انبساط دائمي
مترجم : سليمان فرهاديان
دستاورد برندگان نوبل فيزيک 2011
رابرت فراست ، آتش و زمهرير ، 1920
سرنوشت عالم چگونه خواهد بود ؟ اگر ما ادعاهاي دانشمندان برنده ي جايزه نوبل امسال را باور کنيم بايد بپذيريم که عالم در زمهرير به پايان مي رسد . آن ها با دقت بسيار ده ها ستاره ي منفجر شده را (که ابرنوختر نام دارند) در کهکشان هاي دوردست بررسي کردند و نتيجه گرفتند که انبساط عالم تندشونده است .
کشف دانشمندان برنده ي جايزه ي نوبل فيزيک 2011 بسيار شگفت انگيز بود حتي براي خودشان ! چيزي که آن ها ديدند مثل اين بود که توپي را رو به آسمان پرتاب کنيم اما توپ به جاي آن که دوباره به زمين برگردد با سرعت بيشتري راه آسمان را پيش بگيرد و هر لحظه از ما دورتر شود تا ناپديد شود ، انگار که گرانش نمي تواند جهت حرکت توپ را تغيير دهد . به نظر مي رسد در کل عالم نيز پديده ي مشابهي روي مي دهد .
سرعت رو به افزايش انبساط عالم بيانگر آن است که شکل ناشناخته اي از انرژي که درساختار فضا آشيان کرده است اجزاي عالم را از هم دور مي کند. اين انرژي را «انرژي تاريک» ناميده اند و بيش از 70 درصد عالم را تشکيل مي دهد. ماهيت اين انرژي هنوز هم معماست ؛ شايد هم بزرگترين معماي فيزيک باشد . بنابراين جاي شگفتي نيست هنگامي که دو گروه پژوهشي جداگانه ، 1377/ 1998 دستاوردهاي مشابه خود را در اين زمينه عرضه کردند بنيان هاي کيهان شناسي به لرزه درآمد .
«سائول پرلماتر» سرپرست يکي از اين گروه هاي پژوهشي بود . اين گروه پژوهشي «طرح کيهان شناختي ابرنواختري» نام داشت که يک دهه قبل از آن و در سال 1367 /1998 کارش را آغاز کرده بود . «برايان اشميت» سرپرست گروه ديگري از دانشمندان بود که در پايان سال 1373/ 1994 طرح رقيب طرح نخست را پديد آورد . اين طرح «گروه پژوهشي نواختر با z زياد» نام داشت و «آدام ريس» نيز در آن نقش بسيار مهمي بر عهده گرفته بود .
دو گروه پژوهشي براي تهيه ي نقشه ي عالم با هم رقابت مي کردند و به دنبال دورترين ابرنواخترها بودند . اين دانشمندان اميدوار بودند با يافتن فاصله ي اين ابرنواخترها و سرعت دور شدن آنها از ما به سرنوشت کيهان پي ببرند . آن ها ابتدا انتظار داشتند نشانه هايي مبني بر کنده شونده بودن انبساط عالم ببينند که در اين صورت بين آتش و زمهرير توازني برقرار مي شود . اما نهايتا دريافتند که واقعيت خلاف اين است ، يعني انبساط عالم تندشونده است .
«هنر تاسوان لويت» اخترشناس آمريکايي در آغاز قرن بيستم ، راهي براي اندازه گيري ستاره هاي دور پيدا کرد . در آن زمان امکان دسترسي زنان اخترشناس به تلسکوپ هاي بزرگ نبود اما بسياري از اين زنان را استخدام مي کردند تا کار سخت و طاقت فرساي تجزيه و تحليل عکس هاي نجومي را انجام دهند . «هنريتا لويت» هزاران ستاره ي تپنده ي مشهور به «متغيرهاي قيفاووسي» را بررسي کرد و دريافت هر يک که درخشنده تر باشند ، تپش هاي طولاني تري دارند . وي توانست با اين اطلاعات ، درخشندگي ذاتي قيفاووسي ها را اندازه بگيرد . اگر فاصله ي يکي از ستاره هاي قيفاووسي مشخص مي شد با توجه به اين که مي دانستيم هر چه ستاره کم نورتر باشد ، دورتر است مي توانستيم فاصله ي ديگر قيفاووسي ها را هم مشخص کنيم .
به اين ترتيب بود که نخستين بار استاندارد و معياري در کيهان شناسي پديد آمد . از اين معيار هنوز هم استفاده مي شود . اخترشناسان با استفاده از قيفاووسي ها خيلي زود دريافتند که راه شيري فقط يکي از کهکشان هاي عالم است و تعداد بسياري از اين کهکشان ها وجود دارند . در دهه ي 1920 هم بزرگ ترين تلسکوپ آن زمان به نام تلسکوپ مونت ويلسون در کاليفرنيا در دسترس اخترشناسان قرار گرفت . هنگامي که منبع نوري از ما دور شود موج نور کشيده تر و طول موج آن بزرگ تر مي شود . هر چه طول موج بزرگ تر شود رنگ آن سرخ تر مي شود . دانشمندان با تلسکوپ مونت ويلسون و بررسي انتقال به سرخ دريافتند که تقريبا همه ي کهکشان ها از ما و از يکديگر دور مي شوند .
