یک چشم و یک دنیا سوال

Alan MacRobert
برگردان آزاد از احسان سنایی

جهان ما منبسط و سرد می‌شود؛ پس روزگاری دور، از این گرم‌تر بوده است. اما طبق اصل پایستگی ماده و انرژی، هنوز آثار خاکسترگونه‌ی این جهنم نحستین را می‌توان یافت. تابش فوق‌العاده یک‌دست و ضعیفی که در ناحیه‌ ریزموج طیف نوری از هر سوی آسمان دریافت می‌شود، همان اثر است؛ تابشی موسوم به «تابش پس‌زمینه‌ی کهانی» (CMB).

قدمت کشف نوسانات دمایی شدیداً اندک پهنه‌ی این نور، اندکی بیش‌تر از یک دهه است؛ اما به گفته‌ی پروفسور استفان هاوکینگ، این پیش‌رفت اگر بزرگ‌ترین کشف تاریخ علم نباشد، بی‌تردید بزرگ‌ترین کشف علمی سده‌ی اخیر است. چندی پیش، نتایج هفت‌سال نقشه‌برداری متوالی این نور، بدون هیچ‌گونه پوشش چشم‌گیر رسانه‌ای، توسط تیم علمی کاوش‌گر WMAP انتشار داده شد. در ادامه، نگاهی داریم به حقایق افسانه‌گونی که این ابزار ریزنقش از ژرفای گیتی برای‌مان می‌گوید.

پروفسور «جورج اسموت»، سرپرست ارشد مأموریت فضایی COBE، که به‌واسطه‌ی کشف نوسانات دمایی تابش CMB، نیمی از جایزه‌ی نوبل فیزیک ۲۰۰۶ را از آن خود ساخت، در جایی گفته است: «اگر فردی مذهبی باشید، [کشف این نوسانات] چیزی شبیه نگاه به چهره‌ی خداوند بود.»

نقشه‌ی سراسری آسمان از نوسانات دمایی تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی. دمای متوسط این تابش، در حدود ۲.۷۲۵ کلوین یا -۲۷۰.۴۲۵ درجه‌ی سلسیوس است. رنگ قرمز، معرف نواحی گرم‌تر و رنگ آبی معرف نواحی سردتر از این دماست؛ نوساناتی که حداکثر به ۰.۰۰۰۲ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد! همین نوسانات دمایی ناچیز بود که با گذشت زمان، توزیع ماده را تحت کنترل درآورده و نهایتاً جهان امروز را با الگوی کنونی‌اش شکل دادند / گروه علمی WMAP / ناسا

ریشه‌های ژرف نگرش توآمان دین و دانش به این تابش نوری ضعیف¹، که مسبب ایجاد ۴درصد از برفک تلویزیون‌های خانگی است، آن‌چنان گسترده است که کوه اطلاعات نهفته در ماورای‌اش را می‌توان جهت پاسخ به هر پرسش علمی و غیرعلمی مرتبط با کیهان به‌ کار گرفت. دکتر «چارلی لاین‌ویور»، از کیهان‌شناسان برجسته‌ی جهان، در پیش‌گفتار مقاله‌ای آورده است:

«در آن زمان به‌عنوان یک دانشجو که به بررسی داده‌های دریافتی کاوش‌گر COBE می‌پرداختم، فهمیده بودم که چیز اساسی‌ای را کشف کرده‌ بودیم، اما تا شب بعد از یک مصاحبه‌ی تلفنی با شبکه‌ی رادیویی BBC، به این امر آن‌چنان واقف نبودم. من از مصاحبه‌گر درخواست یک نسخه‌ی کپی از این گفتگو را کردم و او به من گفت که اگر امکان دارد، درخواستی به «دایره‌ی امور مذهبی» بفرستید».²

در این نوسانات ناچیز نوری مگر چه می‌توان دید؟ بدون شک ارائه‌ی روش‌های تحلیلی کیهان‌شناسان از حدود این مقاله خارج است، اما می‌توان به چکیده‌ی کشفیات فراوان نقشه‌برداری هفت‌ساله مأموریت WMAP اشاره‌ای داشت.

MAP؛ مخفف عبارت «کاوش‌گر ناهمسان‌گردی ریزموج» که بعدها به‌واسطه‌ی درگذشت «دیوید ویلکینسون»؛ از پیش‌گامان حوزه‌ی مطالعات CMB، به WMAP تغییر نام یافت؛ در بیستم آوریل ۲۰۰۱ از پای‌گاه پرتاب‌های فضایی کندی ایالات متحده روانه‌ی نقطه‌ای به فاصله‌ی ۱.۵ میلیون کیلومتری زمین شد.

