2 اردیبهشت ماه 1388 (مطلب شماره 112)
"در سال 1998، ما از رازی پرده برداشتیم که گویای انبساط افسارگسیخته کیهان است". این جمله را می توانید در ابتدای وبسایت گروه تحقیقاتی High-Z، متعلق به دانشگاه هاروارد بخوانید. رازی که این گروه تحقیقاتی در حدود 11 سال پیش به آن پی برد؛ شاید چالش برانگیزترین تناقض پیش روی دانشمندان از ابتدای تاریخ علم، تاکنون بوده است. در این مطلب، با زبانی ساده به سراغ مفهوم انرژی تاریک خواهیم رفت؛ ماهیتی که انتظار می رود کلید حل معمای انبساط افسارگسیخته کیهان باشد. 

مدلی شماتیک از تاریخچه زمان، بر اساس اطلاعات دریافتی از ماهواره WMAP. محور افقی، زمان و محود عمودی میزان انبساط جهان را نمایش می دهد. دانشمندان تخمین می زنند که در حدود 5.6 میلیارد سال پیش (محلی که با فلش مشخص شده است)، نقش انرژی تاریک در افزایش نرخ انبساط جهان پررنگ تر شد/عکس از : ناسا - WMAP

در مطلب شماره 110، در رابطه با شکل کائنات گفتیم و دریافتیم که نمی توان شکل جهان را در بزرگترین مقیاسش به تصویر کشید؛ چراکه نور، محدودیت هایی را پیش روی ما قرار می دهد که در نتیجه آن تنها قادریم جهان را تا محدوده خاصی مورد مطالعه قرار دهیم؛ محدوده ای که به آن جهان قابل رؤیت (Observable Universe) اطلاق می شود. اما این به آن معنا نیست که نتوانیم به چگونگی هندسه جهانمان پی ببریم.
اجازه بدهید با هندسه جهان بیشتر آشنا شویم. مطمئناً با این موضوع بخوبی آشناییم که مجموع زوایای درونی هر مثلث، برابر با 180 درجه است و صحت این امر را نیز بارها در دروس خود به اثبات رسانده ایم. اما این موضوع در چارچوب هندسه اقلیدسی است که جهان را تخت می پندارد و در حقیقت بهتر است اینگونه بگوییم که : مجموع زوایای درونی هر مثلث در یک سطح تخت، برابر با 180 درجه است. به این موضوع نیز خوب واقفیم که بر روی سیاره ای زندگی می کنیم که تقریباً یک کره کامل فرض می شود. با این حساب، مجموع زوایای مثلث عظیمی که مثلاً سه شهر تهران، لندن و بوئنس آیرس را به هم متصل سازد، بیشتر از 180 درجه خواهد شد و  این به بدلیل انحنای مثبت کره زمین است. حال یک سطح با انحنای منفی را تصور کنید؛ مثلاً یک زین اسب. مجموع زوایای مثلثی که سه نقطه بر روی زین اسب را بهم متصل سازد، کمتر از 180 درجه خواهد شد.
صحبت کردن از قوانین هندسه کائنات نیز در ابتدا نیازمند شناخت میزان انحنای جهان ماست. هر چند تصور انحنا در حالت سه بعدی اندکی دشوار است اما باز به همان مثال مثلث باز می گردیم. انحنای جهان را می توان براحتی با جمع زدن زوایای یک مثلث عظیم که سه ابرخوشه کهکشانی* را بهم متصل سازد، بدست آورد که مسلماً چنین کاری ممکن نیست و بایستی بروش های غیرمستقیم دیگری متوصل شد. اما چرا هندسه کیهان برای کیهان شناسان از اهمیت فراوانی برخوردار است ؟
در مطلب شماره 33 گفتیم که محتمل ترین نظریه برای توضیح آفرینش، نظریه انفجار بزرگ است. اما در رابطه با آینده کیهان چه می توان گفت؟ به مدد یافته های ادوین هابل، دانشمند بزرگ آمریکایی، امروز می دانیم که جهان ما در حال انبساط است و این خود تأییدی برای نظریه انفجار بزرگ محسوب می شود. پس آینده جهان ما نیز به انبساط کیهان بستگی دارد؛ بدین ترتیب که اگر انحنای جهان تخت باشد (انحنای صفر)، جهان تا ابد با سرعت ثابتی به انبساط ادامه خواهد داد و در نهایت در زمهریری سخت فروخواهد رفت. اگر انحنای جهان مثبت باشد، انبساط جهان رشد فزاینده و شتابداری خواهد گرفت و انتظار می رود تا این انبساط سرانجام بر تمامی نیروهای نگه دارنده ذرات فائق آمده و تمامی پیوندهای مابین ذرات جهان (از گرانش مابین ستارگان یک کهکشان گرفته تا پیوند مابین ذرات زیراتمی) فروبریزد. و سرانجام اگر جهان انحنای منفی داشته باشد، نیروی گرانش ماده موجود در جهان، در نهایت بر این انبساط پیروز خواهد شد و دوباره همه مواد جهان در انفجاری مهیب در هم مچاله خواهند شد و بار دیگر جهان دیگری همچون ققنوس از خاکستر جهان پیشین برخواهد خاست. 

