این پدیده که به افتخار اخترشناسانی که بهطور مستقل آن را تأیید کردند، یعنی ادوین هابل و ژرژ لمتر، نامگذاری شده است، به عنوان «ثابت هابل-لمتر» یا «ثابت کیهانشناسی» شناخته میشود. تا دهه ۱۹۹۰، تلسکوپ فضایی هابل که برای اندازهگیری این ثابت طراحی شده بود، نشان داد که نرخ گسترش جهان در دوران آغازین آن کمتر بوده است؛ موضوعی که با اندازهگیریهای دورانهای کیهانی اخیر در تناقض بود. این اختلاف به پدید آمدن مسئلهای در اخترفیزیک و کیهانشناسی به نام «تنش هابل» منجر شد و نظریه انرژی تاریک (DE) بهعنوان یکی از راهکارهای احتمالی برای توضیح این اختلاف مطرح شد.
با راهاندازی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST)، دانشمندان امیدوار بودند که مسئله تنش هابل را برای همیشه حل کنند. اما متأسفانه مشاهدات وب تنها این راز را عمیقتر کردند و نشان دادند که گسترش کیهانی در دوره بسیار ابتدایی جهان، به طور کوتاه مدت سریعتر بوده است. این موضوع منجر به شکلگیری نظریههای جدید درباره انرژی تاریک شده است، از جمله انرژی تاریک اولیه (EDE) یا احتمال کاهش قدرت این نیرو در طول زمان. ایده دوم در مطالعهای اخیر توسط پژوهشگرانی از دانشگاه شیکاگو مطرح شده است که بر اساس دادههای بهدستآمده از پروژههای Dark Energy Survey (DES) و Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) است.
این مطالعه توسط انوار ج. شاجیب و جاشوا آ. فریمن انجام شد؛ فریمن پژوهشگر موسسه کیهانشناسی کاولی (KICP) و عضو بنیاد انیشتین و استاد بازنشسته اخترشناسی و اخترفیزیک دانشگاه شیکاگو است، و شاجیب نیز عضو تیم علمی پروژههای DESC و STRIDES است. مقاله مربوط به این تحقیق در ژورنال Physical Review D منتشر شد.
سال گذشته، پروژههای DES و DESI یافتههایی منتشر کردند که برای اولین بار احتمال تکامل انرژی تاریک را مطرح کردند و جامعه اخترفیزیکی را بسیار هیجانزده کردند. در مقاله جدید خود، فریمن و شاجیب دادههای فعلی از چندین رصدخانه را ترکیب کردند و دریافتند که این دادهها با مدلهای دینامیکی انرژی تاریک سازگارتر هستند تا با مدلهای ثابت آن. شایان ذکر است که دانشمندان از دهه ۱۹۹۰ نظریهای مطرح کرده بودند که انرژی تاریک میتواند ماهیتی پویا داشته باشد تا اختلافات مشاهداتی را حل کند. این ایده بر اساس مشاهدات هابل و مأموریتهایی بود که اندازهگیریهای حساستر از تابش زمینه کیهانی (CMB) ارائه کرده بودند.
با این حال، تا همین اواخر اکثر دادههای معتبر و گسترده با مدلهای انرژی تاریک ثابت ناسازگار بودند؛ مدلهایی که فرض میکنند چگالی انرژی در طول زمان ثابت باقی میماند، در حالی که فضا در حال گسترش است. این برداشت از ثابت کیهانشناسی پایهای برای مدل استاندارد کیهانشناسی، معروف به مدل ماده تاریک سرد لامبدا (LCDM)، است. با این وجود، علاقه به نظریه جایگزین انرژی تاریک به دلیل ترکیبی از دادههای مربوط به ابرنواخترها، نوسانات آکوستیک باریونی (BAO)، و مأموریتهایی مانند Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) و تلسکوپ فضایی پلانک افزایش یافته است.
