مباحث جدید در کیهان‌شناسی - 2

مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون
 

به نظر می‌رسد که مادة نوترینو گونة داغ، مشکلی در جهت عکس دارد. اگرچه این مادة داغ با سرعت‌های زیاد آن در دوران تسلط ماده، به طور طبیعی ساختارهای بزرگ 40 مگاپارسکی را به دست می‌دهد و اگرچه ساختارهای 40 مگاپارسکی در حال رمبش، مولد سرعت‌های زیاد است، ولی نوترینوهای سبک دستخوش بی‌اعتباری شده‌اند زیرا نمی‌توانند به سرعت موجب تکوین کهکشان‌ها شوند. حال که پیش‌بینی ساختارهای بزرگ مقیاس تأیید می‌شود، نوترینوها اعتبار دوباره می‌یابند و پژوهشگران می‌خواهند ببینند آیا می‌توان تدابیر دیگری را برای ساختن کهکشان‌ها وضع کرد.
دو نظری که هم تصویر نوترینویی را حفظ می‌کنند و هم احتمالاً سناریوی مادة سرد را، یک ریسمان های کیهانی است و دیگری پیدایش انفجاری کهکشان‌ها. اولین نشانه‌های رصدی جهانی با چگالی بحرانی، کم‌کم به دست می‌آیند. لوه و اسپیلر دریافتند که در تغییر مکان‌های سرخ خیلی بزرگ، چگالی تعداد کهکشان‌ها را به بهترین وجه می‌توان با یک هندسة تخت جور کرد که با جهانی به چگالی بحرانی سازگار است. ریسمان‌های کیهانی این فایده را دارند که به راحتی همبستگی‌های میان خوشه‌ها را به وجود می‌آورند که خود باعث ایجاد ساختارهای برخالی (فراکتالی) مستقل از مقیاس، از کهکشان‌ها تا خوشه‌های غنی، می‌شوند. در سناریوی انفجاری، ساختار کوچک مقیاس، معلول حرکت انفجاری اجسام به اطراف است، اما اگر چنین ساختاری بخواهد به مقیاس بزرگ برسد، باید چگالی آنقدر زیاد باشد که انفجارها بتوانند به هم مرتبط شوند. هم چنین لازم است چیزهایی به عنوان هسته‌های انفجار وجود داشته باشند. چنین هسته‌هایی می‌توانند باقی مانده‌های گذار کوارک ـ هادرون (توده‌های مادة شگفت، جرم‌های سیاره‌ای، سیاه چاله‌ها) و یا توده مادة سرد و یا حلقه‌های کوچک ریسمان باشند. در حال حاضر معلوم نیست که ترکیبی از سناریوهای مادة تیره و پیدایش کهکشان‌ها بتواند با تمام رصدها سازگار باشد. ولی آنچه روشن به نظر می‌رسد این است که سناریو هرچه باشد، بعضی شرایط اولیة مربوط به ذرات بنیادی را در بر دارد. ریسمان‌های کیهانی باید در یک گذار فاز اولیه به وجود آمده باشند، هسته‌های انفجاری ممکن است از گذار کوارک ـ هادرون ایجاد شده باشند، و قسمت عمدة ماده ممکن است نوعی ذرة کشف نشده مثل فوتینو و یا لااقل نوترینوهای جرم دار باشد.
سناریوی تورمی که اول بار توسط آلن‌گوث ابداع شد، به پیشرفت‌های قابل توجهی نایل آمده است و در عین حال با مسائل آشکاری نیز روبه‌راه شده است. اگر جهان اولیه، پیش از اینکه به وضع امروزی خود با انبساط معمول برسد، دستخوش انبساط سریعی شده باشد بیشتر مسائل مربوط به شرایط اولیة کیهان‌شناختی از بین می‌رود؛ به ویژه مسئلة افق، یعنی این مسئله که چگونه جهان در مقیاس‌هایی که ظاهراً از نظر علی نامرتبط است، این‌چنین هموار و یکنواخت از آب درآمده است. مسئلة دیگر، مسئلة تخت بودن و یا چگونگی دوام جهان است به مدت 15 میلیارد سال بدون اینکه چگالی‌اش به صفر یا بی نهایت برسد. این مسئله نیز توسط انبساط تورمی سریع حل می‌شود زیرا این انبساط جهان را مجبور می‌کند که درست در چگالی بحرانی خود باشد. انبساط تورمی هم چنین می‌تواند هرگونه تک قطبی‌های مغناطیسی را، که ممکن است در دوران وحدت بزرگ به وجود آمده باشند، از بین ببرد. پایان تورم نیز این اثر دل پذیر را به دنبال دارد که افت و خیزهایی در چگالی به وجود می‌آورد و این افت و خیزها می‌توانند پاسخی به مسئلة تکوین کهکشان‌ها و ساختارهای عام باشند.
