احمد شيخي

گروه اخترفیزیک و کیهان شناسی، بخش فیزیک، دانشگاه شيراز

سال 2020 میلادی به یقین سالی فراموش نشدنی برای اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان خواهد بود، چرا که برای سومین بار در چهار سال اخیر، و برای دومین سال پیاپی جایزه نوبل فیزیک را پژوهشگران این حوزه از علم به خود اختصاص دادند. این برای اولین بار درتاریخ اعطای جایزه نوبل است که برای دو سال پشت سر هم این جایزه به حوزه اخترفیزیک و کیهان شناسی تعلق می گیرد. این رویداد زمینه ساز پیدایش پرسش هایی در ذهن اینجانب و دست مایه ای برای تهیه این نوشتار گردید. چه عواملی در سال های اخیر باعث رشد چشمگیر کشفیات پر اهمیت و کسب بیشتر جایزه نوبل توسط اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان شده است؟ آیا عصر طلایی اخترفیزیک و کیهان شناسی فرا رسیده است؟

برای آنکه مقدمات لازم برای پرداختن به پاسخ پرسش های بالا را فراهم نماییم، ابتدا مروری سریع بر مهمترین یافته های دانش اخترفیزیک و کیهان شناسی در یک قرن گذشته خواهیم داشت. این موضوع زمینه ای را فراهم می­کند که دیدگاه روشن­تری از جایگاه ممتاز اخترفیزیک و کیهان­شناسی نوین در یک قرن گذشته و مهمترین پیشرفت­های این حوزه از علم داشته باشیم. سپس به پاسخ پرسش های بالا می پردازیم.

از تولد کیهان­شناسی نوین کمتر از صد سال می گذرد. در واقع پس از معرفی نظریه نسبیت عام توسط اینشتین بود که کیهان­شناسی به عنوان یک علم با یک چارچوب ریاضی مشخص متولد شد و خیلی زود شروع به تکامل کرد. تا قبل از آن، شناخت بشر از کیهان بیشتر بر مبنای حدس و گمان بود و پایه ریاضی محکمی نداشت. نسبیت عام نظریه توصیف کننده فضا -زمان است و بنابراين بايد بتواند براي توصيف بزرگترين فضا زمان یعنی کل کيهان نيز کارايي داشته باشد. با این وجود تا دهه 1960 دانش کیهان­شناسی پیشرفت آرامی داشت. تنها یافته مهم کیهان شناسی تا آن زمان، کشف انبساط کیهان توسط هابل در سال 1929 بود. البته هابل بخاطر این کشف جایزه نوبل نگرفت، ولی کشف وی اولین انقلاب مهم درکیهان­شناسی نوین بود. تا قبل از آن بیشتر کیهان شناسان، و از جمله خود اینشتین، تصویری ایستا از کیهان داشتند. بدین معنا که فکر می کردند فاصله بین کهکشان ها ثابت است.

از شروع اعطای جایزه نوبل فیزیک در سال1901 میلادی تا پایان قرن بیستم میلادی در مجموع پنج بار این جایزه نصیب اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان شد. اولین بار در سال 1936 میلادی جایزه نوبل فیزیک به فیزیکدان اتریشی ویکتور فرانتس هِس بخاطر کشف پرتوهای کیهانی تعلق گرفت. دومین جایزه نوبل در حوزه اخترفیزیک در سال 1974 میلادی بطور مشترک به دو ستاره شناس رادیویی بریتانیایی بنام های آنتونی هویش و مارتین رایل تعلق گرفت. هویش به خاطر کشف اولین تپ اختر و رایل بخاطر کارهای انجام شده در زمینه نجوم رادیویی از طرف کمیته نوبل برگزیده شدند. در واقع اولین تپ اختر رادیویی را دانشجوی تحصیلات تکمیلی دانشگاه کمبریج بنام ژوسلین بل بورنل در سال 1967 کشف کرد. هر چند بورنل اولین کسی بود که پالس ها را مشاهده کرد، ولی جایزه نوبل به استاد راهنمای رساله ایشان، آنتونی هویش اعطا شد. سومین جایزه نوبل درحوزه اخترفیزیک در سال 1978 به طور مشترک به اخترفیزیکدانان امریکایی آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون به خاطر کشف تابش میکروموج زمینه کیهانی اختصاص یافت. این تابش توسط جرج گاموف در سال 1948 پیش گویی و در سال 1965 توسط پنزیاس و ویلسون بطور تصادفی درآزمایشگاه بِل کشف شد. تابش زمینه­ی کیهانی تابشی الکترومغناطیسی بجای مانده از کیهان اولیه است که سراسرکیهان را پوشانده ‌است. تابش زمینه کیهانی یکی از مهمترین کشفیات کیهان­شناسی و تاییدی بر مدل استاندارد کیهان شناسی بود. این تابش، طیف جسم سیاه با دمای 2/7 کلوین دارد. بیشینه تابش در محدوده ی ریزموج با بسامد ۱۶۰ گیگا هرتز و طول موج 1/9 میلی متر است. تابش زمینه ی کیهانی با دقت یک قسمت در ۱۰۰٬۰۰۰ همسانگرد است. تا کنون سه ماهواره بنام های کوبی ( 1989 )، دبلیومپ ( 2001) و پلانک (2008) برای اندازه گیری میزان ناهمسانگردی بزرگ مقیاس تابش زمینه کیهانی به فضا پرتاب شده است.

