تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن رازهای پنهان خلأهای کیهانی را آشکار می‌کند

کیهان سرشار از اجرام شگفت‌انگیز، عظیم و گاه گیج‌کننده‌ای است که ذهن انسان را به چالش می‌کشند. از سیاه‌چاله‌های فوق‌پرجرم که میلیاردها برابر خورشید جرم دارند و در قلب کهکشان‌های بزرگ لانه کرده‌اند گرفته، تا ستارگان غول‌پیکری که در انفجارهایی فاجعه‌بار نابود می‌شوند و نور آن‌ها پس از سفری بیش از ۱۰ میلیارد سال نوری به زمین می‌رسد. کهکشان‌های عظیمی که با یکدیگر برخورد می‌کنند، در هم می‌آمیزند و موجی از تولد ستارگان را رقم می‌زنند، تنها بخشی از این نمایش کیهانی هستند.

اما در میان تمام این پدیده‌های پرهیاهو، ساختارهایی وجود دارند که در سکوت و خلأ شکل گرفته‌اند و شاید از همه مرموزتر باشند: خلأهای کیهانی.

خلأهای کیهانی بخشی جدایی‌ناپذیر از آن چیزی هستند که اخترشناسان آن را ساختار بزرگ‌مقیاس جهان می‌نامند؛ شبکه‌ای عظیم از کهکشان‌ها، خوشه‌ها، رشته‌ها و فضاهای تقریباً خالی که در مقیاس‌های بسیار بزرگ، چهره‌ی واقعی جهان را نشان می‌دهد.

مواجهه با ساختار بزرگ‌مقیاس جهان

وقتی درباره‌ی ساختار بزرگ‌مقیاس جهان صحبت می‌کنیم، در واقع با عظمت غیرقابل تصور کیهان روبه‌رو می‌شویم؛ عظمتـی که جایگاه بسیار کوچک زمین را به ما یادآوری می‌کند. زمین تنها سیاره‌ای کوچک در منظومه‌ای ستاره‌ای است که خود بخشی از کهکشان راه شیری به‌شمار می‌رود. تخمین‌ها نشان می‌دهد که راه شیری احتمالاً بیش از ۱۰۰ میلیارد سیاره دارد؛ شاید حتی چند صد میلیارد. همین عدد سرسام‌آور یکی از دلایل اصلی است که بسیاری از دانشمندان را به وجود حیات در جایی دیگر از کهکشان امیدوار کرده است.

اما راه شیری تنها یکی از کهکشان‌های گروه محلی است. گروه محلی مجموعه‌ای از چند ده کهکشان است که تحت تأثیر گرانش متقابل به هم پیوسته‌اند. این گروه خود بخشی از خوشه‌ی کهکشانی سنبله (Virgo Cluster) است؛ خوشه‌ای که تا حدود ۲۰۰۰ کهکشان را در خود جای داده است.

سپس خوشه‌ی سنبله بخشی از ابرخوشه‌ی سنبله محسوب می‌شود؛ ساختاری حتی بزرگ‌تر که شامل دست‌کم ۱۰۰ خوشه‌ی کهکشانی است. اما داستان در اینجا هم پایان نمی‌یابد. ابرخوشه‌ی سنبله عضوی از ابرخوشه‌ی لانیاکیا است و لانیاکیا نیز در دل مجموعه‌ای عظیم‌تر به نام ابرساختار ماهی–نهنگ (Pisces–Cetus Supercluster Complex) قرار دارد.

شمارش دقیق کهکشان‌های این ابرساختار تقریباً ناممکن است، اما می‌دانیم که صدها خوشه و گروه کهکشانی را در خود جای داده است. تمام این ساختارها در قالب رشته‌هایی عظیم شکل گرفته‌اند که ردّ پای ماده‌ی تاریک را دنبال می‌کنند.

رشته‌ها و حباب‌ها؛ معماری پنهان کیهان

اگر جهان را در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها نگاه کنیم، شباهت زیادی به یک اسفنج یا شبکه‌ای کف‌مانند دارد. کهکشان‌ها و خوشه‌ها روی رشته‌هایی از ماده‌ی تاریک قرار گرفته‌اند و میان این رشته‌ها، فضاهایی عظیم و تقریباً خالی دیده می‌شود: خلأهای کیهانی.

