آیا ما در یک خلأ کیهانی عظیم زندگی می‌ کنیم؟

پژوهشگران شواهدی یافته‌اند که نشان می‌دهد ما در یک خلأ کیهانی عظیم با چگالی ماده کمتر از میانگین جهان زندگی می‌کنیم.

به گزارش تک‌ناک، زمانی که انسان به آسمان شب نگاه می‌کند، به نظر می‌رسد که جهان اطراف با ستارگان، سیارات و کهکشان‌های بی‌شماری پر شده است. با وجود این، پژوهشگران از مدت‌ها قبل بیان کرده‌اند که ناحیه محلی کیهان ممکن است تعداد بسیار کمتری کهکشان نسبت به انتظار داشته باشد. شواهد به‌ طور فزاینده‌ای نشان می‌دهد جایی که ما زندگی می‌کنیم، چگالی ماده آن حدود ۲۰ درصد کمتر از میانگین کیهانی است.

البته همه فیزیک‌دانان با این دیدگاه موافق نیستند. اما مقاله جدید ما با تحلیل صداهای اعوجاج‌یافته از جهان اولیه، که در نشریه Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده است، به‌ شدت از این ایده پشتیبانی می‌کند. علم کیهان‌شناسی در حال حاضر با بحرانی به نام «تنش هابل» روبه‌رو است: جهان محلی حدود ۱۰ درصد سریع‌تر از حد انتظار در حال انبساط است. این نرخ پیش‌بینی شده از رصدهای دقیق جهان نوزاد به دست می‌آید و در چارچوب استاندارد کیهان‌شناسی موسوم به ΛCDM (Lambda-Cold Dark Matter)، به آینده تعمیم داده می‌شود.

ما می‌توانیم جهان اولیه را با جزئیات بی‌نظیر از طریق تابش زمینه کیهانی (CMB) بررسی کنیم؛ این تابش بازمانده به زمانی بازمی‌گردد که جهان حدود ۱۱۰۰ برابر کوچک‌تر از امروز بود. امواج صوتی که در پلاسمای داغ جهان اولیه حرکت کردند، مناطق متناوبی با چگالی بالاتر و پایین‌تر و در نتیجه تغییرات دما ایجاد کردند. دانشمندان می‌توانند با تحلیل این نوسان‌ها در مقیاس‌های گوناگون، پژواک این امواج نخستین را «بشنوند» که در مقیاس‌های مشخصی، بیشترین طنین را دارند.

این الگوها در CMB حفظ شده‌اند و «نوسان‌های آکوستیکی باریونی» (BAO) نامیده می‌شوند. از آنجایی که این الگوها بذر شکل‌گیری کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ کیهانی بوده‌اند، در توزیع کنونی کهکشان‌ها نیز دیده می‌شوند. با مطالعه خوشه‌بندی کهکشان‌ها در انتقال‌به‌سرخ‌های مختلف، پژوهشگران می‌توانند این نوسان‌ها را ردیابی کنند. یک ویژگی متمایز به نام «مقیاس زاویه‌ای BAO» به‌عنوان شاخص کلیدی عمل می‌کند.

این ویژگی همان چیزی است که کیهان‌شناسان «خط‌کش استاندارد» می‌نامند؛ معیاری با اندازه شناخته‌شده که امکان تعیین فاصله‌ها در سراسر کیهان را فراهم می‌کند. دانشمندان می‌توانند با اندازه‌گیری بزرگی این مقیاس در آسمان در یک انتقال‌به‌سرخ مشخص، هم فاصله تا کهکشان‌ها و هم نرخ انبساط کیهانی را محاسبه کنند. کیهان‌شناسان می‌توانند با استفاده از این اندازه‌گیری‌ها، نرخ‌های انبساط را با مثلثات و داده‌های انتقال‌به‌سرخ تعیین کنند. اگر ویژگی BAO در فاصله‌ای مشخص، بزرگ‌تر به نظر برسد، به معنای انبساط سریع‌تر کیهان محلی است.

تنش هابل ممکن است ناشی از زندگی ما در یک خلأ کیهانی عظیم باشد. چرا که مقدار اندک ماده در خلأ به‌ طور گرانشی به سمت ماده متراکم‌تر بیرون جذب می‌شود و پیوسته از خلأ به بیرون جریان می‌یابد. در پژوهش‌های پیشین نشان دادیم که این جریان باعث می‌شود جهان محلی حدود ۱۰ درصد سریع‌تر از حد انتظار در حال انبساط به نظر برسد و این مسئله تنش هابل را توضیح می‌دهد.

اما ما به شواهد بیشتری نیاز داشتیم. می‌دانستیم که یک خلأ محلی رابطه میان مقیاس زاویه‌ای BAO و انتقال‌به‌سرخ را اندکی دچار اعوجاج می‌کند، چرا که ماده درون خلأ سریع‌تر حرکت می‌کند و بر نور ورودی از بیرون اثر گرانشی می‌گذارد. از این‌رو، در مقاله جدید، ما به بررسی پیش‌بینی‌های مدل خلأ با استفاده از اندازه‌گیری‌های BAO طی ۲۰ سال گذشته پرداختیم و نتایج را با مدل‌های بدون خلأ در همان تاریخچه انبساط مقایسه کردیم.

در مدل خلأ، خط‌کش BAO باید در هر انتقال‌به‌سرخ بزرگ‌تر دیده شود و این بزرگی در انتقال‌به‌سرخ پایین (فاصله نزدیک) بیشتر شود؛ همان چیزی که با تنش هابل سازگار است.

مشاهدات این پیش‌بینی را تأیید کردند. نتایج نشان می‌دهد که جهانی با یک خلأ محلی حدود صد میلیون برابر محتمل‌تر از جهانی بدون خلأ است، زمانی که از داده‌های BAO استفاده می‌کنیم و فرض می‌گیریم که کیهان طبق مدل استاندارد کیهان‌شناسی مبتنی بر CMB منبسط شده است. پژوهش ما نشان می‌دهد که مدل ΛCDM بدون هیچ خلأ محلی در «۳٫۸ سیگما تنش» با مشاهدات BAO قرار دارد. به این معنا که احتمال سازگار بودن جهانی بدون خلأ با این داده‌ها معادل افتادن ۱۳ بار پشت سر هم شیر در پرتاب یک سکه عادلانه است. در مقابل، احتمال مشابه بودن داده‌های BAO با مدل‌های خلأ معادل افتادن تنها دوبار پشت سر هم شیر است. به بیان ساده، این مدل‌ها به‌خوبی با داده‌ها هم‌خوانی دارند.

در آینده، دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر BAO در انتقال‌به‌سرخ‌های پایین اهمیت زیادی خواهد داشت؛ جایی که خط‌کش BAO بزرگ‌تر به نظر می‌رسد، به‌ویژه اگر واقعاً در یک خلأ کیهانی عظیم زندگی کنیم. تاکنون نرخ متوسط انبساط به صورت مستقیم از عمر کیهان تبعیت می‌کند، که از سن ستارگان پیر کهکشان راه شیری قابل برآورد است. یک خلأ محلی بر عمر کیهان اثر نمی‌گذارد، اما برخی فرضیه‌ها چنین اثری دارند. این و دیگر روش‌های سنجش می‌توانند باعث توضیح بهتر بحران هابل در کیهان‌شناسی شوند.