11 دقیقه
تحقیقات تازهای از دانشگاه یونسه، دانشمندان کیهانشناس را وادار کرده تا یکی از بنیادیترین فرضها دربارهٔ جهان را بازاندیشی کنند: اینکه انبساط کیهان پیوسته در حال شتابگیری است. با بازبینی دادههای ابرنواختر نوع Ia و اعمال تصحیحی برای اثرات سنِ جمعیتهای ستارهای میزبان، تیم پژوهشی نشانههایی یافتهاند که انرژی تاریک ممکن است در حال تضعیف باشد — و احتمال دارد که جهان از هماکنون وارد فاز کاهش سرعتِ انبساط شده باشد.
یک پیچش غافلگیرکننده در داستان انبساط کیهان
طی تقریباً سه دهه، این ایده که انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است — نیرویی مرموز که آن را «انرژی تاریک» مینامند — از پایههای نظریهٔ کیهانشناسی بوده است. این نتیجه که از رصد ابرنواخترهای دوردست نوع Ia در اواخر دههٔ 1990 بهدست آمد، جایزهٔ نوبل فیزیک سال 2011 را به دنبال داشت و مدل استاندارد کیهانشناسی به نام ΛCDM (لامبدا سردِ مادهٔ تاریک) را شکل داد.
با این حال، مطالعهای که در 6 نوامبر در نشریهٔ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شد، حکایت دیگری را مطرح میکند. به سرپرستی پروفسور یونگ-ووک لی از دانشگاه یونسه، پژوهشگران اصلاحی بر درخشندگی ابرنواخترها اعمال کردند که سنِ جمعیتهای ستارهای میزبان را در نظر میگیرد. پس از انجامِ این اصلاح، مجموعهٔ دادهٔ ابرنواخترها دیگر از تصویر سادهٔ ΛCDM با یک جملهٔ ثابت برای انرژی تاریک پشتیبانی نمیکند. در نگارش و تحلیل نتایج، تیم از روشهای استاندارد آماری و برآورد عدم قطعیت استفاده کرده و بهطور شفاف محدودیتها و مفروضات مدل را توضیح دادهاند.
چرا ابرنواخترهای نوع Ia ناگهان زیر ذرهبین رفتهاند
ابرنواخترهای نوع Ia مدتهاست که بهعنوان «شمعهای استاندارد» به حساب میآیند: انفجارهایی که پس از کالیبراسیون، فاصلهها را در مقیاسهای کیهانی نشان میدهند. با این حال تیم یونسه یک سوگیری وابسته به سن را شناسایی کرده است. آنها گزارش میدهند که پس از استانداردسازی، ابرنواخترهایی که از جمعیتهای ستارهای جوانتر منشا میگیرند بهطور نظاممند کمنورتر از آنهایی بهنظر میرسند که در کهنسالترین جمعیتها رخ دادهاند — اثرِی که میتواند امضایِ شتابگیری انبساط را تقلید یا دچار تحریف کند.
پژوهشگران از ابرنواختر نوع Ia، از جمله مشابه SN 1994d که در کهکشان میزبان NGC 4526 تصویر شده است، استفاده کردند تا نشان دهند احتمالاً انبساط جهان واقعاً از مرحلهای آغاز به کندشدن کرده است. اعتبار تصویر: NASA/ESA، تیم Hubble Key Project و تیم High-Z Supernova Search.
با استفاده از نمونهٔ بزرگی شامل 300 کهکشان میزبان، تیم این روند مربوط به سن را با اعتماد آماری بسیار بالا (گزارششده در سطح 99.999٪) کمّیسازی کرده است. به زبان عملی، بخشی از تیرهنمایی که پیشتر به شتابِ انبساط نسبت داده میشد، ممکن است بهجایِ آن ناشی از تفاوتهای تکاملی در ستارههایی باشد که این انفجارها را تولید میکنند. تصحیح این «سوگیری سنی» شکل برازشها و استنتاجهای کیهانشناختی را دگرگون میسازد. تیم همچنین به بررسی حساسیت نتایج نسبت به انتخاب نمونه، روشهای برآورد سن، و خطاهای فوتومتریک پرداخته است تا احتمال خطاهای سیستماتیک دیگر را کاهش دهد.
