به گزارش مجله نجم
“مدل استاندارد” کنونی جهان، تاریخچه و تکامل آن، مدل ماده تاریک سرد لامبدا (LCDM) نامیده می شود، اما برتری این مدل، که در آن لامبدا نشان دهنده ثابت کیهانی و انرژی تاریک است، اکنون ممکن است تحت کنترل باشد. تهدید جدی
به طور خلاصه، به این دلیل است که مشاهدات جدید جهان نشان می‌دهد که انرژی تاریک، نیرویی که باعث می‌شود جهان سریعتر و سریعتر منبسط شود، در حال ضعیف شدن است. شاید این به خودی خود چندان زیاد به نظر نرسد، اما این کشف در واقع این پتانسیل را دارد که اولین تغییر پارادایم بزرگ در کیهان شناسی را از زمان کشف انبساط پرشتاب جهان در 25 سال پیش ایجاد کند. همچنین می تواند نشان دهد که جهان نه با یک “شکست بزرگ” یا یک “شکست بزرگ”، بلکه با یک “خراش بزرگ” به پایان می رسد. بیشتر در مورد آن به زودی ابتدا، اجازه دهید به این نتایج شگفت انگیز شیرجه بزنیم.
مربوط: بزرگترین نقشه سه بعدی جهان ما می تواند نشان دهد که انرژی تاریک در طول زمان تکامل می یابد
سرنخ‌های جدید در مورد تکامل انرژی تاریک به عنوان بخشی از یکی از عمیق‌ترین نقشه‌های کیهان ایجاد شده است که با استفاده از اولین سال داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط ابزار تحلیل انرژی تاریک (DESI) ساخته شده است. 5000 چشم رباتیک آن نور میلیون ها کهکشان را در بیش از یک سوم کل آسمان که از زمین دیده می شود جمع آوری می کند. سپس این نور به طیفی از رنگ‌ها تقسیم می‌شود و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا با اندازه‌گیری تغییر طول موج نور به نام «تغییر سرخ»، انبساط کیهان را در طی میلیاردها سال اندازه‌گیری کنند.
داده‌های جمع‌آوری‌شده از طریق این نظرسنجی که در بیش از یک پنجم زمان اجرای ماموریت DESI جمع‌آوری شده‌اند، نوید تغییرات بزرگی را می‌دهند و کیهان‌شناسان را در مورد آنچه در آینده می‌آید هیجان زده کرده است.
لوز آنجلا گارسیا پنالوزا، یکی از اعضای سابق کیهان‌شناسی می‌گوید: «انتشار این نتایج روز بزرگی برای کیهان‌شناسی بود، زیرا نشان‌دهنده تأثیر «کاهش» انرژی تاریک در طول زمان بود، به این معنی که در حال تکامل است و بنابراین اصلاً ثابت نیست. تیم DESI کیهان شناس دانشگاه ECCI در کلمبیا به Space.com گفت. “کشف انرژی تاریک پیشرفته به اندازه کشف انبساط پرشتاب خود کیهان انقلابی خواهد بود، اگر توسط داده های آینده تایید شود.”
مدل استاندارد کیهان شناسی چیست؟
مدل LCDM نشان می‌دهد که بلافاصله پس از انفجار بزرگ، جهان تا حد زیادی متراکم و به‌طور باورنکردنی داغ بود، اما همچنین به‌طور قابل‌توجهی صاف و نسبتاً یکنواخت یا همگن در همه جهات بود.
با انبساط جهان، نوسانات کوچکی در چگالی ظاهر شد و این تکه های متراکم رشد کردند. توده‌های ماده تاریک با تکامل جهان شروع به متراکم شدن کردند و اتم‌های تازه تشکیل‌شده در این توده‌ها مولکول‌های گاز را جمع کردند و گالوانیزه کردند. این منجر به جهان پر از کمی بیشتر از هیدروژن و هلیوم (دو سبک ترین و ساده ترین عنصر شیمیایی) و ماده تاریک شد.
اتصال الکترون ها به پروتون ها برای تشکیل اولین اتم ها به این معنی بود که نور به طور ناگهانی برای سفر آزاد شد، و این اولین نور امروزه به عنوان پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) دیده می شود، یک تشعشع فسیلی که می تواند چیزهای زیادی در مورد تاریخ به ما بگوید. از کیهان کائنات.
مناطق با چگالی بالا گاز و ماده تاریک را با هم جمع کردند و بذر اولین کهکشان ها در مدل LCDM را تشکیل دادند که فرو ریختند و پیش کهکشان ها را به دنیا آوردند. در این کهکشان های اولیه، هیدروژن و گاز هلیوم اولین ستاره ها را تشکیل دادند. سرانجام، پیش‌کهکشان‌ها و هاله‌های اطرافشان با هم ادغام شدند و کهکشان‌های بزرگتر و بزرگ‌تری را تشکیل دادند.
اما مهمتر از آن، در این مدل، انرژی تاریک با لامبدا نشان داده می شود. فرض بر این است که لامبدا در طول زمان ثابت می ماند.
