هفت چهره علمی منتخب سال ٢٠١۴

با نزدیک شدن به پایان هر سال میلادی، وب‌سایت‌ها و نشریات خبری متعددی اقدام به انتشار فهرستی از «ترین»های سالی که گذشت، به فراخور موضوع مدنظر می‌کنند؛ و در این بین، شخصیت‌ها یا دستاوردهای علمی آن سال هم اغلب سهم ویژه‌ای را به خود اختصاص می‌دهند (نگاه کنید به: در ستایش انسان‌هایی که با ابولا مبارزه می‌کنند).

در انتهای سال جاری میلادی نیز می‌شد از بین موضوعات متنوع علمی، سراغ از داغ‌ترین و پرمخاطب‌ترین تیترهای سال گذشته گرفت و مرور مختصری بر رخدادهای خبرسازش داشت. اما معیار تهیه و تدوین فهرستی که در ادامه راجع به هفت چهره منتخب عملی سال ۲۰۱۴ خواهید خواند، علوم پایه، و مشخصاً آن دسته خبرهایی بوده که به پرسش‌های بنیادی علم ارتباط پیدا می‌کنند؛ پرسش‌هایی که صورتشان سال‌ها، قرن‌ها، و بلکه هزاره‌هاست که دست‌نخورده مانده، و تنها به یمن کشفیات تدریجی و تحقیقاتی که معمولاً در سایه سکوت رسانه‌ای انجام می‌شوند، هرساله پاسخ‌هایی متفاوت اما دقیق‌تر از سال گذشته برمی‌گیرند – و سال ۲۰۱۴ هم گام کوچکی در راستای هرکدام از این مسیرهای طولانی بود.

در انتخاب هفت چهره زیر (که البته با توجه به ماهیت پژوهش‌های مربوطه، به‌ندرت «شخص» خاصی را شامل می‌شوند)، پرسش‌های دیرین مرتبط به منشأ مقولاتی از قبیل خلاقیت هنری، حیات، آب، منظومه شمسی و...، به ترتیب مقیاسشان بهانه شده تا موقعیت چند دستاورد علمی شاخص سال ۲۰۱۴ را در مختصات «جهان‌بینی علمی» ارزیابی کنیم؛ تا بدین‌وسیله اهمیت این اخبار ظاهراً پراکنده، ملموس‌تر جلوه کند. با این مقدمه، به سراغ نخستین چهره علمی منتخب سال گذشته میلادی می‌رویم:

۱. هومو ارکتوس؛ انسان راست‌قامت

از لحاظ مطالعات دیرین‌شناختی، سال ۲۰۱۴ سال نسبتاً پرثمری بود. در اوایل ماه سپتامبر، تیمی از محققین موزه ملی جبل‌الطارق، خبر از کشف غارنگاره‌هایی در این کشور کوچک آفریقایی دادند که قدمتشان به بالغ بر ۳۹ هزار سال می‌رسید. به اعتقاد این محققین، چنین نگاره‌هایی را می‌توان نخستین نشانه‌های خلاقیت و هنر انسان نئاندرتال تلقی کرد، چراکه تا حدود ده‌هزار سال بعد، هومو ساپینس (یا «انسان خردورز») به غارهای جبل‌الطارق دسترسی نداشت. این کشف، به فاصله کمتر از یک ماه، همزمان شد با اعلام نتایج سن‌سنجی مجدد از غارنگاره‌هایی در منطقه سولاوسی کشور اندونزی، که سابقاً قدمتشان در حدود ۱۰ هزار سال تخمین زده شده بود؛ حال‌آنکه برآوردهای جدید، این مقدار را به ۴۰ هزار سال افزایش می‌داد.

