بنا بر رصدهای جدید از کیهان نخستین، به نظر می رسد که پس از مهبانگ، تورمی سریع رخ داده است. در این دوره، امواج گرانشی درست شده اند. امروز با آشکارسازی این موج‌ها می‌توان در مورد روی دادن مهبانگ، به شکلی ویژه، اطمینان یافت.

ستاره‌شناس‌ها تقریبا به آغاز زمان چشم دوخته و و شاهدی یافته‌ اند که به نظرمی رسد همان دلیل محکم و تعیین‌کننده‌ای باشد که مدت‌ها به دنبال ‌ش بوده ‌اند؛ دلیل محکمی که نشان می‌دهد کیهان رشدی ناگهانی، پرشدت و با آهنگی نمایی، به نام تورم را در همان لحظات ابتدایش (کسری از ثانیه‌ی نخست) از سر گذرانده‌ است.

گروه تحقیقاتی از ایالات متحده،‌ توانسته ‌است با به کار بستن یک تلسکوپ رادیویی، در قطب جنوب، نخستین شواهد بر وجود امواج گرانشی جهان‌آغازین را شناسایی کند. این امواج دیده‌ شده در فضا، سیزده و هشت‌دهم میلیارد سال پیش که کیهان برای نخستین بار شروع به انبساط تندشونده نموده، با تورم، درست شده‌ اند.

این تلسکوپ یک تصویر از این امواج را در کیهانی که ۳۸۰۰۰۰ ساله‌ بوده، گرفته‌ است. در این زمان هنوز ستاره‌ها شکل نگرفته و ماده در فضا به صورت سوپی از پلاسما پراکنده بوده ‌است. این تصویر در ریزموج‌های پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) -تابشی که تقریبا هم زمان با تشکیل اتم های هیدروژن و شارش فوتون های آزاد همراه بوده است. در طی میلیاردها سال انبساط کیهانی انرژی‌ آن ها تا طول موج ریزموج‌رادیویی سرد شده ‌است- دیده‌ می‌شود.

متخصص‌ها می‌گویند، این حقیقت که تورم –که یک پدیده‌ی کوانتومی است- امواج گرانشی تولید کرده‌ است، نشان می‌دهد که گرانش مانند نیروهای بنیادین شناخته‌شده‌ی دیگر، ماهیتی کوانتومی دارد. افزون بر این، پنجره‌ای به سوی برهم‌کنش‌های پرانرژی‌تر نسبت به آن چه که در دسترس همه‌ی آزمون‌های آزمایشگاهی است، گشوده‌ می‌شود. روش این گروه، برای نشان دادن تورم، نیز بسیار چشم‌گیر است: آشکارترین نشانه و گواه برای وجود امواج گرانشی –پیش‌بینی کلیدی و البته گیج‌کننده‌ی نظریه‌ی نسبیت عام آنشتاین- است.

Source: Markus Pössel/Einstein-online.info

آلن گوث، فیزیک‌‌نظری‌دانی از موسسه‌ی فن‌آوری ماساچوست (MIT)، در کمبریج، که در سال ۱۹۸۰ ایده‌ی تورم را مطرح کرده‌ است، می‌گوید: « این کشف جدید گواه کاملا تازه است بر این که تورم با تصویر مدل کیهان شناسی استاندارد هم خوانی دارد». او چنین می‌افزاید که این کار «مطمئنا» شایسته‌ی دریافت جایزه‌ی نوبل است.

تورم ناگهانی

ایده‌ی گوث این بود که کیهان برای کسر کوچکی از ثانیه پس از مهبانگ (چند ده تریلیونیوم از یک تریلیونیوم از یک تریلیونیوم از ثانیه)، با آهنگ نمایی، گسترش یافته‌ و از اندازه‌های زیراتمی به اندازه یک توپ فوتبال رسیده است. پرسش‌ها و معماهای دیرینه پیرامون مسائلی چون همگنی کیهان در همه‌ی طول های قابل‌مشاهده، با نظریه‌ی تورمی به پاسخ نزدیک می‌شوند. هرچند تا امروز این نظریه با تمام داده‌‌های کیهانی گردآوری‌شده سازگار بوده است، جای خالی یک شاهد رصدی اختصاصی احساس می‌شد.

