آیا کیهان در همه‌جا به یک شکل است یا واقعا مکان‌های خاصی در کیهان وجود دارد؟

برای مدت‌های طولانی، پیش‌فرض بشر درباره جایگاه ما در جهان، بدون هیچ چالشی بود، سیاره ما، زمین، مرکز ثابت و بی‌حرکت کیهان است، مشاهدات نیز با این فرض مطابقت داشتند، مثلا آسمان، ستاره‌ها، سحابی‌ها و کهکشان راه شیری، همه به نظر می‌رسد که بالای سر ما می‌چرخند و فقط چند جرم مانند خورشید، ماه و سیارات به نظر می‌رسد که نسبت به پس‌زمینه‌ی دائماً چرخان، حرکت می‌کنند.

هیچ آزمایش یا مشاهدات شناخته شده‌ای وجود نداشت که بتواند چرخش زمین یا اختلاف منظر ستاره‌ها را نشان دهد تا ایده زمین ثابت و بی‌حرکت را رد می‌کند.

در عوض، این ایده که زمین در محور خود ​​و به دور خورشید می‌چرخد​​، کنجکاوی بود که توسط چند شخصیت باستانی مانند ارسطارخوس و ارشمیدس مورد توجه قرار گرفت، اما این کنجکاوی، ارزش بررسی بیشتر نداشت. چرا که توصیف زمین‌مرکزیِ بطلمیوس، در بیان جزئیات حرکت اجرام آسمانی، بهتر از هر مدل دیگری کار می‌کرد و تا زمانی که کپلر مدار بیضوی را در قرن هفدهم عرضه نکرد، هیچ مدلی بهتر عمل نمی‌کرد.

یک انقلاب بزرگتر نیز، تقریباً یک قرن زودتر اتفاق افتاد، زمانی که نیکولاس کوپرنیک، ایده حذف زمین از موقعیت ممتاز خود در مرکز کیهان را احیا کرد. امروزه، “اصل کوپرنیک” بیان می‌کند که نه تنها ما، بلکه هیچ جرمی جایگاه ویژه‌ای در جهان ندارد، یک اصل اساسی برای کیهان‌شناسی مدرن.

هنگامی که این نظریه، برای اولین بار، حدود 500 سال پیش ارائه شد، مدل کوپرنیکی منظومه شمسی، جایگزینی جذاب برای توضیح واقعیت ماجرا بود. مشاهداتی انجام شد که به نتایجی نظیر این رسید که سیارات به دور خورشید در یک مدار دایره‌ای می‌چرخند، همچنین مدار سیاره، خود به دور دایره کوچکتری حرکت می‌کند که در امتداد دایره بزرگتر حرکت می‌کند، یک الگوی خاص برای هر سیاره وجود دارد به این صورت که در جایی که بیشتر سال نسبت به پس‌زمینه ستاره‌ها در یک جهت خاص حرکت می‌کنند، برای یک بازه کوتاه زمانی، به نظر می‌رسد متوقف می‌شوند، مسیر معکوس را طی می‌کنند، دوباره متوقف می‌شوند و سپس این منوال را از سر می‌گیرند؛ این پدیده، معروف به “حرکت واپس‌گرا”، برای مدتی طولانی، مدرکی محکم برای نحوه چرخش مدارها بود. اما یکی از جهش‌های بزرگی که کوپرنیک انجام داد، این بود که نشان داد چگونه اگر سیارات داخلی با سرعت بیشتری نسبت به سیارات بیرونی بچرخند، این حرکت تناوبی است و حرکت را می‌توان بدون متوسل شدن به مدارهای تو در تو توضیح داد.

اگر زمین دیگر دارای جایگاهی خاص در کیهان نبود، پس شاید مانند اجرام دیگر، با همان قوانین فیزیکی اداره می‌شد. سیارات به دور خورشید و اقمار به دور سیارات می‌چرخند و حتی اجسامی که روی سطح زمین به زمین افتاده‌اند، همه با همان قوانین جهانی اداره می‌شوند. در حالی که بیش از یک قرن طول کشید تا از نظریه کوپرنیک به کشف اولین قانون موفق گرانش برسیم و بیش از یک قرن دیگر برای آزمایش مستقیم آن، تصور می‌شود که بینش کوپرنیک کاملا درست است.

امروزه ما اصل کوپرنیک را گسترش داده‌ایم تا همه‌جانبه‌تر باشد. سیاره ما، منظومه شمسی ما، جایگاه ما در کهکشان، موقعیت کهکشان راه شیری در جهان و هر سیاره و ستاره و کهکشان دیگری در جهان دارای جایگاه یکسانی هستند. جهان نه تنها باید با قوانین یکسان در همه‌جا و در همه زمان‌ها اداره شود، بلکه نباید هیچ چیز خاص و مرجحی برای مکانی در کل کیهان وجود داشته باشد. ما فرض می‌کنیم که جهان در مقیاس‌های بزرگ کیهانی، از هر جهت یکسان و  یک‌دست است. اما اگر بخواهیم این فرض را امتحان کنیم، باید دو کار را انجام دهیم.