با این‌همه، به‌گفته آلسی‌تر پایک، از باستان‌شناسان دانشگاه ساوث‌همپتون انگلستان (که سن‌سنجی‌های اورانیومی او در سال گذشته بر یازده غار باستانی اسپانیا، رکورد قدمت قدیمی‌ترین غارنگاره جهان را جابجا کرده بود)، غارنگاره‌های اندونزی نمی‌توانسته کار انسان نئاندرتال بوده باشد – چراکه تاکنون هیچ‌گونه نشانی از حضور نئاندرتال‌ها در منطقه سولاوسی یافت نشده است. این کشفیات، در شرایطی معمای منشأ خلاقیت هنری انسان را پیچیده‌تر می‌کرد که در اوایل دسامبر ۲۰۱۴، حتی خبر کشفی عجیب‌تر منتشر شد: کنده‌کاری‌های انتزاعی‌ای روی صدف، با قدمتی در حدود نیم‌میلیون سال. ‌

این صدف‌نگاره‌های ساده، که فرآیند سن‌سنجیشان بالغ بر هفت سال به طول انجامید، بر سطح فسیل صدف‌هایی یافت شده‌اند که در سال ۱۸۹۱ میلادی توسط دیرین-انسان‌شناس هلندی، یوجین دوبیوس در حاشیه رودخانه‌ای در کشور اندونزی جمع‌آوری شده بودند. در آن مقطع، دوبیوس موفق شد از خلال این نمونه‌ها نخستین بازمانده‌های تیره‌ای منقرض‌شده از انسان‌ها، موسوم به «هومو ارکتوس»، یا «انسان راست‌قامت» را هم پیدا کند. طبق شواهد موجود، هومو ارکتوس از حدود یک میلیون و ۹۰۰ هزار الی ۱۴۳ هزار سال پیش، در حدفاصل آفریقا تا آسیای جنوب شرقی زندگی می‌کرد.

هفت سال پیش، ژوزفین یوردنز، باستان‌شناس دانشگاه لیدن هلند، و همکارش استیون مونرو از موزه ملی استرالیا موفق شدند در نمونه‌های به‌دست‌آمده توسط دوبیوس، صدف‌هایی را پیدا کنند که به‌نحوی منظم و انتزاعی رویشان حکاکی شده بود؛ آن‌هم حکاکی‌های نسبتاً سخت و هدفمندی که تاب فرسایش بلندمدت سطح صدف را در این مدت آورده‌اند. این دو پژوهش‌گر، پس از صرف زمانی هفت‌ساله به‌منظور کسب اطمینان کافی از سن‌سنجی خود، عاقبت در ابتدای دسامبر ۲۰۱۴ اعلام کردند که قدمت این صدف‌نگاره‌ها به حداکثر ۵۴۰ هزار، و حداقل ۴۳۰ هزار سال می‌رسد – قدمتی که به‌خوبی با زمینه و زمانه زندگی هومو ارکتوس انطباق دارد. تا پیش از این، قدیمی‌ترین نمونه‌های حکاکی انسان نخستین، متعلق به سنگ‌هایی بود از چند غار باستانی در آفریقای جنوبی، با قدمت ۷۰ تا ۱۰۰ هزار سال؛ که به احتمال قریب به یقین می‌بایستی کار هومو ساپینس بوده باشند. اما صدف‌نگاره‌های اندونزیایی هم‌اینک قرائت متداول انسان‌شناسان از زندگی هومو ارکتوس را به چالش خوانده‌اند.

این کشف اخیر از آنجایی در شناخت ریشه‌های خلاقیت هنری و تفکر انتزاعی انسان اهمیت اساسی دارد که، به‌گفته پت شیپمن، از دیرین-انسان‌شناسان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، «این سؤال بزرگ و انگشت‌نما را دوباره پیش می‌کشد که «رفتار مدرن انسانی» چیست؟» چراکه ما متعلق‌ایم به تیره هومو ساپینس، و چنان‌چه قرار باشد هومو ارکتوس نیز انسانی خردورز همچون ما – دست‌کم از لحاظ تفکر انتزاعی – بوده باشد، پس تفاوت کیفیات «خردورزی» این دو گونه را در چه باید جست؟

۲. مولکول DNA

هرچند که در رده‌بندی‌های دیرین‌شناختی، هومو ساپینس و هومو ارکتوس، دو گونه مختلف از رده انسان‌تباران محسوب می‌شوند، اما هر دو موجوداتی «زنده» به شمار می‌رفته و می‌روند. اگر کشفیات امسال، چالش‌های تازه‌ای را متوجه ملاک تمیز این دو گونه ساخت، دست‌کم این نکته برای زیست‌شناسان مسجل بود که فصل مشترک ساختار زیست‌شناختی کلیه موجودات زنده، مولکول منحصربفردی با یک ساختار شیمیایی ویژه است: مولکول DNA.

