کشف بزرگترین ساختار کیهانی
آیا «فضای مطلقا خالی » به اثبات رسیده است؟
در اعماق فضا یک «ابرپوچی» قرار دارد که می‌توان آن را بزرگترین ساختار کیهانی دانست که تاکنون مشاهده شده است.
در اعماق فضا یک «ابرپوچی» قرار دارد که می‌توان آن را بزرگترین ساختار کیهانی دانست که تاکنون مشاهده شده است.
به گزارش فرادید *، ستاره‌شناسان بیش از ده سال پیش و هنگامی‌که در حال اندازه‌گیری دمای کیهانی بودند، به مورد عجیبی برخوردند. آن‌ها بخشی از کیهان را پیدا کردند که به شکل کاملا عجیبی سرد بود. آن ستاره‌شناسان در حال بررسی پرتوهای ریزموجی گسترده در سراسر کیهان بودند؛ پرتوهای ریزموجی که یادگار درخشان «انفجار بزرگ» یا مهبانگ هستند.
نواحی پوچ (void) به فضاهای خالیِ گسترده میان رشته‌های کهکشانی گفته می‌شود که شامل هیچ یا تعداد بسیار کمی کهکشان هستند. به نواحی پوچ بزرگی که عاری از ابر خوشه‌های کهکشانی هستند ابرپوچی (supervoid) گفته می‌شود.
بررسی «تابش زمینه کیهانی» به منزله کاوش در دوران دیرینه کیهان یعنی حدود 400 هزار سال پیش است. تابش زمینه کیهانی سراسر آسمان و به عبارت بهتر سراسر کیهان را پوشانده و همه جا کاملا به یک شکل است. دمای این تابش ۲.۷۲5 درجه کلوین است، یعنی تنها چند درجه گرم‌تر از صفر کلوین.
حال تجهیزات جدید، شکل و دقت بررسی‌ها را تغییر داده است. با استفاده از کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون یا دبلیومپ (WMAP)، ستاره‌شناسان حالا می‌توانند تغییرات دمایی ریزترین بخش‌ها (برای نمونه: یک از 100 هزار) را نیز اندازه‌گیری کنند. «کف کوانتومی» بلافاصله پس از مهبانگ به وجود آمد و این نوسانات تصادفی از آن به وجود آمد. دانشمندان با استفاده از همین نوسانات تصادفی است که می‌توانند بررسی کنند که کیهان از چه و چگونه پدید آمده است.
تابش زمینه کیهانی (Cosmic Microwave Background: CBM) یک تابشی الکترومغناطیس بوده که سراسر کیهان را پوشانده است
در میان تمام آشفتگی‌های حاصل از آن نوسانات، نقطه‌ای کاملا سرد توجه دانشمندان را به خود جلب کرد. در طول این سال‌ها، چندین نظریه برای توجیه آن نقطه سرد مطرح شد. برخی گفتند که احتمالا خطای انسانی یا ماشینی عامل چنین پدیده‌ای بوده و برخی دیگر اما نظریه «جهان‌های موازی» را مطرح کردند. اما دانشمندان حالا بر روی نظریه‌ای دیگر تاکید دارند: فضای خالی بسیار بزرگی به نام ابرپوچی کیهانی؛ آن‌قدر بزرگ که می‌توان آن را بزرگترین ساختار تمام کیهان دانست.
بر اساس این نظریه، در فضای پوچی یافت شده هیچ ستاره یا کهکشانی وجود ندارد و همین مسئله می‌تواند بر نظریه‌های مرتبط با تابش زمینه کیهانی اثر بگذارد. پاسخ آن معمای همیشگی (چگونگی شکل‌گیری کیهان) نیز می‌تواند حل شود. در واقع به این نتیجه می‌رسیم که تمام تلاش‌هایمان هیچ نتیجه‌ای نداشته است. با این حال نیز معما همچنان باقی می‌ماند.
نقطه سرد چگونه شکل می‌گیرد؟
این نقطه سرد تنها مورد عجیب تابش زمینه کیهانی نیست. دانشمندان به چندین ناهنجاری دیگر کیهانی نیز تاکنون برخورده‌اند. برای نمونه، سیگنال‌های دریافتیِ نیمی از آسمان از سیگنال‌های دریافتی نیم دیگر آسمان قوی‌تر است. نظریه‌ی استاندارد کیهان‌شناسی که پیش‌تر توانسته بود جزئیات تابش زمینه کیهانی را پیش‌بینی کند، کاملا نمی‌تواند این موارد عجیب (خصوصا نقطه سرد) را توضیح دهد.