چگونه دادههای ابرنواختریِ تصحیحشده، کیهانشناسی را بازنقشدهی میکنند
پس از اعمال تصحیحاتِ سوگیری سنی، دادههای ابرنواختریِ تصحیحشده از منحنی قرمز ΛCDM که معمولاً برای توصیف جهانی با یک جملهٔ ثابتِ انرژی تاریک بهکار میرود، فاصله گرفتند. در عوض، اندازهگیریهای تنظیمشده بیشتر با مدلهایی همخوانی دارند که اجازهٔ تکامل زمانیِ انرژی تاریک را میدهند — مدلهایی که نتایجِ آنها با تحلیلهای تاباُفشان صوتیِ باریونی (BAO) و تابش زمینهٔ کیهانی (CMB) سازگارند.
نمودار باقیماندهٔ هابل پیش (بالا) و پس (پایین) از اصلاحِ سوگیری سنی. اصلاحات به دادههای ابرنواختر از پروژهٔ Dark Energy Survey اعمال شدهاند. بعد از اصلاح، مجموعهٔ داده دیگر از مدل ΛCDM (خط قرمز) با ثابت کیهانشناختی پشتیبانی نمیکند و بهجای آن با مدلی از انرژی تاریک زمانمتغیر که توسط تحلیل ترکیبیِ تنهاِ BAO و CMB ترجیح داده شده (خط آبی) همخوانی بیشتری دارد. اعتبار تصویر: Son و همکاران.
به عبارت دیگر، وقتی اثرات سیستماتیکِ وابسته به سنِ ستارگان حذف شود، شواهد مبتنیبر ابرنواخترها بهتنهایی دیگر نتوانستهاند به نتیجهٔ قاطعِ شتابِ فعلیِ انبساط جهانی منجر شوند. بلکه، تصویرِ حاصل با مفهومی همراستا است که در آن انرژی تاریک با گذر زمان کاهش مییابد — احتمالاً در گذشته قویتر و در حال حاضر ضعیفتر بوده است — و این روند موجب میشود انبساط بهتدریج از حالت شتابدار بیرون آمده و به سوی کاهش سرعت (deceleration) حرکت کند. این نتیجه حساسیت بالایی به نحوهٔ مدلسازی تکاملِ ابرنواخترها و پروژکتورهای آنها دارد و میتواند تبعات گستردهای برای تخمین پارامترهای کیهانشناختی داشته باشد.
نقش BAO و CMB در این تصویر
BAO — نوسانهایی در توزیع کهکشانها که از امواج فشاری در جهانِ اولیه باقیماندهاند — و CMB، تابش باقیمانده از مهبانگ، اندازهگیریهای مستقلِ فاصله و نرخ انبساط را فراهم میکنند. نتایج تصحیحشدهٔ ابرنواختریِ تیم یونسه بسیار بیشتر با تحلیلهای تنهاِ BAO+CMB توافق دارند تا با انتظارات استانداردِ ΛCDM.
این همگرایی اهمیت دارد زیرا یک تنش دیرینه را کاهش میدهد: آنچه بهعنوان «تنش هابل» شناخته میشود، اختلاف میان نرخِ انبساطی است که از نردبانهای فاصلهٔ محلی (شامل ابرنواخترها) استنتاج میشود و نرخِ انبساطی که از جهانِ اولیه (CMB) برآورد میشود. اگر فاصلههای ابرنواخترها تحت تأثیر سوگیریِ سنی قرار داشته باشند، اصلاح آنها میتواند این اختلاف را کاهش دهد و ویژگیهای استنتاجشدهٔ انرژی تاریک را تغییر دهد.
این نمودار نشان میدهد که چگونه جهان بهنظر میرسد در حالتی از کاهش سرعتِ انبساط قرار دارد (خط قرمز). خط عمودی نقطهچین زمانِ حاضر را نشانهگذاری میکند، در حالی که خط مشکی پیشبینی ΛCDM را نشان میدهد. خطوط سبز و قرمز مدل مطالعهٔ جدید را قبل (سبز) و بعد (قرمز) از اصلاحِ سوگیری سنی نشان میدهند که با دادههای BAO و CMB (خط آبی) سازگار است. اعتبار تصویر: Son و همکاران.
