چرا جهان با سرعت بالايي در حال انبساط است؟

كيهان‌شناسان، براساس تشعشعات منتشرشده در فاصله‌ي كوتاهي از بيگ‌بنگ به محاسبه‌ي سرعت انبساط جهان (كه به ثابت هابل معروف است) مي‌پردازند. اين تشعشعات مي‌توانند مواد اوليه‌ي آغاز كيهان را با دقت بالايي آشكار كنند. كيهان‌شناسان مواد اوليه را وارد مدل تكامل كيهاني خود كرده و سپس مدل را براي مطالعه سرعت انبساط كيهان در شرايط حال، پياده‌سازي كردند؛ بااين‌حال، پيش‌بيني‌ها داراي كمبودهايي هستند.

كيهان‌شناسان معمولا هنگام رصد اجرامي مثل ستاره‌هاي تپنده و ابرنواخترهاي درحال انفجار، شاهد انبساط سريع جهان با ثابت بزرگتر هابل هستند. مباحثه تنش هابل با وجود افزايش دقت ارزيابي‌ها، به قوت خود باقي است. برخي اخترفيزيك‌دان‌ها معتقدند شايد تنش هابل چيزي بيش از يك خطاي اندازه‌گيري نباشد؛ اما اگر اين مفهوم واقعي باشد، به‌معني نقص در مدل كيهاني فعلي است.

اخيرا انديشه متخصصينيه‌پردازها، به‌دنبال مطالعه مواد جديد كيهاني هستند كه با اضافه كردن اين مواد به مدل استاندارد كيهاني، سرعت انبساط قابل انتظار جهان افزايش مي‌يابد و مي‌توان اين سرعت را با مشاهدات موجود تطبيق داد. به‌گفته‌يآوي لوئب، كيهان‌شناس دانشگاه هاروارد و يكي از پژوهشگرهايي كه راه‌حل‌هايي را براي مسئله‌ي تنش هابل پيشنهاد داده است: «كشف ناهنجاري‌ها، راهي بنيادي براي پيشرفت علم است.» در ادامه به فرضيه‌هاي برجسته‌ درباره‌ي افزايش سرعت انبساط جهان اشاره شده است.

در مدل استاندارد كيهان‌شناسي از شكل‌هاي مختلف ماده، پرتو و واكنش آن‌ها استفاده مي‌شود. همچنين اين مدل شامل ماده‌هايي موسوم به انرژي يا ماده‌ي تاريك است كه روي هم رفته ۹۶ درصد از كيهان را تشكيل مي‌دهند. ازآنجاكه اطلاعات بسيار اندكي درباره‌ي مواد تشكيل‌دهنده‌ي ماده‌ي تاريك وجود دارد، مي‌توان از آن براي تغيير مدل استاندارد استفاده كرد. به گفته‌ي لوئب:

ماده‌ي تاريك مي‌تواند يكي از علت‌هاي تغيير سرعت انبساط جهان باشد.

طبق مدل استاندارد، ماده‌ي تاريك از ذرات كم سرعتي تشكيل شده است كه با نور واكنش نمي‌دهند؛ اما اگر فرض كنيم ماده‌ي تاريك صرفا از يك ماده‌ي واحد تشكيل نشده است، چه اتفاقي خواهد افتاد؟ ازآنجاكه جهان مرئي از تعداد زيادي از ذرات مثل كوارك، الكترون و موارد ديگر تشكيل شده است پس مي‌توان انتظار داشت ماده‌ي تاريك هم از ذرات متنوعي تشكيل شده باشد.

لوئب و همكاران او با تغيير سرعت تجزيه و مقدار ماده‌ي تاريك از بين رفته در هر تجزيه، مدلي از ماده‌ي تاريك در حال تجزيه را انتخاب كردند كه به اعتقاد آن‌ها با ديگر مشاهدات نجومي، منطبق است. لوئب مي‌گويد: «اگر اين مواد را به مدل استاندارد كيهان‌شناسي اضافه كنيد، همه چيز به خوبي در كنار يكديگر قرار خواهد گرفت.»

