یافته جدیدی که می تواند جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۱ را به چالش بکشد

پیشتر در سال ۲۰۱۱، سه ستاره‌شناس به خاطر یافته‌ی خود درباره‌ی انبساط کیهان برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شدند. یافته‌ی آنها در واقع بیانگر این نکته بود که کیهان نه تنها همواره در حال انبساط است، بلکه این انبساط با یک نرخ فزاینده رخ می‌دهد.

یافته‌ی فوق در آن زمان مورد قبول اکثریت واقع شد و این ایده که جهان ما توسط انرژی ناشناخته و رازآلودی به نام انرژی تاریک تحت سیطره است نیز مورد پذیرش گسترده واقع شد و از سویی هم مدل استاندارد کیهان‌شناسی را برای همیشه دچار تغییر کرد. اما اکنون دسته‌ای از فیزیک‌دانان به این نتیجه رسیده‌اند که یافته‌ی فوق شاید دارای خطاهایی باشد و به عبارتی ممکن است نادرست بوده باشد. این گروه از دانشمندان، اطلاعات بسیار بیشتری را به منظور پشتیبانی از ایده‌ی خودشان در اختیار دارند.

برای اینکه اندکی دقیق‌تر موضوع را بررسی کنیم، بهتر است کمی به عقب بازگردیم. جایزه‌ی نوبل فیزیک در سال ۲۰۱۱ به سه ستاره‌شناس به نام‌های سال پرلماتر (Saul Perlmutter) از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی؛ آدام ریسس (Adam Riess) از دانشگاه جان هاپکینز و برایان اشمیت (Brian Schmidt) از دانشگاه ملی استرالیا رسید.

در طول دهه‌ی ۱۹۹۰ میلادی، این سه دانشمند به عنوان اعضای اصلی سه گروه رقیب به منظور اندازه‌گیری سوپرنوای دوردست Type 1a بودند. این ابرنواراختر از منظومه‌های دوستاره‌ای تشکیل شده که یکی از آنها یک کوتوله‌ی سفید است. ستاره‌های کوتوله‌ی سفید از یکی از متراکم‌ترین اشکال ماده در جهان شناخته شده تا به امروز، ساخته شده‌اند. این شکل از ماده را تنها می‌توانیم پیرامون ستاره‌های نوترونی و سیاه چاله‌ها ببینیم.

در حالی که یک کوتوله‌ی سفید معمولی فقط کمی بزرگ‌تر از زمین خواهد بود، اما جرم آن به اندازه‌ای تقریبا برابر با جرم خورشید خواهد رسید. برای اینکه توضیح موضوع ملموس‌تر شود، می‌توانیم از شما بخواهیم تا در ذهنتان ۱،۳۰۰،۰۰۰ کره همانند کره‌ی زمین را درون خورشید جای دهید!

حالا چنین ستاره‌ی فوق‌العاده متراکم و در عین حال مرده‌ای را تصور کنید که تحت وزن گرانش خود فروپاشیده می‌شود. ما در اینجا در مورد سطحی از درخشندگی صحبت می‌کنیم که میزان آن حدود ۵ میلیارد بار روشن‌تر از خورشید است.

از آنجا که هر ابرنواختر (سوپر نوا) نوع 1a دیگری نیز با حدود همان میزان روشنایی منفجر می‌شود، در نتیجه مقدار نوری که هر یک از آنها از خود پراکنده می‌کند را می‌توانیم به عنوان شاخصی از فاصله‌ی آن سوپرنووا از کره‌ی زمین استفاده کنیم و همچنین تغییرات جزئی در طیف رنگ‌ها نیز می‌تواند به منظور پی بردن به میزان سرعت حرکت آنها به کار رود. هنگامی که پرلماتر، ریسس، و اشمیت تمام داده‌ها را برای ابرنواختر نوع 1a شناخته شده اندازه‌گیری کردند، به یک موضوع عجیب در نتایج خود پی بردند. این داده‌ها توسط تلسکوپ فضایی هابل و شمار زیادی از تلسکوپ‌های زمینی به دست آمده بودند. در اینجا بخشی از توضیحات یکی از اعضای آکادمی سلطنتی سوئد در صبح روز اعلام برنده‌ی جایزه‌ی نوبل در استکهلم را می‌خوانیم:

 در جهانی که توسط ماده احاطه شده است، انتظار می‌رود که گرانش در نهایت باید بتواند سرعت انبساط را کم کند. حیرت مطلق به وجود آمده پس از کشف جدید دو گروه از دانشمندان را تصور کنید … آنها پی برده بودند که انبساط کیهان در حال کند شدن نبوده از سویی در حال شتاب گرفتن نیز هست.

