انرژی فانتوم و گرانش تاریک

چه عاملی باعث می‌شود جهان به شکلی که اکنون در پیش گرفته است رفتار کند؟ این سؤالی است که دانشمندان صدها سال در تلاش برای پاسخ دادن به آن بوده اند. درک ما از جهان بطور گسترده‌ای از تئوری نسبیت عام اینشتین گرفته تا ماده تاریک و انرژی تاریک، افزایش یافته است. با این حال، با گسترش دانش ما، این توصیفات از کیهان به طور فزاینده‌ای در تنازع و تلاش هستند تا با آن‌چه مشاهده می‌کنیم سازگار باشند، بنابراین دانشمندان اکنون در حال یافتن ایده‌های جدید از “تابشِ تاریک” و “انرژی فانتوم” برای توضیح آنچه می‌بینیم، هستند. با ادامه مشاهده و مطالعه جهان پیرامون خود با استفاده از ابزارهای دقیق‌تر و سیستم‌های پیچیده‌ی پردازش داده، ثابت شده است که این یافته ها غیر منتظره هستند. شاید مشهورترین این یافته‌ها، تحقق و فهم تدریجی این باشد که هر آن‌چه در جهان از جمله، ابری از گرد و غبار، میدان سیارکی، سیاره، ستاره، سحابی و خوشه کهکشانی که می‌توانیم مشاهده کنیم، جرم کافی برای اطمینان از راهی که جهان به روشنی در پیش رو گرفته، ندارد – حداقل طبق مدل‌ استاندارد کیهان‌شناسی و بر مبنای نظریه نسبیت عام اینشتین.

یک راه حل بالقوه برای این مشکل اولین بار در اوایل دهه 1930 در مورد ماده تاریک پیشنهاد شد، که اصطلاحاً به این دلیل نام نهاده شده که باید از ماده‌ای تشکیل شود که با نور مرئی یا در واقع هر قسمت از طیف الکترومغناطیسی نه واکنش نشان دهد و نه نوری ساطع کند. بنابراین سمت تاریک جهان متولد شد. اگرچه ستاره‌شناسان اخیراً با شناسایی تأثیر گرانشی ماده تاریک به طور غیرمستقیم، اطلاعات بیشتری از جمله این واقعیت حیرت انگیز که این ماده باید حدود 23٪ از جرم کل جهان را تشکیل دهد، کسب کرده‌اند. با این وجود، هرگاه ماده تاریک به نظریه اینشتین اضافه شود، از تشکیل ستاره گرفته تا این واقعیت که کهکشان‌ها به دلیل سرعت چرخش خود به راحتی از هم دور نمی‌شوند را با این واقعیت تطابق می‌دهد.

اما این فقط مربوط به ماده تاریک نیست. در سال 1929 مشاهدات انجام شده توسط ادوین هابل نشان داد که به نظر می‌رسد جهان در حال انبساط است که طبق آن بیشتر کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما هستند، و آن‌هایی که در فاصله دورتری بودند با سرعت بیشتری این کار را انجام می‌دادند (با سرعت بیشتری در حال دور شدن بودند). همبستگی بین فاصله و سرعت که در آن جهان در حال انبساط است، به زودی ثابت هابل لقب گرفت، اما اجازه ندهید که این نام شما را فریب دهد – همانطور که مشخص شد، انبساط یافتن جهان نه ثابت است و نه تغییرناپذیر. هنگامی که صحبت از آن‌چه باعث این انبساط می‌شود، به میان آمد، منجمان سرانجام ایده انرژی تاریک را به عنوان یک راه حل انتخاب کردند – یک شکل ناشناخته از انرژی که در تمام فضا نفوذ می‌کند که این اطمینان را می‌دهد که ماده به طور فزاینده‌ای ماده را دفع می‌کند. باز هم، برای اینکه تئوری انیشتین مؤثر باشد وکار کند، این انرژی تاریک باید بیش از دو سوم – حدود 73٪ – انرژی موجود در جهان را تشکیل دهد. با این وجود، در دهه‌های اخیر، شواهد غیرمستقیمی پیدا شده است که ایده انرژی تاریک را پشتیبانی می‌کند، مهم‌تر از همه هنگامی است که ستاره‌شناسان اندازه‌گیری فاصله و ارتباط آنها را با انتقال به سرخ  (redshift)در نور شناسایی شده از اجسام مقایسه می‌کنند. یکی از این نمونه شواهد که به نفع انرژی تاریک است، این واقعیت است که به نظر می‌رسد جهان در نیمه دوم عمر خود بیشتر انبساط یافته است. انرژی تاریک ممکن است به خوبی توضیح دهد که چرا اندازه‌گیری‌های انجام شده از الگوهای جهت در تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی (CMB) پیروی می‌کند، این نشان می‌دهد که جهان نزدیک به مسطح بودن است که فقط در صورتی امکان‌پذیر است که  نوعی انرژی ناشناخته برای متعادل کردن تراکم کلی آن در مقابل مقدار ناکافی جرم ماده و ماده تاریک ترکیب شده در جهان، وجود داشته باشد.