چهارمین جایزه نوبل در حوزه اخترفیزیک بطور مشترک به اخترفیزیکدان هندی-آمریکایی

سوبرامانیان چاندراسکار در سال 1983 به پاس کارهایش در مورد ساختار و تحول ستارها و

ویلیام فاولر آمریکایی به دلیل مطالعه‌های نظری و تجربی درباره­ی واکنش‌های هسته‌ای در

اهمیت تشکیل عناصر مختلف شیمیایی درکیهان، تعلق گرفت. پنجمین جایزه نوبل فیزیک را در

سال 1993 میلادی دو اخترفیزیکدان امریکایی بنام های راسل هالس و جوزف تیلور از آن خود

کردند. آنها این جایزه را بخاطر کشف نوع جدیدی از تپ اختر که امکانات جدیدی را برای مطالعه گرانش فراهم آورده است، دریافت نمودند. در سال 1974 هالس و تیلور یک سیستم دوتایی با تابش رادیویی کشف کردند که شامل یک تپ اختر و یک ستاره نوترونی بود. جرم هرکدام در حدود 1.4 برابر جرم خورشید و دوره تناوب آنها 7/75 ساعت بود. آنها مشاهده کردند که شعاع دوران این سیستم بطور مداوم درحال کاهش است که نشان دهنده تابش انرژی بصورت امواج گرانشی است. هالس و تیلور نشان دادند که میزان کاهش دوره تناوب سیستم، با مقدار پیش بینی شده در اثر از دست دادن انرژی گرانشی توافق خوبی دارد. این اولین شاهد غیر مستقیم مبنی بر وجود امواج گرانشی و تاییدی دیگر بر نظریه نسبیت عام بود.

از سال 2001 تا سال 2020 میلادی یعنی در دو دهه گذشته، در مجموع 6 بار دیگر جایزه نوبل

فیزیک نصیب اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان شده است. ششمین جایزه نوبل در حوزه

اخترفیزیک در سال 2002 اهدا شد. برندگان ریموند جونیور امریکا و ماساتوشی کوشیبا ژاپنی

بخاطر سهم عمده در تشخیص نوترینوهای کیهانی نیمی از جایزه را به خود اختصاص دادند. نیم

دیگر جایزه به اخترفیزیکدان امریکایی ریکاردو جیاکونی به پاس کشف منابع اشعه ایکسکیهانی

تعلق گرفت. در سال 2006 برای هفتمین بار جایزه نوبل فیزیک نصیب دو کیهان­شناس امریکایی

بنام های جان ماتر و جورج اسموت برای کشف شکل مربوط به تابش جسم سیاه و

ناهمسانگردی تابش زمینه کیهانی گردید. این دو اخترفیزیکدان با کار بر روی کاوشگر زمینه کیهان

(کوبی) کمک موثری به کامل شدن نظریه انفجار بزرگ کردند. با توجه به نظر داوران جایزه نوبل،

