این فرآیند مانند یک سیتی اسکن کیهانی است که به ما این امکان را میدهد تا از لابهلای لایههای مختلف تاریخ کیهانی نگاه کنیم و بررسی کنیم که چطور ماده در دورانهای مختلف به هم جمع شده است.
ترکیب قدرتمندی از دادهها از دو نظرسنجی متفاوت کیهانی به پژوهشگران این امکان را داده است که یک “سیتی اسکن کیهانی” از تکامل کیهان بسازند.
این تصاویر نشان میدهند که با تغییرات نیروهایی مانند گرانش، کیهان به تدریج کمتر تودهای شده است. به عبارت دیگر، کیهان پیچیدهتر از آنچه که پیشبینی میشد رشد کرده است. تیم پشت این یافتهها از ششمین و آخرین دادههای رصدخانه کیهانشناسی آتاکاما (ACT) در ترکیب با دادههای سال اول از ابزار طیفی انرژی تاریک (DESI) برای رسیدن به این نتایج استفاده کرده است.
این ترکیب قدرتمند از دادهها به پژوهشگران این امکان را داد که زمان کیهانی را به صورت لایهلایه بررسی کنند، مشابه به جمعآوری عکسهای کیهانی قدیمی و قرار دادن آنها روی تصاویر جدیدتر از کیهان، که یک دیدگاه چندبعدی از کیهان ایجاد میکند.
متیو مادهاواچریل، یکی از سرپرستان تیم و استاد دانشگاه پنسیلوانیا، در بیانیهای گفت: “این فرآیند مانند یک سیتی اسکن کیهانی است که به ما این امکان را میدهد که از لابهلای لایههای مختلف تاریخ کیهانی نگاه کنیم و بررسی کنیم که چطور ماده در دورانهای مختلف به هم جمع شده است. این به ما نگاه مستقیمی به چگونگی تغییر تاثیر گرانشی ماده در طول میلیاردها سال میدهد.”
برای اینکه تیم بتواند این سیتی اسکن کیهانی از کیهان را بسازد، آنها نیاز داشتند به نوری که تقریباً از همان زمان پیدایش کیهان وجود داشته است.
با چنین نوری میتوان تغییراتی که کیهان در طول حدود ۱۳.۸ میلیارد سال تحت تاثیر گرانش تجربه کرده را دنبال کرد.
جاشوا کیم، یکی دیگر از سرپرستان تیم، گفت: “ACT، که حدود ۲۳ درصد آسمان را پوشش میدهد، تصویری از دوران طفولیت کیهان به دست میدهد با استفاده از نوری دور و ضعیف که از زمان انفجار بزرگ در حال سفر است. این نور به طور رسمی به نام پسزمینه ریزموج کیهانی (CMB) شناخته میشود، اما ما گاهی آن را به عنوان عکس نوزادی کیهان مینامیم زیرا نمایی از زمانی است که کیهان حدود ۳۸۰,۰۰۰ ساله بود.”
CMB نوری است که از رویدادی که بلافاصله بعد از انفجار بزرگ رخ داد به جا مانده است و به آن “آخرین پخش” گفته میشود. این اتفاق زمانی رخ داد که کیهان آنقدر گسترش یافته و سرد شده بود که الکترونها و پروتونها توانستند اولین اتمهای بیبار هیدروژن را تشکیل دهند. ناپدید شدن الکترونهای آزاد به این معنی بود که فوتونها یا ذرات نور دیگر در هنگام سفر در کیهان به طور مداوم پخش نمیشدند و میتوانستند آزادانه حرکت کنند. به عبارت دیگر، کیهان از حالت مات بودن به حالت شفاف تغییر یافت.
امروزه این نور اولیه به عنوان CMB شناخته میشود، که به “سطح آخرین پخش” نیز معروف است.
