شاید کیهان خمیده باشد، نه تخت!

[sr hesabi]

بنابر داده‌های به دست آمده میزانِ افت‌وخیزها در دمای تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی، در دو سوی آسمان متفاوت است. این به معنای آن است که این تابش و بنابراین سرتاسرِ کیهان در بزرگ‌ مقیاس، همسان‌گرد نیست. کیهان‌شناسان برای توجیهِ این ناهمسان‌ گردی، میدانِ کوانتومیِ دیگری به نظریه‌ی تورمی افزوده‌اند که افت و خیزهایی ناهمسان‌ گرد در چگالیِ ماده‌ی کیهانی ایجاد می‌کند و همین نا‌همسان‌گردی در چگالی، به نا‌همسان‌گردی در تابش پس‌ زمینه‌ی کیهانی می‌انجامد. وجود چنین میدان کوانتومی‌ ای سبب می‌شود که کیهان در مقیاسِ بزرگ، هم‌چون زین اسب دارای اندکی خمشِ منفی باشد. این در حالی‌ است که بنابر باورِ رایج، کیهان تخت است.

به گزارش انجمن فیزیک ایران، ما در کیهانی ناهمسان گرد زندگی می‌کنیم، این درسی‌ است که کیهان‌ شناسان با بررسیِ ساختارِ مشروحِ تابشِ به‌جای‌ مانده پس از بیگ بنگ، آموخته‌اند. هم‌اینک دو کیهان‌ شناس نشان داده‌اند که داده‌های موجود، با کیهانی سازگار است که همچون زینِ اسب، اندکی خمیده باشد. اگر مدلِ این دو کیهان‌شناس درست باشد این باورِ دیرین که کیهان تخت است، سرنگون خواهد شد.

اندازه‌گیری‌های نخستین درباره‌ی تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی ( CMB) توسطِ کاوشگرِ ناهمسان‌ گردی در امواجِ میکروی ناسا با نامِ ویلکینسون (NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) انجام می‌گرفت. دقتِ این اندازه‌گیری‌ها در مقیاسِ بزرگ، نخستین نشانه‌ها از نبودِ همسان‌ گردی در تابشِ پس‌ زمینه‌ی کیهانی را در سالِ 2004 فراهم آورد. هنگامی که فضاپیمای پلانک از آژانسِ هواییِ اروپا، جانشینِ کاوشگرِ ناسا شد بسیاری از کارشناسان کنجکاو بودند که آیا این یافته‌ها درباره‌ی ناهمسان‌ گرد‌ بودنِ تابشِ پس‌ زمینه‌ی کیهانی، خطایی سامانه‌ای‌ است به این معنی که کاوشگرِ اروپایی که دقتِ آن بیشتر از کاوشگرِ ناساست، پس از نقشه‌برداری از تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی این خطا را تصحیح خواهد کرد یا خیر. اما یافته‌های به‌دست آمده از کاوشگرِ پلانک که در ابتدای امسال انتشار یافت نیز این ناهمسان‌ گردی را تایید کرد.

هم‌اینک آندرو لیدل (Andrew Liddle) و مارینا کورتِس (Marina Cortês) هر دو از دانشگاهِ ادینبورگِ انگلستان به منظورِ توجیه این یافته‌ها، مدلی برای کیهانِ تورمی ارائه کرده‌اند. در مدل‌های تورمی، دوره‌ای فرضی از انبساطِ سریع، درست پس از بیگ بنگ در نظر گرفته می‌شود که در آن، کیهان در کسرِ کوچکی از ثانیه با مرتبه‌ی بزرگیِ بسیار زیادی رشد می‌کند.

ساده‌ترین مدلِ تورمی بر این اساس استوار شده که کیهان تخت است و انبساطِ (ناگهانیِ) آن را میدانی کوانتومی به نام اینفلِیتون (inflaton) سبب می‌شود. اینفلیتون در این مدل دو نقش دارد: اول آن‌که انبساطی بزرگ را سبب می‌شود و دوم، افت‌وخیزهای بسیار اندکی در چگالیِ (ماده‌ی موجود در کیهان) ایجاد می‌کند که رفته‌رفته گسترش یافته و بذرِ کهکشان‌های کنونی را تشکیل می‌دهند.

