6 دقیقه
امواج گرانشی، همان چین و چروک‌های فضا-زمان، ممکن است نقشی فراتر از نشانه گذاری رویدادهای پرانرژی کیهانی داشته باشند. اکنون یک نظریه جدید پیشنهاد داده است که این نوسانات حالت تانسوری می‌توانند عامل اصلی انبساط سریع اولیه جهان و منشأ تفاوتهای چگالی اولیه‌ای بوده باشند که بعدها به شکلگیری ستارگان، کهکشانها و سیاهچالهها انجامید. در این مدل، به جای اتکا بر یک میدان فرضی و مشاهده نشده، با تکیه بر جاذبه و نوسان‌های کوانتومی، کوشش شده است روایتی ساده‌تر و قابل آزمون از آغاز کیهان ارائه شود.
نگاهی علمی: تورم کیهانی، معضل اینفلاتون و یافته‌های غیرمنتظره
در مدل متداول کیهان‌شناسی، یک دوره کوتاه از انبساط شتابدار به نام تورم تصور می‌شود که طی آن جهان، اندکی پس از مهبانگ (حدود ۱۳.۸ میلیارد سال پیش)، هموار و کشیده شد. معمولاً در مدلهای تورمی مرسوم، عاملی به نام میدان اسکالر یا اینفلاتون عامل این انبساط سریع و همچنین ایجاد نوسانات چگالی اولیه معرفی می‌شود که بذر ساختارهای جهان هستند.
اگرچه مدلهای مبتنی بر اینفلاتون با مشاهدات زیادی هماهنگ‌اند، اما تا به امروز هیچ نشانه‌ای از وجود چنین میدان یا ذره‌ای در آزمایشگاه یا محیط دیگر به دست نیامده است. افزون بر این، اکتشافات اخیر تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) تعداد زیادی کهکشان پرجرم را در زمانی زودتر از پیش‌بینی برخی مدل‌ها نشان داده و باعث شده پژوهشگران درباره سرعت شکلگیری ساختارها در کیهان نخستین بازنگری کنند.
دیدگاه نو: فضای دو سیتر، اغتشاشات تانسوری و امواج گرانشی
بر اساس یافته‌های جدید، نقطه آغاز این مدل پس‌زمینه‌ای از نوع فضای دو سیتر انتخاب شده که در نظریه نسبیت عام، برآیندی از جهان اولیه با شتاب انبساطی است. در این فضا، نوسانات کوانتومی خود متریک فضازمان موجب پیدایش اغتشاشات تانسوری میشوند؛ یعنی امواج گرانشی‌ای که از تلاطم کوانتومی فضازمان به وجود می‌آیند.
به‌جای مطرح کردن یک میدان جدید اسکالر، نویسندگان نشان داده‌اند که این نوسانات تانسوری قادرند هم نقش موتور انبساط را ایفا کنند و هم ناهمگنی‌هایی را در پلاسما اولیه پدید آورند. بنابراین، امواج گرانشی نه فقط تاثیرپذیر از رویدادها، بلکه محرک فعال جابه‌جایی انرژی و چگالی طی فرآیندهای تورمی خواهند بود. با گذشت زمان، این تفاوتهای چگالی می‌توانند تحت تاثیر نیروی گرانش فروریخته و بذرهای اولیه ستارگان، کهکشانها و سیاهچالهها را شکل دهند.
امواج گرانشی چگونه نوسانات چگالی ایجاد میکنند
امواج گرانشی با انتقال انرژی و تکانه، در جهان نخستین می‌توانند فشاری ناهمسانگرد بر پلاسما وارد کنند. زمانی که نوسانات تانسوری در پس‌زمینه فضای دو سیتر تقویت میشوند، توانایی ایجاد تغییرات محسوسی در چگالی موضعی انرژی را پیدا میکنند. این نوسانات به گونه‌ای مشابه اغتشاشات اسکالر در سناریوهای تورمی معمولی عمل میکنند و چگالی‌های بیش‌ازحد اولیه‌ای را پدید می‌آورند که بعداً با ناپایداری گرانشی رشد میکنند.
این مکانیسم مبتنی بر قوانین شناخته شده فیزیک یعنی نسبیت عام و نظریه میدان کوانتومی است و نیازی به ذره یا میدان جدید ندارد. به گفته رائول خیمنز، اخترفیزیکدان نظری از دانشگاه بارسلونا و نویسنده اصلی این پژوهش، نقطه قوت ایده در آن است که به جای عناصر فرضی، بر اثرات گرانشی و کوانتومی – که در اصل میتوان آن‌ها را مشاهده و آزمون کرد – تکیه دارد.
