حلقه بزرگ کیهانی و چالش تازه برای مدل های جهان شناسی

حلقه‌ای از کهکشان‌ها را تصور کنید که آن‌قدر پهناور است که قواعد مورد استفاده اخترشناسان برای توصیف کیهان را به چالش می‌کشد. در سال ۲۰۲۴، گروهی به سرپرستی الکسیا لوپز از دانشگاه سنترال لنکشر از چنین جرمی خبر داد: حلقه بزرگ، حلقه‌ای تقریبا کامل از کهکشان‌ها با پهنایی در حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری. نوری که امروز از آن ناحیه می‌بینیم حدود ۶.۹ میلیارد سال پیش گسیل شده و هندسه آن با هیچ فرایند شکل‌گیری شناخته‌شده‌ای سازگار نیست.

کشف و هندسه غیرمعمول

حلقه بزرگ پس از ارائه‌ای در دویست‌وچهل‌وسومین نشست انجمن اخترشناسی آمریکا و انتشار مقاله‌ای تکمیلی در نشریه Journal of Cosmology and Astroparticle Physics وارد ادبیات علمی شد. آنچه این کشف را چشمگیر می‌کند، هم مقیاس عظیم آن است و هم جایگاهش: این ساختار در نزدیکی سامانه‌ای معمایی دیگر به نام کمان غول‌پیکر قرار دارد که لوپز و همکارانش در سال ۲۰۲۱ گزارش کرده بودند. وجود دو همسایه بسیار عظیم در یک بخش از آسمان و در فاصله‌هایی مشابه، چیزی نبود که کیهان‌شناسان انتظار مشاهده‌اش را داشته باشند.

گستره حلقه حدود ۱.۳ میلیارد سال نوری برآورد می‌شود، بله، میلیارد، و بررسی‌های اولیه نشان می‌دهد که این یک ساختار دایره‌ای ساده حاصل از فرایندهای فیزیکی شناخته‌شده نیست. برخلاف پوسته‌های تقریبا کروی مرتبط با نوسان‌های صوتی باریونی، حلقه بزرگ در نمای سه‌بعدی بیشتر به یک مارپیچ چوب‌پنبه‌بازکن شبیه است که جهت‌گیری آن باعث می‌شود تصویرش روی آسمان ما مانند یک حلقه دیده شود.

حلقه بزرگ (آبی) و کمان غول‌پیکر (قرمز).

همین تصویرِ روی آسمان نکته کلیدی است. رصدگران باید روشن کنند که آیا شکل ظاهری، ویژگی ذاتی خود ساختار است یا نتیجه زاویه دید ما. هر دو گزینه پیامدهای مهمی دارند. اگر شکل حلقه ذاتی باشد، مدل‌های کنونی تشکیل ساختار در توضیح اینکه ماده چگونه می‌تواند در چنین مقیاس‌هایی تجمع پیدا کند دچار مشکل می‌شوند. اگر حلقه تصویر یک آرایش رشته‌ای پیچیده‌تر باشد، باز هم با یک هم‌زمانی ناراحت‌کننده روبه‌رو هستیم: دو ویژگی فوق‌العاده بزرگ، کنار هم و در فاصله‌ای مشابه.

چرا این کشف برای کیهان‌شناسی مهم است

کیهان‌شناسی بر همگنی و همسانگردی آماری استوار است، همان اصل کیهان‌شناختی که می‌گوید جهان در مقیاس‌های به اندازه کافی بزرگ باید در همه جهت‌ها تقریبا یکسان به نظر برسد. پژوهش‌های نظری، حد بالایی اندازه ساختارهای همدوس را حدود ۱.۲ میلیارد سال نوری می‌دانند. کمان غول‌پیکر تا نزدیک سه برابر این مقیاس امتداد دارد و محیط حلقه بزرگ با طول آن کمان رقابت می‌کند. این ناسازگاری‌ها فقط کنجکاوی‌برانگیز نیستند؛ آن‌ها کیهان‌شناسان را وادار می‌کنند بپرسند آیا انتظارات آماری ما ناقص است یا اینکه در جهانی که در کل با مدل استاندارد به‌خوبی توصیف می‌شود، گاهی ساختارهای نادر و افراطی نیز می‌توانند پدیدار شوند.