پروژه کوبی را می‌توان به عنوان نقطه ی شروعی برای کیهان­ شناسی به عنوان دانشی دقیق دانست. در سال 2011 میلادی برای هشتمین بار سه کیهان شناس بنام های سائول پرلموتر، آدام رایس و برایان اشمیت بخاطر کشف انبساط شتابدارکیهان از طریق رصد ابرنواخترهای دوردست جایزه نوبل فیزیک را تصاحب کردند. در سال 1998 دو گروه از شکارچيان ابرنواختر ها به طور مستقل به اين نتيجه رسيدند که بر خلاف انتظار، انبساط کيهان شتابدار است. اين بدان معناست که عاملي ناشناخته (انرژي تاريک) در خلاف گرانش عمل کرده و باعث گسترش فزاينده کيهاني مي شود. ازآنجا که روشنايي مطلق ابرنواختر نوع اول در بيشينه مقدارش تقريبا ثابت است، فاصله يک ابرنواختر نوع اول با اندازه گيري روشنايي ظاهري آن در روي زمين قابل محاسبه است. بنابراين ابرنواخترهاي نوع اول بعنوان شمع هاي استاندارد شناخته شده اي هستندکه فاصله آنها بصورت تجربي قابل اندازه گيري است. روي هم رفته این دوگروه 50 ابرنواختر دوردست را کشف کردند که از آنچه انتظار مي رفت نورشان ضعيف­تر بود. اين موضوع با آن­چه آنان مي پنداشتند درتضاد بود. اگر انبساط کيهان کندشونده باشد، بايد ابرنواخترها درخشان تر به نظر مي رسيدند. با اين وجود آنها محو مي شدند. گويا آنها به همراه کهکشان هاي ميزبان سريعتر و سريعتر از ما دور مي شدند. نتيجه شگفت انگيز اين بود که انبساط کيهان کند شونده نيست، بلکه کاملا در نقطه مقابل قرار دارد: جهان داراي انبساط شتابدار است. این کشف انقلابی در کیهان شناسی نوین بود و پایه های مدل استاندارد کیهان شناسی را لرزاند. فهم کامل عامل انبساط شتابدار کیهان (انرژی تاریک) یکی از چالش های اصلی کیهان شناسی در دو دهه اخیر بوده است.

راینر رایس، کیپ تورن و بری بریش که جزو طراحان و بنیانگذاران رصد خانه موج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) بودند، رهبری یکی از بزرگترین و پیشرفته ترین پروژه های علمی ساخت بشر را بعهده داشتند که توانستند در 14 دسامبر 2015 برای اولین بار امواج گرانشی را روی سطح زمین بطور مستقیم آشکار کنند. این کشف آنقدر اهمیت داشت که جایزه نوبل فیزیک 2017 برای ایشان به ارمغان آورد. نخستین موج گرانشی دریافتی مربوط به ادغام دو سیاهچاله بود که در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری از زمین قرار گرفته اند. امواج گرانشی از پیش بینی های نظریه نسبیت عام اینشتین است. اما شناسایی آنها نیازمند تکنولوژی بسیار پیشرفته است. موج گرانشی در حقیقت نوسانات فضا- زمان است که منتشر می شود. وقتی موج گرانشی به یک ناحیه برسد می تواند باعث اتساع یا انقباض فضا شود. پژوهشگران رصد خانه لیزری امواج گرانشی موجی را آشکار کردند که فضا را به اندازه یک بر روی ۱۰^۲۱ متر منبسط و منقبض می کرد. آشکارسازی موج گرانشی تاییدی قدرتمند بر یکی از پیش بینی های نظریه نسبیت عام و مدرکی متقن بر وجود سیاهچاله ها درکیهان می باشد. با تجزیه و تحلیل داده های موج گرانشی می توان اطلاعاتی در مورد چشمه این امواج یعنی سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، انفجارات ابرنواختری، کیهان اولیه و... بدست آورد. به همین دلیل آشکار سازی موج گرانشی گامی بلند در نجوم رصدی بوده و پنجره­ی جدیدی را به روی اخترفیزیک برای شناخت کیهان باشکوه ما باز نموده است. تا کنون بیشتر اطلاعات ما از کیهان بر اساس تحلیل داده های امواج الکترومغناطیسی دریافتی از فضا بوده است. اما اکنون موج گرانشی هم می تواند اطلاعات بیشتری از اجرام کیهانی با خود به زمین بیاورد. در سال های آینده درباره نجوم رصدی موج گرانشی بیشتر خواهیم شنید.

