كیهان شناسی

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

ما اكنون در میان انقلابی از دانسته هایمان پیرامون سر منشاء تكامل جهان هستیم. انقلابی كه هم ازنظریه های جدید وهم ازتكنولوژی پیشرفته تغذیه می كند. تلسكوپهای فضایی ای كه ازآن سوی طیف الكترومغناطیسی جهان را زیر نظر دارند، تلسكوپهای عظیم زمینی، ابر رایانه ها وشتاب دهنده های ذرات اتمی وحتی تلسكوپهای زیرزمینی ، همگی نقش مهمی را در این زمینه ایفا می كنند .به مدد نظریه نسبیت عام انیشتن و فیزیك نوین ذرات، میتوان با اطمینان بیشتری تاریخ كیهان را از زمان تركیب ذرات بنیادی،كه دریك میكرو ثانیه بعداز پیدایش جهان به وجود آمدند، بررسی كرد.

بعد از چند دهه تلاش وكوشش ما نتوانسته ایم ویژگی اساسی جهان خودمان را شناسایی كنیم .در توافق نظر جدید كه در یك دهه قبل به سختی قابل تصوربود ، بیشتركیهان شناسان عمرجهان را ۷/۱۳ میلیاردسال می دانند و عقیده دارندكه تخت است ( یعنی از هندسه اقلیدسی تبعیت می كند ، با خطوط موازی ای كه در بی نهایت هم موازی می مانند وزوایای داخلی مثلث كه مجموعاً‌۱۸۰ درحه هستند.)نظرات جدیدی كیهان شناسی تعدادی ازمشكلاتی راكه به مدت چند دههه مطرح بوده اند ، حل می كنند . معروفترین این معضلات این بودكه جهان ، جوان تر از ستاره هایی كه درآن قراردارند به نظر می آمد . برابری اندازه گیری های مستقل با مقادیركلیدی مانند ثابت هابل نیز از موضوعات مهم كیهان شناسی هستند . بیشترماده كهكشان هیچ نوری ازخود منتشر نمی كند و برخلاف ماده كه برای ماآشناتروملموس تراست ، از نوترون وپروتن تشكیل نشده .به نظر می آید این ماده سیاه عجیب كه ۳۰ درصدازكل جرم –انرژی جهان را تشكیل می دهد ،ازنوعی ذره بنیادی تشكیل شده كه كمی بعد ازانفجار بزرگ به وجود آمده است.حتی شگفت آورترازاین، دو سوم از جرم – انرژی كیهان است كه ازانرژی تاریك اسرارآمیزتشكیل شده، كه باعث سرعت یافتن گسترش جهان می شود.

● ساختار انفجار بزرگ

اساس دریافت ذهنی ما ازتكامل جهان ، مدل انفجار بزرگ است كه برپایه نظریه نسبیت عام انیشتن و رصدهای ادوین هابل در موردگسترش جهان مطرح شد . اثر متقابل تئوری و رصد دراینجا اهمیت خاصی دارد .درساختار نسبیت عام فضا و زمان می توانند بپیچند ، خم شوند وكشیده شوند . بوسیله رصد نیز گسترش جهان به خوبی رؤیت شده البته این گسترش به صورت به جلو برده شدن ماده است و نه پرتاب شدن آن درخلاء .علاوه براین، میل به قرمز( redshif ) نورساطع شده ازكهكشانهای دور دست ، با اثر دوپلر ،كه در اثرحركت در میان فضا به وجود می آید توجیه نشده ، بلكه به عنوان نتیجه گسترش فضاكه باعث كشیدگی طول موج فوتونهای راهی زمین می شود،توضیح داده شده است.(پدید میل به قرمزدراثركشیده شدن فوتونهای رسیده به زمین ازیك كهكشان دوردست ظاهر می شودكه باعث شكافته شدن خطوط جذبی درطیف كهكشان وتمایل آن به طیفهای قرمزتر نورمرئی- درمقایسه با ستارگان كهكشان راه شیری ـ می شود.) میل به قرمز یك كهكشان دوردست مستقیماً نشان می دهد جهان از زمانی كه نورآن كهكشان را ترك كرده است چفدر بزرگ تر شده .تفاوت اندازه برابر میل به قرمز ( ۲)+۱ است .به طور مثال دورترین كوازار شناخته شده میل به قرمزی برابر۴/۶ دارد . یعنی حجمی ازفضا كه درزمان ترك نور از كوازار یك میلیون سال نوری پهنا داشته ، اكنون ۴/۷ میلیون سال نوری است!

