کیهان اولیه: ساعت‌های استاندارد و شتاب‌دهنده کیهانی

در جستجوی سرنخی از گذشته

طبق کیهان‌شناسی استاندارد، جهانِ قابل مشاهده ما از حدود ۷/۱۳ میلیارد سال پیش در حال منبسط شدن بوده است. چنین شناختی از کیهان عمر زیادی ندارد؛ فیزیک‌دانان با رصدهایی که انجام دادند، تنها در اوایل قرن بیستم بود که توانستند به این نتیجه شگرف دست ‌یابند. کیهان‌شناسی استاندارد مهبانگ یک مدلِ فیزیکی مبتنی بر نظریه نسبیت عام اینشتین است که تا به حال به خوبی با تمام مشاهدات کیهانی ما سازگار بوده. بر اساس این مدل ابتدا کیهان بسیار داغ بوده و مملو از ذرات نسبیتی اما در طول زمان در اثر انبساط کیهان سرد و سردتر شده تا زمانی که تشکیل ساختارهای کیهانی ممکن شده و در داخل این ساختارها کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات تشکیل شده‌اند.

با این وجود که مدل استاندارد کیهان‌شناسی یک مدل بسیار موفق در توصیف مشاهدات کیهانی است، نقاط تاریکی نیز در ساختار درونی خود دارد. طبق این مدل عناصر شناخته‌شده تنها حدود ۵ درصد از بودجه ماده و انرژی کیهان را شامل می‌شوند که تشکیل‌دهنده جسمِ انسان، کره زمین، ستاره‌ها، کهکشان‌ها و گازهای میان کهکشانی هستند اما ۹۵ درصد مابقی به دو دسته کلی ماده تاریک و انرژی تاریک تقسیم می‌شود که هر کدام ویژگی‌های متفاوت با یکدیگر و با تمام عناصر شناخته‌شده دارند. به گواهی تاریخ این نقاط تاریک نشانه‌هایی هستند بر فیزیک ناشناخته که آیندگان به آن‌ها دست‌خواهند یافت. در واقع بخش اعظمی از فعالیت فیزیک‌دانان انرژی‌های بالا معطوف به پیداکردن پاسخ مناسب برای این سوالات است.

علاوه بر ماده تاریک و انرژی تاریک سوالات بی‌پاسخ دیگری نیز در کیهان‌شناسی استاندارد وجود دارد؛ از آن جمله مساله شرایط اولیه. کیهانی که ما مشاهده می‌کنیم یک‌سری ویژگی‌های خاص دارد که با شروع از یک حالت دلخواه اولیه تحت دینامیک مدل استاندارد کیهان‌شناسی بسیار نامحتمل هستند. به عنوان نمونه، کیهان قابل مشاهده ما در مقیاس‌های بزرگ همگن و همسانگرد هست؛ به این معنی که ما وقتی با ابزار رصدیِ مناسب آسمان را در مقیاس‌های بزرگ رصد می‌کنیم، نقاط مختلف آن ویژگی‌های یکسانی دارند. اگر فیزیکی فراتر از فیزیک شناخته‌شده ما وجود نداشته باشد، باید بپذیریم که شرایط اولیه کیهان تنظیم ظریف‌ شده بوده و در نهایت چنین کیهانِ همگنی نتیجه آن تنظیم ظریف است. اما یک امکان دیگر آن است که فیزیک ناشناخته‌ای وجود دارد که این شرایط بسیار خاصِ اولیه را تولید می‌کند.

تلاش برای پاسخ به مشکل شرایط اولیه ما را به شناختنِ فیزیک قبل از کیهان‌شناسی استاندارد رهنمون می‌شود. یکی از تلاش‌های نسبتا موفق در این راستا ارائه مدل تورمی بوده ‌است. مدل تورمی در سال ۱۹۷۹ توسط آلن گوث مطرح شد. ایده او اضافه کردن یک فاز انبساط بسیار سریع و تورمی به کیهان‌شناسی استاندارد بود. تحت این انبساط سریع دسته بسیار بزرگی از شرایط اولیه دلخواه در انتهای دوره تورم به شرایط اولیه مناسب برای کیهان‌شناسی استاندارد تبدیل می‌شوند. این ایده بسیار سریع مورد توجه کیهان‌شناسان قرار گرفت و در مدت زمان کوتاهی مدل‌های زیادی ساخته شد تا این فاز تورمی را به کیهان‌شناسی استاندارد بچسباند. در ادامه توافق پیش‌بینی‌های ساده‌ترین مدل‌های تورمی با مشاهدات کیهانی آن را به مدل محبوب بین فیزیک‌دانان تبدیل کرد.

