اختر فیزیک چیست؟

اختر فیزیک مطالعه‌ی فیزیک اجرام نجومی است. فیزیک بزرگترین جسم نجومی, یعنی کل عالم, با مدل مهبانگ توصیف می‌شود. مدل مهبانگ نظریه‌ای است که بنا به آن عالمی که ما امروزه می‌شناسیم در حدود 10 الی 20 میلیارد سال قبل از حالتی با دما و چگالی فوق العاده زیاد شروع شده و از آن زمان تاکنون سرد و رقیق می‌شود. می‌دانیم که این انبساط, یعنی انبساط خود فضا – زمان, امروز هم ادامه دارد زیرا مشاهدات نشان می‌دهند که همه‌ی کهکشان‌های عالم در حال دور شدن از هم دیگرند. مدل مهبانگ در توصیف برخی خصوصیات بزرگ مقیاس عالم, از قبیل وجود زمینه‌ی میکرو‌ موج کیهانی و فراوانی‌های عناصر سبک, نسبتاً موفق بوده است. اما در توجیه پدیده‌های دیگری, مثل یکنواختی زمینه‌ی میکرو‌موجی و اینکه ظاهراً چگالی ماده‌ی عالم نسبتاً نزدیک به چگالی بحرانی است چندان موفق نیست؛ اگر چگالی ماده‌ی عالم از این مقدار, یعنی از حدود 5×〖10〗^(-30) gm⁄〖cm〗^3 , بیشتر باشد, نیروهای گرانشی در نهایت انبساط را متوقف و سپس آن را معکوس خواهند کرد. چنانچه چگالی کمتر از این مقدار بحرانی باشد انبساط برای همیشه ادامه خواهد داشت. چاره‌ی این مسائل را شاید بتوان در صورت جدید مدل مهبانگ موسوم به مدل عالم تورمی که توسط الان گوت ازMIT مطرح شده است یافت. این مدل, که شدیداً از فیزیک ذرات مایه می‌گیرد, شاید جالبترین تحول نظری در اختر فیزیک طی چند سال گذشته باشد. در این سال‌ها, رصد‌های جالب توجهی هم انجام گرفته است. بررسی‌های جدید انتقال به سرخ, مثل آنچه در مرکز اختر شناسی هاروارد – اسمیتسونی در حال انجام است, به نقشه برداری ساختار بزرگ مقیاس عالم کمک می‌کند بررسی دیگری از آسمان توسط ماهواره‌ی نجومی فروسرخی (ایراس), در طول موج‌های فروسرخ انجام گرفته است. مجموعه‌ی داده‌های جمع‌ آوری شده توسط ایراس وسیع است و موضوع‌های متنوعی را در بر می‌گیرد. این موضوع‌ها عبارت‌اند از احتمال کشف ماده‌ی جامدی که حول ستاره‌های نزدیک به ما می‌چرخند, کهکشان‌های غبار آلود, و ساختار هسته‌ی کهکشان راه شیری.

مدل جدید عالم تورمی

کوشش در جهت رفع بعضی نارسایی‌های نظریه‌ی استاندارد مهبانگ در کیهان شناسی طی سالیان گذشته گذشته به ظهور مدل جدیدی از تاریخچه‌ی اولیه‌ی عالم منجر شده است. این مدل, که به عالم تورمی جدید معروف است, با توصیف قبلی عالم رصد شده برای تمام زمان‌های بعد از 〖10〗^(-30) ثانیه‌ی اول, دقیقاً سازگار است. اما در مورد این لحظه‌ی اولیه داستان به کلی فرق می‌کند. بنا به مدل تورمی, عالم در یک آن انبساط یا تورم فوق العاده سریعی را از سر گذرانده است. در اثنای این تورم افزایش قطر عالم شاید 〖10〗^50 برابر بیشتر از آن‌چه قبلاً تصور می‌رفت بوده است. طی این رشد ناگهانی و شگفت انگیز, تمامی ماده و انرژی عالم عملاً از هیچ آفریده شده است. این فرایند تورمی همچنین دارای نتایج ضمنی مهمی در مورد عالم کنونی است ( اگر مدل جدید درست باشد, آنوقت ناحیه‌ای که تا‌کنون مشاهده کرده‌ایم فقط کسر کوچکی از کل عالم خواهد بود). مدل تورمی اولین بار در سال 1980 به عنوان یک راه حل احتمالی برای سه نارسایی مهم کیهان‌شناسی مهبانگ استاندارد توسط گوت مطرح شد(گوت 1981).