خبر خوب این است که پیشرفت‌‎های جدیدی که توسط لینده در اتحاد جماهیر شوروی و دیگران صورت گرفته نشان می‌دهد که تورم یک پدیدة خاص نیست. هر میدان نرده‌ای (اسکالر) در جهان اولیه می‌توانسته است منجر به یک دوران تورمی با انبساطی سریع شود. یک چنین تورمی، خود به خود مسائل افق و تخت بودن را حل می‌کند. پس ما معتقدیم که چیزی مثل تورم احتمالا روی داده است، حتی اگر جزئیات آن را ندانیم.
خبر بد هم این است که تمام مدل‌های شناخته شده منجر به ایجاد افت و خیزهای خیلی بزرگ در چگالی می‌شوند، مگر آنکه تنظیم‌های دقیقی انجام شده باشد. از طرفی این خیلی هم بد نیست، زیرا قبل از نظریة تورم دربارة چگونگی ایجاد افت و خیزهای اولیه، هیچ تصویری نداشتیم. حداقل اکنون یک ساز و کار متحمل وجود دارد. بدبختانه، تمام این مدل‌ها به افت و خیزهایی می‌انجامند که باید با آزمایش‌های ناهمسانگردی تابش میکروموجی آشکارسازی شده باشند. این مدل‌ها همچنین یک طیف فازی کتره‌ای ایجاد می‌کنند که با نتایج ساختار بزرگ مقیاس سازگار نیست (مگر آنکه ریسمان‌ها و یا انفجارها بعداً تشکیل شوند).
آزمون نجومی اصلی تورم، یعنی تعیین انکه آیا چگالی جهان، چگالی بحرانی است، لااقل تا همین اواخر یک ناکامی جدی به حساب می‌آمد. همان‌طور که در بالا ذکر شد دینامیک کهکشان‌ها و خوشه‌ها چگالی را کمتر از چگالی بحرانی به دست می‌دهد. به علاوه، سن خوشه‌های کروی و تاریخ‎‌گذاری رادیواکتیو، عمر جهان را در حدود 15 میلیارد سال تعیین می‌کند. ثابت‌هابل در جهانی با چگالی بحرانی برابر H=45KM/S/MPC است. در حالی که مقدار مورد قبول H بین 50KM/S/MPC تا 100KM/S/MPC است، مقادیری به کوچکی 40 هنوز هم مجازند، و در واقع بهترین تخمین ساندیج و تامان از ابرنواخترهای نوع I مقدار 42KM/S/MPC را به دست می‌دهد.
اولین نشانه‌های رصدی جهانی با چگالی بحرانی، کم‌کم به دست می‌آیند. لوه و اسپیلر دریافتند که در تغییر مکان‌های سرخ خیلی بزرگ، چگالی تعداد کهکشان‌ها را به بهترین وجه می‌توان با یک هندسة تخت جور کرد که با جهانی به چگالی بحرانی سازگار است. به علاوه روان ـ رابینسون دریافته است که ظاهراً فهرست کهکشان‌های ماهواره مادون قرمز (IRAS) برای سرعت‌های زیاد در مقیاس‌های MPC200 توزیعی دارد که در این مقیاس‌های بسیار بزرگ با جهانی به چگالی بحرانی (یا نزدیک به آن) بهتر از همه سازگار است.با اینکه هر دوی این رصدها در مراحل ابتدایی هستند و اشکالات متعددی بر آن‌ها می‌توان گرفت، با این حال مایة دلخوشی است که بالاخره نجوم رصدی چیز مثبتی را برای هواداران تورم فراهم رصدهای تلسکوپ فضایی باید حد پایینی H را تأیید یا رد کند.
در عین حال که پیشرفت‌های دیگری در مرز بین کیهان‌شناسی و ذرات بنیادی حاصل می‌شود (مثل کاوش‌های مستقیم گذار کوارک ـ هادرون در مادة کوارکی در برخورد یون‌های سنگین)، سه عنوانی که در اینجا ذکر شد. به وضوح نشان می‌دهد که شاخة جدید، یعنی مرز میان فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی، به سرعت توسعه می‌یابد و این حوزه آزاد از آزمایش‌های واقعی و آزمون‌های رصدی نیست، آزمون‌هایی که نظریه‌پردازان را مجبور می‌کند با پای برهنه بر ذغال داغ واقعیت تجربی گام بگذارند.