این مأموریتها نشان دادند که ثابت کیهانشناسی، که بیش از ۱۰۰ سال پیش توسط انیشتین به عنوان نیرویی برای «مقابله با گرانش» معرفی شد، ممکن است ثابت نباشد. دادههای جدید نشان میدهند که انرژی تاریک ممکن است پدیدهای پویا باشد که چگالی آن در طول زمان کاهش مییابد. شاجیب و فریمن همچنین دریافتند که در چند میلیارد سال گذشته، چگالی انرژی تاریک حدود ۱۰٪ کاهش یافته است؛ این کاهش کمتر از چگالی سایر مواد و انرژی است، اما همچنان قابل توجه است. آنها در مصاحبهای با بخش علوم فیزیکی دانشگاه شیکاگو توضیح دادند:
«هدف این مطالعه مقایسه پیشبینیهای یک مدل فیزیکی برای انرژی تاریک در حال تکامل با جدیدترین دادهها و استنباط ویژگیهای فیزیکی انرژی تاریک از این مقایسه است. مدل انرژی تاریک در حال تکامل که در اکثر تحلیلهای داده قبلی استفاده شده، صرفاً یک فرمول ریاضی است و الزاماً مطابق رفتار مدلهای فیزیکی عمل نمیکند. در مقاله ما، مدلهای مبتنی بر فیزیک انرژی تاریک در حال تکامل را مستقیماً با دادهها مقایسه کردهایم و دریافتیم که این مدلها دادههای فعلی را بهتر از مدل استاندارد و ثابت انرژی تاریک توصیف میکنند. همچنین نشان دادهایم که در آینده نزدیک، رصدخانههایی مانند DESI و Vera Rubin Observatory LSST قادر خواهند بود مشخص کنند که آیا این مدلها درست هستند یا انرژی تاریک واقعاً ثابت است.»
مدلهای آنها بر اساس نظریههای فیزیک ذرات و نوعی ذره فرضی به نام آکسیون ساخته شده است، که نخستین بار در دهه ۱۹۷۰ توسط فیزیکدانان پیشبینی شد. در سالهای اخیر، آکسیونها به عنوان یکی از نامزدهای احتمالی ماده تاریک معرفی شدهاند و بسیاری از آشکارسازها در سراسر جهان به دنبال آنها هستند. در مدلهای توسعه یافته توسط شاجیب و فریمن، نسخهای فوقالعاده سبک از آکسیونها به جای ماده تاریک عمل میکند و به عنوان انرژی تاریک در طول چند میلیارد سال نخست جهان ثابت باقی میماند و سپس با کاهش چگالی خود شروع به تکامل میکند.
اگر انرژی تاریک عامل شتاب گسترش جهان باشد و چگالی آن در طول زمان کاهش یابد، شتاب گسترش نیز با گذر زمان کاهش خواهد یافت. بسته به ماهیت انرژی تاریک، سرنوشت جهان میتواند به دو سناریوی افراطی منتهی شود: از یک سو سناریوی «پارگی بزرگ» (Big Rip) که در آن گسترش کیهانی بهطور مداوم شتاب میگیرد و نهایتاً ساختار خود فضا-زمان را پاره میکند؛ و از سوی دیگر، سناریوی «انقباض بزرگ» (Big Crunch) که در آن گسترش کیهانی کاهش یافته و معکوس میشود و همه ماده در یک نقطه واحد فرو میریزد، مشابه یک «انفجار بزرگ معکوس».
در نهایت، مدلهای آنها نشان میدهند که جهان از هر دو افراط اجتناب خواهد کرد و به گسترش شتابدار خود برای میلیاردها سال ادامه خواهد داد، که در نهایت به جهانی سرد و تاریک منجر میشود، معروف به «انجماد بزرگ» (Big Freeze). با این حال، هنوز بسیاری از پرسشها بیپاسخ ماندهاند. فریمن در این باره گفته است:
«اکنون دقیقاً میدانیم چه میزان انرژی تاریک در جهان وجود دارد، اما هیچ درک فیزیکی از ماهیت آن نداریم. سادهترین فرض این است که این انرژی خود فضای خالی است، که در این صورت ثابت خواهد بود و با زمان تغییر نمیکند؛ ایدهای که به انیشتین، لمتر، د سیتتر و دیگران در اوایل قرن گذشته بازمیگردد. کمی خجالتآور است که ما تقریباً هیچ اطلاعاتی درباره ۷۰٪ از جهان نداریم و هر چه باشد، سرنوشت تکاملی آینده جهان را تعیین خواهد کرد.»
رصدهای آینده نزدیک، مانند Dark Energy Spectroscopic Instrument و Vera Rubin Observatory LSST، انتظار میرود که تاریخچه و ماهیت گسترش کیهانی را روشن کنند. نتایجی که این رصدها ارائه میدهند، به ما کمک خواهد کرد تا مشخص شود کدام مدل کیهانشناسی صحیح است: مدل استاندارد LCDM یا مدل دینامیکی انرژی تاریک.