بر اساس این نظریه، در فضای پوچی یافت شده هیچ ستاره یا کهکشانی وجود ندارد و همین مسئله می‌تواند بر نظریه‌های مرتبط با تابش زمینه کیهانی اثر بگذارد. پاسخ آن معمای همیشگی (چگونگی شکل‌گیری کیهان) نیز می‌تواند حل شود. در واقع به این نتیجه می‌رسیم که تمام تلاش‌هایمان هیچ نتیجه‌ای نداشته است. با این حال نیز معما همچنان باقی می‌ماند.
نقطه سرد چگونه شکل می‌گیرد؟
این نقطه سرد تنها مورد عجیب تابش زمینه کیهانی نیست. دانشمندان به چندین ناهنجاری دیگر کیهانی نیز تاکنون برخورده‌اند. برای نمونه، سیگنال‌های دریافتیِ نیمی از آسمان از سیگنال‌های دریافتی نیم دیگر آسمان قوی‌تر است. نظریه‌ی استاندارد کیهان‌شناسی که پیش‌تر توانسته بود جزئیات تابش زمینه کیهانی را پیش‌بینی کند، کاملا نمی‌تواند این موارد عجیب (خصوصا نقطه سرد) را توضیح دهد.
ماهواره دبلیومپ
همان‌طور که گفتیم احتمالات فراوانی برای آن نقطه سرد کیهانی مطرح شد. اما محتمل‌ترین فرضیه‌ای که اخیرا مطرح شده، نظریه «ابرپوچی کیهانی» است. تمامی ساختارهای کیهانی - کهکشان‌ها، ماده تاریک نامرئی - در همه جای فضا پراکنده شده است. در این اما فضاهای خالی در اشکال و اندازه‌های متفاوت وجود دارد که می‌تواند مانند یک لنز اعوجاجی، دمای تابش زمینه کیهانی را از آنچه واقعا هست، کمتر نشان دهد.
اما دلیل این اتفاق نیز مهم است: نور از درون فضای پوچی عبور کرده و همزمان انرژی و بسامد آن کاهش می‌یابد. نور در این وضعیت به سمت بسامدهای پایین‌تر یعنی انتهای قرمزرنگ طیف نوری سوق پیدا می‌کند. نور هم تقریبا مانند تمام چیزهای دیگر از گرانش تاثیر می‌پذیرد. گرانش نیز لاجرم بر روی فوتون‌های نوری تاثیر می‌گذارد. درون یک فضای پوچی اما شرایط کمی متفاوت است، چرا که کمبود ماده به معنای عدم وجود گرانش بوده و در نهایت نور در درون فضای پوچی از گرانش تاثیر نمی‌پذیرد. سفر فوتون‌ها از درون فضای پوچی (void) به معنای بالا رفتن از یک تپه است و بالا رفتن از تپه نیز به انرژی نیاز دارد.
فوتون‌ها می‌توانند انرژی مصرف شده را دوباره پس بگیرند. به محض اینکه فوتون‌ها از پوچی خارج شوند دوباره در محاصره ماده درآمده و از گرانش تاثیر می‌پذیرد. فوتون‌ها بدین صورت می‌تواند انرژی از دست رفته خود را پس بگیرند.
اما دلیل این اتفاق نیز مهم است: نور از درون فضای پوچی عبور کرده و همزمان انرژی و بسامد آن کاهش می‌یابد. نور در این وضعیت به سمت بسامدهای پایین‌تر یعنی انتهای قرمزرنگ طیف نوری سوق پیدا می‌کند. نور هم تقریبا مانند تمام چیزهای دیگر از گرانش تاثیر می‌پذیرد. گرانش نیز لاجرم بر روی فوتون‌های نوری تاثیر می‌گذارد. درون یک فضای پوچی اما شرایط کمی متفاوت است، چرا که کمبود ماده به معنای عدم وجود گرانش بوده و در نهایت نور در درون فضای پوچی از گرانش تاثیر نمی‌پذیرد. سفر فوتون‌ها از درون فضای پوچی (void) به معنای بالا رفتن از یک تپه است و بالا رفتن از تپه نیز به انرژی نیاز دارد.
فوتون‌ها می‌توانند انرژی مصرف شده را دوباره پس بگیرند. به محض اینکه فوتون‌ها از پوچی خارج شوند دوباره در محاصره ماده درآمده و از گرانش تاثیر می‌پذیرد. فوتون‌ها بدین صورت می‌تواند انرژی از دست رفته خود را پس بگیرند.
