ايتنا - آیا جهان ما درون یک حفره تهی عظیم است؟

ایندرانیل بانیک، محقق دوره پسادکترای اخترشناسی در دانشگاه سنت‌اندروز، با انتشار مطلبی در وب‌سایت کانورسیسشن، به برخی از این پرسش‌‌های حیرت‌انگیز و پیچیده کیهان‌شناسی پرداخت و توضیح داد که ممکن است ما در یک فضای خالی عظیم در عالم قرار گرفته باشیم.

او در این یادداشت می‌نویسد که یکی از بزرگ‌ترین رازهای کیهان‌شناسی سرعت انبساط عالم است. کیهان‌شناسی جدید را می‌توان با استفاده از مدلی به نام مدل «لاندا‌ــ‌سی دی‌ام» توصیف کرد که به ما می‌گوید ماده تاریک در شکل‌گیری گیتی نقش بنیادینی داشته است. این مدل بر اساس مشاهدات دقیق از پرتوهای باقی‌‌مانده از مه‌بانگ، یعنی تابش زمینه ریزموج کیهانی (سی‌ام‌بی)، صورت‌بندی شده است.

به گزارش اسپیس، در واقع انبساط عالم سبب می‌شود کهکشان‌ها از یکدیگر دور شوند. هرچه کهکشان‌ها از ما دورتر باشند، با سرعت بیشتری از ما دور می‌شوند. این همان مفهومی است که توضیح آن با ثابت هابل ممکن می‌شود که رابطه میان سرعت دور شدن و فاصله کهکشان را بیان می‌کند و می‌گوید گیتی با نرخ ۷۰ کیلومتر بر ثانیه در هر مگاپارسک انبساط پیدا می‌کند.

اما مشکل این است که این میزان محاسبه‌شده برای نرخ انبساط جهان در مدل استاندارد کیهان‌شناسی با داده‌های تجربی همخوانی دقیقی ندارد و به چالشی تبدیل شده است که به آن اصطلاحا تنش هابل می‌گویند. دانشمندان می‌گویند زمانی که نرخ انبساط گیتی را با استفاده از کهکشان‌ها و ابرنواخترهای نزدیک (یعنی ستاره‌های در حال انفجار) اندازه‌گیری می‌کنیم، این میزان ۱۰ درصد بزرگ‌تر از زمانی است که آن را با تابش زمینه کیهانی پیش‌‌بینی می‌کنیم.

بانیک در این یادداشت می‌نویسد که او و همکارانش در مقاله جدیدشان، یک توضیح ممکن در این خصوص ارائه کرده‌اند و آن این است که ما در یک فضای خالی بسیار عظیم در فضا و به عبارتی در منطقه‌ای با چگالی کمتر از متوسط در کیهان به سر می‌بریم.

او می‌گوید که وجود چنین فضای نسبتا خالی بزرگ و عمیقی بر اساس مدل استاندارد غیرمنتظره است و بنابراین، می‌توان گفت که این ادعا بحث‌برانگیز است. به گفته او، تابش زمینه کیهانی تصویری از ساختار گیتی در شرایط اولیه آن ارائه می‌کند و نشان می‌دهد ماده امروزی باید به‌طوریکنواخت پراکنده شود. با این حال، شمارش مستقیم تعداد کهکشان‌ها در مناطق مختلف گیتی نشان می‌دهد که ما احتمالا در یک حفره خالی محلی قرار گرفته‌ایم.

وارد کردن اصلاحیه و تبصره در قوانین گرانش
بانیک می‌گوید که او و همکارانش قصد داشتند این ایده را با این فرض آزمایش کنند که ما در یک حفره خالی عظیم زندگی می‌کنیم؛ حفره‌ای که از یک نوسان چگالی کوچک در زمان‌های اولیه شکل‌گیری عالم رشد کرده است.

او می‌گوید برای تطبیق مشاهدات مختلف کیهان‌شناسی با مدل‌ها، دیگر نمی‌شد از مدل «لاندا‌ــ‌سی دی‌ام» استفاده کرد و از این رو آن‌ها از یک نظریه جایگزین به نام دینامیک نیوتنی اصلاح‌شده (MOND) استفاده کرده‌اند.

نظریه موند یا اصطلاحا نظریه دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده، در ابتدا به منظور توضیح ناهنجاری‌های مشاهده شده در سرعت چرخش کهکشان‌ها پیشنهاد و از سال‌ها پیش به پیشنهاد ماده‌ای نامرئی به نام «ماده تاریک» منجر شد.

اما نظریه موند بر خلاف مدل رایج استاندارد ماده تاریک، پیشنهاد می‌کند که این ناهنجاری‌ها را نه لزوما با در نظر گرفتن فرض وجود ماده تاریک، بلکه می‌توان با یک صورت‌بندی جدید از قانون گرانش نیوتن نیز توضیح داد. روند کلی انبساط کیهانی بر اساس نظریه دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده، مشابه مدل استاندارد است، اما ساختارهایی همچون خوشه‌های کهکشانی بر اساس این نظریه باید سریع‌تر رشد ‌کنند.