آزمون‌های تجربی و ابزارهای مشاهده‌ای مرتبط
یکی از مزیت‌های اساسی نظریه مبتنی بر امواج گرانشی آن است که پیش‌بینی‌های مشاهده‌ای متمایزی ارائه می‌دهد. توزیع و دامنه حالت‌های تانسوری نخستین بر پلاریزاسیون زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) تاثیر می‌گذارد و الگوهای متمایز «مد B» را ایجاد می‌کند. طرح‌هایی مثل رصدخانه سیمونز، پروژه CMB-S4 و سایر پروژه‌های نسل آینده که به دنبال سنجش حساسیت بالای پلاریزاسیون CMB هستند، می‌توانند سهم حالت تانسوری را محدود نمایند.
روش‌های مکمل شامل جستجوی مستقیم برای پس‌زمینه تصادفی امواج گرانشی با تداخل‌سنج‌های فضایی مانند LISA و آزمایشهای زمینی یا با زمان‌بندی تپ‌اختر (مانند LIGO/Virgo/KAGRA، NANOGrav و IPTA) نیز هست. اگر پس‌زمینه‌ای تانسوری با ویژگی‌های موردنیاز وجود داشته باشد، طیف و دامنه آن باید توسط این شبکه تجهیزات آشکار یا محدود شود.
ارتباط با JWST و شکلگیری اولیه کهکشانها
اگر امواج گرانشی باعث ایجاد تفاوتهای چگالی اولیه بزرگتری نسبت به مدل تورم مبتنی بر حالت اسکالر شده باشند، همین مکانیسم میتواند مشاهدات JWST مبنی بر وجود کهکشانهای غیرمنتظره پرجرم در عالم اولیه را توجیه کند. تسریع در فرآیند شکلگیری ساختارها، شاید تنش میان داده‌های رصدی و جدول‌های زمانی پذیرفته شده در کیهان‌شناسی را کاهش دهد.
دستاوردها، محدودیت‌ها و گام‌های بعدی
در صورت تایید، این مدل اتکا به میدان اینفلاتون نامشخص را کاهش داده و تورم کیهانی را بر مدار حالت‌های تانسوری ناشی از اثرات کوانتومی گرانش در زمینه منبسط شونده تفسیر می‌کند. البته این نظریه نیازمند شبیه‌سازی‌های عددی دقیق‌تر و مقایسه با داده‌های دقیق کیهان‌شناسی است. محاسبه نسبت حالت‌های اسکالر به تانسور، تعیین شکل طیف توانی اولیه و ردپای آن بر پلاریزاسیون CMB و ساختارهای کلان، از مهم‌ترین وظایف پیش روست.
محدودیت‌های آتی از رصدهای پلاریزاسیون CMB، آشکارسازی مستقیم پس‌زمینه امواج گرانشی و ادامه جستجوهای کهکشانهای پرجرم دوردست تعیین‌کننده خواهند بود. از آنجا که این مدل، قابلیت ابطال توسط داده‌های مشاهده‌ای در رابطه با حالت تانسوری را دارد، از دیدگاه علمی ارزشمند قلمداد می‌گردد.
جمع‌بندی
یک چارچوب نظری تازه مطرح می‌کند که امواج گرانشی حاصل از نوسانات تانسوری در دنیای اولیه شبیه فضای دو سیتر، می‌توانسته‌اند هم عامل تورم کیهانی باشند و هم تفاوتهای چگالی نخستین را که بذر ساختارهای بعدی جهان‌اند، پدید آورند. این ایده با تکیه بر گرانش و نوسانات کوانتومی – نه میدان مشاهده‌نشده اینفلاتون – به دنبال سادگی مفهومی و قابلیت آزمون تجربی است. آزمایشهای آتی در زمینه پلاریزاسیون CMB، اخترشناسی امواج گرانشی، و پایش عمیق کیهان با ابزارهایی چون JWST، برای تعیین اینکه آیا جهان اولیه ما به‌دست موج‌های فضا-زمان شکل گرفته یا نه، اهمیت خواهند داشت.
منبع: journals.aps
.avif)
نظرات