مدلی برای کیهانِ در حال انبساط
اگر قرار باشد که انرژی فوتون‌ها تحلیل برود، باید سرعت انبساط کیهانی بیشتر شود. زمانی که یک فوتون به سختی درون پوچی حرکت می‌کند، کیهان سریع و سریع‌تر انبساط پیدا می‌کند. در نهایت فوتون نمی‌تواند آن انرژی ابتدایی را دوباره جمع کند. فیزیک‌دانان از اواخر دهه 60 میلادی بر روی این مسئله کار می‌کردند، اما تا آن زمان هرگز کسی یک پوچی را مشاهده نکرده بود. اما پس از اینکه یک «نقطه سرد» یافت شد، ستاره‌شناسانی مانند ایستوان اسزاپودی از دانشگاه هاوایی تحقیق خود بر روی این رفتار کیهانی را شروع کردند. او در سال 2008، این پدیده را «اثر سَکس- ولفِ پیوسته» (Integrated Sachs-Wolfe: ISW) نامید.
ابرپوچی شگفت‌انگیز
اسزاپودی نتوانست تک‌تک پوچی‌هایی که بر روی تابش زمینه کیهانی اثر می‌گذارند را شناسایی کند. در واقع او داده‌های لازم برای چنین کاری را در اختیار نداشت. او و همکارانش قصد داشتند اثر کلی سَکس- ولف را در یک تحلیل آماری از 100 پوچی و خوشه کهکشانی بررسی کند، چرا که قدرت گرانشی خوشه‌های کهکشانی اثر گرمایی داشته و از خود نقاط گرم در تابش زمینه کیهانی به جای می‌گذارد. این گروه از محققان توانستند یک بار اثر واقعی سَکس- ولف را پیدا کنند. جایی که دمای تابش زمینه کیهانی با متوسط یک میلیونیم کلوین یا یک میکرو کلوین تغییر می‌کند.
ابرپوچی شگفت‌انگیز
اسزاپودی نتوانست تک‌تک پوچی‌هایی که بر روی تابش زمینه کیهانی اثر می‌گذارند را شناسایی کند. در واقع او داده‌های لازم برای چنین کاری را در اختیار نداشت. او و همکارانش قصد داشتند اثر کلی سَکس- ولف را در یک تحلیل آماری از 100 پوچی و خوشه کهکشانی بررسی کند، چرا که قدرت گرانشی خوشه‌های کهکشانی اثر گرمایی داشته و از خود نقاط گرم در تابش زمینه کیهانی به جای می‌گذارد. این گروه از محققان توانستند یک بار اثر واقعی سَکس- ولف را پیدا کنند. جایی که دمای تابش زمینه کیهانی با متوسط یک میلیونیم کلوین یا یک میکرو کلوین تغییر می‌کند.
تابش زمینه کیهانی از زمین
اسزاپوی تلاش کرد تا ماهیت پوچی‌ها را دریابد. به همین منظور در سال 2010 داده‌هایی را جمع‌آوری کرد. هرچند داده‌های او بسیار محدود بود، اما نتایج آن تحقیق نشان داد که ممکن است نزدیک‌ترین پوچی در فاصله سه میلیارد سال نوری از ما قرار گرفته باشد. او و همکارانش در سال گذشته میلادی تحقیقی در ابعاد گسترده‌تر انجام دادند. محدوده تحت پوشش آن‌ها در آسمان 200 برابر بیشتر بود تا تمام محدوده نقطه سرد نیز بررسی شود. نتایج تحقیق اسپازودی این بار کاملا روشن بود: «ما مطمئنیم که پوچی وجود دارد. من حاضرم سر آپارتمان شرط ببندم.»
ابعاد این پوچی نیز بسیار گسترده است. شعاع آن به 220 مگاپارسک یعنی بیش از 700 میلیون سال نوری می‌رسد، همین ابعاد کافی است تا این ابرپوچی به بزرگترین ساختار فیزیکی تمام کیهان تبدیل شود. برخی از دانشمندان اما همچنان معتقدند که برای تعیین ماهیت اصلیِ این ابرپوچی به داده‌های بیشتری نیاز داریم.
ابعاد این پوچی نیز بسیار گسترده است. شعاع آن به 220 مگاپارسک یعنی بیش از 700 میلیون سال نوری می‌رسد، همین ابعاد کافی است تا این ابرپوچی به بزرگترین ساختار فیزیکی تمام کیهان تبدیل شود. برخی از دانشمندان اما همچنان معتقدند که برای تعیین ماهیت اصلیِ این ابرپوچی به داده‌های بیشتری نیاز داریم.
محل وجود ابرپوچی در تصویر مشخص شده است
یک مشکل بزرگتر
مشکلی دیگر بر سر را قرار دارد و آن این است که این ابرپوچی نمی‌تواند به اندازه کافی تابش زمینه کیهانی را خنک کند. یک ابرپوچی به این اندازه تنها می‌تواند به اندازه 20 میکرو کلوین، تابش زمینه کیهانی را سردتر کند. اما دمای ابرپوچی به طور متوسط 70 میکرو کلوین و در برخی نقاط 140 میکرو کلوین سردتر است.
