کیهان‌شناسی در یک نقطه عطف، اما ابزارهای جدیدی در راه‌اند

تنها یک قرن پیش، منجمان درگیر “بحث بزرگ” بودند که آیا کهکشان ما یک جهان جزیره‌ای است یا اینکه سحابی‌هایی مانند آندرومدا کهکشان‌هایی در یک کیهان بسیار بزرگ‌تر هستند. اکنون می‌دانیم که جهان میلیاردها سال قدمت دارد، دائماً در حال گسترش است تا میلیاردها سال نوری را در بر گیرد و نه تنها پر از ستارگان و کهکشان‌ها، بلکه همچنین مملو از انرژی تاریک و ماده تاریک سرد است. منجمان این درک را با مدل کیهان‌شناسی استاندارد یا مدل LCDM خلاصه می‌کنند. اگرچه داده‌های رصدی این مدل را به‌طور قوی تأیید می‌کنند، اما این مدل بدون چالش نیست.

چالش برجسته‌ای که وجود دارد، به “تنش هابل” معروف است. وقتی نرخ گسترش کیهانی را به روش‌های مختلف اندازه‌گیری می‌کنیم، می‌توانیم چیزی به نام ثابت هابل یا پارامتر هابل را محاسبه کنیم که نرخ گسترش کیهانی را تعریف می‌کند. این نرخ همچنین اطلاعاتی مانند سن جهان و چگالی متوسط انرژی تاریک و ماده را نشان می‌دهد. اگرچه مشاهدات مختلف عموماً حول ۶۸-۶۹ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک متمرکزند، برخی از روش‌ها نتایجی خارج از این محدوده می‌دهند. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد نرخ گسترش کنونی کیهان بیشتر از دوران اولیه آن است، که به “تنش برش کیهانی” شناخته می‌شود. همه این‌ها به این معناست که یا برخی از روش‌های ما اشتباه‌اند یا جنبه‌ای بنیادی از گسترش کیهانی را هنوز درک نکرده‌ایم.

با این مسئله، رازهای پیرامون انرژی تاریک نیز مرتبط هستند. در مدل استاندارد، انرژی تاریک خاصیت فضا و زمان است و در تمام کیهان جهانی است. اما دیدگاه جایگزینی وجود دارد که انرژی تاریک را به‌عنوان یک میدان اسکالر مستقل درون فضا-زمان می‌بیند که گاهی به آن “ذات پنجم” (quintessence) می‌گویند. مشاهداتی مانند مقیاس خوشه‌بندی کهکشان‌ها معمولاً از مدل اول حمایت می‌کنند، اما مطالعات پراکنده‌ای نیز وجود دارند که مدل دوم را پیشنهاد می‌دهند. هنوز داده‌های کافی برای رد کامل هیچ‌یک از این دو مدل نداریم.

و البته، معمای بزرگ دیگر ماده تاریک است. مشاهدات به‌طور قوی وجود آن را تأیید می‌کنند و نشان می‌دهند که ماده تاریک بخش عمده ماده در جهان را تشکیل می‌دهد. اما در مدل استاندارد فیزیک ذرات، هیچ چیزی نمی‌تواند ماده تاریک را تشکیل دهد، و آزمایش‌های بی‌شماری برای شناسایی مستقیم ماده تاریک تاکنون هیچ نتیجه‌ای نداده‌اند. مدل‌های جایگزین مانند گرانش اصلاح‌شده می‌توانند برخی از مشاهدات ما را توضیح دهند، اما این مدل‌ها باید با داده‌ها به‌دقت تنظیم شوند و هیچ رویکرد جایگزینی با تمام مشاهدات ما همخوانی ندارد. ماده تاریک همچنان در مرکز مدل کیهان‌شناسی استاندارد باقی مانده، اما ماهیت واقعی آن همچنان در ابهام است.

به‌طور خلاصه، ما در آستانه رسیدن به یک مدل کامل و وحدت‌بخش از جهان هستیم، اما هنوز رازهای عمیق و ظریفی باقی مانده که باید حل شوند. به ایده‌های نظری بیشتری نیاز داریم و به‌شدت به داده‌های رصدی بیشتری نیازمندیم. خوشبختانه، پروژه‌های هیجان‌انگیزی در حال اجرا هستند که ممکن است این رازها را در آینده نزدیک حل کنند.

یکی از این پروژه‌ها، بررسی ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) است که در حال حاضر در دست اجراست. طی این پروژه پنج‌ساله، DESI طیف‌های بیش از ۳۵ میلیون کهکشان دوردست را مشاهده خواهد کرد و نقشه سه‌بعدی دقیقی از کیهان به ما خواهد داد. در مقایسه، نقشه‌برداری دیجیتال آسمان اسلون (SDSS) داده‌هایی از ۴ میلیون کهکشان جمع‌آوری کرد و در زمان خود دقیق‌ترین نمای خوشه‌بندی کهکشانی را ارائه داد. با DESI، ما قادر خواهیم بود تعامل بین ماده تاریک و انرژی تاریک را در طول میلیاردها سال مشاهده کنیم و امیدواریم مشخص شود که آیا انرژی تاریک ثابت است یا در طول زمان تغییر می‌کند.

یکی دیگر از ابزارهای مفید، رصدخانه ورا روبین خواهد بود که باید طی چند ماه آینده عملیاتی شود. این رصدخانه با ارائه نقشه‌ای با وضوح بالا از آسمان هر چند روز، به ما امکان مطالعه پدیده‌های گذرا مانند ابرنواخترهایی که برای اندازه‌گیری گسترش کیهانی استفاده می‌شوند، را خواهد داد. همچنین دیدگاه غنی از ماده در کهکشان ما ارائه می‌دهد و می‌تواند جنبه‌هایی از تعامل این ماده با ماده تاریک را آشکار کند.

در آینده‌ای دورتر، پروژه‌های برنامه‌ریزی‌شده‌ای مانند تلسکوپ طیف‌سنجی میدان وسیع (WST) که توانایی‌های رصدخانه روبین را گسترش می‌دهد و Spec-S5 که مکمل بررسی‌های DESI خواهد بود، وجود دارند. هر دو این پروژه‌ها هنوز در مرحله برنامه‌ریزی هستند اما ممکن است طی یک دهه آینده عملیاتی شوند.

در دهه ۱۲۹۸هجری شمسی، “بحث بزرگ” نجوم به لطف حجم وسیعی از داده‌ها حل شد. ظهور عکاسی نجومی به ما امکان داد جهان را به روش‌های دگرگون‌کننده ببینیم و کیهان‌شناسی مدرن را ممکن ساخت. اکنون وارد عصر نجوم داده‌های بزرگ شده‌ایم، جایی که تلسکوپ‌های میدان وسیع و نقشه‌برداری‌های گسترده در یک شب بیشتر از یک سال گذشته داده تولید می‌کنند. خودتان را برای یک عصر انقلابی دیگر در نجوم آماده کنید.