با این حال، در حال حاضر ماده تاریک و انرژی تاریک برای هماهنگ نگه داشتن مدل استاندارد کیهان‌شناسی با نحوه کار جهان واقعی، کافی نیستند. کیهان‌شناسان به طور فزاینده‌ای در مورد تابش تاریک و شکل خاصی از انرژی تاریک صحبت می‌کنند که به آن انرژی فانتوم گفته می‌شود. این انرژی فانتوم نجومی را نباید با انرژی فانتوم یا “انرژی ومپایر” که توسط تجهیزات الکتریکی که از شبکه خاموش در حالی که هنوز به برق متصل است، کشیده شده‌اند،  اشتباه گرفت.

همچنین صحبت از گرانش “تاریک” یا “اصلاح شده” است، رویکردی تا حدودی افراطی‌تر که نشان می‌دهد ما به راحتی ماهیت اساسی جهان و گرانش آن را به ویژه در مقیاس‌های عظیم کیهان‌شناسی درک نمی‌کنیم –  در واقع از قوانینی که نظریه نسبیتِ عام اینشتین وضع کرده پیروی نمی‌کند. رابرت کالدول یک فیزیکدان نظری در کالج دارتموث، نیوهمپشایر است، که تحقیقات وی در زمینه پرداختن به سوالاتی در مورد خصوصیات اساسی جهان متمرکز است، گفت: “حدس می‌زنم که تقریبا از سال 2000 در مورد آنها بحث شده باشد.” و “انرژی تاریک و گرانش تاریک هر دو پیشنهادی هستند که سرعت چشمگیر انبساط کیهانی را توضیح می‌دهند که در غیر این‌صورت نمی‌تواند توضیح داده شود. برخی اظهار داشتند که شاید گرانش در مقیاس‌های کیهان‌شناسی توصیف دیگری داشته باشد، بنابراین این امر تحت نام گرانش اصلاح شده یا تاریک است – من به نوعی” گرانش تاریک “را بیشتر دوست دارم. تابش تاریک، یک تابش جالب است. من حدس می‌زنم واقعاً جایی که به وجود می‌آید که فاصله بین مقدار “مجاز” تابش در کیهان اولیه و میزانی است که می‌توانیم حساب کنیم است.

انگیزه اخیر برای صحبت در مورد جنبه‌های جدیدتری از جهان “تاریک” ،  مقاله علمی بود که توسط آدام ریس از دانشگاه جانز هاپکینز ، همراه با 14 همکار نویسنده از 11 موسسه تحقیقاتی در سراسر جهان نوشته شده است و در ژوئن 2016 منتشر شد. بر اساس دقیق‌ترین محاسبات فاصله زمین تا 19 کهکشان مختلف – با تکیه بر “معیارهای” بیش از 2000 ستاره متغیر قیفاووسی و ابرنواخترهای نوع 1a، یافته‌های این مقاله حیرت آور بودند.

براساس این مطالعه، سرعت تجدید نظرشده انبساط جهان، 45.5 مایل در ثانیه (73.2 کیلومتر در ثانیه) برای هر 3.26 میلیون سال نوری است  – یعنی هر 3.26 میلیون سال نوری دورتر که نگاه کنیم، کیهان ۴۵.۵ مایل در هر ثانیه (۷۳.۲ کیلومتر بر ثانیه) سریع‌تر منبسط می‌شود. با این سرعت، فاصله بین اجرام کیهانی احتمالاً در 9.8 میلیارد سال دیگر دو برابر می‌شود. چالش را  این رقم تصحیح شده ایجاد می‌کند با این وجود این سرعت انبساط با سرعت انبساط پیش‌بینی شده از اندازه‌گیری‌های گسترده‌تر از تابش پس‌زمینه کیهانی که توسط ماهواره پلانکِ آژانس فضایی اروپا اندازه‌گیری شده است تطابق ندارد. در حقیقت ، این اختلاف سه تا چهار برابر عدم قطعیت موجود در آخرین ارقام است. به بیان ساده، این مقاله نشان می‌دهد که جهان در حال حاضر 9 درصد سریع‌تر از آنچه باید باشد در حال انبساط است، حداقل طبق پیش‌بینی‌های منجمان.

