انرژی تاریک زیر سوال رفت/ ریاضیدانان مدل استاندارد کیهان را به چالش کشیدند

گروهی از ریاضیدانان دانشگاه کالیفرنیا در دیویس در مطالعه‌ای جدید یکی از بنیادی‌ترین فرضیات کیهان‌شناسی مدرن را به چالش کشیده‌اند. نتایج این پژوهش که در نشریه Proceedings of the Royal Society A منتشر شده نشان می‌دهد شتاب گرفتن انبساط جهان ممکن است بدون نیاز به مفهوم انرژی تاریک نیز قابل توضیح باشد.

به گزارش انگجت، انرژی تاریک نزدیک به سه دهه است که به عنوان عامل اصلی شتاب‌دار شدن انبساط کیهان شناخته می‌شود و بخش مهمی از مدل استاندارد کیهان‌شناسی موسوم به لامبدا ماده تاریک سرد (Lambda-CDM) را تشکیل می‌دهد. با این حال پژوهشگران آمریکایی اکنون با استفاده از تحلیل‌های ریاضی جدید استدلال می‌کنند که شاید این مفهوم اساسا برای توضیح رفتار جهان ضروری نباشد.

این تیم تحقیقاتی معادلات اینشتین اویلر را بررسی کرده‌اند؛ مجموعه‌ای از معادلات که نظریه نسبیت عام اینشتین را با دینامیک سیالات ترکیب می‌کند و برای مدل‌سازی پدیده‌هایی مانند سیاه‌چاله‌ها، کهکشان‌ها و انبساط جهان به کار می‌رود. به گفته پژوهشگران نتایج نشان می‌دهد فضازمان‌های فریدمن که پایه ریاضی مدل‌های رایج انبساط کیهان هستند در مقیاس‌های کوچک و بزرگ و به‌ویژه در نزدیکی مهبانگ (بیگ‌بنگ) دچار ناپایداری ذاتی هستند.

بلیک تمپل استاد ممتاز بازنشسته ریاضیات دانشگاه کالیفرنیا و نویسنده مسئول این پژوهش برای توضیح این موضوع از مثال مدادی که روی نوک خود قرار گرفته استفاده کرد. به گفته او همان‌طور که مداد در ظاهر در تعادل قرار دارد اما با کوچک‌ترین اختلال سقوط می‌کند مدل‌های فریدمنی نیز اگرچه از نظر ریاضی راه‌حل معادلات محسوب می‌شوند اما ناپایدار هستند و بنابراین نمی‌توانند توصیفی واقعی از جهان فیزیکی ارائه دهند.

تمپل معتقد است چنین ناپایداری‌هایی نشان می‌دهد که شتاب گرفتن انبساط جهان می‌تواند به طور طبیعی از دل معادلات اصلی نسبیت عام اینشتین پدیدار شود و نیازی به افزودن انرژی تاریک یا ثابت کیهان‌شناختی نداشته باشد.

انرژی تاریک نخستین بار در دهه ۱۹۹۰ و پس از مشاهدات مربوط به شتاب‌دار شدن انبساط جهان مطرح شد.

ریشه این ایده به ثابت کیهان‌شناختی بازمی‌گردد؛ جمله‌ای که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ به معادلات خود افزود تا جهانی ایستا را توصیف کند. پس از آنکه ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ نشان داد جهان در حال انبساط است اینشتین این ثبت را بزرگ‌ترین اشتباه خود نامید. با این حال چند دهه بعد این مفهوم دوباره احیا شد و به عنوان توضیحی برای انرژی تاریک وارد مدل‌های کیهان‌شناسی شد.

پژوهشگران در این مطالعه به دنبال توضیحی جایگزین برای شتاب کیهانی بودند. آنها ابتدا احتمال دادند که یک موج ضربه‌ای عظیم در جهان اولیه عامل این پدیده باشد، اما در ادامه به خانواده‌ای از راه‌حل‌های خودمتشابه در دوران تابشی مهبانگ رسیدند که می‌توانستند رفتار جهان را توضیح دهند. معادلات خودمتشابه سامانه‌هایی را توصیف می‌کنند که الگوی کلی آنها در مقیاس‌های مختلف ثابت باقی می‌ماند.

محققان با استفاده از نسخه‌ای خودمتشابه از معادلات اینشتین، مدل استاندارد کیهان‌شناسی را به‌عنوان یک نقطه تعادل در معادلات بازنویسی کردند و سپس پایداری آن را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که همانند مدل جهان ایستای اینشتین تمامی فضازمان‌های فریدمن در برابر اختلالات شعاعی در مقیاس‌های بزرگ ناپایدار هستند.
به گفته تمپل این یافته‌ها می‌تواند اعتبار مدل لامبدا-ماده تاریک سرد را به عنوان یک راه‌حل پایدار برای معادلات نسبیت عام زیر سوال ببرد؛ چه انرژی تاریک در آن وجود داشته باشد و چه وجود نداشته باشد.

بر اساس این پژوهش جهان در نزدیکی مرکز تقارن خود رفتاری بسیار شبیه به مدل‌های فریدمنی دارد اما در فواصل دورتر از این مرکز شتاب‌هایی ظاهر می‌شوند که از پیش‌بینی‌های مدل استاندارد فاصله می‌گیرند. از دید محققان همین موضوع می‌تواند توضیحی طبیعی برای شتاب انبساط کیهان باشد.

این نتایج همچنین اصل کوپرنیکی را نیز به چالش می‌کشد؛ اصلی که بیان می‌کند زمین یا ناظر انسانی در جایگاه ویژه‌ای در جهان قرار ندارد. تمپل می‌گوید هم مدل استاندارد لامبدا-CDM و هم مدل‌های مبتنی بر فضا‌زمان کروی نیازمند موقعیتی خاص برای ناظر هستند تا از نظر فیزیکی قابل قبول باشند. از این رو اگر اصل کوپرنیکی یکی از این مدل‌ها را رد کند باید دیگری را نیز رد کند.

با وجود اهمیت این نتایج پژوهشگران تأکید می‌کنند که یافته‌های جدید هنوز در مرحله نظری و ریاضی قرار دارد و برای تبدیل شدن به جایگزینی پذیرفته‌شده برای مدل استاندارد کیهان‌شناسی باید با مشاهدات نجومی و داده‌های رصدی دقیق آینده نیز سازگار باشد. با این حال این پژوهش یکی از جدی‌ترین تلاش‌های اخیر برای توضیح شتاب انبساط جهان بدون توسل به انرژی تاریک به شمار می‌رود.