کهکشان ها هر چه دورتر باشند ، سريع تر هم حرکت مي کنند . قانوني را که اکنون بيان کرديم به نام قانون هابل مي شناسند . بر اساس اين قانون عالم در حال گسترش است .
البته بشر يک دهه پيش از آن که دريابد کهکشان ها از هم دور مي شوند به اين نتيجه ي گيج کننده رسيده بود . حتي اينشتين هم نمي توانست اين حقيقت را بپذيرد که عالم ايستا نيست . به همين علت براي اين که اين انبساط کيهاني ناخواسته را متوقف کند ، ثابتي را براي معادله هاي خود افزود . و آن را «ثابت کيهان شناختي» ناميد . البته اينشتين بعدها وارد کردن ثابت کيهان شناختي به معادله ها را بزرگ ترين اشتباه زندگي خود توصيف کرد . اما اکنون با توجه به رصدها و نتايجي که دانشمندان گرفته اند مي توان گفت که ثابت کيهان شناختي اينشتين ، ايده ي بسيار جالبي بوده است (هر چند که خود اينشتين اين ثابت را به دليلي اشتباه در معادله هاي خود وارد کرد).
کشف انبساط عالم ، نخستين و مهم ترين گام در پديد آوردن نگرش استاندارد کنوني به عالم است . طبق اين نگرش عالم طي انفجار بزرگ در 14 ميليارد سال پيش پديد آمد ، زمان و فضا پس از اين رويداد آغاز شدند و از آن زمان تا کنون عالم در حال انبساط بوده است . مانند کيکي کشمشي که هنگام پختن در فر باد مي کند و کشمش هاي آن از هم دور مي شوند . کهکشان هاي عالم هم به علت انبساط کيهان از هم دور مي شوند . اکنون اين پرسش مطرح مي شود که ما به کجا مي رويم ؟
عالم باز عالمي است که در آن نيروي گرانشي ماده به اندازه ي کافي بزرگ نيست تا از انبساط جلوگيري کند .
بنابراين فضا هر روز بزرگ تر ، سرد تر ، خالي تر و در نتيجه همه ي مواد آن رقيق تر مي شوند . از سوي ديگر در عالم بسته نيروي گرانشي آن قدر شديد است که مي تواند انبساط را متوقف و حتي آن را وارونه کند و باعث انقباض شود . به همين علت در نهايت انبساط متوقف مي شود و اجزاي عالم روي هم مي ريزند و عالم در وضعيتي داغ و خشونت بار به پايان مي رسد . چنين وضعيتي خرد شدن بزرگ (Big crunch) نام دارد . با اين همه بيشتر کيهان شناسان ترجيح مي دهند در عالمي بسيار ساده تر و از لحاظ رياضي بسيار بهتر و مناسب تر زندگي کنند ، يعني عالم مسطح . کيهان شناسان بر اين باورند که در عالم مسطح انبساط روي نمي دهد . بنابراين عالم نه در آتش به پايان مي رسد نه در زمهرير . اما در اين حالت ديگر انتخابي وجود ندارد . اگر يک ثابت کيهان شناختي وجود داشته باشد انبساط ادامه مي يابد و شتابدار مي شود ، حتي اگر عالم مسطح باشد .
دانشمندان انتظار داشتند انبساط کند شونده ي عالم را اندازه بگيرند يا دريابند انبساط عالم چگونه آهسته تر مي شود . روش کار آن ها در اصل همان روشي بود که اخترشناسان 60 سال پيش به کار مي گرفتند . يعني مکان يابي ستاره هاي دوردست و اندازه گيري چگونگي حرکت آن ها . البته بايد دانست توصيف اين روش آسان اما انجام دادن آن بسيار دشوار است . از زمان هنريتا لويت به بعد ، قيفاووسي هاي بسياري پيدا شدند که بسيار دورترند . اما در فاصله هايي که اخترشناسان مي خواهند ببينند ، يعني فاصله هايي در چند ميليارد سال نوري دورتر ، ديگر قيفاووسي ها هم ديده نمي شوند . اکنون بايد معيار کيهاني مان را تغيير بدهيم .
بعدها ابرنواخترها (يعني انفجار ستاره ها) به شمع هاي استانداردسازي تازه ي کيهان شناسي تبديل شد . در دهه ي 1370/ 1990 ، دسترسي به تلسکوپ هاي پيشرفته تر در زمين و فضا هم چنين رايانه هاي سريع تر و قدرتمندتر اين امکان را فراهم کرد تا قطعه هاي بيشتري از اين پازل را در کنار هم بگذاريم . اما از همه مهم تر بيشتري از اين پازل را در کنار هم بگذاريم . اما از همه مهم تر حسگرهاي تصويربرداري ديجيتالي حساس به نور (CCD ) بود که «ويلاربويل» و «جرج اسميت» براي اختراع چنين ابزاري ، جايزه ي نوبل فيزيک سال 1388/ 2009 را از آن خود کردند .
