چند کلمه در مورد پرسروصداترین مقالۀ ماه گذشته در کیهان‌شناسی

4 نوامبر 2019 / 13 آبان‌ماه 1398 مقالۀ اغواگری در مجلۀ Nature Astronomy با عنوان «شواهد پلانک برای جهانی بسته و بحرانی احتمالی در کیهان‌شناسی» منتشر شد که سروصدای زیادی به‌پا کرد و تیترهای ژورنالیستی بسیاری هم درمورد آن زده‌شد. عموم متن‌هایی که در مورد این مقاله نوشته‌شد با این دید بود که مطالعۀ جدید نویسندگان این مقاله -یعنی دی‌وَلنتینو¹، مِلکیوری² و سیلک³– نشان می‌دهد که تا کنون در مورد انحنای جهان در اشتباه بوده‌ایم و جهان‌مان به‌جای این‌که مانند یک صفحه تخت باشد، مانند سطح یک کره بسته است. حرفی بسیار بزرگ که نمی‌شود به‌راحتی از کنار آن عبور کرد. پس شاید بد نباشد تا کمی دقیق‌تر به این موضوع نگاهی بیندازیم.

مدل پذیرفته‌شدۀ فعلی برای کیهان را مدل استاندارد کیهان‌شناسی یا ΛCDM می‌نامند (Λ نشان‌دهندۀ ثابت کیهان‌شناسی یا همان انرژی تاریک است و CDM هم خلاصه‌شدۀ Cold Dark Matter). جالب است بدانید که جیمز پیبلز⁴، برندۀ امسال جایزۀ نوبل فیزیک، نقش قابل ملاحظه‌ای در سروسامان‌دادن به این مدل داشته. ΛCDM موفقیت چشم‌گیری در توضیح قسمت بزرگی از مشاهدات سال‌های اخیر داشته‌است، که از بین آن‌ها می‌توان به پیش‌بینی قله‌ها و دره‌های دیده‌شده در طیف زاویه‌ای ناهمسانگردی‌های تابش زمینۀ کیهان یا همان CMB⁵ اشاره کرد. یکی از پیش‌بینی‌های اصلی این مدل این است که جهان ما دارای هیچ انحنایی نیست و مانند یک صفحه تخت است. به‌علاوه، تخت‌بودن جهان یکی از نتایج نخستینِ نظریۀ پذیرفته‌شدۀ تورم⁶ که بسیاری از مشکلات بحرانی کیهان‌شناسی فریدمانی را حل می‌کند نیز هست.

اما داستانِ داغِ این روزها از یک ناسازگاری در داده‌های سال 2018 / 1397 پلانک سرچشمه می‌گیرد. ناسازگاری‌ای که کشفِ آن چیز جدیدی نیست و خود تیم پلانک هم سال گذشته در یکی از مقاله‌های تحلیلی خود به آن اشاره کرده‌است. حال نویسندگان مقالۀ اخیر ادعا کرده‌اند که این ناسازگاری را می‌توان به روشی حل کرد، اما بهای آن این است که فرض تخت‌بودن جهان را کنار بگذاریم و بپذیریم که جهان بسته باشد؛ فرضی که با توضیحات پاراگراف پیشین برای بسیاری از کیهان‌شناسان غیرقابل پذیرش است. آنتونی لوییس⁷، کیهان‌شناسِ دانشگاه ساسکس و عضو قسمت تحلیل دادۀ تیم پلانک، معتقد است که آن‌ها قبلاً این موضوع را در معمایی مشابه به‌دقت بررسی کرده‌اند، و به این نتیجه رسیده‌اند که به‌ترین توضیح برای این ویژگی خاص داده‌های CMB، که دی‌ولنتینو، ملکیوری و سیلک آن را شاهدی بر بسته‌بودنِ جهان دانسته‌اند، این است که به آن‌ها به‌عنوان خطایی آماری نگاه کنیم. گریم اَدیسون⁸، کیهان‌شناس دانشگاه جان هاپکینز، که در هیچ‌کدام از دو تحلیل بالا نقشی نداشته می‌گوید: «در این‌که این علائم تا حدی وجود دارند هیچ چون‌وچرایی وجود ندارد. اختلاف نظرهای موجود صرفاً در تفسیر آن‌ها است».

