کیهان چقدر بزرگ است؟

بیگ بنگ/ در حالی که به نظر می رسید با تعریف واحد زمان، وزن، جرم، مسافت و… مشکل اندازه‌گیری برای همیشه حل شده است، طرح سوالات جدید ـ بخصوص از طرف کیهان‌شناسان ـ دانشمندان را متوجه این نکته کرد که اندازه‌گیری در آسمان به هیچ وجه به آسانی اندازه‌گیری روی زمین نیست و چالشی بزرگ برای اندازه‌گیری اجرام غول‌پیکر مانند سیاهچاله‌ها، مسافت‌های بسیار زیاد مانند فاصله دو خوشه کهکشانی و اندازه‌های بسیار بزرگ مثل اندازه کهکشان راه شیری آغاز شد.

دستاوردهای جدید دانشمندان، دامنه اندازه‌گیری را به بزرگ‌ترین مقیاس ممکن یعنی اندازه جهان هستی افزایش داده و با موفقیت از عهده آن برآمده است. حالا ما می‌توانیم به عنوان اولین انسان‌های تاریخ که تخمینی دقیق از اندازه جهان هستی در اختیار دارند به خود ببالیم. اما بزرگی کیهان چقدر است و دانشمندان چگونه موفق به محاسبه آن شده‌اند؟

بزرگ‌تر از آنچه تصور می‌کنید

بگذارید داستان سفر دور و دراز دانشمندان برای اندازه‌گیری اندازه عالم هستی را از کهکشان راه شیری آغاز کنیم. تخمین شما از بزرگی کهکشان راه شیری (که به لطف آلودگی هوا برای تجسم آن باید بی‌خیال تجربیات شخصی شویم و به تصاویر ذهنی‌مان از کتاب‌‌های فیزیک مدرسه مراجعه کنیم) چقدر است؟ جدیدترین محاسبات نشان می‌دهد اگر منظومه شمسی را به بزرگی یک سکه ۵۰۰ تومانی تصور کنیم، مساحت کهکشان راه شیری بیش از چهار برابر مساحت کشور ایران خواهد بود. کیهان‌شناسان روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری فواصل کیهانی در اختیار دارند که مجموعه آنها به نردبان مسافت‌های کیهانی معروف است. هر پله نردبان، اطلاعاتی ارائه می‌کند که می‌توان از آن برای تعیین فاصله در پله‌های بعدی استفاده کرد.

پله اول: ارسال امواج الکترومغناطیسی

این روش برای اندازه‌گیری فاصله اجرام داخل و اطراف منظومه شمسی مناسب است. در این روش یک موج رادیویی به سمت جرم مورد نظر ارسال می‌شود و پس از برخورد به آن به سوی آشکارساز زمینی بازتاب شده و برمی‌گردد. با توجه به این که سرعت موج را می‌‌دانیم با محاسبه زمان رفت و برگشت آن می‌توانیم مسافت طی شده را محاسبه کنیم.

پله دوم: محاسبه اختلاف منظر

از این روش برای اجرام خارج از منظومه شمسی استفاده می‌شود. اگر دستتان را جلوی صورتتان بگیرید و به صورت متناوب چشم راست و چپ خود را ببندید متوجه تغییر ظاهری موقعیت دست می‌شوید. زیرا هر بار از منظر یکی از چشمان خود به آن نگاه می‌کنید. با محاسبه این اختلاف ظاهری می‌توان فاصله دست و صورت را محاسبه کرد. این توانایی به صورت غریزی در انسان و حیوانات وجود دارد.

البته برای اجرام خیلی دور، محاسبه اختلاف منظر با بستن و باز کردن متناوب چشم‌ها عملا امکان‌پذیر نیست؛ بنابراین دانشمندان برای محاسبه فاصله ستاره‌های نزدیک یک بار موقعیت آنها را در یک سوی خورشید ثبت می‌کنند و پس از شش ماه و به لطف حرکت انتقالی کره زمین و جابه‌جا شدنش در مدار گردش به دور خورشید، موقعیت همان ستاره را در سوی دیگر خورشید رصد می‌کنند. حالا می‌توان تغییر موقعیت ستاره را نسبت به اجرام آسمانی دیگر که فاصله آنها مشخص است محاسبه کرد و با استفاده از اختلاف منظر ایجاد شده مسافت ستاره مورد نظر را به دست آورد.

پله سوم: استفاده از ستاره‌های رشته اصلی

این روش با تکیه بر دانش ما از مراحل تکامل ستاره‌هایی با اندازه مشخص انجام می‌شود که به ستاره‌های رشته اصلی معروفند. مثلا می‌دانیم رنگ این ستارگان با افزایش عمرشان بتدریج به رنگ قرمز متمایل می‌شود. دانشمندان رنگ و درخشندگی یک ستاره رشته اصلی دوردست را که فاصله آن با استفاده از روش‌های پیشین قابل اندازه‌گیری نبود، محاسبه می‌کنند و نتیجه را با رنگ و درخشندگی ستاره‌های رشته اصلی نزدیک‌تر مقایسه می‌کنند.