برخی گزینه‌های جایگزین مطرح شده‌اند. نوسان‌های صوتی باریونی چندان محتمل به نظر نمی‌رسند: BAOها مقیاسی مشخص نزدیک به یک میلیارد سال نوری دارند و به شکل پوسته‌های کروی ظاهر می‌شوند، نه مارپیچ‌های چوب‌پنبه‌بازکن. کیهان‌شناسی چرخه‌ای همدیس راجر پنروز، نقش‌های حلقه‌مانند را به‌عنوان بقایای یک دوران کیهانی پیشین پیش‌بینی می‌کند، اما این چارچوب با چالش‌های رقیب روبه‌روست و به‌عنوان جایگزینی گسترده پذیرفته نشده است. ایده‌ای گمانه‌زنانه دیگر این است که حلقه و کمان، امضاهای ریسمان‌های کیهانی باشند؛ نقص‌های باریک و پرانرژی در فضا-زمان که در گذارهای فازی جهان آغازین ایجاد شده‌اند. علاقه نظری به ریسمان‌ها همچنان بالاست، اما شواهد رصدی مستقیم برای آن‌ها همچنان دست‌نیافتنی بوده است.

نموداری از کهکشان‌ها که حلقه بزرگ را نشان می‌دهد؛ این ساختار تقریبا روی عدد ۰ در محور x متمرکز است. 

یا به شکلی کمتر عجیب، هر دو ویژگی می‌توانند نوسان‌های آماری باشند: هم‌راستایی‌های نامحتملی از رشته‌ها و خوشه‌ها که فقط به این دلیل خارق‌العاده به نظر می‌رسند که در یک تکه از آسمان هم‌زمان دیده می‌شوند. این احتمال را نمی‌توان به‌کلی کنار گذاشت، اما وقتی دو ساختار تا این اندازه استثنایی در یک همسایگی کیهانی گرد هم می‌آیند، احتمال آن به‌شدت کاهش می‌یابد.

گام بعدی کاری عملی است: گسترش جست‌وجو. پیمایش‌های گسترده‌میدانِ در حال انجام و آینده، مانند ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک، مأموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا و داده‌های رصدخانه روبین، توزیع کهکشان‌ها را در حجم‌هایی عظیم نقشه‌برداری خواهند کرد. این مجموعه‌داده‌ها یا ساختارهای بیش‌ازحد بزرگ بیشتری پیدا می‌کنند و ما را به بازنگری نظری عمیق‌تر وادار خواهند کرد، یا نشان می‌دهند که حلقه بزرگ و کمان غول‌پیکر ناهنجاری‌هایی نادر در کیهانی هستند که در مجموع رفتاری منظم دارد.

دیدگاه کارشناس

«ادعاهای خارق‌العاده به شواهد خارق‌العاده نیاز دارند»، دکتر النا مورالس، کیهان‌شناس رصدی که در این کشف نقشی نداشته، می‌گوید. «اگر داده‌های مستقل و تکمیلی الگوهای مشابهی را در جاهای دیگر نشان دهند، باید شیوه مدل‌سازی خوشه‌بندی بزرگ‌مقیاس را بازنگری کنیم. اگر چنین نشود، همین ویژگی‌ها باز هم درباره دُم آمار کیهانی به ما درس می‌دهند؛ اینکه رویدادهای نادر چگونه می‌توانند خود را به شکل فیزیک جدید جا بزنند.»

دکتر مورالس بر نکته‌ای عمل‌گرایانه تأکید می‌کند: بازسازی‌های سه‌بعدی بهتر و تأییدهای انتقال‌به‌سرخ، اولویت‌های فوری هستند. مدل‌سازی دقیق‌تر اثرهای گزینشی و هندسه پیمایش‌ها نیز کمک خواهد کرد مشخص شود ظاهر حلقه واقعیتی فیزیکی است یا یک مصنوعات رصدی.

نتیجه‌گیری

حلقه بزرگ و کمان غول‌پیکر یادآور این هستند که طبیعت می‌تواند ما را شگفت‌زده کند. آن‌ها در مرز میان داده و نظریه قرار دارند؛ جایی که مشاهده، بازبینی را الزام‌آور می‌کند. چه این ساختارها نویدبخش فیزیک جدید باشند، چه نوسان‌های آماری گذرا یا جلوه‌هایی ناآشنا از فرایندهای شناخته‌شده، اکنون بار مسئولیت بر دوش جامعه رصدی است تا این غول‌ها را نقشه‌برداری و آزمون کند و در نهایت آن‌ها را تعمیم دهد یا به حاشیه دانستنی‌های کیهانی بسپارد.

یافتن ساختارهای بیشتری از این دست، یا اثبات یکتایی آن‌ها، تصویر ما از چگونگی آرایش جهان در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها را دقیق‌تر خواهد کرد.