کوتوله ي سفيدي که بخشي از يک منظومه ي ستاره اي دوتايي باشد ، سرنوشت بسيار هيجان انگيزتري دارد . چنين منظومه هايي نسبتا فراوان اند . در اين حالت گرانش شديد کوتوله ي سفيد ، گازهاي ستاره ي همدم خود را جذب مي کند . هنگامي که کوتوله ي سفيد رشد کرد و جرمش 4/ 1 برابر جرم خورشيد شد ، ديگر نمي تواند پايدار بماند و ساختارش را نگه دارد . در چنين وضعيتي بخش داخلي ستاره ي کوتوله ي بسيار داغ مي شود و واکنش هاي همجوشي را آغاز مي کند و در نهايت ستاره طي چند ثانيه منفجر مي شود .
اين نوع همجوشي هسته اي تابش هاي شديدي توليد و گسيل مي کند که طي چند هفته ي نخست پس از انفجار به سرعت زياد مي شود اما فقط چند ماه ادامه دارد و سپس به سرعت کاهش مي يابد . بنابراين براي يافتن ابرنواخترها بايد شتاب کرد زيرا مدت اين انفجار شديد بسيار کوتاه است . در گستره ي عالم مشاهده پذير ، حدود 10 ابرنواختر نوع la در هر دقيقه روي مي دهد . اما عالم بسيار گسترده تر است . در کهکشان هاي معمولي در هر هزار سال فقط يک بار انفجار ابرنواختري رخ مي دهد . ما بسيار خوش اقبال بوديم که توانستيم در شهريور امسال ، يکي از ابرنواخترها را در کهکشاني بسيار نزديک در صورت فلکسي دب اکبر ببينيم . انفجار اين ابر نواختر بسيار شديد بود و با دوربين دو چشمي معمولي هم ديده مي شد اما بيشتر ابرنواخترها از ما بسيار دور و در نتيجه بسيار کم نورند . پس کي و کجا بايد به تماشاي گنبد آسمان بنشينيم تا بتوانيم يکي از اين انفجارهاي ستاره اي را تماشا کنيم ؟
البته دانشمندان با مشکلات ديگري هم رو به رو بودند که بايد چاره اي براي آن ها مي انديشيدند . مثلا ابرنواخترهاي نوع la چندان پايدار و هميشه مثل لحظه ي نخست پديدار شدن شان پرنور نيستند . اين انفجارهاي بسيار پرنور ، خيلي زود هم خاموش مي شوند . علاوه بر اين بايد اين ابرنواختر را از نور پس زمينه ي کهکشان ميزبان آن استخراج کرد . کار بسيار مهم ديگر محاسبه ي مقدار دقيق و صحيح درخشندگي ابرنواختر است . البته گرد و غبار ميان کهکشاني که بين ما و ستاره قرار دارد نور ستاره ها را تغيير مي دهد . چنين پديده هايي هنگام محاسبه حداکثر درخشندگي ابرنواخترها نتيجه ي مشاهده را تغيير مي دهند . نه تنها محدوديت هاي علم و فناوري مشکلات بسياري را در راه شکار ابرنواخترها پديد مي آورد بلکه ضعف در سازمان دهي هم يکي ديگر از مشکلات است . براي به دست آوردن نتايج درست ، نخست بايد انتقال به سرخ و درخشندگي را محاسبه کرد . تغييرات منحني هاي نور با گذشت زمان را بايد بررسي کرد تا بتوان آن رابا ديگر ابرنواخترهاي همان نوع در فاصله هاي شناخته شده مقايسه کرد . براي انجام چنين کاري به مجموعه اي از دانشمندان نياز بود که به سرعت تصميم بگيرند آيا ستاره اي خاص ، نامزد مناسبي براي رصدهاي بيشتر هست يا خير . بنابر اين لازم بود آن ها بتوانند هر لحظه که خواهند از تلسکوپ هاي گوناگون استفاده کنند وبدون هيچ تأخير ودرنگي از هر تلسکوپ ، زمان لازم براي رصد در اختيار داشته باشند . اين در حالي است که مي دانيم وقت گرفتن از تلسکوپ ها فرايندي بسيار طولاني است و چند ماه زمان مي برد . با اين حال لازم است که دانشمندان به سرعت عمل کنند ، زيرا نور ابرنواخترها خيلي زود محو مي شود .
روش کار بسيار پيچيده بود اما در عمل ، دانشمندان از درستي نتيجه ي پژوهش هاي خود مطمئن بودند زيرا مي دانستند که هر دو گروه به نتيجه ي يکسان جالب و شگفت انگيزي رسيده اند . اين دو گروه در مجموع حدود 50 ابرنواختر کشف کردند که نور آن ها از چيزي که انتظار داشتند کم تر بود . اين پديده با چيزي که انتظارش را داشتند در تضاد بود . اگر انبساط عالم در حال کندتر شدن باشد ، ابرنواخترها بايد درخشان تر ديده شوند . اما ابرنواخترها کم نورتر بودند ، انگار اين ابرنواخترها سريع تر و سريع تر از ما دور مي شوند . نتيجه ي شگفت انگيز اين بود که انبساط کند شونده نيست بلکه کاملا بر عکس ، انبساطي تند شونده و رو به افزايش است .
البته ثابت کيهان شناختي ثابت است و با گذشت زمان تغيير نمي کند . بنابراين انرژي تاريک هنگامي به عاملي تعيين کننده و مهم تبديل مي شود که ميلياردها سال از انبساط مداوم و پيوسته ي عالم بگذرد و ماده دراثر انبساط رقيق و در نتيجه ي گرانش آن ضعيف شود . دانشمندان معتقدند که به همين علت ثابت کيهان شناخي اين قدر (يعني 5 تا 6 ميليارد سال پيش) درتاريخ عالم به صحنه وارد شد . و در همين هنگام نيروي گرانشي ماده نسبت به ثابت کيهان شناختي ضعيف تر شد . تا آن زمان فرايند انبساط عالم کند شونده بود .
