرژی تاریک چیست. اما این یافته‌ها می‌توانند سرنخ‌های نیرومندتری از گذشته به ما بدهند.
مدل DESI می‌گوید انرژی تاریک در گذشته، زمانی که به نیروی غالب در جهان تبدیل شد، خاصیت دافعه خود را از دست داد. در گذشتهٔ دورتر، این انرژی حتی «فنری‌تر» از آن بوده که نظریه‌های ساده بتوانند توضیح دهند.
اگر داده‌ها دقیق‌تر شوند، شاید حتی نظریهٔ گرانش انیشتین را نیز به چالش بکشند.
