آیا مهبانگ واقعا رخ داده است؟

کیهان شناسان چطور می توانند دریابند که چه اتفاقاتی در میلیاردها سال پیش رخ داده است؟

کد خبر: ۴۷۶۵۷۱

تاریخ: ۳۰ بهمن ۱۳۹۳ - ۰۷:۴۷

امروزه بیشتر فیزیکدانان و کیهان‌شناسان بر این باورند که جهان ما با انفجاری بزرگ که به مهبانگ (بیگ‌بنگ) موسوم است حدود 14 میلیارد سال پیش به وجود آمده و حتی بیش از این می‌توانند به ما بگویند که پس از زمان پلانک، یعنی زمانی حدود 44 ـ 10 ثانیه پس از انفجار، لحظه‌به‌لحظه چه اتفاقاتی در جهان رخ داده است.

امیرحسن موسوی در جام جم آنلاین نوشت؛ پرسش اساسی اینجاست که کیهان شناسان چطور می توانند دریابند که چه اتفاقاتی در میلیاردها سال پیش رخ داده است؟ یعنی صحبت از اتفاقاتی کنند که حتی در آن زمان زمین خودمان هم هنوز شکل نگرفته بود. اگر جهان واقعا با انفجاری مهیب آغاز شده، آیا هنوز بقایا و آثاری از وقوع چنان انفجاری باقی مانده است؟ آیا شواهدی وجود دارد که ما را به وقوع این انفجار مهیب اولیه رهنمون سازد؟ به نظر می رسد طبیعت سرنخ هایی را در اختیار ما قرار داده است.

تنها ابزار ما برای شناخت فیزیکی این جهان نور است و هر اطلاع و شواهدی که از کیهان در دست داریم از طریق مشاهده نوری که از اجرام دوردست در طول موج های مختلف امواج الکترومغناطیس به ما رسیده، به دست آورده ایم. خوشبختانه نور در مقیاس کیهانی آن قدرها هم سریع نیست! نور اجرام بسیار دور میلیون ها سال و گاهی میلیاردها سال طول می کشد که به ما برسد. این یعنی وقتی به جرمی که چند میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد نگاه می کنیم، در واقع در حال تماشای نمایی از کیهان در چند میلیارد سال پیش هستیم. این قضیه از آن سو نیز صادق است: تصور کنید تمدن هوشمندی واقع در 65 میلیون سال نوری از ما در حال مشاهده زمین است. در این حالت آنها نمایی از زمین را می بینند که 65 میلیون سال پیش داشت. آنها به جای ما دایناسورها را می بینند که روی زمین پرسه می زنند! مشاهده دوردست ها در فضا معادل است با مشاهده تاریخ های گذشته در زمان و این یکی از مهم ترین سرنخ هایی است که طبیعت در اختیارمان قرار داده است. آیا چنین سرنخی می تواند به ما از لحظات اولیه عالم یعنی درست پس از مهبانگ چیزی بگوید؟ مشاهده چگونگی حرکت کهکشان ها می تواند اطلاعاتی از علت حرکت آنها در اختیارمان قرار دهد؟ تصور کنید مجموعه ای از چند تیله در حال دور شدن از یکدیگر هستند و شما لحظه ضربه به تیله ها را ندیده اید. آیا از جهت دور شدن تیله ها از یکدیگر می توان حدس زد که ضربه در کدام نقطه و در چه جهتی به تیله ها وارد شده است؟

آیا همه چیز محصول مشاهدات است؟

در کیهان شناسی همه چیز محصول مشاهدات صرف نیست. مشاهدات در واقع مواد خامی است که با کمک تفسیرمان از آنها و ریاضیات، مدلسازی کرده و نظریاتمان را بنا می نهیم. در بسیاری از مواقع مشاهدات حتی نقش ثانویه دارند. یعنی ما ابتدا فرض هایی را در نظر می گیریم و مدل هایی صرفا ریاضیاتی برای تبیین کیهان می سازیم و بعد با مدل هایمان پیش بینی های مشاهداتی انجام می دهیم؛ سپس اگر پیش بینی هایمان درست بود و از محک تجربه سربلند بیرون آمد، می پذیریم که فرض های اولیه مان نیز درست بوده است.