به نظر مي رسد انرژي تاريک هر چه که باشد باقي مي ماند . بسيار مناسب است که چنين پديده اي را معماي کيهان شناختي بدانيم چرا که فيزيک دانان و اخترشناسان مدت هاي درازي درباره ي آن پژوهش کرده اند . بيشتر دانشمندان معتقدند که حدود سه چهارم عالم از انرژي تاريک و بقيه از ماده تشکيل شده است . اما ماده ي معمولي يعني ماده اي که کهکشان ها ، ستاره ها و انسان ها از آن ساخته شده اند فقط پنج درصد از عالم را تشکيل مي دهد . بقيه ي ماده را «ماده ي تاريک» مي نامند که ماهيت آن تا به حال ناشناخته مانده و يکي از راز هاي کيهان است .
ماده ي تاريک هم مانند انرژي تاريک ديده نمي شود و ما هر دو پديده را فقط از روي اثرهايشان مي شناسيم . يکي کهکشان ها را از هم دور مي کندو ديگري آن ها را به هم نزديک مي کند . اين دو پديده فقط در صفت «تاريک» به هم شباهت دارند . يافته هاي برنده هاي جايزه نوبل فيزيک امسال کمک کرد عالمي را که 95 درصد آن براي دنياي علم ناشناخته است ، بهتر درک کنيم . باز هم هر چيزي ممکن خواهد بود .
برگرفته از : nobelprize.org
**-زيرنويس عکس ها
عالم بزرگ مي شود
انبساط عالم 7/ 13 ميليارد سال پيش با انفجار بزرگ (مهبانگ) آغاز شد اما طي چند ميليارد سال نخست از سرعت آن کم شد و سرانجام سرعت آن افزايش يافت . گمان مي رود علت انبساط شتاب دار عالم ، وجود «انرژي تاريک» باشد . در آغاز عالم انرژي تاريک بخش کوچکي از کل عالم بود اما همان طور که عالم گسترش مي يافت ماده رقيق تر مي شد و سهم انرژي تاريک هم بيشتر شد .
*-عالم
معناي اين کشف آن است که سه چهارم عالم از نوعي انرژي ناشناخته ساخته شده است که انرژي تاريک نام دارد . اين انرژي تاريک همراه با ماده ي تاريک (که ماهيت آن هنوز هم ناشناخته است ) حدود 95 درصد از عالم را تشکيل مي دهند . فقط 5 درصد باقي مي ماند که ماده ي معمولي است . اين نوع ماده ي سازنده ي کهکشان ها ، ستاره ها ، انسان و همه ي چيزهاي شناخته شده ي ديگر است .
- هنگامي که کوتوله ي سفيد رشد کرد وجرمش به حد معيني رسيد منفجر مي شود و ابرنواختر نوع la را پديد مي آورد.
**-سائول پرلماتر
اختر فيزيک دان و استاد دانشگاه کاليفرنيا ، برکلي ، در سال 1385/ 2006 همراه با دو گروه خود جايزه ي شاو را برد و امسال هم همين دو نفر جايزه ي نوبل فيزيک را دريافت کرد . براي اطلاعات بيشتر به نشاني زير مراجعه کنيد :
Physics.berkeley.edu/research/facuty/perimutter.html
**-برايان اشميت
اختر فيزک دان و استاد دانشگاه ملي استراليا و رصدخانه ي مونت استروملو و عضو مدرسه ي تحقيقات نجوم و اختر فيزيک . او نيز بيشتر به علت پژوهش در زمينه ي ابرنواختر شهرت دارد . براي اطلاعات بيشتر به اين نشاني مراجعه کنيد :
msowww.anu.deu.au/brian
**-آدام ريس adam Riess
اختر فيزيک دان دانشگاه جان هاپکينز و مؤسسه ي علمي تلسکوپ فضايي بالتيمور است که به تحقيقات گسترده اش در زمينه ي ابرنواخترها شهرت دارد . براي اطلاعات بيشتر مي توانيد به نشاني زير مراجعه کنيد :
www.stsci.edu/ariess
برگرفته از مجله نجوم شماره 213
آغاز
رابرت فراست ، آتش و زمهرير ، 1920
سرنوشت عالم چگونه خواهد بود ؟ اگر ما ادعاهاي دانشمندان برنده ي جايزه نوبل امسال را باور کنيم بايد بپذيريم که عالم در زمهرير به پايان مي رسد . آن ها با دقت بسيار ده ها ستاره ي منفجر شده را (که ابرنوختر نام دارند) در کهکشان هاي دوردست بررسي کردند و نتيجه گرفتند که انبساط عالم تندشونده است .
کشف دانشمندان برنده ي جايزه ي نوبل فيزيک 2011 بسيار شگفت انگيز بود حتي براي خودشان ! چيزي که آن ها ديدند مثل اين بود که توپي را رو به آسمان پرتاب کنيم اما توپ به جاي آن که دوباره به زمين برگردد با سرعت بيشتري راه آسمان را پيش بگيرد و هر لحظه از ما دورتر شود تا ناپديد شود ، انگار که گرانش نمي تواند جهت حرکت توپ را تغيير دهد . به نظر مي رسد در کل عالم نيز پديده ي مشابهي روي مي دهد .
