تنش ثابت هابل: معمای جدیدی که می‌تواند فیزیک را متحول کند

ممکن است فکر کنید که مسئله انبساط کیهان را ادوین هابل همان صد سال پیش حل کرد و جواب نهایی به آن داد. اما این موضوع تبدیل به یکی از مهم‌ترین مسائل کیهان‌شناسی امروز شده است. کیهان با چه سرعتی گسترش می‌یابد؟ ماهواره پلانک طی یک پویش کلی از کیهان، تابش پس‌زمینه کیهانی را ثبت کرد که به اختصار تابش CMB نیز شناخته می‌شود. این ثابش از آغاز کیهان، حدود ۳۸۰ هزار سال بعد از مهبانگ، در سراسر فضا و زمان منتشر می‌شده و حالا با تهیه نقشه دقیقی از آن می‌توان سرعت گسترش تابش و در نتیجه سرعت گسترش کیهان را محاسبه کرد. در سال ۱۹۲۹ میلادی، هابل به همراه چند تن از همکارانش از داده‌های رصدی خود استفاده کردند تا این سرعت را به دست آورند که به ثابت هابل شناخته می‌شود. آن‌ها با محاسبه سرعت دور شدن کهکشانی از ما نسبت به فاصله آن توانستند به این ثابت رسیدند. اما حالا با داده‌های امروز، منجمان توانستند ثابت هابل را با دقت بی نظیری محاسبه کنند. آن‌ها در پروژه‌ای به نام معادله حالت ابرنواختر ثابت هابل یا به اختصار SHoES با دریافت داده‌هایی از یک نوع ستاره متغیر ثابت هابل را به دست آوردند. اما محاسباتی که با داده‌ای پلانک به دست آمده است، با نتایج این پروژه مغایرت دارد. داده‌های پلانک نشان می‌دهد که این عدد باید ۶۷ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک باشد، اما پروژه SHoES این عدد را ۷۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک به دست آورده است. این تناقض محاسباتی که به تنش ثابت هابل (Hubble Constant Tension) شناخته می‌شود، در طی این سال‌ها بیشتر و بیشتر شده و پس از هر مطالعه گسترده‌ای نتیجه متفاوتی به دست آمده است. این احتمال وجود دارد که تمام این اختلاف‌ها فقط اشتباه محاسباتی و جا انداختن یک فاکتور در محاسبه باشد، اما این احتمال هم وجود دارد که خود این تناقض یک نمایشی از طبیعت باشد که برای فهم آن نیازمند فیزیک جدید و درک تازه‌ای از تکامل کیهان هستیم. نتایج متناقض در ۱۳ تیر ۱۳۹۸، نتایج جدیدی از مطالعه کیهان امروز منتشر کردند که نتایج پروژه SHoES را تقویت کرد و این تنش را از آستانه آماری خاص فیزیکدانان گذراند که معیاری برای سنجش اکتشافات جدید است. برای لحظاتی فرضیه وجود یک فیزیک جدی و ناآشنا بیشتر از قبل تقویت شد. با این حال، چندین روز بعد و در ۲۸ تیرماه، نتایج یک مطالعه مستقل دیگری منتشر شد که مقدار ثابت هابل را ۶۹.۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک، جایی بین نتایج پلانک و SHoES به دست آورده بود. اما بیشتر این اختلافات در کنفرانس جهان اولیه و امروزی که در ۲۴ تا ۲۶ تیرماه همان سال در موسسه فیزیک نظری کولی (Kavli) برگزار شده بود، مورد بحث قرار گرفت. پروژه SHoES که بیش از ده سال پیش پایه‌گذاری شده است، نرخ گسترش کیهان را با اندازه‌گیری فاصله کهکشان‌های دیگر اندازه می‌گیرد. فاصله سیارات منظومه شمسی و یا ستاره‌های نزدیک به ما با حرکت آن‌ها در مدتی مشخص در آسمان