پابه‌پای پلانک: نگاهی به کهن‌ترین نور هستی

arezoo — Sun, 24 Mar 2013 03:27:55 +0000

جنیفر اولیت (Jennifer Ouellette)

برگردان:

احسان سنایی

جنیفر اولیت - بعد از ظهر جمعه، دوم فروردین ۱۳۹۲، هیئت علمی تلسکوپ فضایی میکروموجی پلانک، وابسته به سازمان فضایی اروپا (ESA)، نتایج پانزده ماه پویش مستمر کهن‌ترین نور جهان هستی را منتشر کرد. «تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان» یا به اختصار CMB، نور فوق‌العاده ضعیفی‌ست که تلسکوپ ۹۰۰ میلیون دلاری پلانک می‌بایسته تا حدود تنها یک‌دهم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده باشد تا بتواند نوسانات ریزمقیاس‌اش را در پهنه آسمان تشخیص بدهد.

اما مگر این نور چه حرفی برای گفتن دارد؟ جنیفر اولیت (Jennifer Ouellette)، از نویسندگان مجازی نشریه Scientific American این سؤال را در این مقاله، با زبانی ساده تشریح می‌کند.

ما که طاقت شب‌بیداری‌های قبل از اعلام تازه‌ترین یافته‌های ماهواره پلانک را نداشتیم؛ اما صبح فردایش، همه‌جا پر بود از این اخبار. این شد که نتوانستیم از خیر بررسی‌اش بگذریم. وبلاگ Bad Astronomer، بالاخص شرح جالبی را بر این موضوع نوشته است. آن‌هایی که بیشتر کنجکاو جزئیات خیره‌کننده‌ و نمودارها و تصاویر مربوطه هستند، اتان سیگل (Ethan Seigel) از وبلاگ Starts With a Bang، برایشان دو مطلب ویژه دارد: یکی راجع به تمام چیزهایی که تا قبل از صبح پریروز می‌بایستی درباره جهان می‌دانستید و یکی هم راجع به اینکه یافته‌های تازه، چه حرفی راجع به جهان‌مان برای گفتن دارند.

ولی خب اغلب این مطالب، حول یک مسأله جولان می‌دهند: اینکه داده‌های تازه، "دقیق‌ترین و جزئی‌ترین نقشه از کهن‌ترین نور هستی تا به امروز را در اختیارمان گذاشته‌اند"؛ داده‌هایی که پیش‌بینی‌های عمده مدل استاندارد کیهان‌شناسی را تأیید می‌کنند. اما برای اینکه ماجرا برایتان جالب‌تر شود، این داده‌ها یک برگ برنده هم دارند: گویا کمی «نابهنجاری» در این داده‌ها به چشم می‌خورد. بارزترین‌شان هم نوسانات نامنظم پراکنده در پهنه تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان است.

آرنو پنزیاس (چپ) و رابرت ویلسون، کاشفان تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان در برابر آنتن کراوفورد

این مسأله تا حد زیادی صحت دارد. اما نقشه‌برداری‌های قبلی، نوسانات نه‌چندان تصادفی‌تری را در این داده‌ها نشان می‌دادند و هم‌اینک پلانک، دست به تأیید همین نوسانات تصادفی زده. یعنی به قول فیل پلیت (Phil Plait): "مطابق یک مدل ساده از جهان هستی، جهان اصولاً نباید اینچنین باشد. جهان، در یک مقیاس کلان، یک‌وری‌ست!" درست است: ما در یک جهان یک‌وری زندگی می‌کنیم!

ولی خب این‌ها یعنی چه؟! البته فیزیکدانان هنوز در حال هضم هرچه‌بهتر این یافته‌ها از خلال ده‌ها مقاله موجود و چه بسا صدها مقاله‌‌ای هستند که در راه است؛ اما به قول مت فرانسیس (Matt Francis) از وبلاگ Art Technica، اکثرشان یعنی که "جهان هنوز عجیب و جذاب است". و همین هم مایه خوشوقتی فیزیکدانان است.

