کیهانشناسی در هزاره نو (۲)

ساختار جهان در مقیاس بزرگ

جهان امروز ساختارهاى فراوانى را در خود جاى مى دهد، از خوشه ها و ابرخوشه ها گرفته تا پهنه ها، فضاهاى خالى و رشته هاى ماده موجود در خلأ.فناورى لازم براى این نقشه بردارى به وسیله طیف نگارهاى جدیدى تامین مى شود که مى توانند میل به قرمز صدها کهکشان را در آن واحد تعیین کنند. عظیم ترین این پروژه ها نقش ۲dFGRS است که با در نظر گرفتن حدود ۲۵۰ هزار میل به قرمز رسم شده و همچنین نقشه بردارى SDSS که شمار میل به قرمز آن در حدود پروژه اول است اما قصد دارد تا سال ۲۰۰۴ این مقدار را به هفتصدهزار افزایش دهد. ما اکنون مى دانیم که نظام هایى به بزرگى ۳۰۰ میلیون سال نورى وجود دارند که بزرگ ترین ساختارهاى جهان محسوب مى شوند.

ساختارهایى که به وسیله کهکشان ها رسم شده اند علاوه بر نشان دادن نحوه توزیع ماده تاریک، راهى غیرمستقیم براى بررسى اولین لحظات جهان فراهم مى کند. این بررسى از تئورى جهان نخستین حاصل مى شود. این تئورى شرایط شکل گیرى اولیه ساختارها را مشخص مى کند. ماده تاریک سرد (که بسیار آهسته تر از نور حرکت مى کند و تنها در برابر نیروهاى گرانشى عکس العمل نشان مى دهد) و ناهمگنى هاى کوچک در توزیع (که از نوسانات کوانتومى در حین تورم به وجود مى آیند.)

این شرایط را تشکیل مى دهند. هنگامى که جهان ده هزار ساله بود، تشدید گرانش برآمدگى هاى کوچک در ماده تاریک سرد شروع شد که این تشدید سرانجام به نظام هایى که ما امروزه رصد مى کنیم، انجامید. کلید آزمودن رابطه میان این موقعیت هاى ابتدایى و نقشه کنونى کهکشان ها شبیه سازى هاى کامپیوتر نیست.

منجمان خواص جهان هایى را که با توجه به پارامترهاى کیهان شناختى و موقعیت هاى آغازین متفاوت، شبیه سازى شده اند محاسبه مى کنند و با آنچه در دنیاى واقعى رصد مى شود مقایسه مى کنند. این شبیه سازى ها باهم مغایرت دارند و با توجه به پیش بینى هایى براى چند جهان متفاوت انجام مى شوند. براى مثال براى جهانى که تنها حاوى ماده تاریک داغ است.

(نوترینوهایى که با سرعتى نزدیک سرعت نور حرکت مى کنند) یا جهانى که فقط از ماده معمولى ( باریونى) تشکیل شده و یا دنیایى با چگالى بحرانى تحت تاثیر ماده تاریک سرد. البته مدل هاى تخت شامل ماده تاریک سرد فراوان و حتى انرژى تاریک بیشتر به خوبى با ساختار مقیاس بزرگ جهان که امروزه نقشه بردارى شده قابل مقایسه هستند. آزمایش دیگرى که براى بررسى تئورى هاى پیدایش جهان انجام مى شود از رصد آغاز پیدایش کهکشان ها نتیجه مى شود. در مدل حاوى ماده تاریک سرد ساختارها به صورت سلسله مراتبى شکل مى گیرند.

در این سلسله مراتب کهکشان هاى آغازین درمیل به قرمز ۶ یا ۷ ظاهر مى شوند و کهکشان هایى مانند راه شیرى با میل به قرمز در حدود ۱ یا ۲، سپس پیدایش کهکشان ها با خوشه هایى درمیل به قرمز یک یا کمتر و ابرخوشه هایى که اخیراً به هم پیوسته اند، ادامه پیدا مى کند. در حالى که رصد قطعى کهکشان هاى اولیه در انتظار پرتاب تلسکوپ فضایى جیمزوب است، این زنجیره تکاملى با رصد قسمتى از جهان که میل به قرمز زیادى دارد مطابقت مى کند.