1. ما باید آن را کمّی کنیم. ادعای اینکه جهان یکدست است یک چیز است اما درک اینکه همگنی جهان در چه سطحی است و ناهمسانگردی‌ها و ناهمگنی‌ها در چه سطحی اهمیت می‌یابند، کاملاً چیز دیگری است. از این گذشته، اگر بخواهید چگالی متوسط ​​جهان را اندازه بگیرید، چیزی در حدود یک پروتون در هر متر مکعب می‌شود. سیاره زمین به تنهایی برابر متوسط ​​جهان چگال است و به وضوح نشان می‌دهد که در مقیاس‌های کوچک، جهان اصلاً یکدست نیست.
2. کاملاً انتظار داریم که در مقیاس‌های بزرگ کیهانی، جهانی را مشاهده کنیم که کاملاً یکنواخت باشد، نزدیک به کاملاً همسانگرد و همگن. با این حال، ناهمسانگردی‌ها و ناهمگنی‌ها باید در همه مقیاس‌ها وجود داشته باشند، و مشاهدات نیز باید نشان دهند که جهان ما تا چه اندازه ناقص است.

تا زمانی که نظریه و مشاهدات با هم مطابقت نداشته باشند، ما با مشکلاتی روبه‌رو خواهیم شد و این باعث می‌شود که در صورت عدم تطابق مناسب، اعتبار اصل کوپرنیک را زیر سوال ببریم.

جهان نه تنها از یک انفجار بزرگ داغ، بلکه از یک تورم کیهانی ناشی شده است. در طول تورم کیهانی، جهان از ماده و تابش تشکیل نشده است، بلکه شامل نوعی انرژی ذاتی بافت فضا است. با گسترش جهان، نوسانات کوانتومی اتفاق افتادند و به دلیل انبساط، در سراسر جهان کشیده شدند. هنگامی که این مرحله به پایان رسید، انرژی ذاتی فضا به ماده، پادماده و تابش تبدیل شد.

این نوسانات کوانتومی، در طی این تغییر حالت، به نوسانات چگالی تبدیل شد، مناطقی با تراکم بالاتر یا پایین‌تر از متوسط. با اطلاع از نوسانات مشاهده شده‌ای که هم در تابش پس‌زمینه ریزموج کیهانی و هم در ساختار بزرگ مقیاس جهان مشاهده می‌کنیم، می‌دانیم که این نوسانات حدود 1 در 30000 بودند، به این معنی که در همه مقیاس‌ها، بزرگ و کوچک، جهان تقریباً همگن متولد شده اما نه کاملاً.

برای ایجاد ساختارهای گرانشی در جهان، صرف نظر از مقیاسی که نگاه می‌کنید، باید صبر کنید چرا که باید زمان کافی بگذرد تا:

1. مناطقی که در ابتدا بیش از حد متراکم‌اند و چگالی بالاتر از ​​چگالی متوسط دارند، می‌توانند رشد کنند.
2. این موضوع هنگامی اتفاق می‎‌افتد که افق کیهانی یا فاصله‌ای که نور می‌تواند طی کند، بزرگتر از مقیاس افت‌وخیزها شود.
3. آنها باید از سطح 0.003 % به 68% برسند که مقدار لازم برای سقوط گرانشی و رشد سریع گرانشی و غیرخطی است.
4. در این زمان است که به وجود اجرام قابل مشاهده‌ای مانند کوازارها، کهکشان‌ها و توده‌های داغ گازی منجر می‌شوند.

به طور متوسط​​، این بدان معنی است که در یک مقیاس فاصله کیهانی خاص، شانس شما برای به دست آوردن ساختارهای کیهانی منسجم که در چنین مقیاسی گسترده باشند، اندک است. در حالی که در مقیاس‌های کوچک‌تر، ساختارها باید نسبتاً عادی باشند. اما انتظار می‌رود که ساختارهای بزرگ و منسجم کیهانی، باید در مقیاس‌های بزرگتر از 1 تا 2 میلیارد سال نوری، محو شوند.

اما این با مشاهدات ما در تناقض است. پیش از سال 2010، بررسی‌های گسترده، ساختارهای منسجمی از تجمع کهکشان‌ها را در مقیاس  کیهانی نشان دادند که اندازه آنها از صدها میلیون سال نوری تا حداکثر حدود 1.4 میلیارد سال نوری بود. در دهه گذشته، تعدادی از این ساختارها را یافته‌ایم که از حد پیش‌بینی شده فراتر رفته‌اند:

1. ساختار Huge LQG (گروه بزرگ اختروش) مجموعه‌ای از 73 اختروش است که ساختاری غول‌پیکر به قطر حدودی 4 میلیارد سال نوری تشکیل داده‌اند.
2. ساختار بزرگ Hercules-Corona Borealis یک خوشه با حدود 20 انفجار پرتوی گامای مشاهده شده است که ساختاری به قطر 10 میلیارد سال نوری است.
3. اخیراً در 238مین جلسه انجمن نجوم آمریکا، محققان، به سرپرستی الکسیا لوپز، شواهدی از یک قوس عظیم از جنس گاز منیزیم یونیزه شده را یافتند و با بررسی خواص کوازارهای پس زمینه، قطر این ساختار را در حدود 3.3 میلیارد سال نوری تخمین زدند.