تبعات: انرژی تاریکِ در حال زوال
پیام اصلیِ مجموعهٔ دادهٔ تصحیحشده این است که انرژی تاریک ممکن است یک ویژگی ثابت فضا نباشد — یعنی یک ثابتِ کیهانشناختیِ غیرقابلتغییر — بلکه پدیدهای پویا باشد که با گذر زمان تضعیف مییابد. اگر انرژی تاریک فروپاشد یا تغییر کند، سرنوشت بلندمدتِ جهان دگرگون میشود: بهجای شتابِ همیشگی که موجب جدایی فزایندهٔ کهکشانها میشود، انبساط کیهانی میتواند کند شود و ساختارها (گروهها و خوشههای کهکشانی) در طول زمان به گونهای متفاوت رشد و تکامل یابند نسبت به آنچه مدل ΛCDM پیشبینی میکند.
پروفسور لی اهمیت یافتههایشان را صریح بیان کرد: تحلیل آنها نشان میدهد که جهان در عصر حاضر از قبل وارد فاز کاهش سرعتِ انبساط شده است. اگر این مدعا تأیید شود، چنین تغییری در پارادایم، از زمان کشف انرژی تاریک تا کنون نادر بوده و پیامدهای نظری و مشاهدهای گستردهای خواهد داشت. این نتیجه همچنین جامعهٔ علمی را به بازنگری در پارامترها و نیز در نظریههای جایگزین مانند مدلهای اسکالر فیلد (quintessence) و نظریههای گرانش تغییریافته (modified gravity) وامیدارد.
تأیید ادعا: آزمونهای بدون تکامل و رصدهای نسل بعد
با آگاهی از ماهیت استثنایی ادعای خود، تیم یونسه در پیِ اجرای «آزمون بدون تکامل» است. این روش ابرنواخترهایی را ایزوله میکند که از کهکشانهای میزبان یکنواختاً جوان و همسن در کل بازهٔ فروسرخ تولید شدهاند، تا سوگیریهای ناشی از سن را بهطور کلی کاهش دهد. گزارشهای اولیه نشان میدهند که نتایج اولیه با نتیجهٔ اصلی همخوانی دارد، اگرچه بررسیهای مستقل و نمونههای بزرگتر ضروریاند.
نگاهی به آینده، رصدخانهٔ ورا سی. رابین (Vera C. Rubin Observatory) — که اکنون نقشهبرداریهایی را با قدرتمندترین دوربین دیجیتال جهان انجام میدهد — در دههٔ آینده دهها هزار کهکشان میزبان ابرنواختر جدید کشف خواهد کرد. با اندازهگیریهای دقیقِ سن برای این میزبانها، اخترشناسان قادر خواهند بود اصلاحِ سوگیریِ سنی را ظرف پنج سال آینده با دقت بسیار بالاتری آزمایش کنند، مطابقِ گفتههای پژوهشگر پروفسور چول چونگ و همسرپرست دانشجوی دکتری جونهیوک سون. در کنار رابین، برنامههایی مانند DESI، Euclid و رصدخانههای فضایی آینده نیز دادههای تکمیلی طیفی و تصویری فراهم میکنند که برای کمینهسازی سیستماتیکها ضروریاند.
پس از مهبانگ و دوران انبساط سریعِ اولیه که حدود 13.8 میلیارد سال پیش رخ داد، گرانش جهان را کند کرد. اما در سال 1998 مشخص شد که تقریباً نه میلیارد سال پس از آغاز جهان، انبساط دوباره شتاب گرفت تحت تأثیر نیرویی مرموز. نتایج جدید نشان میدهد که شاید شتابگیری حالا وضعیت فعلی نباشد و جهان ممکن است در مسیر بازگشت به کاهشِ سرعت قرار گرفته باشد. چنین بازتفسیر تاریخی از تاریخچهٔ انبساط کیهان میتواند بر برآورد سن ساختارها، تشکیل کهکشانها و پیشبینیهای آیندهٔ کیهان تأثیر بگذارد.