نظام انفجار بزرگ بسیار یا از ویژگیهای اصلی جهان امروز را در خودجای می هد - البته همه آنها را توضیح نمی دهد- از جمله : تخت بودن فضا،امواج پس زمینه كیهانی ، وبرآمدگیهای موجوددر ماده آغازین كه ساختارهای بزرگ .آشكار امروزی راپدید آورده اند.در سال ۱۹۸۰ فیزیكدانی به نام آلن اچ - گروت نظریه ای ارائه كردبه نام تورم** . بعدها دیگران نیز توضیحاتی به این نظریه افزودند .این تئوری كه نشات گرفته از فیزیك كاربردی ذرات است ، مهمترین ویژگیهای جهان امروزراتوضیح می دهد.درتئوری تورم قسمتهای كوچك كیهان اولیه به طور تصاعدی گسترش پیدا كردند وقسمتی از فضاراكه ماامروزه می بینیم ،صاف تر كردند.مانند وقتی كه بیشتر بادكردن یك بادكنك باعث می شودقسمت كوچكی روی سطح آن صاف تر به نظر برسد.

گفته می شود دلیل اصلی جریان یافتن این گسترش انرژی پتانسیلی وابسته به انرژی فرضی است به نام inflaton این انرژی پتانسیل inflatin است كه حرارت چشم گیر انفجار بزرگ رافراهم كرده درحین پدیدهinflaton نوسانات كوانتومی در مقیاسهای زیر اتمی بوسیله گسترشی مهیب به اندازه های نجومی می رسند این بزرگتر شدن ها درسالیان دراز بعدی به همراه گرانش رشد كردند ودر نهایت به پیدایش كهكشانها وخوشه های كهكشانی كنونی انجامیدند ازنظریه تورم می توان سه نتیجه گیری كرد:۱) فضا بایددرلبه مرئی آن صاف به نظر برسد.۲) توزیع ماده در مقیاسهای نجومی باید منشاكوانتومی داشته باشد.۳) فضا رابایدپس زمینه ای ازامواج گرانشی فرا گرفته باشد،كه بوسیله نوسانات كوانتومی بعد از۱۰ ثانیه به توان ۳۲- از شروع جهان بوجود آمده اند .دوپیش بینی نخست اكنون با اندازه گیری هایی كه روی CMBR انجام می شوددیده شده اند.( وسومی نیزاحتمالاً درآینده ای نه چندان دوربااندازه گیری ها به اثبات خواهد رسید.)اكنون به بحث درباره گسترش جهان می پردازیم.

● گسترش جهان

در سال ۱۹۲۹ ادوین هابل و میلتون هوماسون ، فاصله چند كهكشان نزدیك را اندازه گیری كردند و رابطه میان فاصله و سرعت عقب نشینی آنها را بدست آوردند( كه وقتی كهكشانی با سرعتی كمتر ازكسری از سرعت نور از ما دورمی شود، این رابطه با میل به قرمزآن متناسب است.) این مؤلفه تناسب ، ثابت هابل نام دارد ( H ۰) وسرعت گسترش جهان امروزرا اندازه گیری می كند.تعیین دقیق فواصل كهكشانی به طرز شگفت آوری سخت است و پیچیدگیهای زیادی مزاحم تلاش برای مشخص كردن H ۰ می شود.اكنون با استفاده از پیشرفتها و ابزار پیچیده و به مدد روش های متعدد و متفاوت اندازه گیری ، برمقداری برای ین ثبات اتفاق نظر شده .

فواصل دقیق كهكشانی در مقیاسهای دوركه بوسیله بخشی از پروژه كلیدی هابل ( hstkp ) بدست آمده است ، قسمتی از سرفصلهای مدنظر آقای فریدمن ( f reed man ) مدیر این پروژه را تشكیل می دهد .با آشكار سازی و اندازه گیری ستاره های متغیر ( Cepheid) در ۲۴ كهكشان مارپیچی ، هابل محققان این پروژه را قادر كردتا ۵ روش تنظیم شده ، به عنوان دومین شاخص فاصله ، برای فواصل بیش از۱ میلیارد سال نوری، بدست آوردند.چنین فواصلی به خوبی در مسیر رصدی هابل قرار دارند. جایی كه اثر مخرب اجتماع كهكشانهای پر جرم، همچون خوشه سنبله، تاثیر محسوسی در اندازه گیری ها ندارند.

