فیزیکدانان نکات ظریفی را استنباط کرده‌اند که انرژی «تاریک» مرموز که جهان را به انبساط سریع‌تر و سریع‌تر سوق می‌دهد، ممکن است با گذشت زمان کمی ضعیف شود. این یافته ای است که می تواند پایه های فیزیک را متزلزل کند.

اگر درست باشد، این اولین سرنخ واقعی است که ما در مورد ماهیت انرژی تاریک در 25 سال گذشته به دست آورده ایم. آدام ریساخترفیزیکدان دانشگاه جان هاپکینز که در سال 1998 برنده جایزه نوبل برای کشف انرژی تاریک شد.

مشاهدات جدید توسط تیم ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) می‌آیند، که امروز نقشه‌ای از کیهان با گستره بی‌سابقه‌ای را همراه با مجموعه‌ای از اندازه‌گیری‌های به دست آمده از این نقشه رونمایی کردند. برای بسیاری از محققان، نقطه برجسته طرحی است که نشان می دهد سه ترکیب مختلف از مشاهدات، همگی نشان می دهند که تأثیر انرژی تاریک ممکن است در طول اعصار فرسایش یافته باشد.

گفت: "این امکان وجود دارد که ما نشانه هایی از تکامل انرژی تاریک را مشاهده کنیم." دیلون بروت از دانشگاه بوستون، یکی از اعضای تیم DESI.

محققان در داخل و خارج از همکاری همه تاکید می کنند که شواهد به اندازه کافی قوی برای ادعای یک کشف نیستند. مشاهدات به نفع فرسایش انرژی تاریک با نوعی اهمیت آماری متوسط ​​است که می تواند به راحتی با داده های اضافی ناپدید شود. اما محققان همچنین خاطرنشان می‌کنند که سه مجموعه مجزا از مشاهدات، همگی در یک جهت جذاب قرار دارند، یکی که با تصویر استاندارد انرژی تاریک به عنوان انرژی ذاتی خلاء فضا - کمیتی که آلبرت انیشتین آن را "ثابت کیهانی" نامید، در تضاد است. به دلیل ماهیت متفاوت آن

گفت: این هیجان انگیز است سه ناداتورکیهان شناس در دانشگاه پورتسموث که بر روی تجزیه و تحلیل DESI کار می کرد. اگر انرژی تاریک یک ثابت کیهانی نباشد، این یک کشف بزرگ خواهد بود.

ظهور ثابت کیهانی

در سال 1998، گروه ریس به همراه تیم دیگری از ستاره شناسان به رهبری ساول پرلموتر، از نور ده ها ستاره دوردست و در حال مرگ به نام ابرنواختر برای روشن کردن ساختار کیهان استفاده کردند. آنها کشف کردند که انبساط جهان با افزایش سن سریعتر در حال رشد است.

بر اساس نظریه نسبیت عام انیشتین، هر ماده یا انرژی می تواند باعث انبساط کیهانی شود. اما با انبساط فضا، همه انواع آشنای ماده و انرژی با گسترش در جهان جادارتر، چگالی کمتری پیدا می‌کنند. با کاهش چگالی آنها، انبساط جهان باید کند شود، نه سرعت.

با این حال، یکی از موادی که با گسترش فضا رقیق نمی شود، خود فضا است. اگر خلاء انرژی مخصوص به خود را داشته باشد، با ایجاد خلاء بیشتر (و در نتیجه انرژی بیشتر)، انبساط سرعت می‌گیرد، درست همانطور که تیم‌های ریس و پرلموتر مشاهده کردند. کشف آنها از انبساط پرشتاب جهان، وجود مقدار کمی از انرژی مرتبط با خلاء فضا - انرژی تاریک - را آشکار کرد.