از کجا آمده ایم؟!

این شاید قدیمی ترین پرسش بشر باشد که هنوز هم جواب قطعی برای آن نیافته ایم. شاید کمتر پرسشی در تاریخ اندیشه بشری اینچنین وسیع فکر همه - از فلاسفه و شعرا تا فیزیکدانان و کیهان شناسان - را به خود مشغول کرده است. از سال 1964به این سو که تابش زمینه کیهانی کشف شد، پاسخ بیشتر فیزیکدانان به این پرسش، آغاز جهان با انفجاری بزرگ بوده است. از سرعت کهکشان ها تا ابرهای گازی کهن برجای مانده از عالم اولیه همه حکایت روشنی از وقوع انفجاری بزرگ دارند.

یک کشف بزرگ، اما اتفاقی!

در سال 1964 رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس به طور اتفاقی کشفی بزرگ و سرنوشت ساز در تاریخ کیهان شناسی انجام دادند. این دو، فیزیکدان و ستاره شناسی بودند که آسمان را در بخش امواج رادیویی و ریزموج ها مطالعه می کردند. آنها وقتی مشغول بررسی و ارزیابی ابزارهایشان بودند متوجه سیگنال ثابتی شدند که در همه جهت ها با شدت یکسانی قابل دریافت بود. آنها در حالی که می کوشیدند تا سیگنال های مزاحم پس زمینه را از سیگنال های دریافتی آنتن رادیویی خود حذف کنند، متوجه شدند که قادر به حذف این نویز نیستند و دریافتند که این نویز در تمام جهات به صورت یکسان دریافت می شود. این به آن معنی بود که این سیگنال می بایستی از ورای کهکشان آمده باشد، در غیر این صورت نمی توانست در تمام جهات آسمان به صورت یکسان دریافت شود. همگرایی شدید این سیگنال نیز نشان می داد که منبع این سیگنال در فاصله دوری از ما قرار دارد و در نتیجه این سیگنال در اوایل عمر جهان ایجاد شده است و چنان منبع قدرتمندی دارد که ما امروزه قادر به دریافت این سیگنال هستیم. چنین سیگنالی را چه منبعی می تواند تولید کند؟ اگر مثلا از سمت کهکشان خودمان تولید شود، باید در جهتی خاص با شدت قوی تری دریافت شود. اگر مربوط به اجرامی خارج از کهکشان ما بود نیز باید شدتش در جهات مختلف متفاوت می بود. زیرا می دانیم کیهان از هزاران خوشه های کهکشانی تشکیل شده است که فضاهای خالی بسیار وسیعی در بین این خوشه ها وجود دارد. بر این مبنا اگر ما جهت آنتن دریافت کننده را در سمت های مختلف بگیریم باید شدت دریافتمان تغییر کند. علی الاصول باید در راستاهایی که خوشه های کهکشانی وجود دارد شدت دریافت امواج بیشتر از جهت هایی باشد که فضاهایی تهی و خالی از ماده در کیهان است. اما در کمال تعجب پنزیاس و ویلسون موجی را یافته بودند که شدتش در همه جهات و در همه زمان ها یکسان بود. آنها دریافتند که چنین سیگنالی از زمانی در جهان می آید که توزیع ماده در سراسر کیهان یکسان بود. این یافته نشان می داد که جهان در زمان های دور ظاهری به کلی متفاوت از حالا داشت و این اولین شاهد قدرتمند برای آغاز جهان با انفجاری بزرگ بود.