اولین نارسایی که به مسئله‌ی افق معروف است, عبارت است از مشکل تبیین یکنواختی بزرگ مقیاس عالمک رصد شده. این یکنواختی در تابش زمینه‌ی کیهانی, که اولین بار در سال 1964 توسط آرنو آ, پنزیاس و روبرت و. ویلسون از آزمایشگاه‌های بل مشاهده شد, به وضوح دیده می‌شود. مشاهده شد که دمای مربوط به این گرمای باقی مانده از عالم اولیه, لااقل با دقت یک قسمت در 10000, یکنواخت است. با وجود فرایند‌های شناخته شده‌ای که هر سیستمی را به سوی ترازمندی گرمایی می‌رانند, مشکلب این‌جاست که عالم در مدل استاندارد مهبانگ آنچنان سریع تحول می‌یابد که اثر فیزیکی این فرایندها باید با سرعتی بیش از 90 برابر سرعت نور منتقل شود تا بتواند مؤثر باشد. از این رو, مدل استاندارد مستلزم این فرض تبیین نشده است که عالم تقریباً با یک دمای دقیقاً یکنواخت آغاز شده است.
نارسایی دوم که به مسئله‌ی تخت بودن یا تختی معروف است, به چگالی جرم عالم مربوط می‌شود. عالم در حال انبساط است و بر حسب آهنگ انبساط می‌تواند یک چگالی جرم بحرانی برای آن محاسبه کرد. اگر چگالی جرم بیشتر از چگالی بحرانی باشد, عالم خود‌به‌خود به یک فضای بسته‌ی با حجم متناهی بر می‌گردد. اگر چگالی جرم دقیقاً با چگالی بحرانی برابر می‌بود, عالم یک فضای تخت اقلیدسی تشکیل می‌داد. امروزه چگالی جرم عالم ما (با احتیاط گفته باشیم) در محدوده‌ی 02/0 تا 10 برابر چگالی بحرانی واقع است, اما یک ثانیه بعد از مهبانگ این چگالی می‌باید (با دقت یک در 〖10〗^15 ) برابر با چگالی بحرانی بوده باشد. مدل استاندارد مهبانگ هیچ ساز و کاری برای ایجاد این تنظیم دقیق ندارد, اما در عوض بر این فرض تبیین ناشده متکی است که عالم با یک چگالی جرم فوق العاده نزدیک به چگالی بحرانی شروع شده است. نارسایی سوم کیهان شناسی استاندارد, که به وسیله‌ی تک قطبی مغناطیسی معروف است, تنها هنگامی مطرح می‌شود که پای عنصر جدیدی از فیزیک ذرات بنیادی به کیهان‌ شناسی باز می‌شود. نظریه پردازان ذرات بنیادی از سال 1974 روی نظریه‌های وحدت بزرگ, که دست کم سه تا از چهار نیروی شناخته شده‌ی طبیعت را در یک تک نیرو وحدت می‌بخشد, کار کرده‌اند. تمامی این نظریه‌ها وجود ذرات ابر سنگینی به نام تک قطبی‌های مغناطیسی را, که وزن آن‌ها نوعاً در حدود 〖10〗^16 برابر وزن پروتون است, پیشگویی می‌کنند. هر گاه این نظریه‌ها با کیهان شناسی استاندارد ترکیب شوند, این نتیجه به دست می‌آید که ماده‌ی عالم در حدود 〖10〗^(-35) ثانیه پس از مهبانگ یک گذار فاز ناگهانی را از سر گذرانده است. تک قطبی‌های مغناطیسی به تعدادی تولید می‌شوند که 12 مرتبه‌ی بزرگی از حدود تجربی بیشتر است.
این سه مسئله را می‌توان با کمک مدل عالم تورمی, که متکی بر ساز و کاری است که از نظریه‌ی وحدت بزرگ حاصل می‌شود (رک Physics News,1982ص 82), حل کرد. به ازای برخی مقادیر پارامتر‌های نامعلوم, این گذار فاز ممکن است به تأخیر بیفتد, و ماده در دمایی که تا چندین مرتبه‌ی بزرگی پایینتر از دمای معمول گذار است فوق سرد بشود. در این صورت ماده به حالت ویژه‌ای به نام خلأ کاذب نزدیک می‌شود. این حالت هرگز مشاهده نشده است, اما خواص آن توسط نظریه‌های موجود بدون هیچ ابهامی پیشگویی می‌شوند. خلأ کاذب موجب دفع گرانشی می‌شود و باعث می‌شود که انبساط عالم به طور نمایی شتاب بگیرد (اندازه‌ی عالم طی هر بازه‌ی زمانی 〖10〗^(-34) ثانیه‌ای دو برابر می‌شود) (گوت و دیگر 1984). چون در این مدل, عالم اولیه خیلی کوچکتر از آن است که قبلاً تصور می‌رفت بنابراین مسئله‌ی افق از میان می‌رود. ترازمندی گرمایی قبل از آغاز تورم می‌تواند در ناحیه‌ی خیلی کوچکی حاصل شود و سپس این ناحیه‌ی خیلی کوچک آنقدر بسط می‌یابد تا عالم رصد شده را در بر بگیرد. مسئله‌ی تختی نیز حل می‌شود, زیرا در اثنای تورم, نسبت چگالی جرم عالم به چگالی بحرانی, بدون توجه به مقدار اولیه‌ی آن, خیلی سریع به 1 می‌رسد. (از راه شهودی نیز معلوم است که این انبساط فوق العاده عظیم به فضای تخت‌تری منجر می‌شود, آن‌طور که سطح بادکنک هنگام باد شدن رفته رفته تخت‌تر می‌شود.) مسئله‌ی تک قطبی مغناطیسی با مدل تورمی در این شکل اولش, به معنای واقعی حل نمی‌شود, اما از یک معضل به یک مسئله‌ی پیچیده ولی قابل بحث تبدیل می‌شود.
