Podcast: Play in new window | Download

آنچه می‌شنوید (و مقداری اطلاعات بیشتر)

خلاصه

جهان در حال انبساطه، اما از این جمله به‌تنهایی نمی‌فهمیم که آینده‌اش چه خواهد شد. برای پیش‌بینی آینده، باید بدونیم چه چیزهایی در جهان وجود دارن و هر کدوم چطور روی انبساط اثر می‌ذارن. نقش انرژی تاریک در این میان بسیار مهمه و ماهیت اون هنوز کاملاً روشن نیست.

در این قسمت، اول تفاوت سن جهان با فاصلهٔ ناحیه‌های دوردست رو باز می‌کنیم. بعد از هندسه و چگالی به تاریخ انبساط می‌رسیم و سه تصویر از آینده رو کنار هم می‌ذاریم: انبساط ادامه‌دار، انقباض احتمالی، و سناریوهای وابسته به رفتار انرژی تاریک. نتیجه یک پیش‌گویی قطعی نیست؛ نقشه‌ای از دانسته‌ها و فرض‌های ماست.

دیدن دوردست یعنی دیدن گذشته

نور برای رسیدن به ما زمان لازم داره. وقتی خورشید رو می‌بینیم، تصویر چند دقیقه پیش اون رو دریافت می‌کنیم؛ وقتی به یک کهکشان دور نگاه می‌کنیم، ممکنه خبر میلیاردها سال پیشش رو ببینیم. تلسکوپ فقط ابزار دیدن فاصله‌های زیاد نیست، پنجره‌ای به تاریخ هم هست.

اما حالا نکته‌ای اضافه می‌شه: در طول سفر نور، جهان ثابت نمونده. فاصلهٔ ما و ناحیهٔ گسیل‌کننده تغییر کرده. بنابراین «نور چند سال در راه بوده؟» و «فاصلهٔ آن ناحیه امروز چقدره؟» دو پرسش متفاوتن.

در مدل معیار، سن جهان حدود ۱۳٫۸ میلیارد ساله، ولی فاصلهٔ امروزی افق ذره‌ایِ ما در حدود ۴۶٫۵ میلیارد سال نوری برآورد می‌شه. افق ذره‌ای مرز ناحیه‌ایه که از آغاز تاریخ مدل تا امروز امکان ارتباط با ما رو داشته. عدد دوم مسیر پیموده‌شده در یک فضای ثابت نیست؛ به فاصلهٔ امروزی در فضایی در حال انبساط مربوطه. توضیح کیهان‌شناسی دربارهٔ افق‌ها و فاصله‌ها

چرا دیدن یک ناحیه، تضمین دیدن آینده‌اش نیست؟

اگر تصویری قدیمی از یک کهکشان به ما رسیده، وسوسه می‌شیم بگیم نورِ تازه‌اش هم بالاخره خواهد رسید؛ فقط باید بیشتر صبر کنیم. این نتیجه در جهان ایستا طبیعی به نظر می‌رسه، ولی در جهانی با انبساط شتاب‌دار، همیشه درست نیست.

ممکنه نوری که امروز از یک ناحیهٔ بسیار دور فرستاده می‌شه، هرگز به ما نرسه. مسیر آیندهٔ نور به کل تاریخ آیندهٔ انبساط وابسته‌ست. مرز مربوط به این امکان ارتباط آینده، افق رویداد کیهانی نام داره و با افق ذره‌ای یکی نیست.

همین تفاوت نشان می‌ده چرا تقسیم سادهٔ یک فاصلهٔ امروزی بر سرعت نور کافی نیست. فضا در مدتی که منتظر رسیدن پیام هستیم هم تغییر می‌کنه. برای ادامهٔ بحثِ آیندهٔ جهان، باید این تغییر رو موضوع اصلی قرار بدیم، نه یک جزئیات فرعی.

نورهای بسیار درخشان دوردست از چه چیزی میان؟

یکی از منابعی که در فاصله‌های کیهانی دیده می‌شه، اختروشه. اسمش ممکنه ما رو یاد یک ستاره بندازه، اما اختروش در واقع هستهٔ بسیار درخشان یک کهکشان فعاله. ماده‌ای که به سوی سیاه‌چالهٔ کلان‌جرم مرکزی می‌ره، می‌تونه در اطراف اون قرصی داغ بسازه و انرژی زیادی آزاد کنه.

پس نور اختروش از داخل افق سیاه‌چاله بیرون نمی‌آد و منبعش هم یک ستارهٔ معمولی با همجوشی هسته‌ای نیست. این تفکیک کمک می‌کنه وقتی دربارهٔ «دیدن گذشتهٔ دور» حرف می‌زنیم، نوع چراغی رو که بهش نگاه می‌کنیم درست بشناسیم. ناسا: کهکشان‌های فعال

هندسه چه چیزی دربارهٔ جهان می‌گه؟

در قسمت قبل دیدیم که فاصله‌ها می‌تونن بدون نیاز به یک محیط بیرونی تغییر کنن. حالا می‌پرسیم خود هندسهٔ فضایی چه شکلیه. در مدل‌های ساده و همگن، از خمیدگی مثبت، صفر یا منفی صحبت می‌کنیم. این‌ها دربارهٔ رابطهٔ فاصله‌ها و زاویه‌ها هستن، نه شکل یک جسم درون یک اتاق.

مثال سطح کره برای خمیدگی مثبت کمک می‌کنه، اما جهان سه‌بعدیه و قرار نیست واقعاً روی پوستهٔ یک توپ نشسته باشیم. از طرف دیگر، خمیدگی تمام اطلاعاتِ شکل سراسری رو نمی‌ده؛ نحوهٔ اتصال فضا هم مهمه. به همین دلیل، تخت‌بودن به‌تنهایی ثابت نمی‌کنه که کل جهان نامتناهیه.

