کشف نخستین شواهد مستقیم «تورم کیهانی»

تیمی از اختر‌شناسان مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونی ایالات متحده، عاقبت پس از سه سال کنکاش پیاپی، موفق به کشف ردپای مستقیم «امواج گرانشی» پراکنده بر پهنه فضا، از پی وقوع مهبانگ (یا‌‌ همان بیگ بنگ) شدند. پیش‌بینی می‌شده این امواج وقتی آزاد شده باشند که جهان در کثری از ثانیه پس از مهبانگ (یا به بیان دقیق‌تر، ۱۰ به توان منفی ۳۶ ثانیه بعد از آن)، چیزی در حدود ۱۰ به توان ۲۶ برابر بزرگ‌تر شد. این پدیده که اصطلاحاً به «تورم کیهانی» (Cosmic inflation) معروف است، ساز و کاری متفاوت با خود مهبانگ دارد، و لذا تاکنون در حد یک فرضیه باقی مانده بود. اما دانشمندان چگونه موفق به اثباتش شدند؟

طبق نظریه مهبانگ، این واقعه در حدود ۱۳ میلیارد و ۸۰۰ میلیون سال پیش رخ داد. اکثر مردم مهبانگ را، چنانکه از نامش پیداست، یک «انفجار» می‌نامند؛ اما چنین انفجاری با تصور ما از انفجارهای معمولی کمی فرق می‌کند. مهبانگ، یک «انفجار در فضا» نبود؛ بلکه می‌توان گفت «انفجار خود فضا» بود. لذا نمی‌توان دست روی نقطه‌ای از جهان گذاشت و گفت مهبانگ از «اینجا» شروع شد؛ بلکه مهبانگ، همزمان در تمام جهان رخ داد و از آن پس، همه‌جا شروع به انبساط کرد.

اما قبل از شروع انبساط، می‌بایسته یک «تورم» نامتعارف کیهانی هم انگار رخ داده باشد تا بعد‌ها نظریه مهبانگ با تناقض مواجه نشود. از جمله این تناقضات همین است که اگر مهبانگ انفجار «فضا» بود، پس ماده‌ای که در فضاست از کجا آمد؟ مکانیک کوانتومی می‌گوید که در هر لحظه، جفت‌ذراتی موسوم به «جفت‌های مجازی» (virtual pairs) در بافتار فضا-زمان در حال تولید و نابودی‌اند (همچون حباب‌های روی یک دیگ جوشان). این ذرات مجازی، طبق روابط عدم قطعیت، از فضا‌زاده می‌شوند و پس از برخورد به همدیگر، هم را خنثی می‌کنند و این چرخه مدام از سر گرفته می‌شود – در واقع هم‌اینک مثلاً در فضای مابین چشمان شما و این صفحه، یا هر جای دیگری، این پدیده در حال وقوع است. اما چطور جفت‌های مجازی می‌توانند به جفت‌های حقیقی بدل شوند؟

این‌‌ همان سؤالی‌ست که مدل تورمی می‌تواند جوابی برای آن باشد:

با وقوع تورم کیهانی، که در کثر فوق‌العاده ناچیزی از ثانیه رخ داد، تمام فضا و از جمله فضای مابین جفت‌های مجازی، به‌یکباره متورم شد، و ذرات نامبرده، ناگهان از جهان کوانتومی منتقل شدند به جهان کلاسیک؛ به‌طوریکه دیگر نمی‌توانستند آناً همدیگر را خنثی کنند، و لذا به یک ثبات نسبی رسیدند. اما چنین وضعیتی هم دوام چندانی نیافت؛ چراکه این دفعه «ماده» و «پادماده» بودند که شروع به خنثی کردن هم کردند و از این واکنش، جهان داشت اشباع می‌شد از پرتوهای گامای حاصل از همین واپاشی. اینکه چطور شد که در نتیجه این واکنش‌ها، ماده بر پادماده چربید و هم‌اینک هیچ پادماده طبیعی‌ای در جهان وجود ندارد (بلکه همه‌چیز از ماده ساخته شده)، خود معمایی‌ست که بیشتر به رفتار ذرات بنیادی ارتباط پیدا می‌کند و به رغم طرح فرضیات متعدد، هنوز پاسخ درخوری به آن داده نشده است.

