انبساط کیهانی

ما مشاهده میکنیم کهکشان ها تقریبا به طور یکنواخت در سر تا سر فضا همراه با برخی مناطق با تراکم زیاد یا خلا توزیع و پخش شده اند. به نظر میرسد که تراکم کهکشان ها در فاصله های بسیار دور کاهش میابد اما شاید دلیل این باشد که آن ها خیلی دور هستند و ما نمی توانیم دقیق آن ها را مشاهده نماییم…

ما مشاهده میکنیم کهکشان ها تقریبا به طور یکنواخت در سر تا سر فضا همراه با برخی مناطق با تراکم زیاد یا خلا توزیع و پخش شده اند. به نظر میرسد که تراکم کهکشان ها در فاصله های بسیار دور کاهش میابد اما شاید دلیل این باشد که آن ها خیلی دور هستند و ما نمی توانیم دقیق آن ها را مشاهده نماییم. گر چه کیهان در تمامی نقاط یکسان به نظر میرسد اما بدون تردید در طول زمان تغیراتی دارد.

این نکته در سال های ابتدایی قرن ۲۰ کشف شد. تا آن زمان گمان می رفت هستی ثابت است و کیهان شاید برای مدتی نامتنهای وجود داشته است. اما این تفکر غیر منطقی بود. اگر ستاره ها برای مدت طولانی پرتو افشانی کنند باید کل کیهان را تا درجه دما خود گرم کنند.

تمامی تضاد ها و تناقضات در این باره در دهه دوم قرن ۲۰ توسط اسلیفر و هابل کشف شد. هابل در ۱۹۲۳ کشف کرد که بسیاری از نقاط و پهنه های نورانی ضعیف که نبیولا نامیده شدند در واقع کهکشان های دیگر بودند. دومین چیزی که هابل کشف کرد و مهم تر نیز بود تجزیه و تحلیل نور کهکشان هایی که از ما دور می شدند که هر چه کهکشان ها از ما دور هستند با سرعت بیشتری از ما دور میشوند.

در مقیاس کلان در واقع کهکشان ها در حال فاصله گرفتن از هم هستند. کشف انبساط کیهانی یکی از بزرگ ترین انقلاب های فیزیک کیهان شناسی بود که نگرش ما را به کلی تغیر داد. اگر کهکشان ها از هم دور میشوند پس روزی در نزدیک هم بودند یعنی چیزی حدود ۱۳.۵ ۱۳.۷۲ میلیارد سال پیش. نظریه نسبیت عام نیز پیش بینی می کند آغاز کیهان از یک انفجار عظیم بوده است.

یعنی کیهان و هستی باید در دما و چگالی بی نهایت با یک انفجار بزرگ آغاز شده باشند. گسترش و انبساط کیهان دمای پرتوافشانی کاهش یافت. یک صدم ثانیه پس از انفجار بزرگ دما باید ۱۰۰ میلیارد درجه و کیهان شامل فوتون الکترون و ضد ذرات همراه با اندکی پروتون و نوترون بوده است. در سه دقیقه بعد با خنک شدن هستی تا حدود یک میلیارد درجه پروتونها و نوترونها شروع به تشکیل هسته هیدروژن و هلیوم و دیگر عناصر سبک شدند.

صدها هزار سال بعد زمانی که دما چند هزار درجه کاهش یافت سرعت الکترون ها آنقدر کاهش یافت که هسته های سبک بتوانند آنها را اسیر کنند و اتم ها را تشکیل دهند. اما عناصر سنگین تری که ما را از آنها ساخته شده ایم. مانند کربن اکسیژن میلیاردها سال بعد در اثر سوختن هلیوم در مرکز ستاره ها بوجود امدند.

جرج گاموف در سال ۱۹۴۸ گفت اگر ایده انفجار کیهان از نقطه ریز درست باشد باید پرتوافشانی اولیه الان نیز در اطراف ما باشد. این مساله که با نام پرتوی ریز موج کیهانی یا CBMR مشهور است در دهه ۱۹۶۵ میلادی توسط پنزیاس و ویلسون در امریکا توسط رادیو تلسکوپ های شان اتفاقی کشف شد.

کیهان در حالیکه منبسط و بزرگ میشود از میدان گرانش انرژی قرض میگیرد. انرژی ماده مثبت به طوری که با انرژی گرانش منفی برابر است برای همینه که مجموع انرژی کیهان صفر می باشد. زمانی که اندازه کیهان دو برابر میشود میزان ماده و انرژی های گرانشی نیز دو برابر میشود. پس دو برابر صفر همان صفر است.

در مدل انفجار بزرگ گیتی زمان کافی برای انتقال گرما از ناحیه ای به ناحیه دیگر وجود نداشت با این حال مشاهده میکنیم که صرف نظر از جهت و سوی نگاه ما دمای ماکروویو یا ریز موج پرتو افشانی پس زمینه همواره یکسان و یکی است. این یعنی دما در همه جای کیهان در حالت آغازین دقیقه یکسان بوده است.کیهان اولیه شاید یک دوره انبساط و گسترش سریع را پشت سر گذاشته باشد این انبساط را تورم نامیدند. به میزان افزاینده روی می دهد نه به صورت انبساط کاهش یابنده. چنین مرحله تورمی میتواند توضیحی برای مشکل یکسان به نظر رسیدن کیهان از همه سو دست دهد. زیرا در اوایل حیات کیهان زمان کافی برای سفر نور از یک منطقه به منطقه دیگر وجود داشته است.

در سال ۱۹۸۹ ماهواره کاوش تابش ریز موج پس زمینه کیهان پرتاب شد و نقشه ای از ریزموج و مایکروویو اسمان تهیه کرد. رنگ های مختلف نشان دهنده دما های مختلف است اما کل طیف از قرمز تا آبی در حدود یک ده هزارم درجه است.

همین تفاوت بین مناطق مختلف کیهان اولیه کافی بوده تا جاذبه گرانشی اضافی در مناطق متراکم تر از گسترش و انبساط بیشتر کیهان جلوگیری نماید و باعث سقوط گردد ماده تحت گرانش خود دوباره روی خود سقوط کند و کهکشان ها و ستارگان را تشکیل دهد.

نقشه ماهواره COBE دست کم به لحاظ نظری نقشه ساختار کل کیهان اولیه را نشان میدهد.

اگر میزان ماده بیش از حد بحران باشد جاذبه گرانشی کهکشان ها از سرعت آن میکاهد تا وقتی که دیگر از هم دور نشوند. و به سمت هم سقوط کنند و این پایان تاریخ شود. اما اگر چگالی و تراکم کیهان کمتر از حد بحرانی باشد جاذبه ضعیف تر از آن است که بتوانند کهکشان ها را از دور شدن یکدیگر از هم تا ابد باز نگه دارد.

کیهان علاوه بر ماده احتمالا شامل چیز دیگری به نام انرژی خلا یا همان انرژی تاریک است. بر اساس معادله مشهور فیزیک انیشتین E=MC^2 این انرژی خلا جرم دارد یعنی بر گسترش و انبساط کیهان تاثیر گرانشی دارد و تاثیرش برعکس تاثیر ماده است. ماده باعث میشود انبساط و گسترش کیهان آهسته بشود. اما انرژی تاریک باعث میشود انبساط شتاب گیرنده باشد. اگر انرژی خلا بیش از حد بود نمیتوانست ساختارهای کهکشان ها شکل بگیرد. برای همین است که تورم شاید راز هستی باشد. اگر امواج گرانشی یا GRAVITIONAL WAVE کشف شود تیر نهایی بر اثبات تورم کیهانی خواهد بود.