اصل اساسی در این روش این است که ستارگان دارای جرم و عمر یکسان در صورتی که در فاصله یکسانی از ما قرار داشته باشند درخشندگی یکسانی نیز دارند. اگر دو ستاره رشته اصلی درخشندگی متفاوتی دارند می‌توان از این اختلاف درخشندگی برای محاسبه مسافت آنها استفاده کرد. از این روش نمی‌توان برای محاسبه فاصله ستاره‌های کهکشان‌های دیگر استفاده کرد چون فاصله‌شان به قدری زیاد است که تحلیل دقیق از نور دریافتی آنها ممکن نیست.

پله چهارم: ستاره‌های متغیر قیفاووسی

کشف گروهی از ستارگان به نام متغیر قیفاووسی که از درخشندگی‌شان به مرور زمان کاسته می‌شود و با کاهش درخشندگی، دوره تناوب انتشار نورشان افزایش می‌یابد گام بسیار مهمی در محاسبه فواصل میان کهکشانی بود. با اندازه‌گیری دوره تناوب تغییرات نور ستاره می‌توان روشنایی واقعی آن را محاسبه کرد. حالا کافی است روشنایی واقعی ستاره را با روشنایی ظاهری آن در آسمان مقایسه کنیم و مسافتی را که برای ایجاد چنین تفاوتی لازم است به دست بیاوریم.

پله پنجم: انتقال به سرخ

وقتی یک آمبولانس به شما نزدیک می‌شود، صدای آن بلندتر و زیرتر به گوش می‌رسد و وقتی شروع به دور شدن می‌کند صدایش آهسته‌تر و بم‌تر به نظر می‌رسد. انتقال به سرخ پدیده‌ای مشابه همین پدیده است، اما درباره نور. طیف نوری که از اجرام آسمانی دوردست به ما می‌رسد دارای خطوط تاریکی است که بر اثر جذب بعضی رنگ‌ها توسط عناصر سطح و اطراف منبع نور ایجاد می‌شود.

هر چه منبع نور دورتر باشد یا با سرعت بیشتری در حال دور شدن باشد این خطوط تاریک بیشتر به سمت قرمز طیف حرکت می‌کنند. قرمزگرایی کهکشان‌های خیلی دور، یکی از دلایلی بود که کیهان‌شناسان را متقاعد کرد جهان هر لحظه در حال بزرگ‌تر شدن است و این انبساط هر لحظه شتاب بیشتری به خود می‌گیرد. بنابراین هر چه سرعت دور شدن یک کهکشان از کهکشان ما بیشتر باشد، فاصله بیشتری هم با ما دارد.

معمای حل نشده

ورای جهان قابل مشاهده چه می‌گذرد؟ نردبان مسافت‌های کیهانی متکی بر ذرات امواج الکترومغناطیسی یا فوتون‌هایی بود که از یک منبع نوری به آشکارسازهای ما می‌رسد. ولی دانشمندان معتقدند حرکت انبساطی کیهان عملا امکان دسترسی امواج الکترومغناطیسی بسیاری از منابع نوری به کره زمین را برای ابد از آنها سلب کرده است. تصور کنید اتومبیلی از فاصله‌ای بسیار دور به سمت شما حرکت می‌کند و همزمان با حرکت اتومبیل خیابان هم شروع به انبساط طولی می‌کند. در حالی که سرعت شما ثابت است، سرعت انبساط خیابان هر لحظه افزایش می‌یابد. اگر فاصله شما با اتومبیل از حد خاصی تجاوز کند انبساط خیابان، ملاقات شما و اتومبیل را برای همیشه غیرممکن می‌کند. تحقیقات مهران وردانیان، کیهان‌شناس دانشگاه آکسفورد، نشان می‌دهد جهان غیرقابل مشاهده ۲۵۰ برابر بزرگ‌تر از جهان قابل مشاهده است.

پازل کامل می‌شود

بیشترین انتقال به سرخ دیده شده در آسمان شب نشان می‌دهد منبع آن قرمزگرایی کهکشان‌هایی در فاصله ۱۳٫۸ میلیارد سال نوری از کهکشان ماست؛ یعنی مسافتی که نور در زمانی معادل ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌پیماید (به یاد داشته باشید فاصله کره زمین و خورشید فقط هشت دقیقه و ۱۹ ثانیه نوری و قطر کهکشان راه شیری حدود صد هزار سال نوری است). این عدد تا حدودی سن عالم هستی را نیز نشان می‌دهد، زیرا قدیمی‌ترین نوری است که به کره زمین رسیده است.

ولی نکته جالب توجه این که در همه ۱۳٫۸ میلیارد سال جهان با شتاب فزاینده در حال انبساط بوده است. محاسبات کیهان‌شناسان نشان می‌دهد کهکشان‌هایی که نورشان ۱۳٫۸ میلیارد سال پیش منتشر شده و اکنون به ما رسیده است خودشان در تمام مدت این چند میلیارد سال به علت حرکت انبساطی شتاب‌دار کیهان در حال دور شدن از ما بوده‌اند و اکنون باید در مسافت ۴۶٫۵ میلیارد سال نوری از ما واقع شده باشند. این عدد شعاع جهان قابل مشاهده را نشان می‌دهد که دو برابر آن برابر است با قطر عالم هستی در حال حاضر، یعنی ۹۳ میلیارد سال نوری. به عبارت دیگر اگر حرکت انبساطی عالم را متوقف کنیم و روی یک لبه عالم بایستیم و عرض عالم را با سرعت نور طی کنیم تا به لبه مقابل برسیم به ۹۳ میلیارد سال زمان نیاز داریم.