مشاهدات مختلفی که در سال‌های بعد از 2000 / 1379 انجام شده‌اند نشان از این می‌دهند که جهان ما بسیار شبیه به جهانی تخت است. بنابراین چگالی آن هم باید به چگالی بحرانی بسیار نزدیک باشد -یعنی تقریبن به‌اندازۀ 5.7 اتم هیدروژن در هر مترمکعب. تلسکوپ پلانک با سنجیدن این‌که چه‌مقدار از پرتوهای CMB در طی مسیر خود در طول 13.8 میلیارد سال گذشته، تحت اثر لنز گرانشی منحرف شده‌اند چگالی جهان را اندازه‌گیری می‌کند. هرچه این پرتوها با مادۀ بیش‌تری روبه‌رو شوند، بیش‌تر تحت تأثیر اثر لنز گرانشی قرار می‌گیرند. بنابراین جهت نهایی آن‌ها دیگر نشان‌دهندۀ نقطۀ شروع حرکت آن‌ها در جهان اولیه نیست. این موضوع، در داده‌ها خود را به‌صورت اثر تارشدگی⁹ نشان می‌دهد، که خاستگاه همان قله‌ها و دره‌هایی است که بالاتر در مورد آن‌ها صحبت شد.

اگر جهان تخت باشد، کیهان‌شناسان انتظار دارند که با توجه به نوسان‌های تصادفی آماری داده‌ها، اندازه‌گیری انحنای آن با خطایی به‌اندازۀ یک انحراف استاندارد¹⁰ برابر صفر شود. اما نتیجۀ مطالعه‌های انجام‌شده توسط هر دو گروه این بوده که این خطا حدوداً برابر 3.4 انحراف استاندارد است. بدین صورت، تخت‌بودن جهان‌مان اتفاقی بزرگ است. می‌توان نشان داد که در این صورت، احتمال تخت‌بودن جهان تقریبن هم‌ارز با احتمال این است که یک سکه را 11بار بیندازیم و هر 11بار شیر بیاید. اتفاقی که احتمال رخ‌دادنش کم‌تر از 1 درصد است (در حقیقت از 0.1 درصد هم کم‌تر است). با استفاده از همین تناظر، دی‌ولنتینو و هم‌کارانش در خلاصۀ مقالۀ اخیر خود ادعا می‌کنند جهان ما با احتمال بیش از 99 درصد بسته است. اما تیم پلانک معتقد است که این موضوع یا یک اتفاق است و یا از اثری نانشناخته که باعث انحراف پرتوهای CMB می‌شود نشئت می‌گیرد.

تیم پلانک مقدار عناصر کلیدی جهان (مانند میزان مادۀ تاریک و انرژی تاریک) را با اندازه‌گیری تغییرات رنگ پرتوهای CMB که از نقاط مختلف آسمان به‌سمت ما می‌آیند به‌دست می‌آورد. ناسازگاری این‌جاست که آن‌ها برای بررسی پرتوهایی که از تمام آسمان به ما می‌رسند، یک‌بار آسمان را به ناحیه‌هایی کوچک تقسیم می‌کنند و یک‌بار به ناحیه‌هایی بزرگ، و در کمال ناباوری دو جواب متفاوت را در این دو حالت به‌دست می‌آورند. تفاوتی که باعث همان خطایی می‌شود که بالاتر در مورد آن صحبت شد. خطایی که دی‌ولنتینو، ملکیوری و سیلک معتقدند که اگر جهان‌مان را بسته فرض کنیم، از بین می‌رود. ویل کینی¹¹، کیهان‌شناس دانشگاه بوفالو، این مزیت مدل جهان بسته را بسیار جالب می‌داند، اما به این نکته هم اشاره می‌کند که اختلاف بین نتایج تقسیم‌بندی آسمان به ناحیه‌های کوچک و بزرگ، به‌سادگی می‌توانند ناشی از نوسان‌های آماری یا حتی نتیجۀ خطایی ناشناخته در اندازه‌گیری اثر لنز گرانشی باشد.

ویژگی‌های کلی جهان ما طبق مدل ΛCDM تنها به شش پارامتر کلیدی وابسته است که به‌خوبی توسط این مدل پیش‌بینی می‌شوند. مقالۀ اخیر پیش‌نهاد می‌کند که شاید نیازمند این باشیم که پارامتر هفتمی را به مدل دوست‌داشتنی ΛCDM اضافه کنیم: عددی که انحنای جهان را توصیف می‌کند. همان‌طور که گفته‌شد، افزودن این پارامتر باعث سازگاری به‌تر داده‌های به‌دست‌آمده از اثر لنز گرانشی می‌شود. اما ΛCDM به خودیِ خود بسیاری از ویژگی‌های جهان را به‌درستی پیش‌بینی می‌کند و به همین دلیل ادعای جامعۀ کیهان‌شناسی این است که پیش از جدی‌گرفتن این ناهنجاری و افزودن پارامتر هفتم، باید همۀ مواردی که ΛCDM در مورد آن‌ها درست کار می‌کند را به‌دقت بررسی کرد.