درسال 2019 جایزه نوبل فیزیک را برای بار دهم اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان تصاحب کردند. فیلیپ پیبلس کیهان شناس آمریکایی-کانادایی و استاد بازنشسته دانشگاه پرینستون بخاطر کشف های نظری درکیهان شناسی فیزیکی نیمی از جایزه را به خود اختصاص داد. وی سهم بزرگی در زمینه‌هایی مانند هسته‌زایی، ماده تاریک، تابش زمینه کیهانی و تشکیل ساختار داشته ‌است. نیم دیگر جایزه به میشیل مایور و دیدیه کلاز منجمان سوئیسی بخاطر کشف سیاره فراخورشیدی پگاسی 51 در اطراف ستاره ای مانند خورشید تعلق گرفت. پگاسی 51 اولین سیاره فراخورشیدی است که در سال 1995 توسط این دو نفر کشف گردید. سیاره فراخورشیدی به سیاره‌ای است که خارج از منظومه خورشیدی قرار دارد و به دور یک ستاره در حال گردش است. تا کنون بیش از 4000 سیاره فراخورشیدی کشف شده است که برخی از آنها قابل سکونت قلمداد می شوند. این بدین معناست که سیاره در منطقه مداری در اطراف ستاره خود قرار دارد که درجه حرارت در سطح آن اجازه وجود آب مایع را می دهد.

علاوه برماهواره های فضایی، آشکارگرهای زمینی متعددی در دو دهه اخیر ساخته شده است که با رصد اعماق فضا سعی می کنند اطلاعات بیشتری در خصوص کیهان پهناور در اختیار اخترفیزیکدانان و کیهان شناسان قرار دهند. از جمله این تاسیسات عظیم می توان به رصدخانه بسیارپیشرفته امواج گرانشی تداخل سنج لیزری لایگو، تلسکوپ قطب جنوب، آرایه کیلومتر مربعی (شامل چندین رادیو تلسکوپ)، تلسکوپ های کِک و شبکه جهانی تلسکوپ های رادیویی افق رویداد اشاره کرد. تلسکوپ های رادیویی افق رویداد با ترکیب اطلاعات از چندین ایستگاه بین‌المللی که درفواصل بسیاردور (به منظورافزایش قدرت تفکیک) از هم قرار گرفته اند و با تکنیک تداخل سنجی سعی می کنند محیط فضای مجاور سیاهچاله‌های غول پیکر و فوق‌العاده پرجرم را رصد کند. در آوریل 2019 نخستین تصویر مستقیم از یک سیاهچاله توسط این تلسکوپ منتشر شدکه مربوط به یک سیاهچاله کلان جرم در مرکز کهکشان مسیه 87 متعلق به خوشه سنبله و در فاصله 60 میلیون سال نوری از ما می باشد. جرم این سیاهچاله غول پیکر 7 میلیارد برابر جرم خورشید و شعاع افق رویداد آن 20 میلیارد کیلومتر است.