با یک‌بار گردش کامل در هر ۱۲۹ ثانیه، نه‌سال است که این تلسکوپ ریزموج از ژرفای تاریک و هراس‌آور زمان برای‌مان خبر گرفته و مرتباً جزئیات فراوان‌تری را به داستان دیرپای تشکیل جهان‌مان‌ می‌افزاید. این جزئیات، در تناسب مستقیم با توانایی ما در تفکیک هرچه بهتر نوسانات دمایی (موسوم به ناهمسان‌گردی) CMB است.

طرحی از ماهواره‌ی WMAP / ناسا

خواسته ناخواسته این نور نخستین، پس‌زمینه‌ی هر چیزی است که در آسمان می‌بینیم و ظاهر یک‌دست‌اش، از ۳۸۰‌هزار سال پس از انفجار بزرگ به ما می‌گوید. یافته‌های پنج‌ساله‌ی این کاوش‌گر، دو سال پیش انتشار داده شد. حال آن‌چه می‌خوانیم، از اهم جزئیات الحاقی به این یافته‌ها، طی گزارش هفت‌ساله‌ی تیم علمی WMAP است:

سن حقیقی جهان معادل ۱۳.۷۵، مثبت-منفی ۰.۱۱ میلیارد سال است؛ اما داده‌های آماری بازه‌ی پنج‌ساله‌ی پروژه، عدد ۱۳.۷۳، مثبت-منفی ۰.۱۲ میلیارد سال را نشان می‌داد (عدم قطعیت عدد تازه‌انتشاریافته، تنها ۰.۸درصد است). این در حالی است که اغلب کتب عامه‌پسند کیهان‌شناسی، سن جهان را مابین ۱۰ تا ۲۰ میلیارد سال ذکر می‌کنند.

ثابت هابل، که معرف شدت انبساط مطلق کیهان است، در شرایط کنونی جهان، برابر با ۷۰.۴، مثبت-منفی ۱.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک است. هر مگاپارسک، تقریباً معادل ۳ میلیون و ۲۶۰‌هزار سال نوری است. این بدان معناست که اگر سرعت دورشدن دو کهکشان از ما (که از طریق مطالعه‌ی طیف‌شان به دست می‌آید) به ترتیب معادل ۱ و ۲ کیلومتر بر ثانیه باشد؛ فاصله‌ی آن‌ها از ما حدوداً ۷۰ و ۱۴۰ مگاپارسک است. اما اگر نگاهی به متون علمی عامه‌پسند بیاندازید؛ این عدد، ثابتی مابین ۵۰ و ۱۰۰ معرفی می‌شود.

تأیید «مدل تورمی کیهان» نیز از دیگر دست‌آوردهای چشم‌گیر WMAP است. مدل تورمی، با تکیه بر اصول مکانیک کوانتومی حاکم بر ۱۰ به توان -۳۲ ثانیه پس از انفجار بزرگ، توصیف نسبتاً جامع و کاملی را از رخ‌دادهای کنونی کیهان‌مان ارائه می‌کند.

ساده‌ترین نسخه‌های این مدل می‌گویند که بر خلاف رفتار معمول طبیعت، نوسانات کوانتومی³ موجود در نخستین فازهای تشکیل کیهان، مسوول توزیع شدیداً نامنظم ماده در جهان امروزمان نیست؛ بل‌که تنها الگوهایی نه‌چندان برجسته، آن‌هم در مقیاس‌های عظیم کیهانی را از خود به جا نهاده‌ است. WMAP، عیناً همین گفته را مشاهده نمود. این موفقیت، گام بلندی در ارتقای اطمینان از مدل‌های نظری حوزه‌ی کیهان‌شناسی نوین است.

فضا تخت است. چگالی مجموع ماده‌ی معمولی، ماده‌ی تاریک⁴ و نهایتاً انرژی تاریک⁵ (سه جزء اصلی تشکیل‌دهنده‌ی کیهان)، طبق جدیدترین برآوردها معادل ۱.۰۰۲۳ مثبت-منفی ۰.۰۰۵۵ برابر چگالی بحرانی است. این عدد اگر اندکی از ۱ بیش‌تر می‌بود، با فرض نبود تأثیرات انرژی تاریک در طول زمان (که در بخش بعدی بررسی خواهد شد) جهان با انبساط ابدی‌اش، پایانی زمهریرگونه و اگر اندکی کم‌تر از ۱ می‌بود، جهان با توقف و انقباض‌اش، پایانی در جهنم را – همان‌گونه که زاده شده بود - تجربه می‌‌کرد.

