بخشی از نقشه جدید تابش زمینه‌ی میکروموج کیهانی عالم، نشان‌دهنده‌ی ناحیه‌ای از فضا به‌طول ۲۰ میلیارد سال نوری است. Credit: ACT Collaboration

نقشه‌ی جدیدی از جهانِ اولیه یکی از معماهای بلندمدتِ اخترشناسی درباره‌ی چگونگی سرعت انبساط کیهان را تقویت کرده است. داده‌های جمع‌آوری‌شده با استفاده از تلسکوپ مستقر در صحرای آتاکاما در شیلی، تخمین‌های پیشین درموردِ سن، هندسه و تحول جهان را تأیید کرده است. اما یافته‌ها با اندازه‌گیری‌های سرعت دورشدن کهکشان‌ها از یکدیگر ناسازگار است و پیش‌بینی می‌کند که عالم باید با سرعتی بسیار کُندتر از آنچه که تاکنون رصد شده، انبساط یابد.

تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما (ACT) تابش میکروموج کیهانی (CMB)، تابشِ زمینه کیهان، را ترسیم کرده است. یافته‌های کسب‌شده برپایه‌ی داده‌های جمع‌آوری‌شده طی سال های ۲۰۱۳ تا ۲۰۱۶ طی دو پیش‌نویس در ۱۵ جولای امسال در arXiv ارائه شده است^{۱ و ۲}.

تابش CMB از همه‌ی جهات فضا می‌آید اما کاملاً یکنواخت نیست: تغییرات آن در امتداد آسمان نشان می‌دهد که نواحی مربوط به جهان اولیه اختلاف دمای اندکی دارد،‌ کمتر ازسه صدم کلوین. کیهان‌شناسان طی دو دهه‌ی گذشته از این تغییرات جزئی – به‌همراه نظریه‌ی اثبات‌شده‌ای که آن را مدل استاندارد نامیدند – استفاده کرده‌اند تا برخی از ویژگی‌های کلیدی ساختار و تحول جهان، شامل سن و چگالی ماده‌ی جهان، را محاسبه کنند.

کیهان‌شناسان همچنین از این تغییرات برای پیش‌بینی آهنگ انبساط کنونی جهان استفاده می‌کنند، مقداری که به افتخار ادوین هابل، اخترشناس آمریکایی، به ثابت هابل معروف است.

پلانک، تلسکوپ آژانس فضایی اروپا، از سال ۲۰۰۹ تا سال ۲۰۱۳ نقشه‌ی کل CMB آسمان را با دقت بی‌سابقه‌ای ترسیم کرد و رصدهای آن استاندارد طلایی کیهان‌شناسی CMB را درنظر گرفته است. اکنون داده‌های ACT یافته‌های پلانک را تأیید کرده و به مقدار ثابت هابل بسیار مشابهی رسیده است.

اما هیچ نتیجه‌ای با اندازه‌گیری‌های مستقیم ثابت هابل مطابقت ندارد – اختلافی که به تنشِ ثابت هابل معروف است. اخترشناسانی که از درخشندگی انواع خاصی از انفجارهای ستاره‌ای و ابرنواختری، که درمجموع شمع‌های استاندارد نامیده می‌شوند، برای محاسبه‌ی آهنگ انبساط استفاده می‌کنند، دریافتند که کهکشان‌ها با سرعتی تقریباً ۱۰درصد سریع‌تر از پیش‌بینی CMB از یکدیگر دور می‌شوند.

بسیاری از محققین امیدوارند که با دقیق‌تر شدن تکنیک‌ها این فاصله کوچک‌تر شود. درعوض باریک‌تر شدن نوارهای خطا در هر نوع پژوهش فقط این ناسازگاری‌ها را قابل‌توجه‌تر کرده است.

تلسکوپ کیهان‌شناسی آتاکاما. Credit: Debra Kellner

ارمینیا کالابرس، کیهان‌شناس دانشگاه کاردیف در انگلیس، که سرپرستی تجزیه‌وتحلیل داده‌ها را برعهده دارد، می‌گوید ACT اولین آزمایش زمینی CMB است که می‌تواند نتایج پلانک را به چالش بکشد. طراحی و مکان تلسکوپ، دقیقاً در مناطق استوایی، امکان ترسیم نقشه‌ی بیشتری از CMB آسمان را نسبت به دیگر تلسکوپ‌های زمینی و بالن‌ها، که معمولاً به مناطق کوچک‌تر محدود می‌شود، فراهم می‌کند.

کالابرس می‌گوید نقشه‌برداری آسمان در مقیاس بزرگ برای محاسبه‌ی پارامترهای کلیدی انبساط کیهانی بسیار مهم است. سوزان استاگز، محقق اصلی این پژوهش از دانشگاه پرینستون در نیوجرسی، می‌گوید یکی دیگر از نقاط قوت ACT این بود که با به‌روزرسانی در سال ۲۰۱۳ توانست اندازه‌گیری‌های دقیقی از قطبش پرتوهای CMB انجام دهد. داده‌های مربوط به قطبیدگی نشان می‌دهد که چطور کهکشان‌ها در پس‌زمینه بر چگونگی حرکت CMB تاثیر می‌گذارند، و باعث دقیق‌تر شدن اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی می‌شود.

کالابرس می‌گوید برای اولین بار دو مجموعه داده دراختیار داریم که به‌طور مستقل و با دقت کافی برای مقایسه اندازه‌گیری شده‌اند. او که عضو گروه پلانک نیز بوده است می‌گوید این‌که دو آزمایش در پیش‌بینی ثابت پلانک با دقت ۳/۰درصد سازگاری دارند، امیدوارکننده است.

پل اشتاین‌هارد، فیزیک‌دان نظری در دانشگاه پرینستون می‌گوید این سازگاری بین ACT و پلانک در اندازه‌گیری ثابت هابل یک «نقطه‌ی عطف بسیار بزرگ» است. من از کیفیت داده‌های جدید و تحلیل آنها شگفت‌زده شده‌ام.

وندی فریدمن،‌ اخترشناس دانشگاه شیکاگو در ایلی‌نویز و از پیشگامان شمع استاندارد، می‌گوید همیشه خوب است که بررسی‌های مستقل از هم انجام شود و من فکر می‌کنم این امر واقعاً این امکان را فراهم می‌کند. آدام ریس، اخترشناس دانشگاه جان هاپکینز در بالتیمور در مریلند که سرپرست بیشتر کارهای پیشگامانه در زمینه‌ی شمع‌های استاندارد است، می‌گوید که سازگاری داده‌های ACT با داده‌های پلانک «اطمینان‌بخش» است و «شاهدی» بر کیفیت و دقت کار آزمایش‌کنندگان است.

اما تنش ثابت هابل باقی است. تکنیک‌های توسعه‌یافته‌ی گروه‌های مختلف، از جمله گروهی به رهبری فریدمن، می‌توانند به حل آن کمک کنند. اشتاین‌هارد تصور می‌کند که اندازه‌گیری‌ها درنهایت باعث یک‌سو شدن می‌شود و آزمایشگران روش‌های خود را تکمیل می‌کنند.

اما ریس می‌گوید که شاید مدل استاندارد کیهان‌شناسی است که غلط است. احساس من این است که چیز جالبی درحال اتفاق افتادن است.

منبع: Nature 583, 500-501 (2020)

نویسنده: Davide Castelvecchi

مراجع:

１. Naess, S. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2007.07290 (2020).

２. Choi, S. K. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2007.07289 (2020).