این کشف تائیدکننده پیش بینی های عمومی نظریاتی بود که وجود چنین تابشی را پیش بینی می کرد. این موضوع موازنه شواهد تجربی را به نفع نظریه مهبانگ تغییر داد و در سال ۱۹۷۸ برای این کشف به پنزیاس و ویلسون جایزه نوبل اهدا شد. اما باز هم این همه داستان نبود. کیهان شناسان برای مطالعه بیشتر و دقیق تر تابش ریزموج زمینه کیهانی کاوشگرهایی را به خارج از جو زمین فرستادند. در سال 1992 کاوشگر زمینه کیهانی (Cosmic Background Explorer) نشان داد که این تابش آن قدرها هم که پنزیاس و ویلسون تصور می کردند یکنواخت نیست. اطلاعات این کاوشگر نشان داد که عالم اولیه کاملا یکدست نبوده است. این یکنواخت نبودن و نوسانات در امواج زمینه کیهانی می تواند توضیحی برای ترکیب ذرات بنیادی با یکدیگر، شکل گیری عناصر سنگین تر در زمان های پس از مهبانگ و در نهایت شکل گیری ستاره ها و کهکشان ها باشد. در سال 2009 تلسکوپ فضایی پلانک برای بررسی بازهم دقیق تر امواج زمینه کیهانی به فضا پرتاب شد و سال 2013 دقیق ترین نقشه ای را که از کیهان تاکنون داشته ایم به ما ارائه داد (تصویر کادر بالا). این نقشه نبود تقارن و ناهمسانگردی عجیبی را در تابش زمینه کیهانی آشکار کرد. یکی از اصول اولیه در مدل استانداردکیهان شناسی همسانگرد بودن جهان در مقیاس های وسیع است. همسانگردی یعنی جهت مُرَجَّعی در فضا وجود ندارد و ساختار جهان در همه جهات فضایی یکسان است. کیهان شناسان هنوز به طور دقیق علت ناهمسانگردی مشاهده شده در نقشه مذکور را نمی دانند. هرچند که این ناهمسانگردی ها در تابش زمینه کیهانی چالشی بزرگ برای نظریه مهبانگ محسوب نمی شود اما به ما گوشزد می کند که هنوز راه درازی تا توضیح کامل شکل گیری جهان در پیش داریم.

گذشته های دور و کهن ابرهای عظیم کیهانی

تلسکوپ های مدرنی که امروز در اختیار داریم، این توان را در اختیارمان قرار داده است که به دوردست ترین بخش های عالم نگاه کنیم؛ مناطقی با فاصله ای در حدود 13 میلیارد سال نوری و این یعنی زمان هایی نزدیک (در مقیاس های کیهانی) به مهبانگ. اگر مهبانگ واقعا رخ داده باشد، انتظار داریم در چنین فاصله هایی ابرهای عظیمی از گاز را مشاهده کنیم که هنوز فرصت کافی برای تبدیل شدن به ستاره ها و کهکشان ها را نیافته اند. ستاره شناسان بتازگی چنین ابرهای گازی را در فواصل 12 تا 13 میلیارد سال نوری یافته اند. هرچند این ابرهای عظیم در فواصل بسیار دوری از ما قرار گرفته است، اما با دریافت نور عبوری از آنها و استفاده از روش طیف سنجی، می توانیم بدانیم که این ابرها از چه عناصری تشکیل شده است. همان طور که نظریه انفجار بزرگ یا مهبانگ پیش بینی می کند عناصر سازنده این ابرهای کهن کیهانی بسیار متفاوت از عناصر سازنده کیهانی که امروز ما را در برگرفته است. اغلب عناصر شیمیایی موجود در جهان اطراف ما از عناصر آلی تشکیل دهنده بدن خودمان تا عناصر سازنده کره زمین، عناصری است که زمانی در دل ستاره ها به وجود آمده است. از آنجا که ابرهای کهن کیهانی را ما در زمانی مشاهده می کنیم (13 میلیارد سال پیش) که هنوز ستاره ای در کیهان شکل نگرفته است، انتظار می رود ابرهای مزبور خالی از عناصر سنگینی باشد که ستاره ها آنها را به وجود آورده است. در واقع این ابرها فقط باید شامل عناصر سبکی باشد که در لحظات اولیه عالم شکل گرفته است. حالا جالب است بدانید مشاهدات مطابق همین پیش بینی هاست! این ابرها فقط شامل عناصر سبکی مانند هیدروژن و هلیوم است، یعنی عناصری که پیش از شکل گیری ستاره ها در کیهان گسترش یافته بود.