اما انتشار نتایج تحقیقات پانزده‌ساله تیمی از زیست‌شناسان انیستیتو اسکریپس کالیفرنیا به سرپرستی فلوید رومزبرگ در اوایل مه ۲۰۱۴، حتی مولکول DNA را هم از موقعیت شیمیایی ویژه‌اش – به منزله ملاک ثابت و محکمی برای تمیز یک سامانه زیستی از یک سامانه شیمیایی – ساقط کرد. در شرایطی که برخی زیست‌شناسان معتقد بوده و هستند که حیات زمینی فقط بر مبنای ساختار شیمیایی منحصربفرد مولکول DNA قابلیت رشد و تکثیر دارد، این محققین موفق به تولید DNA مصنوعی‌ای شدند که آنزیم‌های بدن باکتری تحت بررسی‌شان بدون این‌که حتی به مصنوعی بودن این DNA پی ببرند، آن را دریافت و تکثیر کردند.

DNA، مولکول مارپیچ و نردبانی‌شکلی است که هر پله آن اصطلاحاً یک «واحد» DNA را شکل می‌دهد؛ به‌طوری‌که یک واحد نیز خود از دو زیرواحد مولکولی تحت عنوان «نوکلئوتید» ساخته شده است. نوکلئوتیدها را می‌توان حروف الفبای حیات زمینی تلقی کرد، چراکه مولکول‌های DNA موجود در تک‌تک موجودات زنده زمین، در واقع چیدمان‌های متفاوتی از چهار نوکلئوتید یکسان هستند؛ چهار نوکلئوتید با اسامی اختصاری A، T، C، و G. اما تیم رومزبرگ موفق شد دو حرف دیگر را هم به الفبای حیات زمینی (به هیأت نوکلئوتیدهای مصنوعی‌ای با اسامی اختصاری X و Y) اضافه کند، و لذا نخستین DNA شش‌نوکلئوتیدی زمین را تولید، و در بدن یک موجود زنده زمینی تکثیر کند.

آن موجود زنده، باکتری‌ای بود موسوم به E. Coli. این محققین، با تزریق یک رشته DNA شش‌نوکلئوتیدی به یکی از سلول‌های این باکتری، متوجه شدند که سلول، نسخه دیگری از DNA دریافتی را تکثیر، و بدین‌وسیله دست‌پخت دانشمندان را رسماً وارد چرخه طبیعی حیات کرد. اگرچه آنزیم‌های بدن باکتری، نوکلئوتیدهای X و Y موجود در این DNA مصنوعی را بی‌هیچ مشکلی – درست مثل چهار نوکلئوتید طبیعی مولکول DNA – شناسایی کردند، اما این دو نوکلئوتید حاوی دستورالعمل خاصی برای آن آنزیم‌ها نبودند؛ و لذا DNA دست‌ساخت دانشمندان عملاً تأثیری را بر ساختار بدن باکتری اعمال نکرد. با این وجود، اعمال چنین تأثیری، با توجه به ابعاد دانش موجود از ساز و کار شیمیایی بدن موجودات زنده، کار دشواری نخواهد بود؛ هرچند که عواقب آن بعضاً غیرقابل پیش‌بینی است. از سال ۲۰۰۲ که اکارد ویمر، از پژوهش‌گران دانشگاه استونی‌بروک نیویورک موفق به شبیه‌سازی کامل ویروس فلج اطفال در محیط آزمایشگاه شد، نگرانی‌ها در خصوص تبعات چه بسا جبران‌ناپذیر دستاوردهای مهندسی ژنتیک بالا گرفت؛ و تولید DNA شش‌نوکلئوتیدی هم از این امر مستثنی نیست.