اما برگردیم به ماجرای مهبانگ: با اتمام فرآیند واپاشی ماده/پادماده و فائق آمدن ماده در این نبرد پایاپای، جهان مملوء شد از کمی ماده، و انبوهی پرتو گاما. این پرتو‌ها، ماده را یونیزه می‌کردند، و ماده یونیزه هم این پرتو‌ها را از مسیر مستقیمشان منحرف می‌کرد. لذا چنانچه به آن برهه از عمر جهان سفر کنیم، چشم، چشم را نخواهد دید؛ چراکه پرتوهای نور نمی‌توانسته‌اند مستقیماً حرکت کنند و جهان به‌عبارتی در یک «مه کیهانی» فرورفته بود.

اما با انبساط فضا، پرتوهای گاما هم «کش آمدند» (و یا به عبارت بهتر، بر طول موجشان افزوده شد)، تا اینکه در یک برهه خاص، انرژیشان از انرژی لازم برای یونیزاسیون اتم‌های هیدروژن (که بخش اعظم ماده جهان در آن برهه از این جنس بود)، کمتر شد، و لذا فرصتی فراهم آمد تا الکترون‌های آزاد آزادانه به پروتون‌‌ها بپیوندند و نخستین اتم‌های خنثای جهان متولد بشوند. این اتفاق همچنین باعث شد که دیگر امواج نوری پراکنده در جهان از مسیرشان منحرف نشوند، و لذا جهان رفته‌رفته از حالت مه به درآید و شفاف شود.

ازآنجاکه گفتیم مهبانگ در تمام جهان اتفاق افتاد، خنثی شدن جهان هم در تمام جهان - از جمله همین‌جایی که نشسته‌اید – شروع شد. پس مثلاً اگر برمی‌گشتیم به آن برهه، دایره دیدمان، آهسته با سرعت نور، بزرگ و بزرگ‌تر می‌شد؛ دایره‌ای که ما در مرکزش بودیم (فرض کنید انگشتتان را به سطح آب حوض می‌زنید؛ و امواج متحدالمرکزی به اطراف پراکنده می‌شوند. خنثی‌سازی جهان نیز به همین منوال، منتها با سرعت نور به گرد ناظر آغاز شد). اما در آن برهه – یعنی حدود ۳۷۹ هزار سال پس از مهبانگ – ناظری در کار نبوده که فرضیاتمان را تأیید کند. فقط انبوهی الکترون آزاد در آن برهه در جهان پراکنده بوده که داشتند می‌رفتند پرتونی پیدا کنند و در یک اتم خنثای هیدروژن آرام بگیرند – ولی همین الکترون‌های آزاد هم کافی‌اند. سؤال اینجاست که الکترون‌ها چطور می‌توانسته‌اند این صحنه را ببینند؟