گارسیا پنالوزا گفت: «DESI دید که معادله حالت جهان با مدل معمول LCDM مطابقت ندارد، اما در عوض اشاره‌ای به این دارد که انرژی تاریک با زمان در حال تغییر است.» «این نتایج پنجره‌ای را به روی مدل‌های انرژی تاریک متغیر باز می‌کند، زیرا انحراف از معادله حالت ثابت را نشان می‌دهند.
این بسیار تعجب آور بود، زیرا بیشتر مشاهدات کیهانی تا به امروز به نفع مدل LCDM بودند.
اگر این نتایج جدید از DESI ثابت شود – و به نظر می رسد در حال حاضر بسیار قوی هستند – ثابت کیهانی ممکن است دیگر نماینده کافی برای قدرت مرموز انرژی تاریک نباشد.
با این حال، برخی از فیزیکدانان ممکن است از خلاص شدن از شر ثابت کیهانی استقبال کنند. نه تنها برای چندین دهه سردرد بوده است، بلکه این اولین باری نیست که درک رو به رشد ما از جهان هستی خواستار حذف آن شده است.
بازگشت به سطل زباله نظری
ثابت کیهانی که با حرف یونانی Lambda نشان داده می شود، از اوایل قرن بیستم یک مشکل بزرگ برای فیزیکدانان بوده است.
در سال 1915، آلبرت انیشتین آنچه را که مسلماً انقلابی‌ترین نظریه او بود، یعنی نسبیت عام، ارائه کرد که گرانش را مفهومی توصیف می‌کند که از انحنای فضا و زمان پدیدار می‌شود – انحنای ناشی از اجسام با جرم.
دو سال بعد، در سال 1917، انیشتین و ستاره شناس هلندی ویلم دی سیتر نشان دادند که می توان از معادلات نسبیت عام برای توصیف جهان استفاده کرد، البته معادلات بسیار ساده شده. اما مشکلی وجود داشت. جهان توصیف شده توسط معادلات نسبیت عام، جهان ایستا را توصیف نمی کند. در آن زمان، در فیزیک، اجماع عمومی بر این بود که جهان ساکن است، نه در حال انبساط و نه منقبض، و انیشتین با این اجماع موافق بود. بنابراین، او نوعی «ضریب تصحیح» را به معادلات خود اضافه کرد: ثابت کیهانی یا لامبدا.
این باعث متعادل شدن جهان شد و فشار و کشش مناسب را برای پایدار نگه داشتن آن اضافه کرد.
حدود 12 سال بعد، در سال 1929، ادوین هابل در حال مطالعه کهکشان های دوردست بود و متوجه شد که نور آنها در حال کشیده شدن یا “انتقال به سرخ” است. او استدلال کرد که هر چه کهکشان دورتر باشد، این تأثیر بیشتر است. این نشان می دهد که جهان ساکن نبوده، بلکه در واقع در حال انبساط بوده است. دانشمندان هفت دهه آینده را صرف اندازه گیری سرعت این انبساط خواهند کرد که با مقداری به نام ثابت هابل تعیین می شود.
اینشتین که دیگر نیازی به توصیف یک جهان ساکن نداشت، ثابت کیهانی را از معادلات خود برای جهان حذف کرد و ادعا کرد که معرفی لامبدا را “بزرگترین اشتباه خود” نامیده است. اما ثابت کیهانی برای مدت طولانی در سطل زباله کیهانی باقی نخواهد ماند. قبل از پایان قرن بیستم، لامبدا به شکلی بزرگ و با نقشی جدید بازخواهد گشت.
در سال 1998، دو تیم مجزا از ستاره شناسان در حال مشاهده ابرنواخترهای نوع 1a دوردست بودند و از آنها برای اندازه گیری فاصله کیهانی استفاده می کردند که متوجه شدند سرعت انبساط کیهان در واقع آنطور که انتظار می رود کند نمی شود. داره شتاب میگیره انرژی تاریک سپس به عنوان یک مکان نگهدار برای هر چیزی که به نظر می رسد باعث این انبساط شتابان می شود، ارائه می شود.
گارسیا پنالوزا گفت: «با وجود این واقعیت که 70 درصد از کل بودجه ماده و انرژی در جهان را تشکیل می دهد، هیچ کس نمی داند چیست.
در بسیاری از مدل‌های کیهان، از جمله مدل غالب LCDM، انرژی تاریک با ثابت کیهانی نجات‌یافته یا لامبدا نشان داده می‌شود که اکنون با گرانش مقابله می‌کند و بافت فضا و زمان را با سرعتی شتاب‌دهنده دور می‌کند.
با این حال، پس از معرفی آن به عنوان مقداری برای انبساط شتابان فضا، ثابت کیهانی یک مشکل باقی ماند. مقادیر به دست آمده با مشاهده ابرنواخترهای دوردست و مقدار پیش بینی شده توسط نظریه های فیزیک کوانتومی به طور چشمگیری تغییر می کند و تا 10 به توان 121 (1 به دنبال آن 121 صفر) واگرا می شود.
