اختلاف در اندازه‌گیری ثابت هابل، کمیت مربوط به میزان انبساط جهان، در چند سال اخیر افزایش یافته است.

تلسکوپ قطب جنوب (South Pole) یکی از چندین ابزاری است که نقشه تابش زمینه کیهانی را نشان می‌دهد و از آن برای تخمین مقدار ثابت هابل استفاده می‌کنند. (عکس: J. Gallicchio.دانشگاه شیکاگو)

ثابت هابل، H₀، سرعت دورشدن کهکشان‌ها از ما است، سرعت انبساط جهان. کیهان‌شناسان طی پنج سال اخیر دریافتند که بین مقدارهای مختلف اندازه‌گیری‌شده این پارامتر بنیادی اختلاف‌هایی وجود دارد. سه سخنران گردهم‌آیی ماه آوریل انجمن فیزیک آمریکا در اوهایو، کلمبیا، درباره این «بحران در کیهان‌شناسی» صحبت کردند. آنها درنهایت موافق بودند که مشکل، واقعی است و برخی محققان خوش‌بین بودند که همین توافق می‌تواند به کشف‌های مهمی بینجامد.

مشکل در سال ۲۰۱۳ شروع شد، وقتی اولین نتایج دریافتی از ماهواره پلانک، که تابش ‌زمینه کیهانی (CMB) را اندازه‌گیری می‌کرد، گزارش شد. گروه پلانک مقدار H₀ را 67.3 (+ - )1.2 کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک (km/s/Mpc) اندازه‌گیری کرد که کمتر از اندازه‌گیری‌های قبلی بود که مقداری بین ۷۰ و ۷۵ km/s/Mpc بود. عدم‌قطعیت خطا هم به اندازه کافی کوچک بود که حتی این اختلاف اندک هم مشکل بزرگی بود. نتایج مربوط به سال ۲۰۱۵ پلانک چندان فرقی نکرد، حتی عدم قطعیت خطای آن کمتر هم شده بود.

پیش از اعلام پلانک، پروژه H₀Supernova برای معادله حالت (SH0ES)، به رهبری آدام ریس از دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور، در محدوده کیهانی اطراف ما H₀ را با دقتی بیشتر از قبل،‌ اندازه‌گیری کرد. دیوید جونز، عضو گروه محققین از دانشگاه کالیفرنیا در سنت‌کروز می‌گوید: محققین بر بازسنجی (کالیبراسیون دوباره) سه تکنیک استاندارد اندازه‌گیری فاصله، جابه‌جایی ستاره‌ها ناشی از چرخش زمین (اختلاف منظر)، ستاره‌های تپنده معروف به متغیرهای قیفاووسی و ابرنواختر نوع Ia تمرکز کرده‌اند. SH0ES در سال ۲۰۱۶ براساس اندازه‌گیری‌های اصلاح‌شده آنها، مقدار H₀ را 1.7 ± 73.2 km/s/Mpc اندازه‌گیری کرد. این نتایج با نتایج پلانک، بیش از ۳ انحراف استاندارد فرق داشت، تفاوت قابل‌ملاحظه‌ای که به‌راحتی نمی‌توان آن را توضیح داد.

تجزیه‌وتحلیل دوباره نتایج SH0ES، یافته‌های سال ۲۰۱۶ و نیز اندازه‌گیری‌های بیشتر H₀ در جهان اطراف (محلی) را تایید کرد. اما نتایج یک کار مستقل برای تعیین H₀ در سال ۲۰۱۶ برپایه نوسانات آکوستیکی باریونی، نوسان شاره باریون – فوتونی در جهان اولیه که الگوهای مشخصه CMB را تولید کرد، با نتایج پلانک هم‌راستا بود.

استیفن فینی از موسسه Flatiron در نیویورک می‌گوید باوجود توجه بسیار کم به این مسئله، هنوز کسی با اندازه‌گیری‌هایی که می‌تواند تاثیر به‌اندازه کافی زیادی بر پرکردن شکاف داشته باشد، مشکلی پیدا نکرده است. کیهان‌شناس‌ها در این مورد نیز بحث کردند که آیا ممکن است مدل استاندارد کیهان‌شناسی، معروف به ΛCDM، نیاز به اصلاح داشته باشد. از این نظریه برای تعیین H₀ براساس CMB استفاده شده است. اما همه اصلاحات پیشنهادی ΛCDM حداقل تضادهایی با دیگر انواع داده‌ها دارد. فینی این اختلاف را حدود 60:1 تخمین می‌زند و همه داده‌ها را می‌توان با آمار و ΛCDM به‌تنهایی توضیح داد.

گروه پلانک سال گذشته تجزیه‌وتحلیل بسیار دقیق‌تری روی داده‌های خود انجام دادند و دریافتند که نوسانات CMB در مقیاس‌های زاویه‌ای کوچک‌تر، تاثیر بیشتری بر کاهش H₀ دارد. بردفورد بنسون از فرمی‌لب در توصیف این نتایج می‌گوید وقتی گروه از داده‌ها در مقیاس‌های زاویه‌ای بزرگ‌تر (بیش از حدود °0.2) استفاده کرد، مقدار H₀ مطابق با نتایج SH0ES به‌دست آمد.

باتوجه به گفته بنسون، مقیاس‌های زاویه‌ای کوچک‌تر نسبت به مقیاس‌های زاویه‌ای بزرگ‌تر، حساسیت بیشتری در اندازه‌گیری پارامتر خاص در ΛCDM فراهم می‌کند. این پارامتر، چگالی نوترینو در جهان است، که باید با تعداد انواع نوترینو متناسب باشد (در مدل استاندارد فیزیک ذرات، ۳ نوع نوترینو داریم). افزایش تعداد انواع نوترینو یکی از معدود راه‌هایی است که به‌صورت منطقی ΛCDM را می‌آزماید و افزایش H₀ پلانک برای پرکردن اختلاف با اندازه‌گیری‌های محلی کافی است. بنسون می‌گوید بااین‌حال، این راه‌حل نیازمند نوترینوهای پرجرم بیشتری است تا از اختلاف با دیگر مجموعه داده‌های کیهان‌شناسی پرهیز کنیم. و البته شواهد بیشتری بر وجود نوترینوی نوع چهار وجود ندارد.

جونز، فینی و بنسون توافق کردند که این اختلاف از بین نرفته و برای توضیح آن به اطلاعات بیشتری نیاز دارند. مثلا گنجینه امواج گرانشی حاصل از ادغام دو ستاره نوترونی، برآوردهای مستقلی از H0 به ما خواهد داد. (رخداد ادغام دو ستاره نوترونی سال گذشته منجر به مقداری برای H0 شد، ولی بین مقدارهای پلانک و SH0ES اختلاف خطای زیادی بود.) علاوه‌براین، تلسکوپ قطب جنوب و تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما تجهیزات خود را بهبود دادند، تاجایی‌که به‌زودی نقشه‌های CMB بهتری فراهم می‌شود و ماهواره گایا نیز سطح جدیدی از اندازه‌گیری‌های دقیق اختلاف‌منظر را ارائه خواهد داد.

بنسون فکر می‌کند که شانس خوبی بر وجود یک «توضیح خوب» برای حل مشکل وجود خواهد داشت. بااین‌حال، ریس در نشستی متفاوت به این نکته اشاره کرد که مسئله مقدار H₀ به کشف‌های مهمی در گذشته منجر شده که از جمله آنها کشف وجود انرژی تاریک است.

نویسنده: David Ehrenstein، ویراستار Physics

منبع: https://physics.aps.org/articles/v11/40