حالا شاید بپرسید این تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان اصلاً چیست؟ (و البته حق هم دارید؛ بالاخره همه که یافته‌های کیهان‌شناختی را از نزدیک دنبال نمی‌کنند). در یک کلام، نور بازمانده از بیگ‌بنگ، و یا همان انفجار بزرگ. آرنو پنزیاس (Arno Penzias) و رابرت ویلسون (Robert Wilson)، در اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی موفق شدند این نور را به‌نحوی کاملاً تصادفی تشخیص بدهند. آن وقت‌ها، جامعه فیزیکدانان عموماً به دو دسته تقسیم می‌شد. قاطبه‌شان می‌گفتند که جهان ما، پایا و نامتغیر است و قرار هم نیست که تغییری بکند. تک و توک عده‌ای هم طرفدار مدل انفجار بزرگ بودند؛ که بر مبنای کشف سال ۱۹۲۹ ادوین هابل (Edwin Hubble) ارائه شده بود؛ مبنی بر اینکه کهکشان‌ها در حال دور شدن از همدیگرند.

طبق دیدگاه دومی، جهان روزگاری فوق‌العاده چگال و فشرده بوده و کل ماده، در چشم‌به‌هم‌زدنی طی یک رخداد سهمگین پدید آمد. اما صحت این فرضیه، طبق‌ پیش‌بینی رابرت دیک (Robert Dick)، کیهان‌شناس دانشگاه پرینستون، مستلزم وجود نوری با دمای تقریبی ۳ کلوین (یا حدود منفی ۲۷۰ درجه سانتیگراد) بود. و هیچکس هم موفق به تشخیص‌اش نشده بود.

خب این، یک نمونه بارز از کشفیات تصادفی‌ست. پنزیاس و ویلسون اصلاً پی تابش پس‌زمینه کیهانی نمی‌گشتند. آن‌ها آنتن ۲۰-فوتی و شاخی‌شکل کراوفرود– که از اسقاطی‌های سیستم مخابرات ماهواره‌ای ایالات متحده بوده – را صرفاً برای بزرگ‌نمایی و بررسی سیگنال‌های رادیویی پهنه راه شیری و سایر کهکشان‌ها به کار گرفته بودند. مشکل‌‌شان فقط این بود که چنین بررسی‌های دقیقی را با نویز دردسرسازی که در پس‌زمینه حاضر بود، اصلاً نمی‌شد انجام داد: چیزی شبیه پارازیت. سیگنال یکدستی در محدوده میکروویو، که ظاهراً از هم طرف هم دریافت می‌شد.

آن‌ها به هر حربه‌ای که می‌شد، متوسل شدند. حتی برای پرندگان آن حوالی تله گذاشتند و سطح آنتن را هم از فضله‌هایشان پاک کردند؛ اما نتوانستند از شر این پارازیت خلاص شوند. این شد که با دیک مشورت کردند و او هم این کشف را به تأیید رساند. او به همکارانش گفته بوده: "در پوست خود نمی‌گنجیم" (آن تله کذایی هم حالا بخشی از مایملک موزه ملی هوا و فضای اسمیتسونین واشنگتن شده).

کشف تابش CMB، مدل انفجار بزرگ را بهک‌باره سر زبان‌ها انداخت؛ اما هنوز دانشمندان مانده بودند که اگر این نور، این‌همه یکدست و صاف است، پس چرا جهان‌مان پر از ستاره‌ها و خوشه‌های کهکشانی‌‌ست؟ چرا پرده یکدستی از غبار جهان‌مان را نپوشانده؟ این شد که باز پیش‌بینی کردند که احتمالاً نوسانات ضعیفی را بتوان در پهنه این تابش باستانی یافت که در واقع ردپای اختلاف چگالی ماده در سنوات نخستین تشکیل جهان، و به عبارتی بذر نخستین کهکشان‌های عالم هستند.