کشف تشعشع مایکروویو کیهانى در سال ۱۹۴۶ به وسیله آرنوپنزیاس و رابرت ویلسون مسیر کیهان شناسى را تغییر داد.

این پدیده برداشتى کلى به کیهان شناسى ارائه کرد. وقتى که جهان ۴۰۰ هزار ساله و۳/۱ میلیارد بار چگالى تر از امروز بود. این تابش باقى مانده از انفجار بزرگ ثابت مى کند که جهان، آغازى داغ داشته است. کشفى که در سال ۱۹۹۲ توسط کاوشگر تشعشعات کیهانى (COBE) صورت گرفت تقریباً به اهمیت کشف وجود این تشعشات بود. دماى CMBR (که به طور متوسط ۷/۲ درجه بیشتر از صفر مطلق است) در پهناى آسمان با تفاوت حدوداً ۰۰۱/۰ تغییر مى کند. این عدم تقارن هاى کوچک مدارک محکمى براى ناهمگنى هاى چگالى اى است که احتمالاً ساختارهاى امروزى جهان را شکل داده اند.

وسیله به کار رفته درCOBE که تفاوت هاى کوچک دمایى را شناسایى کرد، تنها مى توانست پدیده هایى را تفکیک کند که در پهنه آسمان بیشتر از حدود ۷ درجه پهنا داشتند- اجزایى معادل بزرگ ترین ساختارهاى قابل رؤیت در جهان امروز- عدم تقارن ها در مقیاس هاى زاویه اى که با واحد دقیق قوسى اندازه گیرى شده اند، اطلاعاتى در مورد نوسانات چگالى که کهکشان ها و خوشه هاى کهکشانى را پراکنده کرده اند، فراهم مى کنند.

علاوه براین مى توان با مطالعه این پدیده و بررسى خصوصیات جهان نوزاد به وسیله ابزارهایى با قدرت تفکیک بالاتر از COBEنظریه تورم را مورد آزمایش قرار داد و پارامترهاى کیهانى شناختى مانند تقعر جهان و چگالى ماده معمولى و تاریک را اندازه گیرى کرد.نقاط داغ و سرد آسمان نقشه بردارى شده با مایکروویو علاوه براینکه به برآمدگى آغازینى که امروزه به وسیله تورم منتقل شده بستگى دارند، بلکه با پارامترهاى مهمى از کیهان شناسى نیز رابطه دارند.

پى بردن به این حقیقت باعث به وجود آمدن جوش و خروش زیادى براى فعالیت هاى تجربى شده است. بیش از بیست آزمایش زمینى و هوایى از زمان COBE تا به حال براى بررسى CMBR صورت گرفته است. این تلاش ها به تجربه ماهواره اى دیگرى انجامید که تاکنون سرتاسر آسمان مایکروویو را با قدرت تفکیک۳۰ برابر و حساسیت ۱۰۰ برابر COBE نقشه بردارى مى کند. این پروژه که فضاپیماى پژوهشى مایکروویو WMAP نام دارد، اکنون با به پایان رساندن اولین سال ماموریت چهارساله اش نقشه اى تماشایى از جهان نوزاد تهیه کرده، شگفتى اى که WMAP براى کیهان شناسان به ارمغان آورد این بود که هیچ چیز شگفت آور نبود! وبا محاسبات قبلى تطابق خوبى داشت، هرچند معلوم شد پیدایش ستارگان زودتر از آنچه پیش بینى شده بود شروع شده _ تنها ۲۰۰ میلیون سال بعد از انفجار بزرگ WMAPموقعیت جهانى که قبلاً پیش بینى شده بود را تحکیم کرد – جهانى ۵/۱۳ میلیارد ساله شامل یک سوم تا یک دوم ماده و انرژى تاریک و ۴ درصد ماده معمولى (باریونى). این پروژه همچنین مقدار به دست آمده براى ثابت هابل توسط پروژه کلیدى هابل (HSTKP) را تایید مى کند.