کیهان‌شناسان می‌دانستند که تورم نشانه‌ی مشخصی داشته است: دوره‌ی کوتاهی که کیهان به شدت منبسط شده است، امواج گرانشی‌ای درست کرده است که فضا را در یک جهت فشرده ساخته و در جهت دیگر باز کرده است (به «اثر فزاینده» نگاه کنید). البته این امکان وجود دارد که امواج جهان‌آغازین همچنان در حال انتشارباشند و اکنون کم انرژی تر از آن باشند که مستقیما قابل آشکارسازی باشند. اما احتمالا نشانه‌ی قاطعی در CMB بر جای گذاشته اند: احتمالا تابش‌ را با الگویی چرخشی و گرداب‌مانند که با حالت B شناخته می‌شود، قطبیده کرده اند (به «چرخش‌های کیهانی» نگاه کنید).

Source: BICEP2 Collaboration

در سال گذشته، یک تلسکوپ دیگر در جنوب‌گان –تلسکوپ قطب جنوب (SPT)– برای نخستین بار قطبش‌های حالت B در CMB را مشاهده کرد (به Nature در http://doi.org/rwt نگاه کنید). این نشانه‌ها، در زاویه‌ای کم‌تر از یک درجه‌ (تقریبا دو برابر اندازه‌ی ظاهری ماه در آسمان) دنبال شده، و تمرکز بیش‌تر براثر همگرایی تابش پس زمینه کیهان بر اثر کهکشان‌های پیش‌زمینه (فضایی که CMB در آن وجود دارد) بود (به D. Hanson et al. Phys. Rev. Lett. 111, 141301; 2013 نگاه کنید). اما انتظار می‌رود، نشانه‌های امواج گرانشی در زاویه‌های یک تا پنج درجه بیشینه داشته‌ باشند.

این دقیقا همان چیزی است که جان کوواک وهمکارانش از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسون (CfA)، در کمبریج، ماساچوست، با به کار بستن دستگاه BICEP2 که در چند متری رقیب خود -SPT- قرار گرفته است، شناسایی کرده اند.

Waves from the Big Bang

برای شناسایی حالت B کوچک، باید اندازه‌گیری‌ها روی CMB با دقت ده میلیونیوم کلوین انجام و اثر‌های جهان‌آغازین از منابع دیگر مانند غبارهای که‌کشانی، تشخیص داده می‌شدند.

دانیل آنشتاین، اخترفیزیک‌پیشه‌ای در CfA، می‌گوید اکنون «پرسش کلیدی» این است که آیا ممکن است «پیش‌زمینه‌ای وجود داشته باشد که سبب شود چنین نشانه‌هایی رصد شوند و منشایی جز امواج گرانشی داشته باشند». او چنین می‌افزاید: اما این گروه تمام احتمال‌ها را رد کرده اند؛ این پژوهشگران در آغاز دقت داشتند که BICEP2 –گردآوردی از ۵۱۲ آشکارساز ابررسانای ریزموج- در حفره‌ی جنوبی (تکه‌ای از آسمان که تنها میزان اندکی از این گسیل‌های مزاحم را در دریافت می‌کند) قرار گیرد. دیگر این که با مقایسه‌ی داده‌‌های خود با آن چه که از آزمایش‌های پیشین -BICEP1- به دست آمده بودند، نشان داده‌ است که نشانه‌هایی که از غبارهای کهکشانی درست می‌شوند، به رنگ دیگری بوده و طیف متفاوتی دارند.

این گروه در سال ۲۰۱۲ آرایه های Keck را در قطب جنوب راه‌اندازی کرد. این مجموعه که با کمک آن می‌توان قطبش را با حساسیت بالاتری سنجید و تا دو سال آینده فعال خواهد بود. داده‌هایی که از این روش به دست آمده‌ اند نیز ویژگی ‌های مشابهی را نشان می‌دهند. کوواک می‌گوید: «مشاهده‌ی نشانه‌های مشابه که از دو تلسکوپ دیگر به دست آمده بودند، بسیار اطمینان‌بخش بود».

جان کارل‌استورم، ستاره‌شناسی از دانش‌گاه شیکاگو، در ایلینویز، و پژوهش‌گر ارشد SPT، می‌گوید: «باید بر جزییات کار کرد؛ اما تا آن جا که بر من آشکار شده‌، این همان چیزی است که همه منتظر ش بودیم» ... «این کشف امواج گرانشی تورمی است».

دست‌گاه BICEP2 (در پیش‌زمینه‌ی تصویر) در قطب جنوب، نشانه‌هایی از امواج، از لحظات نخستین کیهان را شناسایی کرده است.