البته تیم رومزبرگ از حالا با گزینه‌های متعددی روبروست. پروتئین‌های سازنده بدن کلیه موجودات زنده زمین، از واحدهایی موسوم به آمینواسید شکل یافته‌اند، که ساختار ژنتیکی هر بیست نوع آمینواسید موجود در قلمرو حیات زمینی را می‌توان با الفبای چهارحرفی DNA کدگذاری کرد. تیم رومبزرگ هم درصدد برآمده تا آمینواسیدهایی به غیر از این بیست نوع متداول را با الفبای شش‌حرفی خود کدگذاری کنند و بدین‌وسیله چه بسا دستورالعمل‌هایی برای گونه‌های کاملاً جدیدی از حیات زمینی بنویسند. رومزبرگ می‌گوید: «اگر حرف‌های بیشتری را در اختیارتان بگذارند، می‌توانید کلمات تازه‌ای هم بسازید؛ می‌توانید شیوه‌های جدیدی برای کاربرد این کلمات پیدا کنید، و چه بسا بتوانید قصه‌های جذاب‌تری هم تعریف کنید»؛ قصه‌هایی‌گاه به تلخی احیای ویروس فلج اطفال، وگاه به شیرینی تولید آمینواسیدهایی به‌منظور امحای هدفمند سلول‌های سرطانی. به هر جهت، زیست‌شناسان جهان از حالا سراپا گوش شده‌اند.

۳. مأموریت روزتا

قصه حیات در سیاره ما زمین، گرچه به‌گفته رومبزرگ از کلماتی محدود شکل گرفته، ولی با این‌همه، گویا دچار ممیزی هم شده است. مولکول‌های آمینواسید در محیط آزمایشگاه معمولاً به دو فرم «راست‌گرد» و «چپ‌گرد» ظاهر می‌شوند (یعنی یک مولکول آمینواسید معمولاً قربنه‌ای متشکل از همان اتم‌ها، ولی با آرایشی دقیقاً معکوس خود – همانند تصویرش در آینه – را هم دارد). هرچند که احتمال راست‌گردی یا چپ‌گردی آمینواسیدهای تولیدشده در جریان واکنش‌های آزمایشگاهی دقیقاً ۵۰/۵۰ است، اما پروتئین‌های تشکیل‌دهنده حیات زمینی، از آمینواسیدهایی با فرم مشخصاً چپ‌گرد ایجاد شده‌اند.

عجیب اینجاست که چنین آرایشی چه بسا منحصر به آمینواسیدهای زمینی هم نباشد. در سال ۲۰۰۰ که شهاب‌سنگی در آسمان کانادا منفجر شد، بقایایی از آن به جا ماند که دانشمندان در آن‌ها موفق به تشخیص انواعی از آمینواسید تحت عنوان «اسید آسپارتیک» شدند. بررسی‌های بعدی حاکی از این بود که فراوانی فرم چپ‌گرد این نوع آمینواسید نسبت به فرم راست‌گرد آن در این شهاب‌سنگ، حدود چهار برابر بیشتر است. چرا آمینواسیدهای فرازمینی‌ای که حتی به مرحله تشکیل پروتئین نرسیده‌اند نیز همچون آمینواسیدهای زمینی، ترجیح بر چپ‌گرد بودن دارند؟

مأموریت فضایی «روزتا»، متعلق به سازمان فضایی اروپا (اسا)، در تلاش برای پاسخ به همین پرسش، و چندین و چند پرسش کلیدی دیگر، در سال ۲۰۰۴ روانه سفری به مقصد دنباله‌دار «۶۷/پی چوریوموف-گراسیمنکو» شد تا پس از طی سفری ده‌ساله، در نوامبر ۲۰۱۴ عاقبت به مقصد برسد (نگاه کنید به: اودیسه روزتا). گرچه مأموریت این مدارگرد اروپایی تا اواسط سال ۲۰۱۵ ادامه خواهد داشت و در این مدت تحولات فیزیکی دنباله‌دار را در جریان گذر از نزدیک‌ترین فاصله‌اش تا خورشید رصد خواهد کرد، اما خبرسازترین بخش این مأموریت در سالی که گذشت، فرود دوقلوی کوچک‌تر روزتا، یعنی سطح‌نشین «فیله»، بر سطح هسته این دنباله‌دار بود؛ فرودی مشخصاً دشوار که بشر برای نخستین بار آن را تجربه می‌کرد.