اندازه‌گیری‌های کیهانی با فضایی بسیار نزدیک به تخت سازگارن، در محدودهٔ دقت و فرض‌های مدل. این جمله از «با قطعیت همهٔ شکل جهان رو می‌دونیم» بسیار محدودتر و دقیق‌تره. آژانس فضایی اروپا دربارهٔ هندسه و اندازهٔ جهان

چگالی بحرانی یعنی چه؟

برای ربط‌دادن هندسه به انبساط، کمیتی به نام چگالی بحرانی تعریف می‌کنیم. این چگالی با نرخ انبساط در همان زمان حساب می‌شه و در معادلات مدل همگن، مرجع مقایسهٔ چگالی کل با حالت تخت است. یک عدد ثابت برای تمام عمر جهان نیست.

وقتی از چگالی کل حرف می‌زنیم، فقط ستاره‌ها و گاز قابل مشاهده رو جمع نمی‌زنیم؛ مادهٔ تاریک، تابش و مؤلفه‌های دیگر انرژی هم در حساب حضور دارن. مقدارها از ترکیب رصدهایی مثل تابش زمینه، فاصله‌ها و ساختار بزرگ‌مقیاس استنباط می‌شن. کسی جرم تمام جهان و حجم کامل اون رو مستقیم روی ترازو و خط‌کش نذاشته.

در مدل‌های سادهٔ قدیمی که انرژی تاریک در اون‌ها نبود، میان چگالی، خمیدگی و آیندهٔ انبساط ارتباط سرراست‌تری دیده می‌شد. اما اضافه‌شدن مؤلفه‌ای با رفتار متفاوت، این نتیجه‌گیری ساده رو تغییر می‌ده. مرور فنی ناسا/IPAC دربارهٔ چگالی بحرانی

چرا فقط مقدار ماده، آینده رو تعیین نمی‌کنه؟

با انبساط، ماده در حجم بیشتری پخش می‌شه و چگالی متوسطش پایین می‌آد. تابش علاوه بر این رقیق‌شدن، به‌علت کشیده‌شدن طول موج هم انرژی از دست می‌ده. ثابت کیهانی، اگر توصیف درست انرژی تاریک باشه، رفتار متفاوتی داره: چگالی انرژیِ متناظر با اون با انبساط ثابت می‌مونه.

در نتیجه، اهمیت نسبی اجزای جهان با گذشت زمان عوض می‌شه. برای محاسبهٔ تحول، فشار هم کنار چگالی انرژی وارد معادلات می‌شه؛ در گرانش نسبیتی، فقط تصویر نیوتونیِ جرم‌هایی که همدیگه رو می‌کشن کافی نیست.

به همین دلیل، نمی‌شه گفت «جهان بسته حتماً جمع می‌شه» یا «جهان تخت حتماً انبساطش متوقف می‌شه» و بحث رو تمام کرد. حتی در مدل تختِ فقط‌ماده، انبساط می‌تونه برای همیشه ادامه پیدا کنه و صرفاً کندتر بشه. با انرژی تاریک، سرنوشت به رفتار اون مؤلفه هم وابسته می‌شه. مرور علمی ارتباط هندسه و سرنوشت جهان

سه تصویر از آینده، با فرض‌های متفاوت

اگر انرژی تاریک همان ثابت کیهانیِ مثبت باشه، انبساط ادامه پیدا می‌کنه. در زمان‌های بسیار دور، تشکیل ستاره‌های تازه کاهش می‌یابه و منابع قابل استفادهٔ انرژی به‌تدریج محدودتر می‌شن. به این تصویر، سرمای بزرگ یا مرگ گرمایی گفته می‌شه. مرگ گرمایی یعنی کاهش امکان انجام کار از اختلاف‌های قابل استفادهٔ انرژی؛ نه این‌که جهان ناگهان در یک روز مشخص خاموش و ناپدید بشه.

در بعضی مدل‌های دیگر، ممکنه انبساط در آینده جای خودش رو به انقباض بده؛ این سناریو مِه‌رُمب نامیده می‌شه. اما حتی اگر چنین انقباضی رخ بده، یک جهش و مهبانگ تازه نتیجهٔ تضمین‌شده‌اش نیست. گذر از شرایط بسیار شدید به نظریه‌ای فراتر از توصیف کلاسیک نیاز داره.

در سناریوی دیگری، اگر انرژی تاریک رفتار خاصی داشته باشه و اثرش به اندازهٔ کافی افزایش پیدا کنه، گسست ساختارهای مقید مطرح می‌شه؛ این تصویر رو گسست بزرگ می‌نامن. اون هم پیش‌بینی قطعیِ مدل معیار نیست. هر تصویر روی فرض‌های مشخصی دربارهٔ آینده بنا شده و باید این فرض‌ها رو همراه نتیجه بیان کنیم. ناسا: سرنوشت‌های ممکن جهان

منابع علمی و مطالعهٔ بیشتر

جمع‌بندی

فاصلهٔ امروز، زمان سفر نور و امکان دریافت پیام در آینده، سه موضوع جدا بودن. با روشن‌شدن این تفاوت‌ها، دیدیم که آیندهٔ جهان رو هم نمی‌شه فقط از شکل فضا حدس زد. در مدل معیار با ثابت کیهانی، انبساط ادامه‌دار و سردشدن تدریجی انتظار می‌ره؛ اما نتیجهٔ نهایی به رفتار انرژی تاریک وابسته است. علم در اینجا هم پیش‌بینی می‌کنه و هم مرز اطمینان خودش رو نشان می‌ده.