نجوم و اختر شناسی

كیهان شناسی

قسمت سوم

اساس دریافت ذهنی ما ازتكامل جهان ، مدل انفجار بزرگ است كه برپایه نظریه نسبیت عام انیشتن و رصدهای ادوین هابل در مورد گسترش جهان مطرح شد . اثر متقابل تئوری و رصد دراینجا اهمیت خاصی دارد .
● مرزهای نوین
دراین دوران هیجان انگیز كیهان شناسی ، كشفیات جدید بابالابردن سطح آگاهی باعث پدید آمدن چند سری سئوال شده اند: ماده تاریك چیست؟ ماهیت انرژی تاریك اسرار آمیز وگرانش دفعی آن چیست؟ چرا طرز كارجهان ماتااین حدپیچیده است؟ ودنیا چطور آغاز شد؟این سئوالات درحین سادگی نشان می دهندتكامل دانش مادرشناخت جهان به چه سطحی رسیده است.آخرین سئوال- دنیا چطور آغاز شد- ازآن دسته سئوالاتی است كه بشر برای چند هزار سال از خود پرسیده .باتوچه به متن نسبیت عام ، پاسخ ساده است: انفجار بزرگ تنها آفریننده ماده ، فضا وزمان است.بدون توضیح بیشتر.این جواب البته قانع كننده نیست ودلایلی وجود دارند كه بپذیریم پاسخ عمیق تری برای این سئوال هست.نسبیت عام شرحی ناقص ازگرانش است چون شامل مكانیك های كوانتومی نمی شودوگرانش رابادیگر نیروهای بنیادی تلفیق نمی كند.بیشتر فیزیكدانان معتقدند نسبیت عام حرف آخررا درمورد گرانش نمی زندونظریه ای گسترده تر می تواند شگفتیهایی مانند انفجار بزرگ را توضیح دهد:درحال حاضر نظریه ریسمان (كه به M -Theory نیز معروف است) باوجود ناقص بودن ومورد آزمایش قرار نگرفتن بهترین تفكر رادر مورد پیوند گرانش ، دیگر نیروهای بنیادی ومكانیكهای كوانتومی ارائه می دهد.بااینكه نظریه تورم ریشه ای در نظریه ریسمان ندارد ، اما امكان دارد درآخر توضیح خودرا دراین نظریه بیابد.وهرچندتورم نظریه ای محكم است اما به آزمایشات عملی بیشتری نیازدارد.دونتیجه ازسه نتیجه ای كه این نظریه پیش بینی می كندتابه حال مراحل اولیه ی آزمایشات خورراپشت سرگذاشته اند ودرآینده به طور جدی تری این آزمایشات پیگیری می شوند.این دو نتیجه عبارتنداز تخت بودن فضا وسرمنشاء‌كوانتومی ناهمگن بودن ماده ی موجود درجهان.پیش بینی سوم- وجودپس زمینه ای از امواج گرانشی –نیز بوسیله آزمایشاتی پی گیری می شودكه به دنبال رد قطبشی اندكی می گردندكه امواج گرانشی می توانندبروی CMBRایجاد كنند.نظریه ریسمان تاكنون توضیحی فیزیكی برای انرژی تاریك فراهم نكرده واین یك اشكال عمده است.هنوزسئوالات كیهان شناسی مهم دیگری نیزمطرحند. مثلاً چه زمانی اولین ستاره ها شكا گرفتند؟كهكشانهای منفرد چگونه تشكیل شدندوچطورتكامل می یابند؟كی وكجا عناصر شیمیایی ای كه بعداز عناصر موجود درانفجار بزرگ بودند (عناصر سنگین تری كه برای حیات ما مفید هستند)پدید آمدند؟ قسمت عمده ماده معمولی جهان كجاست وآیا فقط شامل گاز داغ است؟ پاسخ به این سئولات نیازمندرصدها ووسایل جدید وهمچنین مدلهای جدید وپیچیده تری است كه مادرمیانه دوران بزرگی از اكتشافات كیهان شناختی هستیم.اگر موفق شویم نظریه هایمان راباهركشف جدیدی تطبیق دهیم،می توانیم به جهشی بزرگ در دركمان از جهان وجای خودمان درمیان آن برسیم.