نتایج WMAP با ایده کلى تورم سازگارى دارند ولى تورم نظریه اى با گونه هاى متعدد است و با درست انگاشتن یکى از آنها، دقت بى سابقه WMAP عصر جدیدى را براى نظریه پردازان کیهان شناسى شروع مى کند.

•مرزهاى نوین

در این دوران هیجان انگیز کیهان شناسى، کشفیات جدید با بالا بردن سطح آگاهى باعث پدید آمدن چند سرى سئوال شده اند: ماده تاریک چیست؟ ماهیت انرژى تاریک اسرار آمیز و گرانش دفعى آن چیست؟ چرا طرز کار جهان ما تا این حد پیچیده است؟ و دنیا چطور آغاز شد؟ این سئوالات در عین سادگى نشان مى دهند تکامل دانش ما در شناخت جهان به چه سطحى رسیده است. آخرین سئوال- دنیا چطور آغاز شد؟- از آن دسته سئوالاتى است که بشر براى چند هزار سال از خود پرسیده است.

با توجه به متن نسبیت عام، پاسخ ساده است: انفجار بزرگ تنها آفریننده ماده، فضا و زمان است، بدون توضیح بیشتر. این جواب البته قانع کننده نیست و دلایلى وجود دارند که بپذیریم پاسخ عمیق ترى براى این سئوال هست. نسبیت عام شرحى ناقص از گرانش است چون شامل مکانیک هاى کوانتومى نمى شود و گرانش را با دیگر نیروهاى بنیادى تلفیق نمى کند. بیشتر فیزیکدانان معتقدند نسبیت عام حرف آخر را در مورد گرانش نمى زند و نظریه اى گسترده تر مى تواند شگفتى هایى مانند انفجار بزرگ را توضیح دهد: در حال حاضر نظریه ریسمان (که بهM-Theory نیز معروف است) با وجود ناقص بودن و مورد آزمایش قرار نگرفتن بهترین تفکر را در مورد پیوند گرانش، دیگر نیروهاى بنیادى و مکانیک هاى کوانتومى ارائه مى دهد. با اینکه نظریه تورم ریشه اى در نظریه ریسمان ندارد، اما امکان دارد در آخر توضیح خود را در این نظریه بیابد و هر چند تورم نظریه اى محکم است اما به آزمایشات عملى بیشترى نیازدارد.

دو نتیجه از سه نتیجه اى که این نظریه پیش بینى مى کند تا به حال مراحل اولیه آزمایشات خود را پشت سرگذاشته اند و در آینده به طور جدى ترى این آزمایشات پیگیرى مى شوند. این دو نتیجه عبارتند از: تخت بودن فضا و سر منشاء کوانتومى ناهمگن بودن ماده موجود در جهان. پیش بینى سوم- وجود

پس زمینه اى از امواج گرانشى _ نیز به وسیله آزمایشاتى پى گیرى مى شود که به دنبال رد قطبشى اندکى مى گردند که امواج گرانشى مى توانند به روى CMBRایجاد کنند. نظریه ریسمان تاکنون توضیحى فیزیکى براى انرژى تاریک فراهم نکرده و این یک اشکال عمده است. هنوز سئوالات کیهان شناسى مهم دیگرى نیز مطرحند. مثلاً چه زمانى اولین ستاره ها شکل گرفتند؟ کهکشان هاى منفرد چگونه تشکیل شدند و چطور تکامل مى یابند؟ کى و کجا عناصر شیمیایى اى که بعد از عناصر موجود در انفجار بزرگ بودند (عناصر سنگین ترى که براى حیات ما مفید هستند)پدید آمدند؟ قسمت عمده ماده معمولى جهان کجاست و آیا فقط شامل گاز داغ است؟ پاسخ به این سئوالات نیازمند رصدها و وسایل جدید و همچنین مدل هاى جدید و پیچیده ترى است که ما در میانه دوران بزرگى از اکتشافات کیهان شناختى هستیم. اگر موفق شویم نظریه هایمان را با هر کشف جدیدى تطبیق دهیم، مى توانیم به جهشى بزرگ در درکمان از جهان و جاى خودمان درمیان آن برسیم.

منبع :Sky & Telescope, Oct.2003 – روزنامه شرق – پنجشنبه