خلأها مانند حباب‌های غول‌آسایی هستند که دیواره‌های آن‌ها با کهکشان‌ها پوشیده شده است. قطر برخی از این خلأها به صدها میلیون سال نوری می‌رسد. اگرچه این نواحی کاملاً خالی نیستند و گاه تک‌کهکشانی‌هایی در آن‌ها یافت می‌شود، اما به‌طور کلی کمتر از ۱۰ درصد چگالی ماده‌ای را دارند که در دیگر بخش‌های جهان دیده می‌شود.

این کم‌چگالی بودن، خلأها را به آزمایشگاه‌های طبیعی بسیار ارزشمندی برای کیهان‌شناسان تبدیل کرده است.

چرا خلأهای کیهانی اهمیت دارند؟

یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک مدرن، انرژی تاریک است؛ نیرویی ناشناخته که باعث می‌شود انبساط جهان با گذشت زمان شتاب بگیرد. از اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ می‌دانیم که جهان نه‌تنها در حال انبساط است، بلکه این انبساط هرچه جلوتر می‌رویم سریع‌تر هم می‌شود.

خلأهای کیهانی در این میان نقشی کلیدی دارند، زیرا:

• این نواحی سریع‌تر از مناطق پرچگال منبسط می‌شوند.
• گرانش در آن‌ها ضعیف‌تر است، چون ماده‌ی کمتری وجود دارد.
• اثرات انرژی تاریک در خلأها خالص‌تر و واضح‌تر دیده می‌شود.

به بیان دیگر، خلأها نخستین مناطقی هستند که انرژی تاریک بر آن‌ها چیره می‌شود.

کیهان‌شناسان با اندازه‌گیری تغییر اندازه‌ی خلأها در طول زمان، و بررسی حرکت کهکشان‌ها در لبه‌های آن‌ها، می‌توانند مدل‌های نظری خود درباره‌ی انرژی تاریک را آزمایش کنند. آمار مربوط به رشد و تحول خلأها، سرنخ‌هایی مهم درباره‌ی این می‌دهد که آیا قدرت انرژی تاریک ثابت است یا در طول تاریخ کیهان تغییر کرده است.

تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن؛ چشم نو به کیهان

مطالعه‌ی انرژی تاریک یکی از اهداف اصلی تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن است؛ تلسکوپی که ناسا آن را به‌عنوان جانشینی قدرتمند برای مأموریت‌های پیشین طراحی کرده است. این تلسکوپ با میدان دید بسیار گسترده و توان رصد در فروسرخ، ابزاری ایده‌آل برای نقشه‌برداری دقیق از ساختار بزرگ‌مقیاس جهان به‌شمار می‌رود.

تلسکوپ رومن برای بررسی انرژی تاریک از سه روش مستقل استفاده خواهد کرد:

1. نوسان‌های آکوستیکی باریونی (BAO)
2. همگرایی گرانشی ضعیف (Weak Lensing)
3. ابرنواخترهای نوع Ia

ترکیب این سه روش، امکان نقشه‌برداری بسیار دقیق از توزیع کهکشان‌ها، خوشه‌ها و البته خلأهای کیهانی را فراهم می‌کند.

پیش‌بینی کشف ده‌ها هزار خلأ کیهانی

پژوهشی جدید که در نشریه‌ی معتبر The Astrophysical Journal منتشر شده، نشان می‌دهد که تلسکوپ رومن تا چه اندازه در شناسایی خلأهای کیهانی موفق خواهد بود. عنوان این مقاله «کیهان‌شناسی با خلأها به کمک تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن» است و نویسنده‌ی اصلی آن جیووانی ورزا از مؤسسه‌ی فلت‌آیرون و دانشگاه نیویورک است.

نویسندگان مقاله می‌نویسند:

«خلأهای کیهانی، یعنی نواحی کم‌چگال در توزیع کهکشان‌ها، محدودیت‌های بسیار دقیقی بر پارامترهای کیهان‌شناسی اعمال می‌کنند.»

برای نخستین بار، این تلسکوپ قادر خواهد بود نمونه‌ای با کیفیت استثنایی از خلأها را تا مقیاس چند مگاپارسک شناسایی کند. به گفته‌ی پژوهشگران، داده‌های رومن پنجره‌ای تازه به علم خلأهای کیهانی می‌گشاید.

چرا خلأها برای انرژی تاریک ایده‌آل‌اند؟

ورزا و همکارانش تأکید می‌کنند که حساسیت خلأها به ویژگی‌های انرژی تاریک کاملاً قابل انتظار است، زیرا این نواحی زودتر از دیگر بخش‌های جهان تحت سلطه‌ی انرژی تاریک قرار می‌گیرند. در نتیجه، اندازه‌گیری دقیق شکل، اندازه و تحول خلأها می‌تواند محدودیت‌های مهمی بر ماهیت انرژی تاریک اعمال کند.