a ) در مدل انفجار بزرگ ، فضا گسترش پیدا می كند و درحین این گسترش كهكشانها را با خود حمل می كند. كهكشانها به نقطه ای مشخص و یا به خلاء پرتاب نمی شوند .
b ) یك فوتون یا ذره نور ،كه از كهكشانهای دور دست می آید ( مانند وقتی كه ابر نو اختری اتفاق می افتد ) با گسترش جهان كشیده می شود.اگر فاصله كهكشان میزبان تاكهكشان ما درطول مسافرت فوتون دو برابرشود،طول موج فوتون نیز دو برابر می شود.
۱) نمودار ادوین هابل كه درسال ۱۹۲۹رسم شدوسرعت های دورشدن كهكشانهارا درمقابل فاصله هایشان كه تنها به چندمیلیون سال نوری اززمین می رسد نشان می دهد.این نموداراشتبا هاًنشان می دادكه جهان۱یا۲ میلیاردساله است.
۲) این عكس كه درسال ۱۹۲۳ گرفته شده جایی را نشان می دهدكه هابل اولین ستاره متغیر قیفاووسی در ۳۱M (كهكشان آندرومدا) را شناسایی كرد.این عكس با تلسكوپ بازتابی ۱۰۰ اینچی دركوه ویلسون گرفته شده چون درآن زمان درخشش ذاتی ستارگان قیفاووسی شناخته شده بود.(هرچند به صورتی مبهم) هابل توانست ازاین كشف برای اندازه گیری فاصله ۳۱ M استفاده كند.این كشف همچنین راه را برای پی بردن به گسترش جهان هموار كرد.
۳) وحالا… تلسكوپ فضایی هابل ( SHT ) به فردمن( Freedman ) وگروهش اجازه داد قیفاووسی های متفاوت دركهكشانهایی با فاصله بیش از۶۰ میلیون سال نوری بررسی كندواین نمونه ازنموداراثرگذارهابل رابدست آوردند.
این دو نمودار نشان می دهندكه فاكتور مقیاس - منظور اندازه نسبی جهان است – چگونه تكامل پیدا می كرد. اگر طبق آنچه برای چند دهه فرض می شد،ماده سیاه برآرایش جهان حكمفرمایی می كرد( آبی ) ویا اگر انرژی تاریك با نسبت بیش از ۲ به ۱ نسبت به ماده تاریك وجود می داشت – كه اكنون اینطور تصور می شود (قرمز) جهان تحت تاثیر انرژی سیاه برای چند میلیار سال بیشتر از جهان تحت سلطه ماده تاریك كه شتابی منفی دارد، در حال گسترش پیدا كردن بوده واین ، زمان لازم را به ستارگان خوشه های ستاره ای می دهد تا به سن تخمین زده ی كنونی برسند.
نمودار بالا ابر نواخترهای نوع Ia را كه اخیراً در فاصله های چند میلیارد سال نوری رصد شده اند نشان می دهد . درخشش ابرنواخترها كمتر از آن چیری است كه ازیك جهان حاوی ماده تاریك كه شتاب منفی سریعی دارد انتظار می رود. این پدیده وجود انرژی تاریك ودر نتیجه عصر نهایی گسترش كنترل ناپذیر را اثبات می كند.
با محاسبه چگونگی تاثیر ذرات ماده ی تاریك در سراسر زندگی ۵/۱۳ میلیارد ساله كیهان تحت تاثیر انرژی تاریك ، گروهی از دانشكده ی اختر فیزیك شیكاگو تحت رهبری آنده كراوتسف ( Andrey Krawtsov ) فیلمی تهیه كرده اندكه آغاز وتكامل ساختاركیهانی را نشان می دهد. ذرات ماده تاریك نشان داده شده در این تصاویر مستقل از نیروهای پیچیده ای مانند فشار وتشعشع هستند ونشان می دهند كه هركدام ازذرات به آرامی و با زیادكردن كنتراست میان مكانهای چگال و رقیق ترتحت تاثیر گرانش دیگری قرار می گیرند وبه آن می پیوندند. چیزی كه هنوز جای بحث باقی می گذارد این است كه چطور ماده اتمی نیز عیناً همچنین ساختار نامرئی رادنبال می كند.هر مكعب چگالی محاسبه شده ی ماده سیاه موجود در فضایی به ابعاد ۲۸۰ میلیون سال نوری را نشان می دهد.