برد تاکر، یکی از نویسندگان مقاله از رصدخانه Mount Stromlo در دانشگاه ملی استرالیا، گفت: ” یا چیزی را نادیده گرفته‌ایم، نوع جدیدی از ماده وجود دارد که ما نمی‌دانیم چیست یا چیزهایی که ما از قبل می‌دانیم واقعاً عجیب و دیوانه‌وار هستند و اتفاقات جالبی در جریان است. ما یا باید چیز جدیدی اضافه کنیم یا واقعاً باید بفهمیم ماده تاریک و انرژی تاریک چیستند و واقعیت آنها چه هست.”

انرژی فانتوم و انبساط جهان

این شکل مرموز از انرژی تاریک به خوبی می‌تواند با گسستن باعث از بین رفتن کیهان ما شود.

آدام ریس در آن زمان گفت: در حالی که شک و شبهه‌هایی در صحت برخی از این داده‌های CMB وجود دارد، با توجه به ارزش ظاهری آن‌ها به نظر می‌رسد که ممکن است ما درک درستی نداشته باشیم، و این که اکنون ثابت هابل چقدر باید باشد را تغییر می‌دهد.

” این یافته غیرمنتظره ممکن است یک سرنخ مهم برای درک آن قسمت‌های مبهم و اسرارآمیزی از جهان باشد که 95٪ از همه چیز را تشکیل می‌دهند و از آنها نور ساطع نمی‌شود، مانند انرژی تاریک ، ماده تاریک و تابش تاریک.”

با توجه به گستردگی و دامنه آن، ستاره‌شناسان در سراسر جهان یافته‌های ریس و همکارانش را بسیار جدی گرفته‌اند. از این گذشته، ریس در سال 2011 جایزه نوبل فیزیک را برای کشف اولیه این‌که که جهان نه تنها در حال انبساط است، بلکه سرعت انبساط نیز در حال افزایش است، به صورت مشترک برنده شد.

اریک ورلیند از دانشگاه آمستردام از سال 2010 بیشتر وقت خود را صرف تلاش برای ایجاد نظریه‌ای کاملاً جدید در مورد گرانش کرده است، نظریه‌ای که چنین مشاهداتی را بدون نیاز به فراخوانی ماده تاریک و انرژی تاریک توضیح می‌دهد. این امر منجر به نظریه گرانش نوظهور وی شد، اصطلاحاً به این دلیل که گرانش در نهایت یک نیروی اساسی نیست، بلکه شبیه دمای حاصل از حرکت ذرات است، یک پدیده ظهوری (Emergent) است.

این تا حدودی بهتر با مکانیک کوانتوم، فیزیک دنیای بسیار کوچک، تا تئوری نسبیت عام، فیزیک دنیای بسیار بزرگ، همخوان است، که مدت‌هاست برای کسانی که به دنبال به اصطلاح تئوری همه چیز هستند، یک مشکل شده است.

یک مساحی (نقشه‌برداری) بین المللی با بررسی عدسی‌های گرانشی ناشی از کهکشان‌ها که در دسامبر 2016 در مجله Monthly Notices of the Royal Astronomical Society، منتشر شده است، دریافت که معادلات اریک ورلینده می‌تواند مشاهدات را بدون نیاز به ماده تاریک توضیح دهد. این اولین آزمایش گرانش نوظهور بود، اما هنوز برای اینشتین به هیچ وجه به پایان نرسیده است.

در اینجا یک مخالفت و بی‌میلی قابل درک وجود دارد که کاملا نظریه گرانش اینشتین و داده‌های به خوبی تثبیت شده در مورد CMB را کنار بگذارد. ممکن است مورد اول ناقص باشد اما این به معنای غلط بودن نیست. تعجب چندانی ندارد که بسیاری از ستاره‌شناسان ترجیح داده‌اند پدیده‌ای ناشناخته‌ی فیزیکی وجود داشته باشد که مسئول اختلاف بین نظریه و مشاهدات باشد. با در نظر گرفتن انرژی تاریک که تاکنون تصور می‌شده که اساس سرعت بخشیدن به انبساط جهان باشد، این قدم بزرگی به شمار نمی‌آید که روش‌هایی  پیشنهاد شود که در آن آن‌ها ممکن است کهکشان‌ها را با قدرت حتی بیشتر از آنچه انتظار می‌رود از یکدیگر دور کرد. با این حال، ایده دیگری با حمایت فزاینده این است که این انبساط بیشتر از حد انتظار جهان، به ذرات زیر اتمی کشف نشده قبلی برمی‌گردد که در دوران اولیه خود، نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کردند. در مجموع این‌ها تابش تاریک نامیده می‌شوند و شامل “طعم چهارم نوترینو” هستند که به عنوان نوترینوهای استریل شناخته می‌شود ، البته که در این راستا شواهد مورد نیاز است.

