کیهانِ آتشین: دانشمندان می‌گویند جهان میلیاردها سال پیش دمایی دو برابر اکنون داشته است

به همین ترتیب، اخترشناسان نیز هنگامی که به اعماق تاریخ کیهان نگاه می‌کنند — میلیاردها سال به گذشته — انتظار دارند جهان در آن زمان بسیار داغ‌تر از امروز بوده باشد.
اکنون گروهی از پژوهشگران ژاپنی توانسته‌اند این پیش‌بینی را با دقتی چشمگیر تأیید کنند؛ کاری که یکی از دقیق‌ترین آزمون‌ها از درستی درک ما از چگونگی تحول کیهان تا امروز به شمار می‌آید.

این تیم تحقیقاتی به سرپرستی تاتسویا کُتانی، دانشجوی دکتری، و پروفسور توموهارو اوکا از دانشگاه کیئو (Keio University)، موفق شدند دمای تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی (CMB) را اندازه‌گیری کنند — همان نور بسیار ضعیفی که بازمانده‌ی انفجار بزرگ (Big Bang) است و در سراسر جهان هستی گسترده شده.

اما نکته جالب اینجاست: آنها دمای امروز این تابش را اندازه نگرفتند، بلکه نوری را بررسی کردند که هفت میلیارد سال در راه بوده تا به ما برسد؛ به بیان دیگر، آنها دمای جهان را در دوران بسیار دورِ تاریخش اندازه گرفته‌اند.

نتیجه‌ی اندازه‌گیری‌شان شگفت‌انگیز بود:
۵٫۱۳ درجه کلوین بالاتر از صفر مطلق (با خطای ±۰٫۰۶ K)، یعنی تقریباً دو برابر دمای کنونی تابش زمینه‌ی کیهانی که ۲٫۷ کلوین است.

این نتیجه تنها یک عدد جالب نیست، بلکه تأیید یکی از پیش‌بینی‌های اساسی نظریه‌ی مهبانگ است:
طبق این نظریه، جهان از زمان انفجار بزرگ به طور پیوسته در حال انبساط است، و همین گسترش باعث می‌شود که به‌تدریج سردتر شود.
بنابراین، هرچه به گذشته دورتر نگاه کنیم، باید جهانی داغ‌تر ببینیم — درست همان چیزی که این پژوهش با دقتی مثال‌زدنی تأیید کرده است.

آنچه این پژوهش را ویژه می‌کند، دقت بی‌سابقه‌ی اندازه‌گیری آن است.
پژوهشگران برای انجام این مطالعه از داده‌های آرشیوشده‌ی آرایه‌ی میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) در کشور شیلی استفاده کردند — یکی از قدرتمندترین رادیوتلسکوپ‌های جهان که توانایی رصد دقیق تابش‌های ضعیف کیهانی را دارد.

تیم ژاپنی نوری را که از یک کوازار بسیار دوردست ساطع شده بود بررسی کرد.
در مسیر چند میلیارد ساله‌اش تا رسیدن به زمین، این نور با تابش زمینه‌ی کیهانی در تعامل بوده است.
این تعامل اثراتی ظریف ولی قابل تشخیص بر طیف نوری آن باقی گذاشته بود — نشانه‌هایی که با تحلیل دقیق‌شان می‌توان دمای CMB را در آن زمان محاسبه کرد.

نتیجه‌ی آنها دقیق‌ترین اندازه‌گیری دما در این فاصله‌ی زمانی میانی از تاریخ جهان به شمار می‌رود.
تا پیش از این، اخترشناسان دمای CMB را هم در دوران بسیار آغازین جهان (چندصدهزار سال پس از مهبانگ) و هم در زمان حال اندازه گرفته بودند،
اما اکنون این پژوهش حلقه‌ی گمشده‌ی میان آن دو اندازه‌گیری را پر کرده است؛ بخشی کلیدی از داستان خنک‌شدن کیهان که تاکنون به‌درستی سنجیده نشده بود.

اهمیت این اندازه‌گیری در این است که درک ما از چگونگی پیدایش و تحول جهان بر پایه‌ی مدل استاندارد کیهان‌شناسی استوار است.
این مدل پیش‌بینی‌های دقیقی درباره‌ی رفتار کیهان در طول زمان ارائه می‌دهد — از جمله این‌که دمای تابش زمینه باید با گذشت زمان به نسبت معکوس با ضریب انبساط کیهان کاهش یابد.