اگرچه گاهی اوقات به عنوان “فسیل کیهانی” توصیف میشود، CMB برای میلیاردها سال تغییرات زیادی نداشته است، اما همچنان تغییرات جزئی را در طول زمان تجربه کرده است. گسترش کیهان باعث شده که فوتونها به طول موجهای بلندتر منتقل شوند و انرژی خود را از دست بدهند. دمای آن اکنون به طور یکنواخت منفی ۴۵۴ درجه فارنهایت (منفی ۲۷۰ درجه سلسیوس) است.
چون جرم فضا-زمان را خم میکند و گرانش ایجاد میکند، نور از CMB در هنگام عبور از ساختارهای سنگین و چگال مانند خوشههای کهکشانی خم میشود. این مشابه به نگاه کردن به یک الگوی مشبک در کف یک استخر خالی است و مشاهده تغییراتی که در هنگام اضافه کردن آب رخ میدهد.
این فرآیند به نام “لنز گرانشی” شناخته میشود که آلبرت اینشتین آن را به عنوان بخشی از نظریه گرانش خود، نسبیت عمومی، پیشنهاد کرده بود.
با مشاهده تغییرات و انحرافات در CMB در طول زمان، دانشمندان میتوانند اطلاعات زیادی درباره تکامل ماده در طول میلیاردها سال به دست آورند.
جمع شدن جهان: کجاست و چه ویژگیهایی دارد؟
در حالی که دادههای ACT تصویری از CMB در عکسهای نوزادی کیهان ارائه میدهد، DESI رکوردی از کیهانی “بالغتر” در اختیار دانشمندان میگذارد.
DESI این کار را با نقشهبرداری از ساختار سهبعدی کیهان انجام میدهد که با نقشهبرداری از توزیع میلیونها کهکشان، به ویژه کهکشانهای قرمز درخشان (LRG)، به دست آمده است. با استفاده از این کهکشانها به عنوان “نقاط عطف کیهانی”، دانشمندان میتوانند بازسازی کنند که چگونه ماده در طول زمان کیهانی پخش شده است.
جاشوا کیم گفت: “کهکشانهای LRG از DESI مانند یک تصویر جدیدتر از کیهان هستند که به ما نشان میدهند که کهکشانها چگونه در فواصل مختلف توزیع شدهاند. این یک روش قدرتمند برای مشاهده چگونگی تکامل ساختارها از نقشه CMB به جایی است که کهکشانها امروزه قرار دارند.”
ترکیب نقشههای لنز گرانشی CMB از ACT و دادههای LRG از DESI مانند ورق زدن در یک آلبوم عکس است که رشد کیهان را از آغاز تا به امروز نشان میدهد.
با ورق زدن در این آلبوم عکس کیهانی، تیم یک اختلاف کوچک مشاهده کرد. “تودهای بودن” ماده که تیم در دورانهای بعدی کیهان محاسبه کرده بود، با پیشبینیهای نظری مطابقت نداشت.
اگرچه این اختلاف آنقدر بزرگ نیست که پیشنهاد کند فیزیک جدیدی در حال اجرا است، اما نشان میدهد که ساختارهای کیهانی آنطور که مدلهای اولیه کیهان شناسی پیشبینی میکردند تکامل نیافتهاند. نتایج همچنین به این نکته اشاره دارند که رشد ساختاری کیهان ممکن است به شیوههایی که مدلهای فعلی نمیتوانند به طور کامل توضیح دهند، کند شده باشد.
متیو مادهاواچریل گفت: “آنچه ما پیدا کردیم این است که، در بیشتر موارد، داستان تشکیل ساختار کاملاً مطابق با پیشبینیهای گرانش اینشتین است. ما یک نشانه کوچک از اختلاف در میزان تودهای بودن در دورانهای اخیر کیهان، حدود چهار میلیارد سال پیش، دیدیم که ممکن است جالب باشد که به آن پرداخته شود.”
پژوهشگران پشت این کار قصد دارند این خط تحقیقاتی را ادامه دهند، اما با استفاده از تلسکوپهای آینده و قدرتمندتر که باید اندازهگیریهای دقیقتری به آنها بدهند.