به راحتی، انیشتین چنین امکانی را در حین توسعه نسبیت عام در نظر گرفته بود. برای جلوگیری از رقیق شدن ماده از فروپاشی کیهان، او تصور کرد که تمام فضا ممکن است با مقدار ثابتی از انرژی اضافی، که با نماد Λ، به نام لامبدا، نشان داده می شود و به عنوان ثابت کیهانی معرفی می شود، تزریق شود. معلوم شد که شهود انیشتین خاموش است، زیرا جهان آن طور که او تصور می کرد متعادل نیست. اما پس از کشف در سال 1998 که به نظر می رسد فضا همه چیز را به بیرون رانده است، ثابت کیهانی او بازگشت و جای خود را در قلب مدل استاندارد کنونی کیهان شناسی، مجموعه ای از مواد در هم تنیده به نام "مدل CDM لامبدا" گرفت.

"ساده است. یک عدد است داستانی دارد که می توانید به آن پیوست کنید. به همین دلیل اعتقاد بر این است که ثابت است لیسیا ورد، کیهان شناس نظری و عضو همکاری DESI.

اکنون نسل جدیدی از کیهان‌شناسان که نسل جدیدی از تلسکوپ‌ها را در اختیار دارند، ممکن است اولین زمزمه‌های داستانی غنی‌تر را بر زبان بیاورند.

نقشه برداری از بهشت

یکی از آن تلسکوپ ها در قله کیت در آریزونا قرار دارد. تیم DESI آینه چهار متری تلسکوپ را با 5,000 الیاف روباتیک تجهیز کرده است که به طور خودکار به سمت اهداف آسمانی خود می چرخند. این اتوماسیون در مقایسه با بررسی کهکشانی پرچمدار قبلی، Sloan Digital Sky Survey (SDSS)، که بر الیاف مشابهی که باید با دست به صفحات فلزی طرح‌دار متصل می‌شدند، جمع‌آوری سریع رعد و برق داده را امکان‌پذیر می‌سازد. در یک شب رکورددار اخیر، DESI توانست مکان نزدیک به 200,000 کهکشان را ثبت کند.

از مه 2021 تا ژوئن 2022، الیاف رباتیک فوتون‌هایی را که از دوره‌های مختلف تاریخ کیهانی به زمین می‌رسیدند، خفه کردند. محققان DESI از آن زمان این داده ها را به دقیق ترین نقشه کیهانی که تاکنون ساخته شده تبدیل کرده اند. این مکان دقیق حدود 6 میلیون کهکشان را نشان می دهد که بین 2 تا 12 میلیارد سال پیش (از تاریخ 13.8 میلیارد ساله جهان) وجود داشته اند. ریس گفت: "DESI یک آزمایش واقعا عالی است که داده های شگفت انگیزی را تولید می کند."

راز نقشه‌برداری دقیق DESI توانایی آن در جمع‌آوری طیف‌های کهکشان‌ها است - نمودارهای غنی از داده‌ها که شدت هر رنگ نور را ثبت می‌کنند. یک طیف نشان می دهد که یک کهکشان با چه سرعتی از ما دور می شود و بنابراین در کدام دوره از تاریخ کیهانی ما آن را می بینیم (هر چه کهکشان سریعتر عقب نشینی کند، پیرتر است). این به شما امکان می دهد کهکشان ها را نسبت به یکدیگر قرار دهید، اما برای کالیبره کردن نقشه با فواصل صحیح نسبت به زمین - اطلاعات ضروری برای بازسازی کامل تاریخ کیهانی - به چیز دیگری نیاز دارید.

برای همکاری DESI، آن چیزی مجموعه‌ای از موج‌های چگالی منجمد بود که از کیهان اولیه به جا مانده بود. برای چند صد هزار سال اول پس از انفجار بزرگ، کیهان یک سوپ داغ و غلیظ از مواد و نور بود. گرانش ماده را به سمت داخل می کشد در حالی که نور آن را به سمت بیرون می راند، و مبارزه باعث ایجاد امواج چگالی شد که از انبوهی از لکه های متراکم اولیه در سوپ به بیرون پخش می شد. پس از سرد شدن جهان و تشکیل اتم ها، شفاف شد. نور به بیرون جاری شد و موج‌هایی را که به آن نوسانات صوتی باریونی (BAOs) می‌گویند، در جای خود منجمد ماند.