طبق محاسبات ماهواره WMAP ناسا، جهان ما از حدود 73% انرژی تاریک (قرمز)، 23% ماده تاریک (آبی) و تنها 4% ماده مرئی (سبز) تشکیل شده است. یعنی تمامی آنچه ما قادر به مشاهده آن از طریق امواج نوری هستیم، تنها 4% از جهان ما را تشکیل داده است/طراحی از : احسان سنایی بر اساس اطلاعات ماهواره WMAP-ناسا

اینها تنها سناریوهایی است که آینده جهان ما را توصیف می کند؛ اما در واقعیت امر چه روی خواهد داد؟ این سؤالی بود که در سال 1998، گروه تحقیقاتی High-Z را بر آن داشت تا بوسیله یکی از ابزارهای اندازه گیری فاصله در کیهان؛ یعنی ابرنواخترهای نوع Ia (مطلب شماره 109)، سرعت انبساط جهان در گذشته را با امروز مقایسه کنند. بر اثر انبساط جهان، تمامی فضای موجود در جهان انبساط می یابد و این شامل فضای مابین طول موج یک پرتو نور نیز می شود. بنابراین نور کهکشان های فوق العاده دوردست در نتیجه انبساط جهان دچار افزایش طول موج و در نهایت تضعیف انرژی آن شده است ؛ فرآیندی که به آن، انتقال به سرخ گفته می شود. دانشمندان انتظار داشتند که نرخ انبساط جهان در حال کاهش است. اگر اینچنین بود، نور ابرنواخترهای نوع Ia، بسیار پرانرژی تر از آنچه که محاسبات انتقال به سرخ نشان می داد، دیده می شد. اما نتایج کاملاً برعکس بود؛ یعنی این اجرام کم نورتر از آنچه تصور می شد مشاهده شدند و در نهایت تنها یک نتیجه از این آزمایش می شد گرفت : اینکه جهان ما با شتاب افسارگسیخته ای در حال انبساط بوده و انحنای آن مثبت است.
مطمئناً تمامی ماده مرئی و تاریک** موجود در جهان، نمی توانست چنین مشاهداتی را تأیید کند. از این رو بود که دانشمندان نوع جدید از انرژی دافعه، موسوم به انرژی تاریک را معرفی کردند. در حقیقت برای انطباق مشاهدات با آنچه در واقعیت امر رخ می دهد، بایستی بپذیریم که 73% از جهان ما از انرژی تاریک تشکیل شده است! ما هیچ از ماهیت انرژی تاریک نمی دانیم و بهتر است بگوییم تنها آن را نامگذاری کرده ایم. تنها می توان گفت که انرژی تاریک، بسیار همگن است و در تمامی جهان با چگالی یکسانی توزیع شده است و با هیچ یک از نیروی های بنیادین طبیعت، بجز گرانش واکنش نمی دهد و فشار دافعه آن باعث افزایش سرعت انبساط جهان می شود.
تاکنون نظریات مختلفی در رابطه با ماهیت این شکل عجیب از انرژی داده شده است که البته هنوز هیچکدام از آنها به تأیید تجربی نرسیده اند. با کشف رفتارهای عجیب جهان، یا بایستی اسامی جدیدی را به سلسله عباراتی که با کلمه تاریک ختم می شوند، اضافه نمود و یا بار دیگر به پرسش های کودکانه خود، جواب های دقیقتر بدهیم؛ اینکه ماده چیست؟ زمان و مکان چه مفهومی دارند؟ جهان چگونه تشکیل شد؟ و ...
دانشمند انگلیسی جی. بی. اس. هالدین، اینچنین می گوید : "جهان عجیبتر از آن چیزی است که فکرش را میکنیم؛ جهان حتی عجیب تر از چیزی است که بتوان فکرش را کرد".

* به مجموعه های چند ده تایی از کهکشان ها، خوشه کهکشانی گفته می شود. ابرخوشه های کهکشانی، مجموجه های چند ده تایی و چند صدتایی از خوشه های کهکشانی اند. می توانید یک ابرخوشه کهکشانی را شهری فرض کنید که محله های آن را خوشه های کهکشانی تشکیل داده است.

** ماده تاریک، نوع عجیبی از ماده است که با ماده مرئی هیچ واکنشی نمی دهد و تنها آن را می توان از تاثیرات گرانشیش بر ماده مرئی تشخیص داد. تخمین زده می شود که 23% از جهان ما را ماده تاریک تشکیل داده است.

***