تنش هابل یکی از اسرار بزرگ کیهانشناسی است. حل این معما ممکن است نیازمند تغییر بنیادی در نحوهی درک ما از جهان باشد – اما پیش از هر چیز، دانشمندان باید ثابت کنند که این تنش واقعاً وجود دارد. مقالهای تازه از مجموعهای از پژوهشگران کیهانشناس با نام «همکاری TDCOSMO» به این موضوع توجه ویژهای کرده و با استفاده از اندازهگیریهای بهروز «جهان دیرهنگام» (Late Universe) از ثابت هابل و به کارگیری لنزهای گرانشی کوزارها، شواهد بیشتری ارائه کرده است که نشان میدهد تنش هابل ممکن است واقعاً وجود داشته باشد.
اما ثابت هابل چیست و این «تنش» چرا ایجاد شده است؟
کیهانشناسان توافق دارند که جهان در حال انبساط است و به نظر میرسد این انبساط با سرعتی رو به افزایش ادامه دارد. آنها این موضوع را از مشاهده میدانند: هرچه در جهان دورتر نگاه کنیم، یعنی به زمانهای گذشتهتر، اجسام با سرعت بیشتری از ما دور میشوند. با این حال، بسته به روشی که برای تعیین این سرعت استفاده میکنید، دو جواب متفاوت به دست میآید که تقریباً ۱۰ درصد با هم اختلاف دارند.
یکی از روشها استفاده از «جهان دیرهنگام» است؛ یعنی مشاهده اجسامی که در زمان حال قابل مشاهده هستند، مانند کوزارها که با تلسکوپهای فعلی میتوانیم آنها را ببینیم. این روش به عددی حدود ۷۳ کیلومتر بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک (حدود ۳.۳ میلیون سال نوری) میرسد. به عبارت دیگر، به ازای هر مگاپارسک فاصله بین ما و یک جرم، سرعت دور شدن آن از ما ۷۳ کیلومتر بر ثانیه افزایش مییابد.
روش دیگر مشاهده «جهان اولیه» است، که عمدتاً با استفاده از تابش زمینهی کیهانی (Cosmic Microwave Background) انجام میشود، یعنی نورهای اولیه جهان. وقتی با این روش اندازهگیری میکنیم، مقدار به دست آمده حدود ۶۷ کیلومتر بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک است.
اختلاف ۶ کیلومتر بر ثانیه ممکن است در نگاه اول اندک به نظر برسد، اما در مقیاس کیهانشناسی بسیار مهم است و طی دههها تلاش برای حل آن، همچنان پابرجا مانده است. این احتمالاً نشان میدهد که در یکی از این دو روش اندازهگیری، چیزی اشتباه است. از آنجایی که این اندازهگیریها بر اساس مدل استاندارد فعلی جهان انجام میشوند، این یعنی مدل استاندارد ما ناقص است و نیازمند مدلی جدید هستیم. به همین دلیل است که به این اختلاف، «تنش هابل» گفته میشود.
برخی گروههای پژوهشی پیشنهاد کردهاند که تنش هابل واقعی نیست و این اختلاف میتواند ناشی از خطاهای اندازهگیری در یکی از روشها باشد. اما مقاله جدید دو دلیل محکم علیه این استدلال ارائه میکند:
۱. این تحقیق از روشی متفاوت با روش سنتی «نردبان فاصله» (Distance Ladder) استفاده کرده که معمولاً برای اندازهگیری اجسام جهان دیرهنگام به کار میرود.
۲. دادههای استفاده شده از بهروزترین مجموعههای موجود هستند و با مقادیر پیشین جهان دیرهنگام همخوانی بالایی دارند، که استدلال برخی مبنی بر اینکه تنش تنها به دلیل خطاهای داده ایجاد شده، را تضعیف میکند.