این پیشرفت های فنآورانه و تکنولوژی در چند دهه اخیر موجب شده است که اخترفیزیکدانان بتوانند هر چه بیشتر و بهتر زیر بنای نظری اخترفیزیک و کیهان شناسی نوین را که در یک صد سال گذشته پایه گذاری شده است، با مشاهدات رصدی تطبیق، و صحت آنها را تایید کنند. البته در اغلب مواقع ساخت ابزارهای های مورد استفاده برای کاوش های فضایی مرزهای تکنولوژی را جابجا می کند. بدین معنا که برای رصد اعماق کیهان اخترفیزیکدانان ابزارهای رصدی و آشکارسازهای خود را تا دقت فوق العاده بالایی ارتقا می دهند و به تدریج این تکنولوژی های جدید در سایر علوم مانند پزشکی و صنعت و زندگی روزمره به خدمت گرفته می شوند. به موازات پیشرفت های تکنولوژی و فناوری های نوین که امکانات گسترده تری را برای کاوش اعماق فضا و شناخت دقیق تر بخش های مختلف کیهان و اجزا تشکیل دهنده آن فراهم نموده است، بنظرمی رسد موضوع دیگری هم در رشد چشمگیر اعطای جایزه نوبل به این حوزه از علم درسال های اخیر نقش اساسی داشته است. در واقع با به کارگیری تکنولوژی های پیشرفته، اختر فیزیکدانان و کیهان شناسان این توانمندی را یافته اند تا برای یافتن پاسخ پرسش های اساسی بشر، در راستای درک و شناخت بهتر جهان پیرامون خود، گام های بلند علمی مبتنی برداده های رصدی بردارند. پرسش هایی مانند این­که کیهان ما چگونه آغاز شده است و چقدر سن دارد؟ شکل هندسی کیهان به چه صورت است؟ آیا محتوای ماده و انرژی کیهان ما همان چیزی است که مشاهده می کنیم؟ آیا سیارات فرا خورشیدی می توانند زیستگاه موجودات دیگری باشند؟ آیا شکل هایی از حیات در سایر بخش های کیهان وجود دارد؟ عامل چرخش ستارگان حول مرکز کهکشان چیست؟ چگونه امواج گرانشی پنجره جدیدی برای شناخت کیهان فراهم می سازند؟ با دقت در پرسش های بالا متوجه می شویم سمت گیری پژوهش های برگزیدگان جایزه نوبل در حوزه اخترفیزیک و کیهان شناسی در دهه های اخیر، در راستای یافتن شواهدی برای پاسخ به این پرسش ها، یا نزدیک شدن به پاسخ آنها بوده است.

و سخن پایانی، امروزه با دستآوردهای نظری و پیشرفت های فنآوری، چون تلسکوپ ها و آشکارسازهای پیشرفته فضایی و زمینی، کیهان شناسی دریچه ای به جهان هستی را برروی ما گشوده است. البته هنوز پرسش های کلانی هستند که باید پاسخ داده شود و کارهای زیادی هست که باید انجام دهیم. با همه پیشرفت هایی که در چند دهه اخیر برای شناخت کیهان باشکوه داشته ایم، هنوز ماهیت 95 درصد محتوای ماده و انرژی کیهان بدرستی برای ما مشخص نیست. بر اساس آخرین داده های رصدی، همه کهکشان ها و ستارگان روی هم کمتر از 5 درصد محتوای ماده و انرژی کیهان را تشکیل می دهند. بیش از دو دهه از کشف انبساط شتابدار کیهان می گذرد و ماهیت عامل این انبساط شتابدار ( انرژی تاریک) به درستی روشن نیست. تنها نکته ای که در مورد آن می دانیم این است که ضد گرانش عمل می کند. علاوه برآن نزدیک 25 درصد کیهان از ماده تاریک ناشناخته ای تشکیل شده که کهکشان ها را بصورت هاله ای احاطه کرده است وگرانش لازم را برای چرخش ستارگان اطراف کهکشان حول مرکز آن فراهم می کند. با وجود همه این مسایل حل نشده کنونی، در این فضا و زمان تنگ ما به شناختی از این کیهان باشکوه دست یافته ایم که تا چند دهه پیش نمی توانستیم تصورش را نیز کنیم. ذهن آدمی سامانه عجیب و غریبی است که می تواند شکوه و جلال آسمان ها و کهکشان ها و ظرافت های اجزای بنیادی ماده را درک کند. تا زمانی که پژوهشگران این حوزه از علم در راستای یافتن پاسخ پرسش های اساسی بشر با هدف کشف اسرار طبیعت و درک کیهان باشکوه، پژوهش ها ی خود را متمرکز می کنند، شایستگی دریافت جایزه نوبل را خواهند داشت. بنابراین خیلی دور از ذهن نیست که بپذیریم اخترفیزیک وکیهان شناسی، در سال های اخیر، وارد دوران طلایی خود شده است.

نویسنده مقاله: احمد شيخي

گروه اخترفیزیک و کیهان شناسی، بخش فیزیک، دانشگاه شيراز