نتیجه نهایی، مجموعه‌ای از کره‌های همپوشانی با پوسته‌های اندکی متراکم‌تر بود که وسعت آنها تقریباً یک میلیارد سال نوری بود - مسافتی که BAOها قبل از یخ زدن زمان طی کردند. این پوسته‌های متراکم کمی بیشتر از مکان‌های دیگر کهکشان‌های بیشتری تشکیل دادند، و زمانی که محققان DESI میلیون‌ها کهکشان را نقشه‌برداری می‌کنند، می‌توانند آثاری از این کره‌ها را شناسایی کنند. کره‌های نزدیک‌تر بزرگ‌تر از کره‌های دور به نظر می‌رسند، اما از آنجایی که محققان DESI می‌دانند که کره‌ها به یک اندازه هستند، می‌توانند بفهمند کهکشان‌ها واقعاً چقدر از زمین فاصله دارند و اندازه نقشه را بر این اساس تغییر دهند.

برای جلوگیری از تأثیر ناخودآگاه بر نتایج خود، محققان یک تجزیه و تحلیل «کور» انجام دادند و با اندازه‌گیری‌هایی کار کردند که به‌طور تصادفی به هم ریخته شده بودند تا هر گونه الگوی فیزیکی را پنهان کنند. سپس این همکاری در دسامبر گذشته در هاوایی برگزار شد تا نتایج را از هم جدا کنند و ببینند الیاف روباتیک کیت پیک چه نوع نقشه ای را مشاهده کرده اند.

ناداتور که از خانه‌اش در بریتانیا به‌طور زنده از طریق Zoom تماشا می‌کرد، وقتی نقشه فاش شد، احساس هیجان کرد، زیرا کمی عجیب به نظر می‌رسید. ناداتور گفت: «اگر تجربه کافی در مورد داده‌های BAO داشتید، می‌توانستید ببینید که چیزی مورد نیاز است که کمی متفاوت از مدل استاندارد است. من می‌دانستم که CDM لامبدا کاملاً کامل نیست.»

در طول هفته بعد، هنگامی که محققان مجموعه داده های جدید را بررسی کردند، آن را تجزیه و تحلیل کردند و با سایر مجموعه داده های کیهان شناسی بزرگ ترکیب کردند، آنها منبع عجیب و غریب را کشف کردند و انبوهی از پیام های Slack را رد و بدل کردند.

«یکی از همکارانم طرحی را منتشر کرد که این محدودیت انرژی تاریک را نشان می‌داد و هیچ کلمه‌ای ننوشت. ناداتور گفت: فقط طرح و یک شکلک سر در حال انفجار.

داده ها برای روزهای

هدف DESI این است که با مشاهده انواع مختلف کهکشان‌ها در طول هفت دوره تاریخ کیهان‌شناسی، چگونگی گسترش جهان در طول زمان را مشخص کند. سپس می بینند که این هفت عکس فوری چقدر با تکامل پیش بینی شده توسط Lambda CDM مطابقت دارند. آنها همچنین در نظر دارند که تئوری های دیگر چقدر خوب عمل می کنند - مانند نظریه هایی که به انرژی تاریک اجازه می دهد بین عکس های فوری متفاوت باشد.

تنها با سال اول داده‌های DESI، لامبدا CDM با عکس‌های فوری و همچنین مدل ماده تاریک متغیر مطابقت دارد. تنها زمانی که این همکاری نقشه DESI را با سایر عکس‌های فوری - نوری که به عنوان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و مجموعه‌ای از سه نقشه ابرنواختر اخیر شناخته می‌شود- ترکیب می‌کند، این دو نظریه شروع به دور شدن می‌کنند.