پیمایش‌های رومن و نقشه‌برداری سه‌بعدی خلأها

تلسکوپ رومن سه پیمایش اصلی از آسمان انجام خواهد داد. یکی از مهم‌ترین آن‌ها پیمایش گسترده‌ی عرض‌های کهکشانی بالا است. در این پیمایش، تلسکوپ به نواحی‌ای از آسمان نگاه می‌کند که دور از صفحه‌ی کهکشان راه شیری هستند تا اثر غبار و ستارگان مزاحم کاهش یابد.

بر اساس شبیه‌سازی‌های انجام‌شده، پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که در این پیمایش:

• ده‌ها هزار خلأ کیهانی شناسایی شود
• برخی از این خلأها تنها ۲۰ میلیون سال نوری قطر داشته باشند
• در مجموع، ۸۲٬۵۵۱ خلأ در محدوده‌ای به وسعت ۲۰۰۰ درجه‌ی مربع آسمان شناسایی گردد

رومن با استفاده از ابزار میدان‌گسترده‌ی خود، طیف کهکشان‌های لبه‌ی خلأها را ثبت خواهد کرد. این کار امکان اندازه‌گیری انتقال‌به‌سرخ کیهانی را فراهم می‌کند و با ترکیب آن با موقعیت کهکشان‌ها در آسمان، می‌توان شکل سه‌بعدی خلأها را بازسازی کرد.

نگاه دقیق‌تر به کهکشان‌های کم‌نور

جولیا دگنی، از دانشگاه روما تره و مؤسسه‌ی ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا، می‌گوید:

«خلأها با این ویژگی تعریف می‌شوند که کهکشان‌های بسیار کمی دارند. بنابراین برای آشکارسازی آن‌ها باید بتوان کهکشان‌هایی بسیار کم‌نور و پراکنده را مشاهده کرد. با رومن، می‌توانیم کهکشان‌های ساکن خلأها را بهتر ببینیم و در نهایت درک عمیق‌تری از پارامترهای کیهان‌شناسی مانند انرژی تاریک به دست آوریم؛ همان چیزی که خلأها را شکل داده است.»

همکاری رومن، اقلیدس و ورا روبین

تلسکوپ رومن به‌تنهایی عمل نخواهد کرد. این مأموریت در کنار تلسکوپ اقلیدس متعلق به آژانس فضایی اروپا و رصدخانه‌ی ورا روبین فعالیت خواهد کرد.

• اقلیدس حدود ۱۴٬۰۰۰ درجه‌ی مربع از آسمان را با دیدی گسترده بررسی می‌کند.
• رومن تنها ۲۰۰۰ درجه‌ی مربع را پوشش می‌دهد، اما بسیار عمیق‌تر می‌نگرد.
• اقلیدس در نور مرئی و فروسرخ کار می‌کند، در حالی که رومن فقط فروسرخ را رصد می‌کند.

این تفاوت‌ها باعث می‌شود این مأموریت‌ها مکمل یکدیگر باشند و به جمعیت‌های متفاوتی از کهکشان‌ها در فاصله‌های گوناگون حساس باشند.

آینده‌ی درک ما از انرژی تاریک

اگرچه هنوز دقیقاً نمی‌دانیم انرژی تاریک چیست، اما نقشه‌برداری دقیق از اثر آن بر ساختار بزرگ‌مقیاس جهان، ما را یک گام بزرگ به پاسخ نزدیک‌تر می‌کند. اگر پیش‌بینی‌ها درست باشد و تلسکوپ رومن بتواند بیش از ۸۲ هزار خلأ کیهانی را شناسایی و اندازه‌گیری کند، در آستانه‌ی جهشی بزرگ در فهم انبساط شتابدار جهان قرار خواهیم گرفت.

پژوهشگران در پایان مقاله‌ی خود نتیجه می‌گیرند:

«این کار، با نخستین تحلیل جامع از داده‌های شبیه‌سازی‌شده مشابه رومن، راه را برای استفاده از خلأهای رومن به‌منظور تعیین مستقل پارامترهای کیهان‌شناسی با دقتی بالا هموار می‌کند.»

خلأهایی که روزی به‌نظر می‌رسید چیزی برای گفتن ندارند، شاید کلید درک یکی از بزرگ‌ترین رازهای جهان باشند.