در روشهای سنتی برای اندازهگیری جهان دیرهنگام، کیهانشناسان از چیزی به نام «نردبان فاصله محلی» استفاده میکنند. در این روش، فاصله تا اجسام دورتر را اندازه میگیرند؛ اجسامی که ویژگیهای آنها به خوبی شناخته شدهاند، مانند ابرنواخترها و متغیرهای سِفید (Cepheid Variables) که براساس نرخ چرخش خود، درخشندگی مشخصی دارند. با استفاده از این دادهها و جستجو در سراسر جهان قابل مشاهده برای ابرنواخترها، میتوان روشنایی استاندارد یک ابرنواختر و پروفایل طیفی آن را تعیین کرد. محاسبه شیفت به سرخ از ابرنواخترها به ارزش ثابت هابل منجر میشود که معمولاً با نتایج جهان دیرهنگام مطابقت دارد.
اما مقاله جدید روشی کاملاً متفاوت ارائه میکند. در این تحقیق از هشت لنز گرانشی استفاده شده است که در آن، یک کهکشان بزرگ جلوی یک کوزار دورتر از ما قرار گرفته است. این پدیده لنز گرانشی ایجاد میکند و کوزار را در چندین تصویر مجزا بازتولید میکند، که هر کدام مسیر کمی متفاوتی برای رسیدن به زمین دارند. کیهانشناسان میتوانند تفاوت بین این تصاویر را در هنگام وقوع یک رویداد خاص در کوزار اندازهگیری کنند. با استفاده از ویژگیهای کهکشان لنز، آنها میتوانند مسیرهای متفاوت نور را تخمین بزنند و به این ترتیب، برآوردی از تاثیر انبساط جهان بر مسیر نور به دست آورند.
ویژگی کلیدی این مقاله استفاده از اندازهگیریهای بسیار دقیق حرکت ستارگان در کهکشانهای جلویی برای رفع مشکلی به نام «تکپارگی ورقه جرم» (Mass-Sheet Degeneracy) است. MSD به دشواری تفکیک ویژگیهای فیزیکی یک کهکشان لنز از یک «ورقه جرم» ساده بدون جزئیات کهکشانی اشاره دارد، که میتواند محاسبه ثابت هابل را به شدت مختل کند. با لحاظ کردن کینماتیک ستارهای دقیق در کهکشانهای لنز، پژوهشگران میتوانند جرم واقعی آنها را با دقت تعیین کنند، زیرا هرچه ستارگان سریعتر حرکت کنند، جرم کهکشان باید بزرگتر باشد. تلسکوپهای پیشرفتهای مانند تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) نقش حیاتی در انجام این محاسبات دارند، زیرا دادههای قبلی قادر به تفکیک حرکت ستارگان در این کهکشانهای عظیم و دور نبودند.
پس از انجام همه محاسبات، عدد جدید ثابت هابل برابر با ۷۴.۳ کیلومتر بر ثانیه به ازای هر مگاپارسک به دست آمد – تقریباً دقیقاً مطابق با نتایج جهان دیرهنگام. بنابراین حتی با یک روش کاملاً جدید و دادههای دقیقتر، اندازهگیریهای جهان دیرهنگام تأیید شد. و مهمتر از همه، این نتایج به طور آماری با اندازهگیریهای جهان اولیه متفاوت هستند – بنابراین تنش هابل واقعی است.
اگرچه این تحقیق راهحلی برای تنش ارائه نمیدهد، اما تأیید میکند که این اختلاف واقعی است و برخی استدلالها مبنی بر اینکه این تنها یک اثر دادهای است و با روشهای بهتر حل میشود، را رد میکند. حتی با استفاده از دادههای قدرتمندترین تلسکوپهای موجود و روش محاسباتی کاملاً متفاوت، هنوز هم نشانهای از مسئلهای عجیب در کیهانشناسی مشاهده میشود. تنها نیاز است که فرضیههای قابل آزمایش بیشتری مطرح شود و زمان بیشتری برای جمعآوری دادههای دقیقتر اختصاص یابد تا بتوان این معما را حل کرد.