آنها دریافتند که نتایج از پیش‌بینی CDM لامبدا با 2.5، 3.5 یا 3.9 "سیگما" متفاوت است، بسته به اینکه کدام یک از سه کاتالوگ ابرنواختری را شامل می‌شوند. تصور کنید یک سکه را 100 بار ورق بزنید. پیش بینی سکه منصفانه 50 سر و 50 دم است. اگر 60 هد دریافت کنید، این دو سیگما با میانگین فاصله دارد. احتمال وقوع آن به طور تصادفی (بر خلاف تقلب در سکه) 1 در 20 است. اگر 75 سر به دست آورید - که احتمال وقوع تصادفی آن 1 در 2 میلیون است - این یک نتیجه پنج سیگما است، استاندارد طلایی برای ادعای کشف در فیزیک مقادیر سیگما DESI به دست آمده در جایی در بین قرار می گیرند. آنها می توانند نوسانات آماری نادر یا شواهد واقعی دال بر تغییر انرژی تاریک باشند.

در حالی که محققان این اعداد را وسوسه‌انگیز می‌دانند، آنها همچنین نسبت به خواندن بیش از حد مقادیر بالاتر هشدار می‌دهند. جهان بسیار پیچیده تر از یک سکه است، و اهمیت آماری به فرضیات ظریف در تجزیه و تحلیل داده ها بستگی دارد.

دلیل قوی‌تر برای اشتیاق این واقعیت است که هر سه کاتالوگ ابرنواخترها - که تا حدودی جمعیت‌های مستقل ابرنواخترها را در بر می‌گیرند - به این نکته اشاره می‌کنند که انرژی تاریک به همین صورت تغییر می‌کند: قدرت آن در حال کاهش است، یا همانطور که کیهان‌شناسان می‌گویند، "ذوب شدن". بروت گفت: «وقتی همه این مجموعه داده‌های مکمل را عوض می‌کنیم، همه آنها تمایل دارند روی این عدد کمی منفی همگرا شوند. اگر اختلاف تصادفی بود، مجموعه داده‌ها به احتمال زیاد به جهات مختلف اشاره می‌کردند.

جاشوا فریمنکیهان شناس در دانشگاه شیکاگو و یکی از اعضای همکاری DESI که روی تجزیه و تحلیل داده ها کار نکرد، گفت که از دیدن سقوط لامبدا CDM خوشحال خواهد شد. او به‌عنوان یک نظریه‌پرداز، تئوری‌های ذوب انرژی تاریک را در دهه 1990 ارائه کرد، و اخیراً «بررسی انرژی تاریک» را تأسیس کرد - پروژه‌ای که به دنبال انحراف از مدل استاندارد از سال 2013 تا 2019 بود و یکی از سه کاتالوگ ابرنواختر DESI را ایجاد کرد. استفاده شده. اما او همچنین به یاد دارد که در گذشته توسط ناهنجاری های کیهانی ناپدید شده سوخته است. فریمن به شوخی گفت: «واکنش من نسبت به این موضوع کنجکاو شدن است»، اما «تا زمانی که خطاها کوچکتر شوند، من سخنرانی پذیرش [نوبل] خود را نخواهم نوشت».

بروت در مورد اختلاف با مدل لامبدا CDM گفت: از نظر آماری، ممکن است ناپدید شود. ما در حال حاضر همه چیز را انجام می دهیم تا بفهمیم که آیا چنین خواهد شد یا خیر.

پس از پایان یافتن سومین سال مشاهدات خود در اوایل این هفته، محققان DESI انتظار دارند که نقشه بعدی آنها تقریباً دو برابر بیشتر از نقشه‌ای که امروز رونمایی شده است، شامل کهکشان باشد. و اکنون که تجربه بیشتری در انجام تحلیل BAO دارند، قصد دارند نقشه سه ساله به روز شده را به سرعت منتشر کنند. سپس نقشه 40 ساله ای از XNUMX میلیون کهکشان ارائه می شود.

فراتر از DESI، مجموعه‌ای از ابزارهای جدید در سال‌های آینده به‌صورت آنلاین عرضه می‌شوند، از جمله رصدخانه 8.4 متری ورا روبین در شیلی، تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس ناسا و ماموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا.

فریمن گفت: «داده‌های ما در کیهان‌شناسی طی 25 سال گذشته جهش‌های عظیمی داشته‌اند و در شرف انجام جهش‌های بزرگ‌تر هستند».