سرعت رو به افزايش انبساط عالم بيانگر آن است که شکل ناشناخته اي از انرژي که درساختار فضا آشيان کرده است اجزاي عالم را از هم دور مي کند. اين انرژي را «انرژي تاريک» ناميده اند و بيش از 70 درصد عالم را تشکيل مي دهد. ماهيت اين انرژي هنوز هم معماست ؛ شايد هم بزرگترين معماي فيزيک باشد . بنابراين جاي شگفتي نيست هنگامي که دو گروه پژوهشي جداگانه ، 1377/ 1998 دستاوردهاي مشابه خود را در اين زمينه عرضه کردند بنيان هاي کيهان شناسي به لرزه درآمد .
«سائول پرلماتر» سرپرست يکي از اين گروه هاي پژوهشي بود . اين گروه پژوهشي «طرح کيهان شناختي ابرنواختري» نام داشت که يک دهه قبل از آن و در سال 1367 /1998 کارش را آغاز کرده بود . «برايان اشميت» سرپرست گروه ديگري از دانشمندان بود که در پايان سال 1373/ 1994 طرح رقيب طرح نخست را پديد آورد . اين طرح «گروه پژوهشي نواختر با z زياد» نام داشت و «آدام ريس» نيز در آن نقش بسيار مهمي بر عهده گرفته بود .
دو گروه پژوهشي براي تهيه ي نقشه ي عالم با هم رقابت مي کردند و به دنبال دورترين ابرنواخترها بودند . اين دانشمندان اميدوار بودند با يافتن فاصله ي اين ابرنواخترها و سرعت دور شدن آنها از ما به سرنوشت کيهان پي ببرند . آن ها ابتدا انتظار داشتند نشانه هايي مبني بر کنده شونده بودن انبساط عالم ببينند که در اين صورت بين آتش و زمهرير توازني برقرار مي شود . اما نهايتا دريافتند که واقعيت خلاف اين است ، يعني انبساط عالم تندشونده است .
عالم گسترده تر مي شود
«هنر تاسوان لويت» اخترشناس آمريکايي در آغاز قرن بيستم ، راهي براي اندازه گيري ستاره هاي دور پيدا کرد . در آن زمان امکان دسترسي زنان اخترشناس به تلسکوپ هاي بزرگ نبود اما بسياري از اين زنان را استخدام مي کردند تا کار سخت و طاقت فرساي تجزيه و تحليل عکس هاي نجومي را انجام دهند . «هنريتا لويت» هزاران ستاره ي تپنده ي مشهور به «متغيرهاي قيفاووسي» را بررسي کرد و دريافت هر يک که درخشنده تر باشند ، تپش هاي طولاني تري دارند . وي توانست با اين اطلاعات ، درخشندگي ذاتي قيفاووسي ها را اندازه بگيرد . اگر فاصله ي يکي از ستاره هاي قيفاووسي مشخص مي شد با توجه به اين که مي دانستيم هر چه ستاره کم نورتر باشد ، دورتر است مي توانستيم فاصله ي ديگر قيفاووسي ها را هم مشخص کنيم .
به اين ترتيب بود که نخستين بار استاندارد و معياري در کيهان شناسي پديد آمد . از اين معيار هنوز هم استفاده مي شود . اخترشناسان با استفاده از قيفاووسي ها خيلي زود دريافتند که راه شيري فقط يکي از کهکشان هاي عالم است و تعداد بسياري از اين کهکشان ها وجود دارند . در دهه ي 1920 هم بزرگ ترين تلسکوپ آن زمان به نام تلسکوپ مونت ويلسون در کاليفرنيا در دسترس اخترشناسان قرار گرفت . هنگامي که منبع نوري از ما دور شود موج نور کشيده تر و طول موج آن بزرگ تر مي شود . هر چه طول موج بزرگ تر شود رنگ آن سرخ تر مي شود . دانشمندان با تلسکوپ مونت ويلسون و بررسي انتقال به سرخ دريافتند که تقريبا همه ي کهکشان ها از ما و از يکديگر دور مي شوند .
کهکشان ها هر چه دورتر باشند ، سريع تر هم حرکت مي کنند . قانوني را که اکنون بيان کرديم به نام قانون هابل مي شناسند . بر اساس اين قانون عالم در حال گسترش است .
آمد و شد ثابت کيهان شناختي
البته بشر يک دهه پيش از آن که دريابد کهکشان ها از هم دور مي شوند به اين نتيجه ي گيج کننده رسيده بود . حتي اينشتين هم نمي توانست اين حقيقت را بپذيرد که عالم ايستا نيست . به همين علت براي اين که اين انبساط کيهاني ناخواسته را متوقف کند ، ثابتي را براي معادله هاي خود افزود . و آن را «ثابت کيهان شناختي» ناميد . البته اينشتين بعدها وارد کردن ثابت کيهان شناختي به معادله ها را بزرگ ترين اشتباه زندگي خود توصيف کرد . اما اکنون با توجه به رصدها و نتايجي که دانشمندان گرفته اند مي توان گفت که ثابت کيهان شناختي اينشتين ، ايده ي بسيار جالبي بوده است (هر چند که خود اينشتين اين ثابت را به دليلي اشتباه در معادله هاي خود وارد کرد).