اما کمیت اخیر محاسبه‌شده به دست WMAP، حاکی از تخت‌بودن فضاست. بر اساس این بررسی‌ها هم‌چنین ماده‌ی مرئی، ۴.۵۶ مثبت-منفی ۰.۱۶ درصد؛ ماده‌ی تاریک، ۲۲.۷، مثبت-منفی ۱.۴ درصد و انرژی تاریک، ۷۲.۸، مثبت-منفی ۰.۵ درصد از گنجایش جهان را به خود اختصاص داده‌اند.

معادله‌ی حالت انرژی تاریک نیز که کمیتی معرف میزان تغییرات تأثیرگذاری انرژی تاریک در طول زمان است، برابر با -۰.۹۸۰، مثبت-منفی ۰.۰۵۳ معرفی شده که به عدد -۱ بسیار نزدیک است؛ یعنی شرایطی که در آن‌صورت انرژی تاریک سوای از تاریخچه‌ی گذشته‌اش، امروزه شدتی ثابت داشته و به‌عنوان یکی از ویژگی‌های بنیادین «فضا»، به طور یکسان در پهنه‌ی جهان پراکنده است.

از موضوعات جالب انتشار یافته در جریان نقشه‌برداری هفت‌ساله‌ی تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی، مشاهده‌ی الگویی به شکل SH در میان نوسانات دمایی می‌باشد که بسیاری به شوخی معتقدند امضای پروفسور استفان هاوکینگ؛ مشهورترین فیزیک‌دان زنده‌ی جهان، در پژواک نوری انفجار بزرگ است!

ده‌ها سال پیش آلبرت اینشتین با معرفی عددی موسوم به «ثابت کیهان‌شناختی» در معادلات میدانی نسبیت عام، که بر خلاف سیر عادی معادلات، جهانی ایستا و یک‌نواخت را تصویر می‌کرد (چراکه هنوز انبساط جهان کشف نشده بود)؛ عملاً این ویژگی فضا را (اما با نگرشی نادرست) پیش‌بینی نمود؛ حال آن‌که چند سال بعد و با کشف انبساط کیهان به دست ادوین هابل، این کار را بزرگ‌ترین اشتباه زندگی‌اش خواند!

تأیید وجود هلیوم اولیه در جهان نیز برای نخستین‌بار توسط چشمان WMAP صورت پذبرفت. همان‌گونه که تمامی هیدروژن طبیعی موجود در جهان از انفجار بزرگ پدید آمده، حجم محدودی از هلیوم امروز کیهان نیز تا ۱۵دقیقه پس از انفجار بزرگ در حال ایجاد بود. هر چند پرداخت به این موضوع، اساس کیهان‌شناسی نوین را پی‌ریزی کرده و بعدها الهام‌بخش پیش‌بینی‌های شگرفی شد که نهایتاً به تأیید عینی رسیدند؛

اما تاکنون هیچ مدرک مستقیمی از وجود هلیوم اولیه در جهان حکایت نمی‌کرد؛ هلیومی که تا پیش از تولد نخستین ستارگان (که به کارخانه‌های عظیم هلیوم‌سازی بدل شدند)، در جهان پراکنده بود. اما داده‌های هفت‌ساله‌ی WMAP، مهر تأییدی بر فرضیات دیرپای انسان از اوضاع حاکم بر نخستین فازهای تشکیل جهان زد.

جزئیات انتشار این گزارش گران‌بها، و پوشش خبری گسترده‌‌ی آن، احتمالاً تحت‌الشعاع آینده‌ی درخشان کاوش‌گر «پلانک» سازمان فضایی اروپا قرار گرفت. این کاوش‌گر که اخیراً به‌هم‌راه تلسکوپ فضایی فروسرخ هرشل به فضا پرتاب شد، انقلاب وسیعی را در درک کیهان‌شناسان از رفتارهای مرموز و بی‌نقص کیهان به وجود خواهد آورد.

به لطف یافته‌های دقیق WMAP، با مراجعه به این آدرس می‌توانید آن‌قدر اطلاعات بنیادین جهان را بدون ترس از عواقب فیزیکی‌اش، بالا و پایین کرده و جهان‌های گوناگونی را طراحی کنید، تا نهایتاً به مقادیر حقیقی حاکم بر جهان خودمان برسید. این ابتکار، روشی هوش‌مندانه برای آشنایی با اعداد فراوانی است که نه می‌دانیم از کجا آمده‌اند و نه این‌که چگونه منظم شده‌اند؛ حال آن‌که خوب می‌دانیم اگر نبودند، ما هم نبودیم.

منبع: Sky and Telescope

پانوشت:

1. Inflation and the Cosmic Microwave Background, Charles H. Lineweaver, arXiv:astro-ph/0305179v1

۵. انرژی تاریک؛ ر.ک. «پایان یک آغاز»