مشکلی دیگر بر سر را قرار دارد و آن این است که این ابرپوچی نمی‌تواند به اندازه کافی تابش زمینه کیهانی را خنک کند. یک ابرپوچی به این اندازه تنها می‌تواند به اندازه 20 میکرو کلوین، تابش زمینه کیهانی را سردتر کند. اما دمای ابرپوچی به طور متوسط 70 میکرو کلوین و در برخی نقاط 140 میکرو کلوین سردتر است.
آیا از این دست موارد باز هم در کیهان وجود دارد؟
یکی از دلایل محتمل پشت این اختلاف این است که اندازه پوچی از مقداری که اندازه‌گیری شده بیشتر باشد. اگر چنین باشد، اثر سَکس-وولف نیز قوی‌تر خواهد بود. با این حساب، شعاع این ابرپوچی می‌تواند تا 270 مگاپارسک نیز بیشتر شود. بیِلیا همان دانشمندی است که سال 2004 موفق شد آن نقطه سرد را مشاهده کند. او می‌گوید حتی اگر این ابرپوچی را این اندازه بزرگ باشد، باز هم نمی‌تواند نقطه سرد را توجیه کند.
حقیقت اما کجا است؟
در حقیقت، طبق نظریه‌های اخیر کیهان‌شناسی، اساسا یک پوچی به این اندازه نمی‌تواند در کیهان وجود داشته باشد. بیلبا می‌گوید: «مشکل اینجا است که نوع پوچیِ مورد نیاز برای این اثر در حقیقت وجود ندارد.»
اما اگر آن پدیده یک پوچی نباشد، بنابراین چه چیزی می‌تواند باشد؟ بیلبا می‌گوید که آن نقطه سرد ممکن است که حاصل یک «نقص توپولوژیک» باشد؛ نقصی در ساختار کیهان که مانند تَرَک‌ها یا حفره‌های روی یک قالب یخ شکل می‌گیرد. کیهان نیز سیر تکاملی داشته است. کیهان مانند آبِ در حال انجماد که از مایع به جامد تبدیل می‌شود، تکامل یافت و پس از برگشت به حالت اول طبیعی بود که چنین پدیده‌هایی شکل بگیرد.
حقیقت اما کجا است؟
در حقیقت، طبق نظریه‌های اخیر کیهان‌شناسی، اساسا یک پوچی به این اندازه نمی‌تواند در کیهان وجود داشته باشد. بیلبا می‌گوید: «مشکل اینجا است که نوع پوچیِ مورد نیاز برای این اثر در حقیقت وجود ندارد.»
اما اگر آن پدیده یک پوچی نباشد، بنابراین چه چیزی می‌تواند باشد؟ بیلبا می‌گوید که آن نقطه سرد ممکن است که حاصل یک «نقص توپولوژیک» باشد؛ نقصی در ساختار کیهان که مانند تَرَک‌ها یا حفره‌های روی یک قالب یخ شکل می‌گیرد. کیهان نیز سیر تکاملی داشته است. کیهان مانند آبِ در حال انجماد که از مایع به جامد تبدیل می‌شود، تکامل یافت و پس از برگشت به حالت اول طبیعی بود که چنین پدیده‌هایی شکل بگیرد.
نور هنگام عبور از پوچی انرژی خود را از دست می‌دهد
اکثر ستاره‌شناسان اما بر این باورند که ایده «ابرپوچی» همچنان محتمل‌ترین گزینه است. اما همان‌طور که بیلبا می‌گوید برای اینکه بهفمیم این اختلاف دما ناشی از چیست، به داده‌های بیشتری نیاز داریم.
تابش زمینه کیهانی چگونه به وجود آمد؟
ابرپوچی از این جهت نقش بسزایی دارد که می‌تواند سیر شکل‌گیری مهبانگ را برای دانشمندان مشخص‌تر کند. اثر سَکس - وولف جواب می‌دهد، چرا که کیهان به سرعت در حال انبساط است. نیرویی که کیهان را گسترش می‌دهد نیز همان «انرژی تاریک» است. دانشمندان می‌توانند با اندازه‌گیری اثر سَکس-وولفِ آن ابرپوچی، تاثیر ماده تاریک را بسنجند. آن‌ها بدین ترتیب می‌توانند رفتار ماده تاریک در کیهان را بهتر درک کنند.
حالا اما معمای بزرگ نقطه سرد در هستی وجود دارد. ما هنوز پایان داستان را نمی‌دانیم. در حقیقت هنوز هیچ‌کس پایان داستان را نمی‌داند.
منبع: BBC.com
حالا اما معمای بزرگ نقطه سرد در هستی وجود دارد. ما هنوز پایان داستان را نمی‌دانیم. در حقیقت هنوز هیچ‌کس پایان داستان را نمی‌داند.
منبع: BBC.com
