11 دقیقه
اندازهگیریهای تازه با استفاده از لنز گرانشی، اختلاف فزایندهای را در سرعت انبساط جهان تقویت میکنند. با زمانبندی نورهایی که از مسیرهای متعدد پیرامون کهکشانهای پرجرم میگذرند، ستارهشناسان ثابت هابل را با روشی میسنجند که از نردبانهای فاصله سنتی اجتناب میکند — و نتایج شکاف بین برآوردهای مربوط به عالمِ آغازین و عالمِ کنونی را عمیقتر میسازد.
تأخیرهای زمانی در نورِ رصدی از کواکب دور (کوازارها) که توسط کهکشانهای پرجرم خم شدهاند، راه تازهای برای اندازهگیری نرخ انبساط جهان ارائه میدهد و نتایج، فاصله بین برآوردهای اولیه و محلی ثابت هابل را افزایش میدهد. این تنش رو به رشد ممکن است نشانهای باشد که چیزی بنیادین در فیزیک کیهانی هنوز کشف نشده باقی مانده است.
مونتاژی از هشت سامانه لنز گرانشی با تأخیر زمانی. در مرکز هر تصویر یک کهکشان کامل قرار دارد و نقاط درخشان در حلقههایی که اطراف آن قرار گرفتهاند تصاویر لنز شده کوازارهایی هستند که پشت کهکشان قرار دارند. این تصاویر رنگِ ساختگی دارند و ترکیبی از دادههای بهدستآمده از تلسکوپها و ابزارهای مختلف هستند.
یک دید تازه بر انبساط کیهان
در دهههای اخیر، کیهانشناسان نرخ انبساط جهان را — که با ثابت هابل (H0) نشان داده میشود — با چندین روش مستقل اندازهگیری کردهاند. اندازهگیریهای نزدیک مبتنی بر ستارههای قیفاووسی (Cepeid) و ابرنواخترهای نوع Ia، تمایل دارند مقدار نزدیک به حدود 73 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را نشان دهند. از سوی دیگر، مشاهدات تابش زمینهی ریزموج کیهانی (CMB)، که تابش بازمانده از عالمِ اولیه است، مقدار پایینتری در حدود 67 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را ترجیح میدهند. این ناهماهنگی که به «تنش هابل» معروف شده است، اکنون یکی از مهمترین معماها در کیهانشناسی محسوب میشود.
برای اجتناب از سیستماتیکهای مشترک احتمالی در روشهای نردبان فاصله، پژوهشگران دانشگاه توکیو به همراه همکاران بینالمللی از «کازموگرافی تأخیر زمانی» (time-delay cosmography) استفاده کردهاند — یک تکنیک مبتنی بر لنز گرانشی که اختلاف زمان ورود نور از کوازارهای پسزمینه را اندازهگیری میکند — تا مجدداً H0 را بازبینی کنند. تحلیل اخیر آنها بر روی هشت سامانه لنز با تأخیر زمانی نشان میدهد نرخ انبساط کنونی با برآوردهای بالاتر محلی سازگاری بیشتری دارد و با برآوردهای وابسته به CMB ناسازگاری بیشتری نشان میدهد.
چگونه کازموگرافی تأخیر زمانی H0 را میسنجد
لنز گرانشی زمانی رخ میدهد که گرانش یک کهکشان جلویی، نورِ یک منبع درخشان و دوردست مانند یک کوازار را خم میکند. اگر هندسه و توزیع جرم مناسب باشد، ناظران میتوانند چند تصویر از همان جسم پسزمینه را ببینند. چون هر تصویر مربوط به مسیر نوری متفاوتی است — و بنابراین زمان سفر متفاوتی دارد — تغییرات ذاتی در درخشندگی منبع پسزمینه در هر تصویر با تأخیرهای قابل اندازهگیری ظاهر میشود.