لوئب هنوز از ايده‌ي ماده‌ي تاريك در حال تجزيه راضي نيست؛ زيرا دو كميت جديد مبهم را در معادلات خود معرفي كرده است. او با مقايسه‌ي فرضيه‌ي ماده‌ي تاريك در حال تجزيه با مقدار تدوير (دايره‌اي فرضي كه مركز آن روي مدار سياره است) در مدل زمين مركزي پيتولمي (رياضي‌دان و منجم يوناني) مي‌گويد: «در اين نمونه، دو پارامتر آزاد براي حل يك اختلاف اضافه مي‌شود؛ اما من ترجيح مي‌دهم دو اختلاف داشته باشيم كه با يك پارامتر توصيف شوند».

كيهان‌شناسان از زمان كشف حيرت انگيز افزايش سرعت انبساط جهان در سال ۱۹۹۸، انرژي تاريك رانشي را هم به مدل تكامل كيهاني خود اضافه كردند؛ اما ماهيت اين مدل هنوز به‌صورت يك راز باقي مانده است. ساده‌ترين احتمال اين است كه انرژي تاريك، «ثابتي كيهاني» باشد؛ يعني برابر با انرژي خود فضا با تراكم ثابت در تمام نقاط آن باشد؛ اما در صورتي كه مقدار انرژي تاريك جهان ثابت نباشد چه اتفاقي خواهد افتاد؟

بخش زيادي از انرژي تاريك در جهان آغازين يا انرژي تاريك اوليه، مي‌تواند تناقض‌هاي ثابت هابل را حل كند. فشار خارجي اين انرژي تاريك منجر به افزايش سرعت جهان شد. به گفته‌ي ليزا راندال، فيزيكدان ذرات و كيهان‌شناس هاروارد: بخش عجيب اين مسئله اينجا است كه انرژي تاريك آغازين نمي‌تواند در يك جا باقي بماند.

ليزا رندال، فيزيكدان ذرات و كيهان‌شناس دانشگاه هاروارد، فرضيه‌هايي را براي عوامل افزايش سرعت انبساط كيهاني ارائه داده است.

رندال و همكاران او راه‌حل‌هايي را براي تنش هابل ابداع كردند و مقاله‌ي خود را در مجله‌ي High Energy Physics منتشر كردند. هر كدام از مواردي كه به مدل استاندارد اضافه مي‌شوند، شكل رياضي متفاوتي دارند. در برخي، چگالي انرژي تاريك در حال نوسان است؛ درحالي‌كه در برخي ديگر از مقداري بالا به مقدار صفر حركت مي‌كند؛ اما در تمام موارد، انرژي تاريك آغازين ممكن است پس از چند صد سال در طول دوراني به‌نام تركيب مجدد، ناپديد شود. به‌گفته‌ي كاميونكفسكي، يكي از مؤلفان مقاله‌ي انرژي آغازين تاريك كه ماه گذشته در مجله‌ي Phisical Review Letters منتشر شد:

تاريخچه‌ي جهان از زمان تركيب مجدد، كاملا سازگار با مدل استاندارد است؛ بنابراين هر شيطنتي كه در جهان آغازين انجام دهيم، ناپديد خواهد شد.

انديشه متخصصينيه‌پردازان علاوه بر انرژي تاريك آغازين، شكل‌هاي ديگري از انرژي تاريك مثل انرژي تاريك اثيري و شبح‌وار را پيشنهاد مي‌دهند. چنين انديشه متخصصينيه‌هايي حتي سن جهان را تغيير مي‌دهند. با اينكه تمام ضميمه‌هاي مدل استاندارد، تنش هابل را كاهش مي‌دهند، به اعتقاد بسياري از كيهان‌شناسان اين انديشه متخصصينيه‌ها توجيه واضحي ندارند.

به‌گفته‌ي كاميونكفسكي، شكل‌هاي جديد ماده‌ي تاريك، همراه‌با ديگر دوره‌هاي انبساط در تاريخ جهان، اعتبار بيشتري پيدا مي‌كنند. براي مثال به اعتقاد اغلب كيهان‌شناسان، فضا در آغاز بيگ‌بنگ و در دوراني به‌نام تورم با سرعتي نمايي رشد مي‌كرد. دليل اين سرعت وجود انواع مختلف انرژي تاريك بود. به‌گفته‌ي كاميونكفسكي، معمولا دوره‌هاي تسلط انرژي تاريك بر جهان، در طول تاريخ تكرار مي‌شوند.