کشف انبساط عالم ، نخستين و مهم ترين گام در پديد آوردن نگرش استاندارد کنوني به عالم است . طبق اين نگرش عالم طي انفجار بزرگ در 14 ميليارد سال پيش پديد آمد ، زمان و فضا پس از اين رويداد آغاز شدند و از آن زمان تا کنون عالم در حال انبساط بوده است . مانند کيکي کشمشي که هنگام پختن در فر باد مي کند و کشمش هاي آن از هم دور مي شوند . کهکشان هاي عالم هم به علت انبساط کيهان از هم دور مي شوند . اکنون اين پرسش مطرح مي شود که ما به کجا مي رويم ؟
ابر نواخترها ؛ معيار تازه ي کيهان
عالم باز عالمي است که در آن نيروي گرانشي ماده به اندازه ي کافي بزرگ نيست تا از انبساط جلوگيري کند .
بنابراين فضا هر روز بزرگ تر ، سرد تر ، خالي تر و در نتيجه همه ي مواد آن رقيق تر مي شوند . از سوي ديگر در عالم بسته نيروي گرانشي آن قدر شديد است که مي تواند انبساط را متوقف و حتي آن را وارونه کند و باعث انقباض شود . به همين علت در نهايت انبساط متوقف مي شود و اجزاي عالم روي هم مي ريزند و عالم در وضعيتي داغ و خشونت بار به پايان مي رسد . چنين وضعيتي خرد شدن بزرگ (Big crunch) نام دارد . با اين همه بيشتر کيهان شناسان ترجيح مي دهند در عالمي بسيار ساده تر و از لحاظ رياضي بسيار بهتر و مناسب تر زندگي کنند ، يعني عالم مسطح . کيهان شناسان بر اين باورند که در عالم مسطح انبساط روي نمي دهد . بنابراين عالم نه در آتش به پايان مي رسد نه در زمهرير . اما در اين حالت ديگر انتخابي وجود ندارد . اگر يک ثابت کيهان شناختي وجود داشته باشد انبساط ادامه مي يابد و شتابدار مي شود ، حتي اگر عالم مسطح باشد .
دانشمندان انتظار داشتند انبساط کند شونده ي عالم را اندازه بگيرند يا دريابند انبساط عالم چگونه آهسته تر مي شود . روش کار آن ها در اصل همان روشي بود که اخترشناسان 60 سال پيش به کار مي گرفتند . يعني مکان يابي ستاره هاي دوردست و اندازه گيري چگونگي حرکت آن ها . البته بايد دانست توصيف اين روش آسان اما انجام دادن آن بسيار دشوار است . از زمان هنريتا لويت به بعد ، قيفاووسي هاي بسياري پيدا شدند که بسيار دورترند . اما در فاصله هايي که اخترشناسان مي خواهند ببينند ، يعني فاصله هايي در چند ميليارد سال نوري دورتر ، ديگر قيفاووسي ها هم ديده نمي شوند . اکنون بايد معيار کيهاني مان را تغيير بدهيم .
بعدها ابرنواخترها (يعني انفجار ستاره ها) به شمع هاي استانداردسازي تازه ي کيهان شناسي تبديل شد . در دهه ي 1370/ 1990 ، دسترسي به تلسکوپ هاي پيشرفته تر در زمين و فضا هم چنين رايانه هاي سريع تر و قدرتمندتر اين امکان را فراهم کرد تا قطعه هاي بيشتري از اين پازل را در کنار هم بگذاريم . اما از همه مهم تر بيشتري از اين پازل را در کنار هم بگذاريم . اما از همه مهم تر حسگرهاي تصويربرداري ديجيتالي حساس به نور (CCD ) بود که «ويلاربويل» و «جرج اسميت» براي اختراع چنين ابزاري ، جايزه ي نوبل فيزيک سال 1388/ 2009 را از آن خود کردند .
انفجار کوتوله هاي سفيد
کوتوله ي سفيدي که بخشي از يک منظومه ي ستاره اي دوتايي باشد ، سرنوشت بسيار هيجان انگيزتري دارد . چنين منظومه هايي نسبتا فراوان اند . در اين حالت گرانش شديد کوتوله ي سفيد ، گازهاي ستاره ي همدم خود را جذب مي کند . هنگامي که کوتوله ي سفيد رشد کرد و جرمش 4/ 1 برابر جرم خورشيد شد ، ديگر نمي تواند پايدار بماند و ساختارش را نگه دارد . در چنين وضعيتي بخش داخلي ستاره ي کوتوله ي بسيار داغ مي شود و واکنش هاي همجوشي را آغاز مي کند و در نهايت ستاره طي چند ثانيه منفجر مي شود .