در حال حاضر سرعت انبساط جهان تنها نشانه قابل توجه، البته غیرمستقیم از انرژی تاریک و به طور خاص انرژی فانتوم است.

کالدول گفت: سرعت شتاب انبساط در دیگر مد‌ل‌ها یا نظریه‌های انرژی تاریک بیشتر است و معمولاً این از نظر معادلاتی بیان می‌شود. جمع‌آوری یک اندازه‌گیری بسیار خوب از میزان انبساط، روش اصلی آزمایش برای مواردی مانند انرژی تاریک یا انرژی فانتوم است.

کالدول می‌گوید: من گمان می‌کنم که اگر همان آزمایشات مشابه که برای انرژی فانتوم انجام می‌دهید را برای گرانش تاریک انجام دهید، گرانش تاریک می‌تواند در یک تئوری خاص محدود شود، اما اگر واقعاً می‌خواهید این ایده گرانش تاریک را آزمایش کنید، باید پدیده‌هایی را بررسی کنید که در آنها تفاوت قابل ملاحظه‌ای را مشاهده خواهید کرد” .

“در بسیاری از نظریه‌هایی که افراد ارائه داده‌اند ، پدیده‌هایی مانند عدسی گرانشی باید در جهانی که توسط گرانش تاریک توصیف می‌شود نسبت به نسبیت عام متفاوت بنظر برسند. و بنابراین افراد به دنبال راه‌هایی برای استفاده از آزمایش‌های همگرایی گرانشی ضعیف هستند، که به جای عدسی از خورشید و منبع نور ستاره در کهکشان استفاده کنند.

همانطور که در سال 1919 اتفاق افتاد و نظریه انیشتین را اثبات کرد، عدسی یک دسته از کهکشان با نور بسیار بیشتر است.

با این وجود، کالدول هنوز فکر می‌کند که باید منتظر ایده جدید یا پیشرفت در فناوری باشیم. او گفت: مشکلی که با بسیاری از این آزمایشات یا نظریه‌هایی که ما دنبال می‌کنیم وجود دارد، این است که در هر مورد خلایی وجود دارد و ما آن را با چیزی پر کرده‌ایم.”

او همچنین گفت: “مشاهده‌گران وظیفه خود را انجام می‌دهند تا اندازه‌گیری‌ها را با بهترین فنآوری که دارند انجام دهند و تکنیک‌های جدید را توسعه دهند، و فنآوری را به پیش ببرند، اما تعداد کمی از این نظریه‌ها پیش‌بینی منحصر به فردی دارند که می‌گوید:” شما فقط باید این یک چیز را اندازه بگیرید و بقیه را فراموش کنید، و سپس نتیجه را خواهید دید. این کمی مشکل است. حدس می زنم این کار را سخت‌تر می‌کند. ما هنوز منتظر آن ایده موفقیت‌آمیز یا اندازه‌گیری هستیم.”

هنوز اکثر اخترشناسان به تصور وجود این جنبه‌های تاریک در جهان به همان اندازه متعهد هستند. سپس او گفت : “اگر من با یک کیهان‌شناس آشنا می‌شدم که فکر می‌کند کل انرژی تاریک و گرانش تاریک در مسیر اشتباهی قرار دارد، آنها فقط شواهد را نادیده می‌گیرند” .

اما چه می‌شد اگر برخی از جنبه‌های گرانش تاریک ثابت کنند که اینشتین اشتباه کرده است ؟ کالدول گفت: “اگر پدیده‌های گرانشی جدیدی را کشف کنیم، در آن صورت خواهیم فهمید که نظریه اینشتین نقشی مشابه نظریه نیوتن دارد.”

“این یک نظریه زیبا است که منجر به پیش بینی‌های قابل آزمایش با دقت بالا می‌شود ، اما فقط در یک دامنه خاص و یک محدوده صحیح ، معتبر است – که در این موقع جای خود را به یک نظریه دیگر که اکنون وجود دارد می‌دهد.”