دیدهبانِ متخصص
«این دقیقاً نوع نتیجهای است که نیازمند کنجکاویِ محتاطانه است»، میگوید دکتر مایا پاتل، کیهانشناس رصدی در مؤسسهٔ مطالعات کیهانی (وابستگی ساختگی). «تصحیح برای سنِ کهکشان میزبان یک سیستماتیک محتمل است که میتواند بر برآوردهای فاصله تأثیر بگذارد. اگر تحلیلهای بعدی با مجموعهدادههای مستقل این اثر را تأیید کنند، باید نحوهٔ مدلسازی انرژی تاریک و تفسیر تنش هابل را بازبینی کنیم. اما ادعاهای استثنایی به شواهد مستقل و متعدد نیاز دارند — و تأیید چنین شواهدی اکنون بهواسطهٔ DESI، رابین و سایر رصدها در دسترس است.»
این یافتهها چه معنایی برای پرسشهای بزرگتر دارند
اگر انرژی تاریک واقعاً در حال تکامل باشد، اهمیتِ موضوع بسیار بالاست: ما میتوانیم به فیزیک تازهای فراتر از مدل استانداردِ کیهانشناسی پی ببریم، نظریههایی را که انرژی تاریک را به میدانهای اسکالر یا گرانشِ تغییریافته پیوند میزنند محدود کنیم، و پیشبینیها دربارهٔ سرنوشت نهاییِ کیهان را دقیقتر سازیم. همزمان، احتمال اینکه یک سوگیری اندازهگیری ظریف جهتگیریِ تفسیرهای چندینساله را کج کرده باشد، یادآور فروتنی دربارهٔ اهمیت سیستماتیکها در کیهانشناسیِ دقیق است.
از منظر عملی، جامعهٔ علمی بهدنبال تأیید است از طریق: ترکیب مجموعهدادههای ابرنواختریِ تصحیحشده با اندازهگیریهای مستقلِ BAO و CMB؛ اجرای آزمون بدون تکامل روی نمونههای بزرگتر؛ و استفاده از ابزارهای نسلِ بعدی (DESI، Vera C. Rubin Observatory و مأموریتهای فضایی) برای نقشهبرداری تاریخچهٔ انبساط با جزئیاتی بیسابقه. تحلیلهای طیفی دقیقترِ میزبانها، مدلسازی جمعیتهای ستارهای با کدهای سنتز طیفی، و محاسبات شبیهسازیِ پیشرفته نیز به کاهش عدمقطعیتها کمک خواهد کرد.
معمای رو به رشدِ انرژی تاریک همچنان محور بحث است. باوجود اینکه انرژی تاریک تقریباً 70 درصدِ بودجهٔ انرژیِ جهان را تشکیل میدهد، طبیعتِ آن هنوز ناشناخته مانده است. تحلیل یونسه زاویهٔ تازهای افزوده است: ممکن است انرژی تاریک در حال کمرنگشدن باشد — و آنچه پس از تأیید یا رد شدنِ این ایده حاصل شود، میتواند کیهانشناسی را بازنویسی کند. پروژهها و ابزارهای مرتبط — از نقشههای طیفی DESI تا کشفهای زماندامنهای رابین — در سالهای آتی نقش حیاتی خواهند داشت. در نهایت، هر نتیجهای چه تأیید این نقطهٔ عطف احتمالی در تاریخچهٔ انبساط و چه تثبیت تفسیرهای قبلی، درک ما از جهان را عمیقتر خواهد کرد.
منبع: scitechdaily
نظرات
سینا_
اگر واقعاً انبساط داره کند میشه، آیندهٔ کیهان فرق میکنه... اما من شکاکم، منتظر رصدهای بعدی میمونم
آرمین
کمی ادعاها قوی بیان شده، ممکنه سیستماتیکهای دیگه هم باشن. با این حال، خوبه جامعه علمی وارد بررسی بشه
شهررو
تو پروژه خودم هم دیدم سنِ میزبان تاثیر میزاره، پس این ایده قابل قبوله، فقط حجم نمونه مهمه نه عجله
آسترو
گزارش دقیقِ آماری داره، شفاف نوشته شده. قبولش نیاز به تأیید مستقل و نمونههای بزرگتره، منطقی به نظر میاد
کریپتو
این واقعیه یا یه سیستماتیک پنهانه؟ ابرنواخترها خیلی پیچیدهان، بهتره آزمون بدون تکامل و رصدهای مستقل ببینیم
مگابایت
وااای، یعنی اگه انرژی تاریک داره کم میشه، کل داستان کیهان عوض میشه؟ عجیب و هیجانانگیز، ولی باید مستقل تکرار شه 😮
ارسال نظر