به این نوسانات باستانی، اصطلاحاً «ناهمسانگردی» (Anisotropy) می‌گویند: یعنی به هر سو که می‌گردی، تفاوت‌هایی احساس می‌کنی و در اینجا هم هر قسمت از آسمان را که دید می‌زنی، به وجود اختلافات ناچیزی در دمای تابش CMB پی می‌بری. خیلی چیزها ناهمسانگرد حساب می‌شوند؛ حتی چیز پیش‌پاافتاده‌ای مثل شیشه‌های پلاریزه عینک آفتابی: اگر شیشه را با یک زاویه مشخص بگیری، نور پلاریزه می‌تواند از آن عبور کند، ولی اگر جهتش را عوض کنی، دیگر این نور را نمی‌بینی. از آنجاکه شیشه در جهات مختلف، رفتارهای مختلفی بروز می‌دهد، اصطلاحاً «ناهمسانگرد» است. پلاسما (یا گاز یونیزه) هم می‌تواند ناهمسانگرد باشد: مثلاً میدان مغناطیسی‌اش به یک‌ور بیشتر متمایل باشد.

مفهوم کلیدی دیگری که در این زمینه جلب نظر می‌کند، «تابش جسم سیاه» است. نور تابش‌شده از سنوات نخستین جهان هستی (که ما در اینجا به جهان، «جسم» می‌گوییم)، باید اصولاً در سرتاسر طیف الکترومغناطیس پخش شده باشد و شکل کلی طیف‌اش هم کاملاً بستگی به دمای این نور دارد. پس اگر ما از دمای این «جسم سیاه» خبر داشته باشیم، می‌توانیم شکل طیف نوری‌اش را هم پیش‌بینی کنیم.

ناسا در هجدهم نوامبر ۱۹۸۹، ماهواره COBE را به‌منظور بررسی همین خواص تابش CMB به فضا فرستاد؛ و اولین نتایج آن هم درست ۹ دقیقه پس از استقرار در مدار به زمین مخابره شد. مجموع داده‌های دریافتی، شکل یک طیف تمام‌عیار جسم سیاه را می‌ساخت – و این یعنی که جهان، یک جاذب و دافع تمام‌عیار نور است. وقتی منحنی نهایی حاصل از این محاسبات، در نشست سال ۱۹۹۰ انجمن نجوم ایالات متحده ارائه شد، انطباق بی‌سابقه بین نظریه و مشاهده را می‌شد دید. اصلاً صدای حیرت همه را هم می‌شد شنید؛ صدایی که بلافاصله با همهمه تشویش ایستاده حضّار همراه شد. خودتان ببینید:

طیف دمایی تابش CMB، طبق محاسبات کاوشگر COBE

قشنگ نیست؟ واقعاً اتفاق نادری‌ست که نظریه و مشاهده با چنین دقتی با هم چفت شوند. تیم علمی کاوشگر، از روی همین نمودار، موفق به تشخیص نوسانات ضعیف تابش CMB و لذا نخستین نواحی تجمع ماده در پهنه جهان شدند.

«نقشه» این نوسانات دمایی، در نشست ماه آوریل ۱۹۹۲ انجمن فیزیک آمریکا در شهر واشنگتن ارائه شد – از جمله نخستین سمینارهایی که خودم به‌عنوان یک نویسنده علمی جوان در آنها حضور داشتم. کنفرانس خبری هیئت علمی کاوشگر، اصلاً جای سوزن انداختن نداشت. پر شده بود از دوربین‌های تلویزیونی شبکه‌های مهم خبری دنیا و گزارشگران رادیویی و جراید و البته جو هیجان‌انگیزی که راحت همه را منقلب می‌کرد. به‌ویژه‌ از این بابت که جان کلام را می‌شد در اولین نگاه، فهمید: تصویری از جهان هستی در سنین شیرخوارگی و توضیحی در پس پشت منشأ تمام کهکشان‌ها و ستارگان.

نقشه تمام‌نمای نوسانات دمایی تابش CMB از دید کاوشگر پلانک

COBE اولین کاوشگری بود که حساسیت کافی برای تشخیص چنین نوساناتی را داشت؛ ولو که مقدارشان فقط یک‌صدهزارم درجه سانتیگراد بود. این کاوشگر، همچنین دقیق‌ترین محاسبات از دمای جهان هستی را هم به ثمر رساند: ۲.۷۲۶ کلوین. یافته‌های COBE، مدرک محکمی در پشتیبانی از مدل بیگ‌بنگ بود. به همین خاطر هم استفان هاوکینگ این یافته‌ها را "بزرگ‌ترین کشف قرن؛ اگر نه تمام دوران‌ها" نامید.