اما سوال اساسی همچنان پابرجاست...

همه این حرف ها درباره پس از مهبانگ بود. اما چه چیزی به خود مهبانگ منجر شده است؟ عاملی که به انفجار بزرگ اولیه منجر شد هنوز یکی از بزرگ ترین معماهایی است که برترین ذهن های بشر را مشغول خود ساخته است. انفجاری در دل یک سیاهچاله عظیم، چرخه ای مداوم و ابدی از مرگ و حیات برای جهان، حبابی در یکی از جهان های چندگانه یا به قول استیون هاوکینگ هیچ علتی و فقط یک میدان کوانتومی اولیه! پاسخ هرچه باشد از طریق دانش امروزی مان قابل وصول نیست. زیرا روش شناسی علوم تجربی بر مبنای مشاهدات بنا شده است و ما تا امروز هیچ طریقی برای مشاهده یا کسب اطلاعاتی از لحظه وقوع خود مهبانگ نیافته ایم. در چنین اوضاعی هر پاسخی که برای این پرسش مهیا کنیم، بیش از آن که پاسخی علمی باشد به سمت گیری فلسفی ما وابسته است.

جهان در حال انبساط است

وقتی با چشمان غیرمسلح به آسمان شب نگاه می کنیم، تقریبا تمام آنچه می بینیم ستاره های کهکشان خودمان، یعنی ستاره های کهکشان راه شیری است؛ اما اگر با تلسکوپ به آسمان نگاه کنیم ـ حتی با تلسکوپی کوچک ـ علاوه بر ستاره ها توده های ابری شکل دیگری در آسمان می بینیم. بعضی از اینها، کهکشان های دیگری هستند شبیه به کهکشان خودمان که بسیار دورتر از ستاره های کهکشان راه شیری از ما قرار گرفته اند و هریک خود میلیاردها ستاره دارند.

هرچقدر ابزار رصدی مان قدرتمند تر باشد تعداد بیشتری از این کهکشان ها می بینیم. در عکس مقابل که تصویر فراژرف هابل نام دارد و فقط از ناحیه بسیار محدودی از آسمان تهیه شده، ده هزار کهکشان قابل شناسایی است! اغلب این کهکشان ها با سرعتی معادل صدها و گاهی هزاران کیلومتر در هر ثانیه در حال دور شدن از ما هستند. دور شدن کهکشان ها از ما یعنی جهان در حال انبساط است و جهان در حال انبساط یعنی ابعاد هستی در گذشته کوچک تر از حالا بوده است.

اگر در جهت گذشته به قدر کافی بر پیکان زمان پیش برویم به لحظه ای می رسیم که تمام مواد موجود در جهان در یک نقطه فشرده شده و از آن نقطه به سمت بیرون در حال گسترش است. آن لحظه، لحظه مهبانگ است. با محاسبه سرعت دور شدن کهکشان ها از ما حتی می توانیم تاریخ انفجار را که حدود 14 میلیارد سال پیش است محاسبه کنیم؛ اما از کجا می دانیم کهکشان ها در حال دور شدن از ما هستند؟ سرنخی که ما را به این موضوع رهنمون می سازد رنگ کهکشان هاست؛ کهکشان ها قرمزتر از آنچه باید باشند به نظر می رسند!