دمایی که تیم کُتانی به دست آورده، با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد تقریباً کاملاً منطبق است.
این سازگاری نه تنها نشان می‌دهد که نظریه‌ی مهبانگ همچنان معتبر است، بلکه اعتماد ما را به درک فعلی از تاریخ کیهان افزایش می‌دهد.

برای درک ساده‌تر این موضوع، می‌توان آن را با یک پیش‌بینی آب‌و‌هوایی مقایسه کرد:
فرض کنید پیش‌بینی‌گر هواشناسی اعلام کند که امروز باران می‌بارد، و شما کمی بعد در خیابان چاله‌های آب را ببینید؛
در این صورت به درستی مدل هواشناسی او بیشتر اعتماد می‌کنید.

در کیهان‌شناسی نیز همین منطق برقرار است:
وقتی فیزیک‌دانان پیش‌بینی می‌کنند که دمای جهان هفت میلیارد سال پیش باید مقدار مشخصی بوده باشد،
و مشاهدات تلسکوپ‌های پیشرفته دقیقاً همان مقدار را تأیید می‌کند،
اعتماد به مدل‌های کیهان‌شناسی ما بیش از پیش تقویت می‌شود.

به‌علاوه، این دستاورد می‌تواند پایه‌ای برای آزمایش‌های دقیق‌تر در آینده باشد.
اندازه‌گیری‌های بعدی از کهکشان‌ها و کوازارهای دورتر ممکن است به ما امکان دهد که منحنی سردشدن کیهان را با جزئیات بیشتری بازسازی کنیم —
از نخستین لحظات مهبانگ تا میلیاردها سال بعد، یعنی دوره‌ای که ستارگان و کهکشان‌ها شکل گرفتند.

تابش زمینه‌ی ریزموج کیهانی، به‌اصطلاح نخستین نور جهان است.
این نور از زمانی می‌آید که جهان تنها حدود ۳۸۰ هزار سال عمر داشت و دمای آن به اندازه‌ای پایین آمده بود که اتم‌های هیدروژن شکل بگیرند و نور آزادانه در فضا حرکت کند.
در واقع، هر نقطه‌ای از این تابش نقشه‌ای از گذشته‌ی بسیار دور است؛
نور آن از همه سو به زمین می‌رسد و تصویری از «کودکی جهان» را برای ما ترسیم می‌کند.

اما از آن زمان تاکنون، جهان در حال انبساط بوده و در نتیجه طول موج آن تابش افزایش یافته و انرژی‌اش کاهش پیدا کرده است —
به همین دلیل امروز دمای CMB تنها حدود ۲٫۷ درجه بالای صفر مطلق است، دمایی که برابر با حدود منفی ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد می‌شود!

اکنون، پژوهش جدید ژاپنی نشان می‌دهد که در میانه‌ی عمر جهان — یعنی حدود ۷ میلیارد سال پیش — این دما دو برابر مقدار کنونی بوده است،
که دقیقاً همان چیزی است که نظریه‌ی انبساط کیهان پیش‌بینی می‌کند.

پژوهشگران امیدوارند با استفاده از تلسکوپ‌های پیشرفته‌تر، از جمله تلسکوپ‌های رادیویی نسل بعدی، بتوانند دمای CMB را در فواصل زمانی دیگر نیز بسنجند.
به این ترتیب، تاریخ حرارتی کامل کیهان را می‌توان ترسیم کرد؛ از دوران بسیار داغ و چگال آغازین تا دنیای سرد و گسترده‌ی امروز.

به گفته‌ی پروفسور اوکا:

«این نتیجه نه تنها درستی نظریه‌ی مهبانگ را تأیید می‌کند، بلکه نشان می‌دهد جهان ما دقیقاً طبق قوانین شناخته‌شده‌ی فیزیک در حال تحول بوده است. اندازه‌گیری دقیق دمای تابش زمینه در دوران میانی، حلقه‌ی مهمی از زنجیره‌ی فهم ما از تاریخ کیهان را تکمیل کرد.»

به بیان ساده، این پژوهش یکی از بهترین شواهد تجربی برای تأیید نظریه‌ی مهبانگ و روند خنک‌شدن تدریجی جهان به شمار می‌آید —
شاهدی که بار دیگر نشان می‌دهد علم نه‌تنها از دل نظریه، بلکه از مشاهده و اندازه‌گیری دقیق به‌دست می‌آید.

جهان همچنان در حال سرد شدن است، اما هر اندازه‌گیری تازه، درک ما را از گذشته‌ی داغ و پرآشوب آن روشن‌تر می‌سازد.