کازموگرافی تأخیر زمانی این اختلافات در زمان ورود را به مقیاس مطلق جهان متصل میکند. تأخیر اندازهگیریشدهی بلندتر یا کوتاهتر به معنای نرخ انبساط کلی متفاوتی است، مشروط بر اینکه هندسهی لنز و نمایه جرم بهدرستی مدلسازی شده باشد. مهم این است که این روش به نشانگرهای فاصلهی واسطهای مانند قیفاووسیها یا ابرنواخترها وابسته نیست و در نتیجه یک آشکارساز مستقل برای ثابت هابل فراهم میکند. این ویژگی مستقل بودن، کازموگرافی تأخیر زمانی را به ابزاری حیاتی برای بررسی تنش هابل تبدیل میسازد.
تیم دانشگاه توکیو که به رهبری دانشیار پروژه Kenneth Wong و محقق پسادکتری Eric Paic انجام شد، اندازهگیریهای دقیق تأخیر زمانی را با تصویربرداری با رزولوشن بالا و طیفسنجی از رصدخانههای مدرن ترکیب کردند، از جمله دادههایی از تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) و تلسکوپهای زمینی مکمل. مدلسازی توزیع جرم لنز و در نظر گرفتن جرم در امتداد خط دید به آنها اجازه داد تا مقدار H0یی استنباط کنند که با سایر آشکارسازهای عالمِ دیرتر سازگار است.
برای دقت در استنتاج H0، پژوهشگران از چارچوبهای بیزی انعطافپذیر برای نمونهبرداری از فضای پارامترها و ارزیابی عدم قطعیتها استفاده کردند. آنالیزها شامل محاسبه تأثیرات عدم قطعیت در پارامترهای مدل جرم لنز، اثرات لنزینگ ضعیف مجاور و تخمینهای مربوط به سرعتهای ستارهای در کهکشان لنز بود تا ابهامات مرتبط با توزیع جرم کاهش یابد. این تجمیع دادهای از تصویربرداری، طیفسنجی و پایش نوسانات درخشش کوازارها، پایهای محکم برای نتیجهگیری فراهم آورد.
چرا این نتیجه اهمیت دارد: شواهدی برای یک اختلاف واقعی
یافتن سازگاری بین چندین اندازهگیری مربوط به عالمِ کنونی، این احتمال را تقویت میکند که تنش هابل فراتر از یک خطای اندازهگیری ساده باشد. تیم تحقیقاتی گزارش کرده است: «اندازهگیری ما از ثابت هابل با مشاهدات فعلی زمان-حال سازگاری بیشتری دارد و با اندازهگیریهای عالمِ اولیه ناسازگاری بیشتری نشان میدهد.» چون کازموگرافی تأخیر زمانی مستقل از نردبان فاصله سنتی و تحلیلهای مشتقشده از CMB است، به جدا کردن اینکه آیا تنش ناشی از سیستماتیکهای ناشناخته است یا اینکه نشانهای از فیزیک جدید است، کمک میکند.
اگر این تنش ادامه یابد و با افزایش دقت اندازهگیریها تأیید شود، میتواند نشاندهنده نیاز به اصلاحاتی در مدل استاندارد کیهانشناسی (ΛCDM، که مدل ماده تاریک سرد و انرژی تاریک لامبدا را شامل میشود) باشد. توضیحات پیشنهادی در جامعه علمی شامل انرژی تاریکِ اولیه (early dark energy)، خواص غیرمعمول نوترینوها، یا انحرافات جزئی از نسبیت عام در مقیاسهای کیهانی است. هر کدام از این سناریوها نشانههای رصدی متفاوتی دارند؛ بنابراین آشکارسازهای مستقل مانند تأخیرهای زمانی لنز حیاتی هستند تا بین گزینهها تمایز قائل شوند.
محدودیتها و راهِ رسیدن به دقت بالا
با وجود وعدهای که این روش نشان میدهد، کازموگرافی تأخیر زمانی چالشهایی نیز دارد. یکی از بزرگترین منابع عدم قطعیت، مدلسازی توزیع جرم کهکشان لنز است. اخترفیزیکدانان معمولاً پروفیلهای جرم پارامتریشدهای را اتخاذ میکنند که با دادههای موجود تطبیق دارند، اما اگر توزیع جرم واقعی از اشکال فرض شده منحرف باشد — یا اگر ساختارهای کشفنشدهای در امتداد خط دید سهم اضافی در لنزینگ داشته باشند — مقدار استنتاجی H0 میتواند جابهجا شود.