با مقایسه روشنایی ابرنواختر دوردست با روشنایی ابرنواخترهای نزدیک‌تر به زمین، دانشمندان کشف کردند که ابرنواختر دور حدود ۲۵ درصد کم‌نورتر از سایرین بوده است. آنها در واقع بسیار دور بودند. کیهان در آن لحظات در حال شتاب‌ گرفتن بوده است. پس به این نتیجه می‌رسیم که این یافته دارای اهمیت اساسی است و به عنوان نقطه‌ی عطفی در کیهان‌شناسی به شمار می‌رود. چالش‌های زیادی پس از این کشف در انتظار دانشمندان نسل‌های بعد خواهد بود.

یافته‌های این دانشمندان توسط داده‌های جمع آمده به طور جداگانه درباره‌ی پدیده‌هایی همچون کهکشان‌های خوشه‌ای و ‌تابش‌های زمینه‌ی کیهانی نیز پشتیبانی می‌شد. این تابش‌ها در واقع به پس‌تابش‌های ضعیف ایجاد شده پس از انفجار بزرگ اطلاق می‌شود. از طرفی در اوایل سال جاری، دانشمندان ناسا و آژانس فضایی اروپا دریافتند که جهان هستی می‌تواند انبساطی در حدود ۸ درصد ‌سریع‌تر از آن چیزی که از ابتدا تصور می‌شد، داشته باشد.

با همه‌ی تفاسیر فوق، به نظر می‌رسید که کشف دانشمندانی که برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شده بودند نیز یک یافته‌ی کاملا مستحکم و پابرجا به شمار رود و به تعبیری این یافته می‌بایست در حدی قاطع می‌بوده که منجر به دریافت جایزه‌ی نوبل شده است. اما در این میان یک سوال بسیار دشوار نیز مطرح شده بود. پرسش این بود که اگر گرانش کلی ناشی از تمامی ماده‌ی موجود در جهان هستی که توسط انفجار بزرگ بیرون رانده شده، هم اکنون در حال کندتر کردن سرعت همه چیز است؛ پس اکنون چگونه می‌تواند در حال شتاب گرفتن و انبساط باشد؟

برندان کول (Brendan Cole) در گزارشی که در ماه مه منتشر شد، چنین توضیح می‌دهد:

 در جهان هستی چیزی وجود دارد که آن را به صورت فیزیکی و با سرعتی بیشتر از آن سرعتی که گرانش می‌تواند کیهان را منقبض کند، انبساط می‌دهد. تاثیر یاد شده کوچک است. در واقع به قدری کوچک است شما آن را تنها در کهکشان‌های بسیار دوردست مشاهده می‌کنید. اما به هر حال وجود دارد و موثر است. این تاثیر را امروزه با نام انرژی تاریک می‌شناسند و دلیل «تاریک» بودن آن هم این است که هیچکس به طور دقیق ماهیت آن را نمی‌داند.

چون دانشمندان برای نخستین بار وجود انرژی تاریک را پیشنهاد داده‌اند، بنابراین در حال حاضر هنوز هیچکس نتوانسته به ماهیت و واقعیت روشنی پیرامون آن نزدیک شود. اما در حال حاضر یک تیم بین‌المللی از فیزیکدانان پدیده‌ی انبساط کیهان را مورد پرسش قرار داده‌اند. آنها برای پشتیبانی از پیشنهاد خودشان دارای پایگاه دیتای بزرگ‌تری نسبت به داده‌های مربوط به ابرنواختر نوع 1a هستند.

با اعمال مدل‌های مختلف تحلیلی به ۷۴۰ مورد از ابرنواختر نوع Ia که تا کنون شناسایی شده‌اند، این تیم به این باور رسیده است که گروهشان در واقع قادر به تبیین تفاوت‌های ظریف بین آنها شده‌ است؛ به طوری که چنین کاری پیش از این هرگز انجام نشده بود. آنها باور دارند که روش‌های آماری مورد استفاده توسط تیم اصلی بیش از حد ساده بودند و بر پایه‌ی یک مدل ابداعی در دهه‌ی ۱۹۳۰ بنا شده بوده که چنین مدلی نمی‌تواند به طور قابل اعتمادی به مجموعه‌ی داده‌های ابرنواختر در حال رشد اعمال شوند.