الکترون‌ها صحنه را نمی‌دیدند، بلکه ما هم‌اینک احتمالاً بتوانیم آثار آن صحنه را بر نوری که در آن لحظه از کنارشان گذشته، ببینیم. گفتیم که با وقوع تورم کیهانی، جفت‌های مجازیِ کوانتومی شدند جفت‌های حقیقی ِ ماده/پادماده. اما در همین اثناء، افت و خیزهای کوانتومی پهنه فضا هم تبدیل شدند به افت و خیزهای غول‌آسایی در پهنه فضا. این افت و خیز‌ها را ما مستقیماً نمی‌توانیم ‌بینیم؛ منتها تأثیرشان را بر نور عبوری از کنارشان تشخیص می‌دهیم، به اینصورت که فرضاً اگر یک پرتو نور از روی اصطلاحاً یک «اُفت» عبور کند، طول موجش کاهش پیدا می‌کند (و به‌اصطلاح «پرانرژی‌تر» می‌شود)، و وقتی از میان یک «خیز» عبور می‌کند، طول موجش افزایش پیدا می‌کند (و به‌اصطلاح «کم‌انرژی‌تر» می‌شود). ما می‌توانیم با نقشه‌برداری دمایی از نخستین پرتوهایی که در پی خنثی شدن جهان آزاد شدند، الگوی این افت و خیز‌ها را به ثبت برسانیم؛ افت و خیزهایی که اصطلاحاً به «ناهمسانگردی» (anisotropy) معروف‌اند.

حالا تصور زیر را مدنظر بگیرید:

دایر‌ه‌های متحدالمرکزی که در این تصویر می‌بینید، اصطلاحاً «افق» یک ذره را نشان می‌دهند. یعنی وقتی فرآیند خنثی شدن جهان آغاز شده، «میدان دید» آن ذره، همپای این دایره‌ها، با سرعت نور، بزرگ و بزرگ‌تر می‌شده. افت و خیزهایی هم که سابقاً شرحشان رفت، در این تصویر به شکل راه‌راه‌های آبی-قرمز مشخص شده‌اند (یعنی دمای نور تابشی از این مناطق، بسته به انرژیشان، فرق می‌کرده؛ البته در حد «چند میلیاردیم» درجه سانتیگراد). منتها از دید آن ذره، این افت و خیز‌ها نه به شکل راه‌راه، بلکه به شکل خال‌خال‌هایی دیده می‌شوند، که مدام از ابعاد زاویه‌ایشان کاسته می‌شده (کمااینکه در تصویر فوق به‌وضوح قابل تصور است؛ کافی‌ست خودتان را در مرکز این دوایر تصور کنید). این فرآیند که با سرعت نور هم رخ داده، ظاهراً نمی‌توانسته تأثیر چندانی بر آن ذره بگذارد؛ اما اگر بنا بوده تأثیری هم گذاشته شود، این تأثیر فقط در یک برهه قابل رؤیت است: وقتی که ابعاد زاویه‌ای خال‌ها از دید ناظر، دقیقاً ۹۰ درجه بودند. اگر این فریم از فیلم مهبانگ را جدا کنیم، چنین صحنه‌ای را خواهیم دید:

در این تصویر، یک الکترون آزاد را می‌بینیم، که از دید آن الکترون، ناهمسانگری‌های فضا به چهار منطقه تقسیم می‌شوند: دو منطقه با پرتوهای نسبتاً پرانرژی در بالا و پایین، و دو منطقه با پرتوهای نسبتاً کم‌انرژی در طرفین. وقتی همزمان این پرتو‌ها از چهار جهت به الکترون می‌خورند، پرتوی خروجی‌ از آن طرف که از الکترون پراکنده می‌شود، دیگر «متقارن» نیست؛ چراکه مثلاً در این تصویر، مؤلفهٔ عمودی‌اش بر مؤلفه افقی‌اش می‌چربد (چون پرتوهای بالا و پایین پرانرژی‌تر از پرتوهای طرفین هستند). این پدیده، به «قطبش» (polarization) معروف است. قطبش، پدیده آشنایی در زندگی روزمره ماست. مثلاً وقتی نور آفتاب از سطح برف، یا دریا، منعکس می‌شود، معمولاً حالت قطبیده دارد، و می‌توان با استفاده از عینک‌هایی که تنها به یک مؤلفه از نور اجازه عبور می‌دهند، از شدت نوری که به چشم می‌رسد، کاست.