اما این نسخه از میدانِ اینفلیتون نمی‌تواند پاسخگوی ناهمسان‌ گردی کیهان باشد مگر آن‌که یک خوش‌ شانسیِ آماری رخ دهد، درست مانندِ آنکه از سکه‌ای کاملاً متقارن انتظار داشته باشیم شمارِ شیرهایی که در 1000 بار پرتابِ سکه می‌آیند بسیار بیش‌تر از شمارِ خط‌ها باشد. اما بنا به گفته‌ی لیدل اگر ناهمسان‌ گردی‌های موجود در تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی خوش‌شانسیِ آماری نباشد (که نظریه‌های نوینِ تورمی بر این باورند)، بررسیِ همین ناهمسان‌ گردی‌ها دریچه‌ای بی‌سابقه بر ساختارِ مشروحِ کیهانِ نخستین خواهد گشود.

لیدل و کورتس در مقاله‌ی خود که این هفته در Physical Review Letters1 به چاپ رسیده، نظریه‌ی تورمی را دستکاری و تعمیر کرده‌اند. این دو کیهان‌ شناس هم‌چون بسیاری از نظریه‌ پردازانِ پیش از خود، میدانِ کوانتومیِ دیگری را با نامِ کِرواتون (curvaton) به کار گرفته‌اند تا به کمکِ آن، افت‌ وخیزهای نخستینِ موجود در چگالیِ (ماده‌ی موجود در کیهان) را در کیهانِ آغازین تنظیم کنند. به این ترتیب میدانِ اینفلیتون تنها نقشِ عاملی آغازگر و پیشران را در دوره‌ی انبساطِ بزرگ بازی خواهد کرد.

این پژوهشگران نشان داده‌اند که میدانِ کرواتون افت‌ وخیزهایی ناهمسان‌گرد در چگالیِ ماده‌ی کیهانی ایجاد می‌کند که اگر خمشِ کیهان در مقیاسِ بزرگ، اندکی منفی باشد می‌توان این افت‌ وخیزها را آشکارا دید. منفی‌بودنِ خمشِ فضا به این معنی‌ است که اگر می‌توانستیم مثلثی بسیار بزرگ در فضا رسم کنیم، آنگاه مجموعِ زوایای درونیِ آن مثلث کمتر از 180 درجه می‌شد. همان‌گونه که می‌دانیم در فضایی تخت (هندسه‌ی اقلیدسی)، مجموعِ زوایای درونیِ یک مثلث دقیقاً 180 درجه است، درحالی‌ که در فضایی با خمشِ مثبت، مجموعِ این زوایا بیش از 180 و در فضایی با خمشِ منفی، این مجموع کمتر از 180 درجه خواهد بود (به چنین هندسه‌هایی هندسه‌ی نااقلیدسی می‌گویند).

آدرین اِریک‌چِک (Adrienne Erickcek) فیزیکدانی نظری از دانشگاهِ کارولینای شمالی واقع در چاپِل‌ هیل است که در این کارِ پژوهشی سهیم نبوده اما در این باره چنین می‌گوید: «کارِ این نویسندگان، نخستین کار در گونه‌ی خود است که در نظر دارد ناهمسان‌گردی را به کمکِ اصولِ اولیه توضیح دهد». بنابر سناریویی که لیدل و کورتس برای کیهان نگاشته‌اند، ناهمسان‌ گردیِ دیده‌شده در تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی ممکن است به دلیلِ نبودِ یکنواختی در ساختارِ بسیار بزرگ‌ مقیاسِ کیهان باشد که کلیدِ این نایکنواختی نیز در وجودِ میدانِ کرواتون نهفته است. اریک‌ چک و همکارانش در سالِ 2008 سازوکارِ همانندی را ارائه کرده بودند. گرچه در مدلِ آن‌ها خمشِ کیهان منفی در نظر گرفته نشده بود.

گرچه بنابر شمارِ بسیاری از رصدها، کیهان در واقع تخت است، اما بنابر گفته‌ی لیدل انحراف‌هایی که این واپسین مدل برای داده‌های تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی پیش‌بینی می‌کند به اندازه‌ی کافی کوچک هستند که بتوان آن‌ها را در چارچوبِ حدهایی گنجانید که توسطِ اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ی پلانک اعمال می‌شوند. البته ادعای این پژوهشگران درباره‌ی میزانِ انحراف‌ها از داده‌های تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی هنوز در حدِ گمانه‌ زنی‌ست اما آزمایش‌های آینده که با دقتی افزون بر دقت‌های امروزی صورت می‌ پذیرند شاید تعیین کنند که حق با چه کسی‌ست.