آنها همچنین به این موضوع اشاره کرده‌اند که تابش زمینه کیهانی به طور مستقیم توسط ماده تاریک ایجاد نمی‌شود. بنابراین ماده‌ی تاریک تنها به عنوان نوعی از شواهد “غیر مستقیم”  به شمار می‌رود. سرپرست این تحقیق، سوبیر سرکار (Subir Sarkar)، از دانشگاه آکسفورد در این باره چنین گزارش می‌دهد:

 ما آخرین کاتالوگ مربوط به ۷۴۰ ابرنواختر نوع Ia را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادیم. چنین تعدادی در واقع  بیش از ۱۰ برابر شمار مربوط به نمونه‌ی اصلی در این کشف بودند. آنها در ادامه به شواهدی برای انبساط شتابدار پی بردند که فیزیکدانان اغلب آن را با عنوان 3 sigma مورد اشاره قرار می‌دهند.

این مقدار به مراتب کمتر از استاندارد ۵ سیگمایی است که برای ادعا درباره‌ی یک کشف بسیار پراهمیت لازم است. سرکار و تیم او به جای پیدا کردن شواهد برای حمایت از نظریه‌ی انبساط شتابدار جهان،  بر این باورند که به نظر می‌رسد جهان در حال گسترش با یک نرخ ثابت است. در صورتی که این گفته واقعا درست باشد، به این معنی خواهد بود که ما برای توضیح چنین وضعیتی به انرژی تاریک نیازی نخواهیم داشت. وی همچنین می‌گوید:

این در واقع یک چارچوب نظری پیشرفته‌ی دیگر است؛ برای تایید این مشاهده که جهان هستی به طور کاملا همگن نیست؛ و همچنین این نکته که ماده‌ی موجود در آن هم احتمالا به صورت گاز کامل رفتار نمی‌کند. اینها دو فرضی هستند که در کیهان‌شناسی به عنوان استاندارد پذیرفته شده‌اند. این احتمال وجود دارد که چارچوب اخیر در ادامه نیز برای تایید تمامی مشاهدات بدون نیاز به ماده‌ی تاریک مفید باشد.

در حال حاضر باید در نظر داشته باشیم که این فقط یک مطالعه است و از سویی ادعا در مورد نادرست بودن بنیادین نگرشی که منجر به دیافت جایزه‌ی نوبل برای گروهی از دانشمندان شده، کاری بسیار  بحث‌برانگیز و بزرگ است. همه‌ی ما می‌دانیم که جوایز نوبل به آسانی به کسی اعطا نمی‌شوند. اما تکرار نتایج به دست آمده، بیش از هر چیزی در علم دارای اهمیت است، و اگر ما مجموعه‌ای بزرگ‌تر از داده‌ها را نسبت به داده‌های پنج سال پیش داشته باشیم، باید از آنها برای حمایت یا تصحیح کشف‌های گذشته بهره ببریم.

حال سوال این است که آیا تیم سرکار مدل جدید آماری خود را روی داده های موجود به روشی اعمال کرده‌اند که دانش پیرامون آن را به بهترین شکل بازتاب دهد؟ به احتمال زیاد این یافته‌ها باعث خواهد شد تا پرسش جدیدی در ذهن بسیاری از فیزیکدانان شکل بگیرد و برای یافتن پاسخ آن تلاش کنند؛ پرسش در مورد اینکه جهان در چه حالی است؟ ثابت یا در حال شتاب. سرکار در این باره می‌گوید:

به طور طبیعی، برای متقاعد کردن جامعه‌ی فیزیک پیرامون این مسئله، نیاز به کار و تلاش فراوانی وجود دارد، اما کلیدی‌ترین خدمتی که کار ما به دنیای علم داشته این است که نشان می‌دهد، یکی از ارکان اصلی مدل کیهان‌شناختی استاندارد ما در حال حاضر تردیدهای زیادی را پیرامون خود می‌بیند.

امیدوارم، این امر باعث ایجاد انگیزه برای تجزیه و تحلیل بهتر داده‌های کیهانی شود و همچنین نظریه‌پردازان را به سوی این مسیر سوق دهد که برای بررسی مدل‌های کیهانی متنوع‌تر تمایل پیدا کنند.

در پایان باید اشاره کنیم که دستاوردهای این پژوهش در Scientific Reports  منتشر شده است.