بانیک می‌گوید که مدل اخیر نشان می دهد گیتی احتمالا بر اساس نظریه دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده چگونه به نظر خواهد رسید. به گفته او، بر این اساس، نرخ انبساط گیتی بسته به اینکه ما در کجای عالم قرار گرفته باشیم، ممکن است متفاوت باشد.

نرخ انبساط گیتی بسته به اینکه ثابت هابل را چگونه محاسبه کنیم، متفاوت به دست می‌آید. جالب است بدانیم که خود ادوین هابل، یعنی همان دانشمندی که انبساط عالم را کشف کرد، ثابت هابل را اشتباه به دست آورد و در محاسبات اولیه‌اش نشان داد که مه‌بانگ چیزی حدود ۱.۵ میلیارد سال پیش اتفاق افتاده است.

امروزه اگرچه مدل استاندارد قادر به توضیح بسیاری از پدیده‌ها است، هنوز جنبه‌های مبهم، ناسازگاری و ناهنجاری‌هایی دارد که کیهان‌شناسی را با بحران مواجه کرده است. برای مثال، نقطه سرد تابش زمینه کیهانی جایی در گیتی است که به طور باورنکردنی، ۷۰ میکروکلوین از میانگین دمای تابش زمینه کیهانی (۲.۷ کلوین) سردتر است و دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند برای آن توضیحی پیدا کنند.

یکی از این ناهنجاری‌های موجود در مدل استاندارد کیهان‌شناسی وجود حفره بسیار عظیمی به قطر ۱.۸ میلیارد سال نوری در فاصله احتمالا ۳ تا ۱۰ میلیارد سال نوری از کهکشان ما است که حدود هزار برابر از بزرگ‌ترین حفره‌های موجود در گیتی بزرگ‌تر است و بر اساس مدل استاندارد کیهان‌‌شناسی هنوز نمی‌توان توضیحی برای آن پیدا کرد.

دانشمندان در مقاله اخیرشان می‌نویسند که مدل جدید آن‌ها اصولا با مشاهدات سازگاری بسیار خوبی دارد. البته یادآوری می‌کنند که این مستلزم آن است که ما به مرکز حفره تقریبا نزدیک باشیم و حفره در مرکزش غالبا خالی باشد.

آیا این نظریه مشکل را حل می‌کند؟
بانیک می‌گوید اساسا پیشنهاد این مدل جدید به دلیل مشکلی بود که در محاسبه ثابت هابل وجود داشت. برخی بر این باورند که که مشکل تنش هابل صرفا به دلیل محدودیت‌های فناوری است و ما فقط به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری نیاز داریم تا این مشکل حل شود و عدد محاسبه‌شده برای ثابت هابل با مشاهدات سازگاری دقیقی داشته باشد.

برخی دیگر فکر می‌کنند با فرض درست بودن اینکه نرخ انبساط گیتی بیش از حد انتظاری باشد که به صورت محلی اندازه‌گیری می‌کنیم و این فرض واقعا درست باشد، این ناسازگاری را می‌توان حل کرد. اما این کار مستلزم اعمال یک تغییر جزئی در انبساط گیتی در مراحل اولیه است تا تابش زمینه ریزموج کیهانی همچنان درست بماند.

اگر گیتی طی بیشتر دوران عمرش ۱۰ درصد سریع‌تر منبسط شده بود، باید حدودا ۱۰ درصد جوان‌تر می‌بود که این موضوع با عمر محاسبه‌شده برای برخی از قدیمی‌ترین ستاره‌ها در تضاد است و نمی‌تواند درست باشد.

وجود یک فضای خالی عمیق و گسترده محلی نشان می‌دهد که ساختارهای کیهانی در مقیاس‌های ده‌ها تا صدها میلیون سال نوری، سریع‌تر از حدی رشد می‌کنند که مدل استاندارد لاندا-سی دی‌ام پیش‌بینی می‌کند.

به گفته دانشمندان از آنجا که گرانش در چنین مقیاس‌های بزرگی نیروی غالب محسوب می‌شود، ما به احتمال زیاد در مقیاس‌های بزرگ‌تر از یک میلیون سال نوری به توسعه نظریه گرانش اینشتین یعنی نسبیت عام نیاز داریم.

اگرچه برای اندازه‌گیری نحوه رفتار گرانش در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر هیچ راه خوبی در دست نداریم، فرض می‌کنیم که نسبیت عام در این مقیاس نیز همچنان معتبر است و آن را با مشاهداتمان مقایسه می‌کنیم، اما دقیقا همین رویکرد است که به بروز ناسازگاری‌هایی منجر شده که در حال حاضر بهترین مدل کیهان‌شناسی ما با آن مواجه است. به گفته بانیک، اینشتین جایی گفته بود که ما نمی‌توانیم مشکلات را با همان تفکری که به بروز مشکلات منجر شد، حل کنیم.