همانطور که آنها مشاهدات جدید را جمع آوری می کنند، محققان ممکن است همچنان متوجه شوند که انرژی تاریک به اندازه یک نسل ثابت به نظر می رسد. یا اگر روند در جهتی که نتایج DESI پیشنهاد می کند ادامه یابد، می تواند همه چیز را تغییر دهد.

فیزیک جدید

اگر انرژی تاریک در حال ضعیف شدن است، نمی تواند یک ثابت کیهانی باشد. در عوض، ممکن است همان میدانی باشد که بسیاری از کیهان‌شناسان فکر می‌کنند که جرقه‌ای از انبساط نمایی در طول تولد کیهان بوده است. این نوع "میدان اسکالر" می تواند فضا را با مقداری انرژی پر کند که در ابتدا ثابت به نظر می رسد - مانند ثابت کیهانی - اما در نهایت با گذشت زمان شروع به لغزش می کند.

گفت: «این ایده که انرژی تاریک متغیر است بسیار طبیعی است پل استاینهارت، کیهان شناس دانشگاه پرینستون. در غیر این صورت، او ادامه داد: «این تنها شکلی از انرژی خواهد بود که می‌دانیم که در مکان و زمان کاملاً ثابت است».

اما این تنوع یک تغییر پارادایم عمیق ایجاد می کند: ما در خلاء زندگی نمی کنیم، که به عنوان تعریف می شود. کم انرژی ترین حالت کیهان. در عوض، ما در حالتی پرانرژی زندگی می کنیم که به آرامی به سمت خلاء واقعی می لغزد. اشتاین‌هارت گفت: «ما عادت کرده‌ایم فکر کنیم که در خلاء زندگی می‌کنیم، اما هیچ‌کس این قول را به شما نداده است.»

سرنوشت کیهان به این بستگی دارد که عددی که قبلاً به عنوان ثابت کیهانی شناخته می‌شد، چقدر سریع کاهش می‌یابد و تا چه حد ممکن است پیش برود. اگر به صفر برسد، شتاب کیهانی متوقف می شود. اگر به اندازه کافی به زیر صفر برسد، انبساط فضا به یک انقباض آهسته تبدیل می شود - نوعی معکوس که برای نظریه های چرخه ای کیهان شناسیمانند مواردی که توسط Steinhardt ایجاد شده است.

نظریه پردازان ریسمان نیز دیدگاه مشابهی دارند. با پیشنهاد آنها مبنی بر اینکه همه چیز در ارتعاش ریسمان خلاصه می شود، می توانند جهان هایی با ابعاد مختلف و انواع ذرات و نیروهای عجیب و غریب را به هم ببافند. اما آنها به راحتی نمی توان ساخت جهانی که به طور دائم انرژی مثبتی را حفظ می کند، همانطور که جهان ما به نظر می رسد. در عوض، در نظریه ریسمان، انرژی باید یا به آرامی در طی میلیاردها سال سقوط کند یا به شدت به صفر یا یک مقدار منفی کاهش یابد. اساساً، همه نظریه پردازان ریسمان معتقدند که این یکی یا دیگری است. ما نمی دانیم کدام یک.» کامرون وفا دانشگاه هاروارد

شواهد رصدی برای کاهش تدریجی انرژی تاریک، امتیازی برای سناریوی سقوط ملایم خواهد بود. "این شگفت انگیز خواهد بود. وفا گفت: این مهمترین کشف از زمان کشف خود انرژی تاریک خواهد بود.

اما در حال حاضر، هر گونه حدس و گمان‌هایی در تحلیل DESI تنها به ساده‌ترین راه‌ها ریشه دارد. کیهان شناسان باید میلیون ها کهکشان دیگر را رصد کنند تا به طور جدی به افکار انقلاب بپردازند.

ریس گفت: "اگر این موضوع ادامه پیدا کند، می تواند راه را برای درک جدید و عمیق تر از جهان روشن کند." "چند سال آینده باید بسیار آشکار کننده باشد."