از زمان معرفی تورم تا به حال همواره ایده‌های بدیل مطرح بوده‌اند؛ از جمله جهان دوره‌ای. علی‌الاصول پیش‌بینی‌های کلیدی تورم قابل بازیابی توسط چهارچوب‌های بدیل هستند، با این وجود مدل‌های مطرح شده در این راستا همواره از مشکلات ساختاری بیشتری نسبت به تورم رنج برده‌اند. بسیاری از فیزیک‌دانان و کیهان‌شناسان علاقه‌مندی بیشتری به پارادایم تورم نشان می‌دهند چرا که در چهارچوب تورم مدل‌هایی ساخته‌شده‌اند که مسائل بسیاری را حل می‌کنند بدون اینکه مشکلات جدید بیشتری تولید کند. اما این امکان وجود دارد که کیهان در دوران طفولیت خود چنین رفتار ساده‌ای نداشته و ما نیاز داریم امکانات بیشتری را کاوش کنیم تا به تحول واقعی کیهان در آن زمان پی ببریم.

بهترین رویکرد این خواهد بود که مشاهده‌پذیرهایی پیدا کنیم که با رصد آن‌ها بتوانیم در مورد سناریوهای مختلف قضاوت کنیم، نه یک مدلِ خاص در آن سناریو. این رویکرد از دو جهت اهمیت فراوانی دارد: اول آنکه تا به حال به تعداد بسیار زیادی مدل تورمی توسط کیهان‌شناسان ارائه شده‌اند و آزمون‌های وابسته به مدل برای قضاوت در مورد پارادایم تورم به عنوان یک کل قاطع نیستند؛ دوم آنکه در چهارچوب‌های بدیل مدل‌های کامل کمتری وجود دارد و برای اینکه آزمون‌های وابسته به مدل را محکی جدی در نظر بگیریم باید منتظر بمانیم تا مدلی کامل ارائه شود تا در مورد آن قضاوت کنیم.

معرفی نخستین مشاهده‌پذیرهای مستقل از مدل توسط شینگانگ چن، عضو مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت‌سونین انجام پذیرفت و با همکاری افرادی همچون یی وَنگ و محمدحسین نامجو پرورانده شد. این مشاهده‌‎پذیرها در واقع یک سری عارضه‌های نوسانی در توابع همبستگیِ اختلالات کیهانی هستند؛ حضور میدان‌های جرم‌دار در جهان اولیه نقشِ «ساعت‌های استاندارد اولیه» را بازی می‌کند و تحول زمانی کیهان اولیه را به صورت سیگنال‌های نوسانی در آمار اختلالات کیهانی برای ما ثبت می‌کند. محاسبات و پیش‌بینی‌های انجام‌شده توسط همین گروه نشان می‌دهد در طی چند دهه آینده با افزایش بی‌سابقه از دو جهت داده‌های رصدی به خصوص داده‌های مربوط به ساختارهای بزرگِ کیهانی و نیز طیف ۲۱سانتی‌متر اتم هیدروژن این امکان خواهد بود که این عارضه‌های نوسانی مشاهده شوند.

فیزیک مربوط به کیهان اولیه به دلایل دیگری نیز علاقه‌مندان زیادی (به خصوص فیزیکدانان ذرات بنیادی) را به خود جذب کرده‌است. یکی از آن‌ها امکان استفاده از کیهان اولیه به عنوان «شتاب‌دهنده  کیهانی» است. از همان عارضه‌های نوسانی احتمالی در توابع طیف توان می‌توان اطلاعاتی در مورد ذرات و میدان‌های فیزیکی موجود در دوران کیهان اولیه کسب کرد. این شیوه‌ی کار در واقع معادل تحلیل‌هایی هست که در آزمایش‌های زمینیِ شتاب‌دهنده‌ی ذرات صورت می‌گیرد. در شتاب‌دهنده‌های زمینی برای بالا بردن انرژی نیاز به ساختن شتاب‌دهنده‌های غول‌آسا با هزینه‌های بسیار بالاست. با توجه به اینکه انرژی کیهان اولیه بسیار زیاد بوده، پرانرژی‌ترین شتاب‌دهنده ممکن را طبیعت برای ما فراهم‌کرده و تمام آزمایش‌های آن نیز ۱۴ میلیارد سال پیش انجام شده و نتایج آن‌ها در آمار اختلالات کیهانی ثبت شده‌اند. قدم‌های بعدی فیزیک‌دانان نظری و رصدی در راستای پرده برداشتن از رازهایی خواهد بود که در کیهان کدگذاری شده‌اند.

توسط رضا عبادی

شاید بپسندید مطالب بیشتر از نویسنده

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.