اين نوع همجوشي هسته اي تابش هاي شديدي توليد و گسيل مي کند که طي چند هفته ي نخست پس از انفجار به سرعت زياد مي شود اما فقط چند ماه ادامه دارد و سپس به سرعت کاهش مي يابد . بنابراين براي يافتن ابرنواخترها بايد شتاب کرد زيرا مدت اين انفجار شديد بسيار کوتاه است . در گستره ي عالم مشاهده پذير ، حدود 10 ابرنواختر نوع la در هر دقيقه روي مي دهد . اما عالم بسيار گسترده تر است . در کهکشان هاي معمولي در هر هزار سال فقط يک بار انفجار ابرنواختري رخ مي دهد . ما بسيار خوش اقبال بوديم که توانستيم در شهريور امسال ، يکي از ابرنواخترها را در کهکشاني بسيار نزديک در صورت فلکسي دب اکبر ببينيم . انفجار اين ابر نواختر بسيار شديد بود و با دوربين دو چشمي معمولي هم ديده مي شد اما بيشتر ابرنواخترها از ما بسيار دور و در نتيجه بسيار کم نورند . پس کي و کجا بايد به تماشاي گنبد آسمان بنشينيم تا بتوانيم يکي از اين انفجارهاي ستاره اي را تماشا کنيم ؟
نتيجه اي حيرت آور
البته دانشمندان با مشکلات ديگري هم رو به رو بودند که بايد چاره اي براي آن ها مي انديشيدند . مثلا ابرنواخترهاي نوع la چندان پايدار و هميشه مثل لحظه ي نخست پديدار شدن شان پرنور نيستند . اين انفجارهاي بسيار پرنور ، خيلي زود هم خاموش مي شوند . علاوه بر اين بايد اين ابرنواختر را از نور پس زمينه ي کهکشان ميزبان آن استخراج کرد . کار بسيار مهم ديگر محاسبه ي مقدار دقيق و صحيح درخشندگي ابرنواختر است . البته گرد و غبار ميان کهکشاني که بين ما و ستاره قرار دارد نور ستاره ها را تغيير مي دهد . چنين پديده هايي هنگام محاسبه حداکثر درخشندگي ابرنواخترها نتيجه ي مشاهده را تغيير مي دهند . نه تنها محدوديت هاي علم و فناوري مشکلات بسياري را در راه شکار ابرنواخترها پديد مي آورد بلکه ضعف در سازمان دهي هم يکي ديگر از مشکلات است . براي به دست آوردن نتايج درست ، نخست بايد انتقال به سرخ و درخشندگي را محاسبه کرد . تغييرات منحني هاي نور با گذشت زمان را بايد بررسي کرد تا بتوان آن رابا ديگر ابرنواخترهاي همان نوع در فاصله هاي شناخته شده مقايسه کرد . براي انجام چنين کاري به مجموعه اي از دانشمندان نياز بود که به سرعت تصميم بگيرند آيا ستاره اي خاص ، نامزد مناسبي براي رصدهاي بيشتر هست يا خير . بنابر اين لازم بود آن ها بتوانند هر لحظه که خواهند از تلسکوپ هاي گوناگون استفاده کنند وبدون هيچ تأخير ودرنگي از هر تلسکوپ ، زمان لازم براي رصد در اختيار داشته باشند . اين در حالي است که مي دانيم وقت گرفتن از تلسکوپ ها فرايندي بسيار طولاني است و چند ماه زمان مي برد . با اين حال لازم است که دانشمندان به سرعت عمل کنند ، زيرا نور ابرنواخترها خيلي زود محو مي شود .
روش کار بسيار پيچيده بود اما در عمل ، دانشمندان از درستي نتيجه ي پژوهش هاي خود مطمئن بودند زيرا مي دانستند که هر دو گروه به نتيجه ي يکسان جالب و شگفت انگيزي رسيده اند . اين دو گروه در مجموع حدود 50 ابرنواختر کشف کردند که نور آن ها از چيزي که انتظار داشتند کم تر بود . اين پديده با چيزي که انتظارش را داشتند در تضاد بود . اگر انبساط عالم در حال کندتر شدن باشد ، ابرنواخترها بايد درخشان تر ديده شوند . اما ابرنواخترها کم نورتر بودند ، انگار اين ابرنواخترها سريع تر و سريع تر از ما دور مي شوند . نتيجه ي شگفت انگيز اين بود که انبساط کند شونده نيست بلکه کاملا بر عکس ، انبساطي تند شونده و رو به افزايش است .
از اين جا تا ابديت
البته ثابت کيهان شناختي ثابت است و با گذشت زمان تغيير نمي کند . بنابراين انرژي تاريک هنگامي به عاملي تعيين کننده و مهم تبديل مي شود که ميلياردها سال از انبساط مداوم و پيوسته ي عالم بگذرد و ماده دراثر انبساط رقيق و در نتيجه ي گرانش آن ضعيف شود . دانشمندان معتقدند که به همين علت ثابت کيهان شناخي اين قدر (يعني 5 تا 6 ميليارد سال پيش) درتاريخ عالم به صحنه وارد شد . و در همين هنگام نيروي گرانشي ماده نسبت به ثابت کيهان شناختي ضعيف تر شد . تا آن زمان فرايند انبساط عالم کند شونده بود .
شايد خلأ ، منشاء ثابت کيهان شناختي باشد . خلأ همان فضاي مهمي است که طبق نظريه ي فيزيک کوانتوم هيچ گاه کاملا خالي نيست بلکه سوپ کوانتومي جوشاني است که ذرات مجازي ماده و پادماده ، پيوسته در آن پديد مي آيند و نابود مي شوند و انرژي توليد مي کنند .
