دانشمندان می‌گویند که انرژی تاریک، نیروی مرموزی که باعث شتاب در انبساط کیهان می‌شود، ممکن است اصلاً وجود نداشته باشد. تحقیقات آن‌ها یکی از ارکان اصلی کیهان‌شناسی مدرن را مورد سوال قرار داده است.
در یک مطالعه جدید که در تاریخ ۲۹ آذر ۱۴۰۳ در نشریه “Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” منتشر شد، محققان داده‌های مربوط به نظرسنجی Pantheon را تحلیل کردند — جامع‌ترین مجموعه داده‌ها از ابرنواخترهای نوع Ia که روشنایی ثابت آن‌ها به اخترشناسان این امکان را می‌دهد که فواصل کیهانی را با دقت فوق‌العاده اندازه‌گیری کنند. تحلیل آن‌ها نشان می‌دهد که آنچه ما به‌عنوان شتاب در انبساط کیهان می‌بینیم، ممکن است توهمی باشد که توسط ساختار بزرگ‌مقیاس کیهان ایجاد می‌شود.
مطالعه کیهان با استفاده از ابرنواخترهای نوع Ia
ابرنواخترهای نوع Ia، که انفجارهای مرگ ستارگان کوتوله سفید هستند، مدت‌هاست که به‌عنوان یکی از قدرتمندترین ابزارهای کیهان‌شناسی استفاده می‌شوند. این رویدادهای ستاره‌ای زمانی رخ می‌دهند که یک کوتوله سفید از یک ستاره همراه ماده‌ای کافی جذب کند تا انفجاری ترموهسته‌ای را ایجاد کند. از آنجا که ابرنواخترهای نوع Ia روشنایی قله ثابتی تولید می‌کنند، اندازه‌گیری روشنایی آن‌ها از زمین می‌تواند فاصله آن‌ها را نشان دهد.
زکری لین، یکی از نویسندگان این مطالعه و پژوهشگر دانشگاه کانتربری در نیوزیلند، گفت: “ابرنواخترهای نوع Ia در اخترشناسی ارزش زیادی دارند زیرا به‌عنوان شمع‌های استاندارد قابل اندازه‌گیری عمل می‌کنند که می‌توانیم با آن‌ها فاصله‌های وسیع در کیهان را اندازه‌گیری کنیم.”
با ترکیب این اطلاعات فاصله با تغییر سرخ‌شدگی ابرنواخترها — کشیده‌شدن نور به طول‌موج‌های قرمزتر به دلیل انبساط کیهان — دانشمندان توانسته‌اند رشد کیهان را در طول زمان نقشه‌برداری کنند. دهه‌ها پیش، محققان از این روش برای نشان دادن شتاب در انبساط کیهان استفاده کردند که منجر به فرضیه انرژی تاریک شد — نیروی مرموزی که به‌طور نظری در فضا وجود دارد و باعث شتاب انبساط می‌شود.
مجموعه داده+ Pantheon
مجموعه داده Pantheon+ جامع‌ترین و دقیق‌ترین مجموعه ابرنواخترهای نوع Ia است که تاکنون جمع‌آوری شده است. این مجموعه داده شامل مشاهدات دهه‌ها از تلسکوپ‌های زمینی و فضایی است و داده‌هایی از ۱۵۰۰ ابرنواختر در فضای-زمان را دربرمی‌گیرد.
لین گفت: “در زمان این مطالعه، مجموعه داده طیفی ابرنواخترهای نوع Ia Pantheon بزرگ‌ترین و سالم‌ترین مجموعه ابرنواخترهای نوع Ia بود.”
دقت و حجم این مجموعه داده آن را به یک منبع غنی برای آزمایش مدل‌های کیهان‌شناسی تبدیل کرده است. سوابق دقیق آن از روشنایی و تغییر سرخ‌شدگی، بینش‌های بی‌نظیری در مورد چگونگی تکامل کیهان فراهم می‌آورد و زمینه‌ای حیاتی برای آزمایش نظریه‌های جایگزین به مدل استاندارد کیهان‌شناسی فراهم می‌کند.
چالش انرژی تاریک
اگرچه ایده انرژی تاریک بسیاری از شتاب‌های مشاهده‌شده در کیهان را توضیح می‌دهد، همیشه یک ابهام در آن وجود داشته است. انرژی تاریک هرگز به‌طور مستقیم شناسایی نشده و منشأ آن به‌طور نظری توضیح داده نشده است، به همین دلیل برخی دانشمندان به دنبال توضیحات دیگر هستند.