ولی خب این قصه با COBE به سر نرسید. حسگرهای Boomerang و DASI هم، سوار بر بالن‌های پرارتفاع، محاسبات دقیقی از این تابش میکروویوی صورت دادند و همین اخیراً، ماهواره WMAP نیز بر مبنای محاسبات مشابهی از این تابش، دقیق‌ترین مقادیر گزارش‌شده از کمیت‌های تعیین‌کننده‌ای نظیر سن جهان، میزان انحنای فضا-زمان و لحظه تولد نخستین اتم‌ها و ستارگان هستی را صورت داد.

همین، باز دوباره ماجرای پلانک و خبر پریروزش را پیش می‌کشد. پلانک، جانشین COBE و WMAP است. به‌شخصه، توصیفی که کریستف گورسکی (Krzystof Gorski) در جریان نشست خبری پریروز، از این ماهواره صورت داده را خیلی می‌پسندم: پلانک، "فراری مأموریت‌هایی‌ست که وقف بررسی تابش پس‌زمینه کیهانی شده‌اند". او در ادامه گفت: "فناوری را ارتقا می‌دهید و نتایج هرچه‌دقیق‌تر حاصل می‌کنید. برای یک اتومبیل، این موضوع به معنای افزایش سرعت و آمار پیروزی‌‌ست. اما برای پلانک، این به‌معنای گنجینه‌ای از داده‌های خیره‌کننده، و کسب درک ژرف‌تری از خصوصیات و تاریخچه جهان هستی‌ست".

پلانک، گذشته از تشخیص «نابهنجاری‌»هایی که شرح‌شان رفت، دستورالعمل تازه‌ای را هم برای تشکیل جهان عرضه کرده – یا به عبارت بهتر، محاسبات دقیق‌تری از مقدار «مواد سازنده»اش را. جان کلام اینکه:

"این نقشه نشان داد که ماده تاریک، حدود ۲۶.۸ درصد از جهان‌مان را شکل داده که نسبت به ۲۴ درصد محاسبات قبلی، مقدار بیشتری‌ست؛ و ماده معمولی هم ۴.۹درصد، در عوض ۴.۶درصد قبلی. این نتایج همچنین نشان می‌دهند که حدود ۶۸.۳ درصد از جهان، در عوض ۷۱.۴ درصدی که قبلاً تخمین زده شده بود، از انرژی تاریک تشکیل شده است".

ضمناً برآورد تازه‌ای از سرعت انبساط جهان (و یا به‌عبارت دقیق‌تر، مقدار «ثابت هابل») را هم به دست آورده‌ایم: ۶۷.۱۵مثبت/منفی ۱.۲ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک (هر مگاپارسک، معادل تقریباً ۳ میلیون سال نوری‌ست). این مقدار، از مقادیر قبلی که به طُرُق دیگری توسط تلسکوپ‌های فضایی هابل و اسپیتزر محاسبه شده بود، کمتر است. و این، دوباره خودش یعنی که جهانْ کمی مسن‌تر از آن چیزی‌ست که تاکنون تصورش می‌رفت: یعنی حدود ۱۳.۸۲ میلیارد سال عمر دارد.

پس، همان‌طور که می‌بینید، علم همین‌طور در برابرتان رژه می‌رود. سال آینده بایستی منتظر یافته‌های کامل‌تر و دقیق‌تر پلانک بود. و خب بعدش چه می‌شود؟ از کجا معلوم؟

منبع: Scientific American

در همین زمینه:

آیا می‌توان به ردپای بیگ‌بنگ اعتماد کرد؟

یک چشم و یک دنیا سؤال

آیا حفره کیهانی، واقعاً وجود دارد؟

توضیحات تصاویر:

۱ – طرحی از ماهواره اروپایی پلانک / ESA

۲ – آرنو پنزیاس (چپ) و رابرت ویلسون، کاشفان تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان در برابر آنتن کراوفورد / Scientific American

۳ – طیف دمایی تابش CMB، طبق محاسبات کاوشگر COBE / ناسا

۴ - نقشه تمام‌نمای نوسانات دمایی تابش CMB از دید کاوشگر پلانک / ESA

پس‌ زمینه کیهان

پابه‌پای پلانک: نگاهی به کهن‌ترین نور هستی