نشانه‌های استوار

مارک کامیونکوفسکی، کیهان‌شناس، می‌افزاید: «برای من، بسیار بسیار استوار و محکم است». او یکی از نخستین کیهان‌شناس‌هایی بود که اثر امواج گرانشی جهان‌آغازین در CMB را محاسبه کرد. او که اکنون در دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور، در مریلند، است، می‌گوید: «این یافته‌ها با کشف انرژی تاریک یا کشف CMB برابری می‌کند؛ چیزی که هر چند دهه یک بار رخ می‌دهد».

قدرت نشانه‌های اندازه‌گیری‌شده با BICEP2 ابتدا کاملا غافل‌گیرکننده بودند چرا که تقریبا دو برابر اندازه‌ی تخمینی آزمایش‌های پیشین، به دست آمدند. اما این اندازگیری با تورم هم‌خوانی دارند. با توجه به نظریه، شدت نشانه‌های حالت B، نشان می‌دهند که کیهان در طول تورم با چه آهنگی انبساط یافته است؛ و این گونه می‌توان مرتبه‌ی بزرگی انرژی کیهانی در ابتدای زمان را یافت. مایکل ترنر، کیهان‌شناسی از دانشگاه شیکاگو، می‌گوید: این داده‌‌ها زمان دقیق روی دادن تورم –در حدود ^۳۷-۱۰ ثانیه از سن کیهان- و هم‌چنین دمای آن را –که با انرژی‌های در حدود ۱۰^۱۶ الکترون‌ولت هم‌ارزش است- تعیین می‌کنند. این همان انرژی‌ای است که بنا بر نظریه‌ی وحدت بزرگ، انتظار می‌رود در آن دیگر نتوان سه‌چهارم نیروهای بنیادین طبیعت –نیروهای ضعیف، قوی و الکترومغناطیس- را از یکدیگر بازشناخت.

ماکس تگ‌مارک، کیهان‌شناسی از MIT می‌گوید: از آن جایی که تورم در قلم‌روی فیزیک کوانتومی روی داده است، جست‌وجوی امواج گرانشی‌ای که از ابتدای زمان می‌آید، «نخستین گواه بر گرانش کوانتومی» را به دست می‌دهد. به بیان دیگر، نشان می‌دهد که هسته‌ی گرانش، درست مانند سه نیروی بنیادین دیگر، پدیده‌ای کوانتومی است. فیزیک‌پیشه‌گان، هم‌چنان باید برای سازگار ساختن نسبیت عام و فیزیک کوانتومی، در نظریه، تلاش کنند.

پژوهش‌گران در هفدهم مارچ، پس از گفت‌وگویی فنی و توضیح نتایج خود برای گروهی از دانشمندان، یافته‌ها را گزارش دادند. این گروه، همچنین، نتایج خود را، در مجموعه‌ای از چند مقاله، منتشر کرده اند. به نظر می‌رسد که این گروه بر SPT، سفینه‌ی سازمان فضایی اروپا، پلانک، و تمام گروه‌هایی که در تلاش بودند، با آزمایش‌های زمینی و هوایی خود، اثر انگشت تورم را بیابند، پیروز شده است.

نقشه‌های گسترده‌تر قطبش حالت B، و به ویژه جست‌وجوی تمام آسمان –که ممکن است از تلسکوپ پلانک برآید- می‌توانند سرنخ‌های بیش‌تری درمورد چگونگی روی دادن تورم و عامل آن را به دست دهند. ایوی لوئب، کیهان‌شناسی که خود با گروه BICEP2 هم‌‌کاری نداشته است، می‌گوید: با این کشف افزون بر رفتن به زمان‌های بسیار زودتر (نسبت به آن چه که تا کنون دیده شده بود)، «پنجره‌ای رو به انرژی‌هایی تریلیون‌ها بار بزرگتر از آن چه که در LHC، بزرگترین اتم‌خردکن^۱ جهان، می‌بینیم، گشوده شد».

..................................................................

۱. از آن جا که شتاب‌دهنده‌‌ها به شناسایی ساختار درونی اتم‌‌ها کمک می‌کنند، به این سامانه‌ها اتم‌خردکن نیز گفته می‌شود.

منبع:

TELESCOPE CAPTURES VIEW OF GRAVITATIONAL WAVES

مرجع:

Nature, 507, 281–283, 2014, 10.1038/507281a