در مطالعه حاضر، تیم هشت سامانه لنزی را تحلیل کرد و به دقتی در حدود 4.5٪ روی H0 رسید. برای قاطعانه حل و فصل تنش هابل، آنها برآورد کردند که دستیابی به دقتی در محدوده 1–2٪ لازم است. برای رسیدن به این هدف نیاز به نمونه بزرگتر از لنزهای با مشخصات دقیق، تصویربرداری عمیقتر و با رزولوشن بالاتر، طیفسنجی بهبود یافته برای نگاشت دینامیک ستارهها و درمان دقیق ساختارهای جرمی در امتداد خط دید وجود دارد.
رسیدن به دقت 1–2٪ همچنین مستلزم توسعهی استانداردهای مدلسازیِ جامعهمحور، اشتراکگذاری دادهها و بازتولید نتایج توسط تیمهای مستقل است. شبیهسازیهای سازگار و آزمایشهای تقویتشده برای بررسی حساسیت نتایج به فرضیات مدل جرم، از جمله تنوع پروفیلهای نامتقارن و مؤلفههای دینامیکی، ابزارهای ضروری در این مسیر هستند. علاوه بر آن، تجزیه و تحلیل سیستماتیکهای احتمالی مانند نوردهی متغیر کوازار، تأثیر خطای فتوومتری و پارازیتهای پسزمینه باید بهطور جامع انجام شود.
نظرسنجیها و رصدهای در حال انجام و آینده — از جمله نظرسنجیهای گسترهپهنا در نور مرئی و پیگیریهای هدفمند با تلسکوپهای فضایی مانند JWST و تلسکوپ رومن — نمونه لنزهای با تأخیر زمانی را با کشف سامانههای جدید و تصحیح اندازهگیریها برای سامانههای شناختهشده گسترش خواهند داد. مدل همکاری بینالمللی که توسط TDCOSMO (همکاری کازموگرافی تأخیر زمانی) نشان داده شده است، حیاتی باقی خواهد ماند، چرا که منابع، تلسکوپها و تخصص مدلسازی را در مؤسسات مختلف گردهم میآورد.
فنآوریهای مرتبط و پیشرفتهای رصدی
پیشرفتها در اپتیک تطبیقی، طیفسنجی میدان-یکپارچه و تصویربرداری با کنتراست بالا محدودیتها بر پروفیلهای جرم لنز و ساختار کهکشان میزبان را تنگتر کردهاند. بهبودهای محاسباتی — مانند چارچوبهای بیزی انعطافپذیر برای مدلسازی و ابزارهای یادگیری ماشین برای کشف لنزها و بازسازی جرم — تحلیلها را تسریع کرده و عدم قطعیتها را بهصورت قویتری کمّیسازی میکنند.
در عین حال، مشاهدات چندطولیموجی (multiwavelength) کمک میکند تا سهم ستارگان، ماده تاریک و ساختارهای باریونی در کهکشانهای لنز از هم تفکیک شوند. با مقایسه مدلهای لنز با کینماتیک ستارهای و سنتز جمعیتهای ستارهای، اخترشناسان میتوانند همپوشانی پارامتریک را کاهش دهند که در حال حاضر دقت را محدود میکند.
بهعنوان مثال، طیفسنجی میدان-یکپارچه میتواند میدان سرعت ستارگان را در کهکشان لنز نقشهبرداری کند، که اطلاعات مستقلی درباره توزیع جرم بهویژه در بخشهای داخلی براساس حرکت ستارگان فراهم میکند. ترکیب این دادهها با مشاهدات نورِ فروسرخ از JWST امکان تفکیک بهتر مؤلفههای باریونی و تاریک را فراهم میسازد که برای کاهش عدم قطعیت در مدلسازی پروفیلهای جرم حیاتی است.