اندازه‌گیری می‌شود. اما برای اندازه‌گیری کهکشان‌های دوردست که موقعیت آن‌ها در آسمان تقریبا تغییری نمی‌کند، به روش دیگری نیاز است. محققان این مطالعه روشنایی ظاهری ابرنواخترهایی را اندازه‌گیری کردند که با انفجار کوتوله‌های سفید تشکیل می‌شوند. محققان این روشنایی به دست آمده را با روشنایی واقعی ستاره‌ها مقایسه کردند تا فاصله آن‌ها را به دست آورند. در نهایت، آن‌ها با انتقال به سرخ و فاصله ستاره، ثابت هابل را اندازه می‌گیرند. انتقال به سرخ نور یک ستاره وقتی رخ می‌دهد که طول موج نور آن به دلیل گسترش کیهان، کشیده می‌شود و قرمزتر دیده می‌شود. منجمان برای محاسبه درخشندگی یک ستاره، داده‌های به دست آمده از روشنایی آن را با شمع‌های استاندارد کیهانی کالیبره می‌کنند. شمع‌های کیهانی ابرنواخترهایی هستند که روشنایی آن‌ها ثابت است و منجمان می‌توانند از آن‌ها به عنوان یک معیار و استاندارد برای محاسبات دیگر استفاده کنند. مدل لاندا سی‌دی‌ام کیهان محققان پروژه SHoES برای شمع استاندارد از ستارگان متغیر دلتا قیفاووسی نزدیک به زمین استفاده می‌کنند. این ستاره‌ها طوری می‌تپند که درخشندگی واقعی آن‌ها را نشان می‌دهد. در نهایت، آن‌ها فاصله کهکشان‌های دور را با ستاره‌های دلتا قیفاووسی درونشان اندازه‌گیری می‌کنند و با این روش مقدار ثابت هابل را به دست می‌آروند. اما منجمان ثابت هابل را با داده‌های تلسکوپ فضایی پلانک با روش دیگری محاسبه می‌کنند. داده‌های پلانک تابش پس‌زمینه کیهانی را نشان می‌دهد و محققان با مدل استاندارد کیهانی، تکامل این تابش در گذر زمان را پیش‌بینی می‌کنند. این مدل استاندارد کیهانی که ماده تاریک سرد لاندا یا به اختصار لاندا سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) نامیده می‌شود، تخمینی از مواد تشکیل دهنده کیهان اولیه است که تصویر دقیقی از انبساط کیهان در گذر زمان ارائه می‌دهد. مطالعات مستقل نتایجی که در ۱۳ تیر ۹۸ منتشر شد، با داده‌های پروژه مستقلی به نام لنزهای ثابت هابل در داده‌های کازموگریل (COSMOGRAIL) یا به اختصار HoLiCOW به دست آمده بود. این پروژه به دنبال محاسبه ثابت هابل با کیهان امروزی با لنزهای گرانشی بود. لنزهای گرانشی وقتی به وجود می‌آیند که جاذبه زیاد موجود در محیطی باعث خمیدگی نور اجرام دورتر می‌شود و مثل یک عدسی یا لنز عمل می‌کند. این پروژه داده‌های خود را با اختروش‌ها (Quasar) کالیبره کرد که نور آن‌ها با جاذبه کهکشان‌های نزدیکتر تحت تاثیر پدیده لنز گرانشی قرار گرفته بود. اختروش‌ها هسته بسیار فعال کهکشان‌های جوان هستند که در مرکزشان سیاهچاله‌ای ابرپرجرم دارند. نور اخروش‌ها تحت تاثیر اثر لنز گرانشی می‌تواند مسیر طولانی‌تر یا کوتاه‌تری را با طی کند تا به ما برسد و حتی تحت تاثیر جاذبه متفاوتی قرار بگیرد. بنابراین از یک اختروش چند تصویر با تاخیر زمانی می‌بینیم. تصویرسازی از اختروش این تیم تحقیقاتی با ویژگی‌های فیزیکی دیگر اختروش‌ها مثل انتقال به سرخ و توزیع جرم تصویر تحت تاثیر لنز گرانشی، ثابت آموزش آشپزی و مطالب جالب جدید...