آیا چیزی نزدیکتر به درک انرژی تاریک وجود دارد؟
برای درک اینکه چرا انرژی تاریک و انبساط پرشتاب جهان تا این حد تکان دهنده است، این تشبیه زمینی را در نظر بگیرید: تصور کنید که یک کودک را در یک تاب یک فشار بزرگ بدهید. این شبیه انفجار بزرگ است که منجر به انبساط جهان شد. با گذشت زمان، تاب شما احتمالا کند می شود و به تدریج به نقاط پایین تر در قوس خود می رسد، درست است؟ این شبیه به کاهش سرعت انبساط جهان با پیر شدن جهان است.
اما پس از آن، به طور ناگهانی، بدون دادن یک فشار دیگر هنگامی که نوسان در شرف توقف است، تصور کنید که ناگهان حرکت را از سر می گیرد. نه تنها این، بلکه تصور کنید که سریعتر و سریعتر در حال چرخش هستید و به نقاط بالاتر و بالاتر می رسید. این معادل کار انرژی تاریک است که از ثابت کیهانی برای توصیف آن استفاده می شود.
جای تعجب نیست که دانشمندان مشتاقند علت این افزایش کیهانی اضافی را تعیین کنند. کشف اینکه انرژی تاریک ضعیف تر به نظر می رسد لایه ای از پیچیدگی را به وضعیت اضافه می کند.
گارسیا پنالوزا توضیح داد: «این یک شاخص واقعا خوب است که مدل LCDM ممکن است دقیقاً «پاسخ نهایی» به ماهیت انرژی تاریک نباشد. این پیشرفت بزرگی است، اما این نتایج احتمالاً ما را به این پاسخ نزدیکتر نمی‌کند؛ آنها به ما می‌گویند چگونه انرژی تاریک را بر حسب زمان توصیف کنیم، شاید به عنوان مایعی که جهان را پر می‌کند و می‌توان آن را با یک غیره توصیف کرد. معادله حالت ثابت».
با بازگشت به قیاس چرخش، کشف علت فشار نامرئی اضافی برای درک سرنوشت کودک در آن تاب بسیار مهم است: آیا او در بوته، سالم روی زمین فرود می آید یا به فضا پرتاب می شود؟ به همین ترتیب، درک انرژی تاریک بسیار مهم است زیرا تکامل یا فقدان آن، سرنوشت جهان را تعیین خواهد کرد. همچنین می تواند به ما نشان دهد که دیدگاه ما از زمین در آینده چگونه خواهد بود.
گارسیا پنالوزا گفت: «یک سناریو این است که اگر انرژی تاریک ثابت کیهانی تغییرناپذیر بود، در طول اعصار تمام کهکشان‌ها آنقدر از هم دور می‌شدند که آسمان شب بالای زمین خالی می‌شد.»
این امر می‌تواند منجر به پایان یافتن جهان به عنوان یک جهان سرد از کهکشان‌های مرده کاملاً جدا شده، به اصطلاح «سرمای بزرگ» شود. از طرف دیگر، تداوم انبساط با شتاب می‌تواند باعث پاره شدن بافت فضا-زمان شود، سناریویی به نام بیگ ریپ.
با این حال، نقشه جدید DESI می تواند سرنوشت کیهانی متفاوتی را نشان دهد، زیرا جهان دوباره به حالت داغ و متراکم فرو می ریزد که لحظاتی پس از انفجار بزرگ دیده می شود. گارسیا پنالوزا افزود: «اگر آنچه نتایج سال اول DESI نشان می‌دهد درست باشد، انبساط پرشتاب جهان در نهایت متوقف می‌شود و معکوس می‌شود و جهان می‌تواند تحت تأثیر گرانش شروع به همگرایی کند.» این می‌تواند در نهایت منجر به پایان جهان در سناریوی «خراش بزرگ» شود.»
گارسیا پنالوزا و دیگر کیهان شناسان مشتاقند ببینند مشاهدات DESI در چهار سال آینده چه چیزی را برای درک ما از جهان، منشأ و سرنوشت آن به ارمغان خواهد آورد.
به‌ویژه، گارسیا پنالوزا گفت که در سال‌های دوم و سوم عملیات DESI، تلسکوپ باید اعوجاج‌های انتقال به سرخ فضا را بررسی کند، زیرا این داده‌ها نتایج قوی DESI را حتی چشم‌گیرتر می‌کند. سال آخر نتایج DESI باید مصادف با انتشار اولین سال داده‌های تلسکوپ فضایی اقلیدس باشد که در 1 ژوئیه 2023 به فضا پرتاب شد و “ضربه مضاعف” قدرتمندی را برای درک ما از جهان ایجاد کرد.
گارسیا پنالوزا در پایان گفت: «ما از دو مأموریت بسیار متفاوت، دیدی بسیار یکپارچه از جهان خواهیم داشت. آنها به ما دید کاملاً جدیدی از نحوه رفتار کیهان و چگونگی شکل‌دهی انرژی تاریک به ساختار جهانی به طور گسترده‌تری به ما خواهند داد.»