بینش کارشناسی
«کازموگرافی تأخیر زمانی یکی از پاکترین بررسیهای مستقل روی ثابت هابل را ارائه میدهد»، دکتر مایا پاتل، اخترفیزیکدان در مؤسسه کیهانشناسی که بخشی از تیم دانشگاه توکیو نیست، میگوید. «اگر نمونههای آینده و مدلهای بهبود یافته همچنان به H0 بالاتری اشاره کنند، ما مجبور خواهیم شد با جدیت این احتمال را در نظر بگیریم که مدل کیهانشناسی ما یک جزء را از قلم انداخته است. این میتواند فرصتی هیجانانگیز باشد — به این معنا که فیزیک نوینی در دسترس مشاهده قرار دارد.»
گسترش نمونه و همکاری بینالمللی
این مطالعه یک حقیقت ساده در کیهانشناسی مدرن را برجسته میکند: حل اختلافات بنیادی نیازمند هم دقت و هم تکرار و تکرارپذیری است. افزایش تعداد سامانههای لنز مناسب از هشت به چند ده — و در نهایت به صدها — خطاهای آماری را کاهش خواهد داد. به همان اندازه مهم، بازتولید مستقل نتایج توسط تیمهای متعدد با انتخابهای مدلسازی و مجموعهدادههای متفاوت است تا اثرات سیستماتیک پنهان آشکار شود.
وانگ و پایک تأکید میکنند که کار آنها بر پالایش روششناسی متمرکز بوده است؛ بهبود سختافزار، استراتژیهای رصد و استانداردهای مدلسازی در سطح جامعه برای رساندن عدم قطعیتها به محدوده 1–2٪ ضروری خواهد بود. با افزایش کشف لنزها در سالهای آتی، کازموگرافی تأخیر زمانی به تکنیک بنیادی برای آزمودن این خواهد پرداخت که آیا تنش هابل دری به سوی فیزیک جدید است یا مسئلهای است که در چارچوب نظریه کنونی قابل حل میباشد.
نتیجهگیری
تأخیرهای زمانی لنز گرانشی در حال تکامل به یک آشکارساز مستقل و قدرتمند برای سنجش انبساط جهان هستند. نتایج اخیر این قضیه را تقویت میکنند که «تنش هابل» صرفاً یک اتفاق تصادفی در اندازهگیری نیست، بلکه اختلاف واقعیتی است که میتواند فیزیک فراتر از مدل استاندارد را آشکار کند. با ابزارهای بهتر، نمونههای بزرگتر لنز و همکاری بینالمللی عمیقتر، کیهانشناسان برای دورهای تعیینکننده آماده میشوند که ممکن است درک ما از تاریخ کیهانی را بازتعریف کند.
منبع: scitechdaily
نظرات
آرتم_
اگر تا 1-2% رفتن، دیگه نمیشه نادیده گرفت؛ اگه نه، شاید یه مشکل سیستماتیک باقی مونده باشه... عجله نکنیم.
مهران
شاید کمی اغراق باشه ولی دقت 4.5% قابل تحسینه. واقعاً باید استانداردهای مدلسازی در سطح جامعه تقویت بشه و تیمهای مستقل بررسی کنن.
شهررو
من تو یه پروژه مشابه دیدم که خط دید چهقدر دردسره؛ پس این نتایج ارزشمنده، ولی عجولانه قضاوت نکنیم، بازتولید لازمه.
استروست
راه مستقل و محکمیه چون از نردبان فاصله استفاده نمیکنه؛ مشکل اصلی مدلسازی جرم لنزه. امیدوارم با JWST و رومن نمونهها زیاد بشن و نتیجه روشنتر بشه.
تربو
خلاصهاش: 73 یا 67؟ اختلافش زیاده، ولی روش لنز جالبه، باید نمونه بیشتر باشه و ببینیم ادامه پیدا میکنه یا نه
کوینپایل
این اندازهگیریها حیلی دقیقن؟ ممکنه سیستماتیک مخفی باشه، یا واقعا درِ تازهای به فیزیک باز شده؟ شکی دارم...
دیتاپالس
وای، یعنی واقعاً ممکنه مدلِ فعلی اشتباه باشه؟ هیجان زدهم و یه جورایی نگران، اگه درست باشه فیزیک باید یه بازبینی اساسی بشه...
ارسال نظر