ممکن است به نظر برسد که این ساختارها عظیم هستند، در واقع بیش از حد عظیم، برای سازگاری با جهانی که می‌شناسیم هستند. اما اگر میخواهیم ادعا کنیم که در جهانی زندگی می‌کنیم که همگنی در مقیاس بزرگ را نقض می‌کند ما باید خیلی دقیق عمل کنیم. در یک مقاله برجسته، سش ناداتور، کیهان‌شناس، هنگام بررسی دقیق این ساختارها، دو ملاحظه جالب را بیان کرد:

1. اگر “داده‌های مصنوعی” را شبیه‌سازی کنید، الگوریتم یافتن ساختار شما، هنوز هم می‌تواند شما را گول بزند و فکر کند که یک ساختار پیدا کرده‌اید، اگرچه این یک مصنوع، ضعف الگوریتم جستجوی شما است.
2. شواهد این ساختارهای بزرگ مقیاس، بر غلط بودن مدل استاندارد کیهانی دلالت ندارد. آیا از لحاظ کمّی وجود این ساختارهای بزرگ با پیش‌بینی‌های جهان غنی از انرژی و ماده تاریک، ناسازگار است؟ هیچ یک از گروه‌های تحقیقاتی ادعا نکردند که این ساختارها، باعث نقض همگنی در بزرگ مقیاس می‌شود.

یکی از راه‌های تفکر درباره این موضوع این است که تصور کنید یک جعبه پر از تعداد بسیار زیادی چوب کبریت دارید و همه آنها را روی زمین می‌اندازید و اجازه می‌دهید تا هرجایی که ممکن است، پخش شوند. الگویی که دریافت می‌کنید دارای یک عنصر تصادفی است، اما کاملاً تصادفی نخواهد بود، بلکه یک الگوی خوشه‌ای خاص خواهید دید.

شما ممکن است بسیاری از چوب کبریت‌های منزوی را مشاهده ‌کنید یا برخی چوب کبریت‌ها که به تعدادی، مثلا بین 2 تا5 تا پشت هم هستند. با این وجود، روی دادن برخی از الگوهای خوشه‌ای، مانند 8 چوب کبریت پشت هم، دور از انتظار است.

با این حال، اگر یک گروه چوب کبریت 4 تایی پشت سر هم داشته باشید که تا حدودی نزدیک به یک گروه 4 تایی پشت سر هم دیگر باشد، این خطر وجود دارد که شما به اشتباه نتیجه بگیرید که شما یک گروه چوب کبریت 8 تایی را کشف کرده‌اید!

حتی اگر هم‌اکنون نمونه‌های زیادی از این ساختارهای بزرگتر از حد انتظار داریم، اما هنوز ابهام هیچ یک از آنها که بیش از 1.4 میلیارد سال نوری قطر داشته باشد، رفع نشده است.

هنگام بررسی اینکه آیا جهان در بزرگترین مقیاس‌های کیهانی کاملاً یکدست است، نکات مهمی وجود دارد که اکثر مردم، حتی بیشتر منجمان، غالباً از آن چشم‌پوشی می‌کنند. یکی اینکه داده‌ها هنوز بسیار ضعیف هستند. ما حتی بیشتر کهکشان‌های اساسی را شناسایی نکرده‌ایم. وقتی خود را به بررسی‌های با کیفیت بالا محدود کنیم، هیچ ساختاری بزرگتر از 1.4 میلیارد سال نوری وجود ندارد.

ثانیا، جهان کاملاً همگن متولد نشده است و دارای نقص در همه مقیاس‌ها است. چند افت‌وخیز بزرگ و غیرمعمول، اما نه بیش از حد نادر، می‌توانند یک توضیح بسیار ساده برای این که چرا ما ساختارهایی را در مقیاس‌های بزرگتر کیهانی مشاهده می‌کنیم، ارائه دهد.

این ساختارهای بزرگتر، اگر واقعی باشند، نه فقط برای فرض همگنی، بلکه برای مبانی کیهان‌شناسی مدرن و ماهیت اصل کوپرنیک نیز معمای بزرگی هستند. با این وجود، برخی از موانع اساسی وجود دارد که باید قبل از قطعی شدن شواهد برطرف شوند. این یک موضوع تحقیقاتی جذاب است که باید به آن توجه داشته باشید.