در مدل استاندارد كيهان‌شناسي، تمام شكل‌هاي شناخته‌شده‌ي ماده، تشعشعات و همچنين ماده‌ و انرژي تاريك در انديشه متخصصينيه‌ي گرانش آلبرت اينشتين صدق مي‌كنند و معادلات اينشتين هم انبساط جهان را اثبات مي‌كنند. درنتيجه در كنار تغييرات و اضافه شدن مواد كيهاني به مدل استاندارد، روش‌هاي ديگري هم براي تطبيق مدل با سرعت انبساط عيني كيهان وجود دارد. به گفته‌ي لوئب: «حتي مي‌توان فرض كرد معادلات اينشتين، صحيح نيستند.»

ويليام باركر، دانشجوي دكتراي دانشگاه كمبريج در تابستان گذشته روي انديشه متخصصينيه‌اي به‌نام «گرانش تغييريافته» كار مي‌كرد. باركر در حال كار روي مسئله‌ي تنش هابل، متوجه‌ تغيير گرانش در شرايط پرتوهاي شديد جهان آغازين شد. فشار تشعشعات منجر به افزايش سرعت انبساط كيهان شده است.

باركر و سه تن از مؤلفان در نسخه‌ي پيش‌انتشار مقاله‌ي Physical Review D، معتقدند كه براي توصيف چگونگي انبساط جهان و همچنين تكامل ساختار كهكشان‌ها و خوشه‌هاي كهكشاني نياز به تحليل‌هاي بيشتري دارد باتوجه به داده‌هاي دقيق تلسكوپ‌هاي جديد روي ساختارهاي داده‌اي، دستيابي به انديشه متخصصينيه‌اي منطبق با تمام مشاهدات، دستاوردي چشمگير خواهد بود. كاميونكفسكي مي‌گويد: «بسياري از انديشه متخصصينيه‌هاي گرانش تغييريافته، انديشه متخصصينيه‌هاي كاملي نيستند و به‌سختي مي‌توان به روشي پايدار، براساس مجموعه‌اي پيچيده از داده‌ها به محاسباتي دقيق دست يافت».

 راندال مي‌گويد: «طرح‌هاي پيشنهادي معمولا تك بعدي هستند. نكته‌ي جالب توجه اين است كه حتي چنين طرح‌هايي هم به سختي مي‌توانند مسئله را حل كنند».

اغلب مدل‌هاي غيراستاندارد صرفا مي‌توانند تنش هابل را كاهش دهند و قادر به حذف آن نيستند. طبق پيش‌بيني‌ها، سرعت انبساط كيهاني بيشتر از مدل استاندارد است؛ اما هنوز منطبق با مشاهدات سوپرنواها و ديگر اجرام نجومي نيست.

در سال‌هاي آينده، تلسكوپ يوكليد و ديگر ابزار نجومي، به مطالعه دقيق نقش گرانش و انرژي تاريك در تكامل كيهاني خواهند پرداخت. در عين حال، امواج گرانشي منتشرشده از برخورد ستاره‌هاي نوتروني هم، روشي جديد براي ارزيابي ثابت هابل ارائه خواهند داد. داده‌هاي جديد، راه‌حل‌هاي جديدي را براي تنش هابل ارائه خواهند داد؛ اما احتمال بروز شكاف‌هاي جديد در مدل استاندارد وجود خواهد داشت. در حال حاضر بسياري از كيهان‌شناسان، نسبت به پيچيده‌سازي مدل بي‌ميل هستند. رندال مي‌گويد: «فعلا بايد صبر كرد و تماشا كرد، مگر اينكه شخصي ايده‌ي بسياري خوبي ارائه كند».

رندال در ادامه افزود كه حتي اگر تنش هابل چيزي بيش از مجموعه‌اي از خطاها نباشد، اين جست‌وجو براي فيزيك نوين بيهوده نخواهد بود. او مي‌گويد: «گاهي نتايج جذابي از چنين جستجوهايي به دست مي‌آيند. اين پژوهش‌ها شما را وادار به تفكر درباره‌ي اين پرسش‌ها مي‌كنند: چه مي‌دانيم؟ و تا چه اندازه مي‌توانيم همه چيز را تغيير دهيم؟»