اما به زودی معلوم شد که مدل تورمی خود دارای یک نارسایی جدی است – هیچ راه آبرومندانه‌ای برای پایان دادن به دوران انبساط نمایی وجود نداشت. پس از آن‌که این سیستم فوق سرد شد و بالاخره گذار فاز را از سر گذراند, شکل گیری کتره‌ای حباب‌ها (کاملاً مشابه به غلیان شدید آب جوش) به عالمی منجر می‌شود که در کلیات ناهمگن است.
این مسئله, با پیدایش مدل جدید عالم تورمی که در اوایل سال 1982 توسط آ. لینده از انستیتو فیزیک له‌بدف در مسکو (لینده 1982) و مستقلاً توسط آندراس آلبرشت و پاؤل ج. اشتاین هارت از دانشگاه پنسیلانیا (آلبرشت و دیگر, 1982) پیشنهاد شده است, حل شد. این فیزیک‌دان‌ها دریافتند که برخی از نظریه‌های وحدت بزرگ به گذار فاز نوع دیگری منجر می‌شوند. گذار به فاز جدید می‌تواند به جای تشکیل آشوبناک حباب‌ها, با انجماد تدریجی همراه باشد. در این مدل تمامی موفقیت‌های مدل پیشنهادی اصلی حفظ می‌شوند, و معضلات مربوط به مسئله‌ی تک قطبی مغناطیسی بدون هیچ ابهامی بر طرف می‌شوند.
فیزیک‌دان‌ها در تلاش‌اند که ببینند آیا مدل جدید عالم تورمی قادر است کلوخه‌ای شدن ماده به صورت کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را توجیه کند یا نه (در مدل استاندارد مهبانگ برای توضیح تکامل ساختار کهکشانی باید توزیع تبیین ناشده‌ای از ناهمگنی‌های اولیه را مفروض داشت). فرایند تورمی هرگونه ناهمگنیی را که ممکن است در شرایط اولیه وجود داشته باشد هموار می‌کند, و به خاطر اثرهای کوانتومی که در زمان گذار فازدارای اهمیت‌اند توزیع قابل محاسبه‌ای از ناهمگنی‌های جدید به میان می‌اید. بعضی از مشخصات این ناهمگنی‌های پیشگویی شده برای تمام نظریه‌های وحدت بزرگ کاملاً مشابه‌اند, و این مشخصه ظاهراً با شاختار مشاهده شده‌ی عالم سازگاری دارند. اما مشخصات دیگر, به شدت به نظریه‌ی وحدت بزرگی که زیر بنا قرار داده می‌شود, بستگی دارند. کوشش‌های زیادی صرف تدوین نظریه‌های وحدت بزرگی شده است که توزیع مطلوب ناهمگنی‌ها را به دست بدهند, و تعداد زیادی از این گونه نظریه‌ها ساخته شده است. با وجود این, جزئیات مربوط به فرایند تشکیل کهکشان هنوز کاملاً درک نشده است, و این مسئله هنوز به صورت یک زمینه‌ی بسیار فعال تحقیقات باقی است.
مفاهیم کلی مدل جدید عالم تورمی ظاهراً خیلی جذاب‌اند, زیرا برای بسیاری از خصوصیات عالم که توسط مدل استاندارد مهبانگ به طور کامل تبیین نمی‌شوند توضیح ساده‌ای فراهم می‌آورد. اما پیشگویی‌های تفصیلی مدل تورمی با جزئیات مربوط به فیزیک ذرات که زیر بنا قرار داده می‌شوند, و هنوز به خوبی درک نشده‌اند, به سختی در هم تنیده شده‌اند. با احتمال زیاد چیزهای هیجان انگیز بسیاری در فصل مشترک فیزیک ذرات و کیهان شناسی وجود دارند که هنوز کشف نشده‌اند.