مطالعه جدید به یکی از فرضیات کلیدی مدل استاندارد حمله کرده است: اینکه کیهان در مقیاس‌های بزرگ یکنواخت و ایزوتروپیک است، به این معنی که در هر جهت و از هر نقطه‌ای مشابه به‌نظر می‌رسد.
این فرضیه نیاز به انرژی تاریک برای توضیح انبساط کیهان را توجیه می‌کند. با این حال، لین و همکارانش یک ایده جایگزین به نام مدل “Timescape” را آزمایش کردند که پیشنهاد می‌کند شتاب ظاهری ممکن است محصول ساختارهای کیهانی مانند خلاءها — نواحی وسیع و تقریباً خالی فضا بین خوشه‌های کهکشانی — باشد.
لین گفت: “مدل استاندارد کیهان‌شناسی بر اساس فرضیه‌ای است که می‌گوید کیهان در مقیاس‌های بزرگ یکنواخت و فاقد ویژگی است و ساختارهای کیهانی تأثیر قابل‌توجهی بر تکامل کیهان ندارند. مدل Timescape این فرضیات را کنار می‌گذارد و نتیجه می‌گیرد که شتاب ظاهری کیهان حاصل بازخورد بین ساختارهای کیهانی است.”
به دلیل کمبود ماده و گرانش در خلاءها، این نواحی سریع‌تر از بخش‌های متراکم‌تر کیهان مانند خوشه‌های کهکشانی گسترش می‌یابند. طبق مدل Timescape، تسلط این خلاءها در چشم‌انداز کیهانی می‌تواند شتاب مشاهده‌شده را بدون نیاز به انرژی تاریک توضیح دهد.
شواهد به نفع مدل Timescape
تیم تحقیقاتی داده‌های Pantheon را تحلیل کرد و دریافت که نتایج آن‌ها به‌طور شگفت‌انگیزی با مدل Timescape هم‌راستا است — و در برخی موارد حتی مدل استاندارد کیهان‌شناسی را پیشی گرفته است.
لین گفت: “وقتی هر ابرنواختر را در نظر می‌گیریم، از جمله آن‌هایی که بسیار نزدیک به ما در کهکشان راه شیری قرار دارند و ممکن است تحت تأثیر ساختارهای محلی قرار بگیرند، شواهد بسیار قوی به نفع مدل Timescape پیدا می‌کنیم.”
این نتایج چالشی مستقیم برای لزوم وجود انرژی تاریک ارائه می‌دهند. لین گفت: “یافتن شواهد قوی یا معتدل برای مدل کیهان‌شناسی بدون انرژی تاریک با استفاده از یکی از مهم‌ترین روش‌های مشاهده‌ای تاریخ، یک چشم‌انداز هیجان‌انگیز برای آینده کیهان‌شناسی است.”
آینده پیش رو
در حالی که یافته‌ها جذاب هستند، لین تأکید کرد که تحقیقات بیشتری برای تثبیت مورد مدل Timescape لازم است. “در حالی که عوامل دیگری باید در نظر گرفته شوند تا این نظریه به‌طور کامل در جامعه کیهان‌شناسی تثبیت شود، این یک آزمایش اولیه امیدوارکننده است.”
تیم تحقیقاتی قصد دارد در آینده مجموعه داده Pantheon را با داده‌های مربوط به نظرسنجی انرژی تاریک (DES) و نوسانات آکوستیک باریون — الگوهایی در توزیع کهکشان‌ها که می‌توانند به‌عنوان یک معیار کیهانی دیگر استفاده شوند — ترکیب کند. اخترشناسان همچنین در حال انجام شبیه‌سازی‌هایی از نحوه گسترش خلاءها در چارچوب نسبیت عام هستند و بررسی می‌کنند که این اثرات چگونه بر تشکیل کهکشان‌ها و تکامل آن‌ها تأثیر می‌گذارد.
لین گفت: “گروه تحقیقاتی ما در حال بررسی چندین توسعه در کار فعلی‌مان است که هدف آن به چالش کشیدن جنبه‌های بنیادی کیهان‌شناسی است.”