باز برگردیم به ماجرای مهبانگ: همچنانکه در تصویر فوق پیداست، نور پراکنده در جهان در آن برهه، تحت تأثیر افت و خیزهای کوانتومی پهنه فضا (که از پی تورم کیهانی هم‌اینک تمام جهان را دربرگرفته‌اند)، دچار «ناهمترازی» انرژی می‌شده؛ که این ناهمترازی، در کسری از ثانیه، بخشی از پرتوهایی که تصادفاً از کنار یک الکترون آزاد می‌گذشته‌اند را قطبیده می‌کرده و الگویی را در نور خروجی پدید می‌آورده که به قطبش ۹۰ درجه، یا قطبش «نوع E» معروف است.

اما افت و خیزهای کوانتومی، نمی‌توانسته‌اند تنها افت و خیزهای پهنه فضا باشند. طبق تئوری نسبیت عام، چنانچه تورم کیهانی واقعاً رخ داده باشد، می‌بایسته «امواج گرانشی» (gravitational waves) هم بر پهنه فضا پخش شده باشند. الگوی توزیع این امواج، با الگوی توزیع افت و خیزهای کوانتومی فرق می‌کرده؛ و لذا چنانچه پرتوی قطبیده‌ای مربوط به آن زمان پیدا بشود که الگوی قطبش آن از حالت پیش‌بینی‌شدهٔ مدل‌های کوانتومی تخطی کند، بایستی قطبش آن را ناشی از تأثیر امواج گرانشی بر پرتوهای مجاور ذره دانست. این الگوی نامتعارف قطبش، اصطلاحاً به الگوی قطبش ۴۵ درجه، یا «نوع B» معروف است. کشف رد پای این نوع به‌خصوص از قطبش، در واقع به منزله تأیید مدل تورمی کیهان است؛ چراکه هیچ روش دیگری برای اثبات این فرضیه در اختیارمان نیست.

این پرتوهایی که مدام صحبتشان شد، هرچند که در آن زمان به شکل پرتوهای گاما بوده‌اند، اما امروزه با گذشت حدود ۱۳ میلیارد و ۸۰۰ میلیون سال از آن زمان، و تجربهٔ انبساط فضا، آنقدر کش آمده‌اند که امروزه در محدوده امواج میکروموجی قابل رؤیت‌اند. امواج میکروموجی را بخار آب جذب می‌کند (و در واقع به همین خاطر هم دستگاه مایکروفر می‌تواند مواد غذایی آبدار را در حالی گرم کند که دمای ظرفشان تغییری نکند). از این‌رو این امواج را فقط می‌شود در نواحی کاملاً خشک زمین رصد کرد.

به همین‌واسطه هم تیم کیهان‌شناسان دانشگاه هاروارد، تلسکوپ میکروموجیشان را به قطب جنوب بردند، که یکی از خشک‌ترین نواحی زمین است؛ و بالاخره پس از چندین دهه انتظار، و سال‌ها تحلیل داده‌ها، موفق شدند الگوی قطبش نوع B را تشخیص بدهند (که در تصویر اول این مقاله پیداست). برای تصور دشواری چنین کشفی، هیچ تمثیلی بهتر از یافتن سوزنی در یک سیلوی کاه نیست؛ و بیراه نیست که از هم‌اینک آن را بزرگ‌ترین کشف علمی سال ۲۰۱۴ نام گذاشت؛ و احتمال داد که نوبل فیزیک بعدی، به آلن گوت – مبدع مدل تورمی – تعلق خواهد گرفت.

شائولین کو، استادیار فیزیک دانشگاه استنفورد، خبر کشف قاطع نخستین شواهد تجربی «مدل تورمی» مهبانگ را به پروفسور آندره لینده می‌دهد. لینده، کیهان‌شناس روس‌تبار آمریکایی، از ایده‌پردازان اصلی مدل تورمی در اوایل دهه ۱۹۸۰ میلادی‌ است:

توضیح تصاویر:

۲- طرح از احسان سنایی

۳- طرح از احسان سنایی