باتركیب هرپنج تكنیك ، مقدار۷۲كیلومتردرثانیه ، درمگاپارسك –باخطایی حدود۱۰ درصد – برای ثابت هابل بدست آمد .درحالیكه پارامتر اندازه گرفته شده توسط خودهابل ۵۵۰ كیلومتردرثانیه درمگا پارسك بود .ازآنجاكه اندازه جهان قابل رصد و سن آن ، هردوباثابت هابل رابطه عكس دارند.رشدی كه این مقداراصلاح شده برای جهان قابل رؤیت نشان می دهد هشت برابر گسترشی است كه فبلاً برای جهان اندازه گرفته شده بود.گروههای نجومی دیگری هم با ثابت هابلی كه این پروژه بدست آورد موافقت كردند.پس می توان گفت یكی ازپارامترهای مهم كیهان شناسی بالاخره تعیین شده است.

● سن جهان شتابدار ما

ثابت هابل می تواند زمانی كه ازانفجار بزرگ می گذرد و اندازه قسمتی از جهان راكه برای ما قابل رؤیت است ، تعیین كند .مدت زمانی كه از انفجار بزرگ می گذرد ، به سرعت گسترش كنونی جهان ونیز سرعت گسترش آن درگذشته بستگی دارد.گرانش حاصل ازوجودماده رشدیافتن جهان راكند می كند- مانند توپی كه وقتی به آسمان پرتاب می شودنیروی جاذبه زمین سرعتش راكم می كند.دانشمندان چنددهه است كه برای یافتن این شتاب منفی تلسكوپهایشان را به انتهای محدوده جهان قابل رؤیت نشانه رفته اند.این افراد امیدوارند با اندازه گرفتن میزان كندشدن گسترش جهان ، سرنوشت آن را مشخص كنند.آیا این كند شدن برای معكوس كردن گسترش ودر نتیجه جمع شدن دوباره جهان كافیست؟ نشانه های بدست آمده از رصدها و تئوریهای نظری ۵ سال اخیر ،كیهان شناسان رابه این تفكرسوق داده كه جهان از ماده ای با چگالی بحرانی C ritical density تشكیل شده است . پارامتری كه میتواندگسترش جهان را بدون اینكه جمع شدن دوباره اش را تسریع بخشد ، آهسته كند . این نظریه یك تناقض بوجود می آورد .سنی كه با تركیب اندازه ثابت هابل و اینr s برای جهان تخمین زده می شد ۹ میلیارد سال بود ، درحالیكه پیرترین ستارگان دركهكشان راه شیری ۱۳-۱۴ میلیارد ساله اند! دردهه ۱۹۹۰ بابه كارگیری تركیبی ار تكنولوژی (دوربین های CCD ۱۰۰۰مگا پیكسلی) ویك شاخص دقیق در فاصله ای دور( ابرنواخترهای نوع Ia) بالاخره شتاب منفی جهان اندازه گیری شد.اما این به معنی پیدا كردن این شتاب منفی نبود! چراكه در سال۱۹۹۸ دوگروه به رهبری لارنس بروكلی و سالپرلماتد پی بردندكه نورابرنواخترهایی كه درفاصله چندین میلیارد سال نوری قرار دارند، كمتر از مقداری است كه برای جهانی باشتاب منفی وبا چگالی بحرانی صدق می كند.نتیجه تلویحی این كشف غیرمنتظره این بود:

گسترش جهان در حقیقت درحال سرعت گرفتن است.با اینكه غباربین كهكشانی وتكامل ابرنواخترهم می تواند باعث این كاهش نورشود ،آزمایشات زیادی تاثیر این پارامترهارا برروی كم شدن نوراین ابرنواخترهاردكرده اند.ظاهراً جهان واقعاً درحال سرعت گرفتن است .تاوقتی كه قدرت جاذبه بامجموع چگالی ماده در جهان و فشاری كه از هر سانتیمتر مكعب به وجو د می آید نسبت مستقیم دارد،می توان این كشف رابانظریه انیشتن توجیه كرد.فشارمنفی عظیم موجوددرجهان(چیزی كه كیهان شناسان به آن خاصیت كشسانی فضا-زمان می گوند) می تواند اثر دافعه گرانشی ایجادكند،كه این برای سرعت بخشیدن به گسترش جهان كافی است. رصد ابرنواخترها مداركی مبنی بر وجودماهیتی كشسان وعجیب بدست می دهدكه آنرا انرژی تاریك نامیده اند.انرژی تاریك كه تایك دهه قبل ازطرف بیشتركیهان شناسان ردمی شد،اكنون به نظر می رسدكه بیش از دوسوم ذخیره جرم – انرژی كیهانی را تشكیل می دهد.این كشف شگفت آورباعث شدكه كیهان شناسان در تفكرشان درموردسرنوشت نهایی جهان تغییراتی دهند.اگرجهان تنها ازماده تشكیل شده بود،سرنوشت آن تنها ازروی انحنای فضایی آن قابل تشخیص دادن بود .یك جهان بسته *(كه دارای انحنای مثبت است)سرانجام جمع شده وفرو می ریزد .در حالیكه یك جهان تخت یا باز* ( كه دارای انجنای منفی است) تا ابد به گسترش می یابد.البته انرژی تاریك هردواحتمال –گسترش ابدی وفروریزی نهایی -را برای جهان ظاهراً تخت ماپیش بینی می كند.

در اینجا هندسه جهان دیگر به پیش بینی سرانجام آن كمكی نمی كند .تا وقتی كه انرژی تاریك كاملاً شناخته شود، پایان كار جهان ما بلاتكلیف خواهد ماند. گرچه اگر گسترش جهان تا۳۰ میلیاردسال دیگربه سریعتر شدن خود ادامه دهد، آسمان ازكهكشان خالی خواهدشد(بجزچندكهكشان درخوشه كهكشانی سنبله).درحالیكه گرانش جاذبه ای ماده ی عمدتاً سیاه جهان،گسترش آن را كند تر می كند،گرانش دفعی (شتاب منفی) كه دراثرانرژی سیاه بوجودآمده سعی درسرعت بخشیدن به آن را دارد .بنابراین اندازه گیری مقادیرانرژی وماده تاریك به ما اجازه می دهد فیلم كیهانی راتا زمان بوجودآمدن آن عقب ببریم و زمان شروع آن رادریابیم .برای جهان مطلوب امروزی – جهانی تخت با ثابت هابل ۷۱ تا۷۲ ونسبت ماده تاریك به انرژی سیاه سه به هشت - زمان انفجار بزرگ حدود ۵/۱۳ میلیارد سال پیش است كه البته ۱۰ درصد احتمال خطا برای آن در نظر گرفته می شود.

روش های دیگر اندازه گیری عمده جهان نیزاین رقم راتایید می كنند. بهترین این روش ها، روشی است كه در آن عمر پیرترین ستارگان راه شیری كه درخوشه های كروی قرار دارند،اندازه گیری می شود.مدلهای اخیر كامپیوتری عمری حدود۵/۱۲ میلیارد سال رابرای ستارگان موجوددراین خوشه ها تخمین می زنند.(بازهم باخطای ده درصد) پیدایش این ستارگان قدیمی بیشتر از یك میلیارد سال طول نكشیده است كه بااضافه كردن این مقداربه عمرستارگان نتیجه ای با مطابقت دلخواه با عمر گسترش جهان بدست می آید.ازكرونومترهای كیهانی دیگر مانند كتوله های سفید و ایزوتوپ های رادیواكتیو نیز نتایج مشابهی بدست آمده است.

آرایش شبكه ای از ماده سیاه ، با ستارگان یكی از ویژگیهای دورازانتظار جهان بدون شك این واقعیت تامل برانگیز است كه ستارگان حدودیك درصد ازكل ذخیره جرم – انرژی آن را تشكیل می دهند.(وحتی كسری كمتر ازذخیره ماده آن را)درحالیكه یك چهارم كل جرم انرژی كیهانی را ماده تشكیل می دهد.،بیشتر آن تاریك است ووجودش تنها از آثار گرانشی آن قابل دریافت است.ماهیت این ماده تاریك هنوزناشناخته مانده،گرچه مامدارك محكمی داریم مبنی براینكه قسمت اعظم این ماده نمی تواند از پروتن ها ونوترونها ساخته شده باشد)اجزای تشكیل دهنده هسته اتم كه جمعاً باریون نامیده می شوند.

منبع : انجمن نجوم

---