با اين همه ساده ترين تقريب ها براي مقدار انرژي تاريک با مقدار اندازه گيري شده ي انرژي در فضا مطابقت ندارد . مقدار واقعي اندازه گيري شده 10 به توان 120 (يک و 120 صفر جلوي آن ) با بزرگ تر از مقدار محاسبه شده است . اين موضوع شکافي بسيار بزرگ بين نظريه و مشاهده ايجاد کرده که تا کنون حل نشده است . براي درک بزرگي اين عدد و اهميت آن خوب است بدانيم تعداد ذرات شن در کل سواحل زمين حدود 10 به توان 20 (يک و 20صفر جلوي آن) است . البته اين امکان هم وجود دارد که انرژي تاريک ثابت نباشد . شايد اين انرژي با گذشت زمان تغيير مي کند . شايد ميدان نيروي ناشناخته اي گاهي انرژي تاريک توليد مي کند . در فيزيک چندين نوع گوناگون از اين ميدان هاي نيرو وجود دارد که همه آن ها را در مجموع «quintessence» مي نامند. اين کلمه ي يوناني به معناي «عنصر پنجم» است . عنصر پنجم مي تواند باعث افزايش سرعت انبساط عالم شود ولي نه هميشه بلکه گاهي و در اين حالت پيش بيني سرنوشت عالم غيرممکن مي شود . به نظر مي رسد انرژي تاريک هر چه که باشد باقي مي ماند . بسيار مناسب است که چنين پديده اي را معماي کيهان شناختي بدانيم چرا که فيزيک دانان و اخترشناسان مدت هاي درازي درباره ي آن پژوهش کرده اند . بيشتر دانشمندان معتقدند که حدود سه چهارم عالم از انرژي تاريک و بقيه از ماده تشکيل شده است . اما ماده ي معمولي يعني ماده اي که کهکشان ها ، ستاره ها و انسان ها از آن ساخته شده اند فقط پنج درصد از عالم را تشکيل مي دهد . بقيه ي ماده را «ماده ي تاريک» مي نامند که ماهيت آن تا به حال ناشناخته مانده و يکي از راز هاي کيهان است .
ماده ي تاريک هم مانند انرژي تاريک ديده نمي شود و ما هر دو پديده را فقط از روي اثرهايشان مي شناسيم . يکي کهکشان ها را از هم دور مي کندو ديگري آن ها را به هم نزديک مي کند . اين دو پديده فقط در صفت «تاريک» به هم شباهت دارند . يافته هاي برنده هاي جايزه نوبل فيزيک امسال کمک کرد عالمي را که 95 درصد آن براي دنياي علم ناشناخته است ، بهتر درک کنيم . باز هم هر چيزي ممکن خواهد بود .
برگرفته از : nobelprize.org
عالم بزرگ مي شود
انبساط عالم 7/ 13 ميليارد سال پيش با انفجار بزرگ (مهبانگ) آغاز شد اما طي چند ميليارد سال نخست از سرعت آن کم شد و سرانجام سرعت آن افزايش يافت . گمان مي رود علت انبساط شتاب دار عالم ، وجود «انرژي تاريک» باشد . در آغاز عالم انرژي تاريک بخش کوچکي از کل عالم بود اما همان طور که عالم گسترش مي يافت ماده رقيق تر مي شد و سهم انرژي تاريک هم بيشتر شد .
معناي اين کشف آن است که سه چهارم عالم از نوعي انرژي ناشناخته ساخته شده است که انرژي تاريک نام دارد . اين انرژي تاريک همراه با ماده ي تاريک (که ماهيت آن هنوز هم ناشناخته است ) حدود 95 درصد از عالم را تشکيل مي دهند . فقط 5 درصد باقي مي ماند که ماده ي معمولي است . اين نوع ماده ي سازنده ي کهکشان ها ، ستاره ها ، انسان و همه ي چيزهاي شناخته شده ي ديگر است .
- هنگامي که کوتوله ي سفيد رشد کرد وجرمش به حد معيني رسيد منفجر مي شود و ابرنواختر نوع la را پديد مي آورد.
اختر فيزيک دان و استاد دانشگاه کاليفرنيا ، برکلي ، در سال 1385/ 2006 همراه با دو گروه خود جايزه ي شاو را برد و امسال هم همين دو نفر جايزه ي نوبل فيزيک را دريافت کرد . براي اطلاعات بيشتر به نشاني زير مراجعه کنيد :
Physics.berkeley.edu/research/facuty/perimutter.html
اختر فيزک دان و استاد دانشگاه ملي استراليا و رصدخانه ي مونت استروملو و عضو مدرسه ي تحقيقات نجوم و اختر فيزيک . او نيز بيشتر به علت پژوهش در زمينه ي ابرنواختر شهرت دارد . براي اطلاعات بيشتر به اين نشاني مراجعه کنيد :
msowww.anu.deu.au/brian
اختر فيزيک دان دانشگاه جان هاپکينز و مؤسسه ي علمي تلسکوپ فضايي بالتيمور است که به تحقيقات گسترده اش در زمينه ي ابرنواخترها شهرت دارد . براي اطلاعات بيشتر مي توانيد به نشاني زير مراجعه کنيد :
www.stsci.edu/ariess
برگرفته از مجله نجوم شماره 213