تابش زمینه کیهانی، بقایای یک انفجار مهیب

چشمانمان قادر به دیدن این تابش نیست، اما ابزارها و تلسکوپ هایی داریم که می توانند آنها را ثبت کنند. می دانید که چشم ما فقط قادر به شناسایی بخش کوچکی از نورهای موجود در جهان است. در حقیقت ما فقط می توانیم بخش مرئی طیف نور را ببینیم که طول موجی بین 400 نانومتر (رنگ بنفش) تا 700 نانومتر (رنگ قرمز) دارد. در حالی که محدوده وسیعی از نور گسیل شده در کیهان مانند امواج گاما، ایکس، فرابنفش، فروسرخ، ریزموج ها و امواج رادیویی برای چشم های ما بدون ابزار قابل مشاهده نیست. در واقع آنها طول موجی کوتاه تر یا بلندتر از محدوده امواجی دارند که چشم انسان توانایی تشخیص آنها را دارد.

پس از واقعه انفجار بزرگ یا مهبانگ، درخشندگی شدیدی سراسر کیهان را مملو از تابش خود کرد و همین طور که جهان در حال گسترشِ ناشی از انفجار اولیه بود، طول موج بیشینه تابش در محدوده ریزموج ها (محدوده یک میلی متر تا یک متر) قرار گرفت. تلسکوپ هایی که در محدوده ریز موج به بررسی کیهان می پردازند می توانند چنین تابش کهنی را که مربوط به لحظات اولیه عالم است، رصد کنند. این تابش در همه جا و در هر جهتی از آسمان، در شب و روز قابل رویت است و به همین جهت به آن «تابش زمینه کیهانی» می گویند.

در عکس بالا کمربند کهکشان راه شیری را برفراز رصدخانه جنوبی اروپا مشاهده می کنید که آسمان را دربر گرفته است. توده نورانی که در مرکز تصویر مشاهده می شود، مرکز کهکشان خودمان است. ما در واقع منظره ای از کهکشان خودمان در 27 هزار سال پیش را نگاه می کنیم، زیرا 27 هزار سال نوری از مرکز کهکشان راه شیری فاصله داریم. حال اگر ما به جاهای دورتری از عالم نگاه کنیم، آن قدر دور که به لحظات اولیه جهان نزدیک شویم، می توانیم از اوضاع جهان در لحظات اولیه آگاه شویم؟

چرا کهکشان ها قرمزتر از آنچه که باید باشند به نظر می رسند؟

تقریبا همگی ما با اثر داپلر در امواج صوتی آشناییم: آمبولانسی که آژیرکشان از ما دور می شود صدای آژیرش بم تر از حالتی که حرکتی ندارد به گوشمان می رسد. علت این رویداد کش آمدن امواج هنگامی است که منبع صوتی از شنونده دور می شود.

به زبان فیزیکی منبع صوتی که از شنونده دور شود، صوتش با بسامد کمتر و طول موج بلندتر به گوش شنونده رسیده و در نتیجه شنونده صدا را بم تر از حالت عادی می شنود. داستان برای کهکشان ها نیز به همین صورت است.

تفاوت کهکشان ها با صدای آژیر آمبولانس این است که نور دریافتی از کهکشان ها در حقیقت نوعی از امواج الکترومغناطیسی است. در امواج صوتی طول موج بلندتر یعنی صدای بم تر؛ اما در امواج الکترومغناطیس طول موج بلندتر یعنی رنگ قرمزتر. همان طور که از بم تر شدن صدای آژیر به این نتیجه می رسیم که آمبولانس در حال دور شدن از ماست، از قرمزتر شدن رنگ یک کهکشان نیز به این نتیجه می رسیم که آن کهکشان در حال دور شدن از ماست. به این پدیده در فیزیک انتقال به سرخ یا قرمزگرایی می گوییم. هرچقدر سرعت دور شدن از ما بیشتر باشد مقدار انتقال به سرخ نیز بیشتر است.

------------------------------------

منابع:

1. Andrew Liddle (2003). An Introduction to Modern Cosmology

2. George F R Ellis (2006). Issues in the Philosophy of Cosmology

3. bbc

4. esa.int