اما روش لنز گرانشی تنها روش اندازه‌گیری انحنای کیهان نیست. داده‌های CMB یک راه دیگر¹² نیز برای به‌دست‌آوردن انحنای کیهان پیش روی ما می‌گذارند، که از ذکر جزئیات آن می‌گذرم و صرفاً به نتیجۀ نهایی آن اشاره می‌کنم که همان کیهان تخت است. به‌علاوه، نتیجۀ بررسی مستقل تیم BOSS¹³ روی مشاهدۀ سیگنال‌های کیهانی (نوسان‌های آکوستیک باریونی¹⁴) نیز نشان از تخت‌بودن کیهان می‌دهد. تیم پلانک در قسمتی از تحلیل سال 2018 / 1397 خود، نتیجۀ بررسی اندازه‌گیری اثر لنز گرانشی را با نتیجۀ دو اندازه‌گیری بالا ترکیب می‌کند و مقدار انحنای کیهان را به‌صورت میانگین با خطایی در حدود یک انحراف استاندارد برابر صفر به‌دست می‌آورد.

دی‌ولنتینو، ملکیوری و سیلک این‌گونه فکر می‌کنند که کنارهم‌قراردادنِ نتایج این سه اندازه‌گیری مختلف باعث می‌شود تا این حقیقت که داده‌های این اندازه‌گیری‌ها با هم ناسازگاری دارند روشن نشود. ملکیوری می‌گوید: «نکتۀ اصلی بسته‌بودن جهان نیست، بلکه مسئلۀ اصلی ناسازگاری بین داده‌ها است. ناسازگاری‌ای که نشان از این دارد که در حال حاضر، مدل کاملی برای کیهان وجود ندارد و ما داریم چیزی را نادیده می‌گیریم.» به عبارت دیگر، حرف او این است که ΛCDM در خوش‌بینانه‌ترین حالت، ناکامل و در بدبینانه‌ترین حالت، غلط است.

اما رسیدن به این‌که ΛCDM مدلی ناکامل است، موضوع عجیب‌وغریب یا ناراحت‌کننده‌ای نیست. در حقیقت از قبل هم می‌دانستیم که ΛCDM کامل نیست. به‌عنوان نمونه، به‌نظر می‌رسد که ΛCDM مقدار اشتباهی را برای آهنگ انبساط فعلی کیهان یا همان ثابت هابل پیش‌بینی می‌کند. موضوعی داغ و مهم در جامعۀ فعلی کیهان‌شناسی که به مسئلۀ ثابت هابل معروف است. حال اگر فرض تخت‌بودن جهان را با بسته‌بودنِ آن جایگزین کنیم، نه‌تنها این مشکل حل نمی‌شود که پیش‌بینی مدل جدیدمان از آهنگ انبساط کیهان بدتر هم می‌شود.

با همۀ حرف‌های گفته و نگفته، ویل کینی حرف آخر را به‌خوبی، طنازانه و قاطعانه می‌زند: «همه‌چیز را زمان مشخص می‌کند؛ اما به‌شخصه نگرانی وحشتناکی نسبت به این مورد ندارم. این مورد شبیه ناهنجاری‌هایی است که ثابت شده دیر یا زود بخار می‌شوند و می‌روند!»

منبع‌ها:

1. di Valentino, E & Melchiorri, A & Silk, J. Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology. Nature Astronomy (2019). Original paper and “Behind the paper” text written by first author.
2. Wolchover, N. What shape is the universe? A new study suggests we’ve got it all wrong. Quanta Magazine (2019)

پاورقی‌ها:

1. Eleonora di Valentino
2. Alessandro Melchiorri
3. Joseph Silk
4. James Peebles
5. Cosmic Microwave Background
6. Inflation
7. Antony Lewis
8. Graeme Addison
9. Blurring effect
10. Standard deviation
11. Will Kinney
12. measurement Lensing reconstruction
13. Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey
14. Baryon acoustic oscillations