فرود فیله، چندان مطلوب مهندسین نبود و سطح‌نشین پس از دو دفعه برخورد غیرمنتظره به سطح سخت هسته دنباله‌دار، و جابجایی‌ای در حدود یک کیلومتر از محل پیش‌بینی‌شده، عاقبت در وضعیتی ناپایدار، در پایین‌دست دره‌ای مستقر شد که روزانه فقط یک ساعت و نیم آفتاب می‌بیند. اما ذخیره ۶۴ساعته باتری فیله به دانشمندان اجازه داد حداکثر عملیات علمی ممکن را در همان فاز نخست فرود سطح‌نشین به ثمر برسانند. برنامه این بود که پنل‌های خورشیدی فیله، همزمان با مصرف ذخیره باتری، آن را رشارژ کنند و بدین‌وسیله سطح‌نشین طی فاز دوم مأموریتش تا دست‌کم سه ماه دیگر را روی هسته دنباله‌دار به فعالیت و استحصال داده بپردازد. اما محل نامطلوب فرود، امیدها به فاز دوم مأموریت فیله را کم‌رنگ کرد.

با این وجود، دانشمندان انتظار دارند که طی ماه‌های آینده، و با تغییر زاویه تابش خورشید بر سطح هسته، محل فرود فیله (و لذا پنل‌های خورشیدی آن) هم عاقبت در معرض مقادیر بیشتری نور آفتاب قرار بگیرند و بدین‌وسیله سطح‌نشین از خواب چندماهه‌اش برخیزد. (چنانچه این‌طور بشود، محل فعلی فرود فیله حتی این مزیت را نسبت به محل پیش‌بینی‌شده دارد که گرمای زیادی نمی‌بیند و چه بسا فیله بتواند حتی مدتی طولانی‌تر از عمر اسمی‌اش را هم بر سطح هسته به فعالیت بپردازد). اما در غیر این صورت نیز، مشاهدات فیله در همان چندساعت نخست مأموریت‌اش، داده‌های ذی‌قیمتی را در اختیار دانشمندان گذاشت که کماکان در حال پردازش‌اند. این داده‌ها به شناخت بهتر دانشمندان از ساز و کار ورود احتمالی مولکول‌های بنیادی حیات از طریق برخورد دنباله‌دارها به زمین، کمک کند.

اما در همین اثناء، مدارگرد روزتا هم اطلاعات بی‌سابقه‌ای را در اختیار دانشمندان گذاشت؛ که تازه‌ترین آن‌ها رد قاطعانه این فرضیه بود که برخورد گسترده دنباله‌دارها به زمین در حدود سه و نیم میلیارد پیش، عامل «اصلی» ورود آب به زمین بوده است. از عمده‌ترین شواهد پشتیبان این فرضیه، تشخیص مقادیر قابل توجهی یخ‌آب در گودال‌های دائماً سایه‌گیر قطب جنوب ماه و همچنین قطبین سیاره عطارد بود. ماه و عطارد نه میزبان جو پایدار و ضخیمی هستند که شرایط لازم برای فرآوری شیمیایی آب را میزبانی کنند، و نه سایر مؤلفه‌های لازم برای میزبانی از چنین فرآیندی – از جمله گرمای داخلی – را دارند؛ اما با این وجود، در نقاطی از این دو جرم مرده منظومه‌مان که میلیاردها سال است آفتاب ندیده، مقادیر قابل توجهی یخ‌آب یافت شده است (نگاه کنید به: رونمایی از چهره‌های جدید ماه و عطارد). از محتمل‌ترین فرضیه‌هایی که در توضیح این مشاهدات عرضه شد، همان فرضیه برخورد دنباله‌دارها بود، که می‌توانسته بر سایر اجرام داخلی منظومه‌مان، از جمله زمین هم مصداق پیدا کند. اما ماجرا به همین‌جا ختم نمی‌شود.

شاخص مطمئن‌تری که بین سیاره‌شناسان برای ارزیابی پیشینه آب در نواحی مختلف منظومه شمسی استفاده می‌شود، نسبتی موسوم به نسبت دوتریوم-به-هیدروژن (D/H) است. دوتریوم، یکی از سه ایزوتوپ عنصر هیدروژن، با هسته‌ای متشکل از یک پروتون و یک نوترون است؛ حال‌آنکه عنصر هیدروژن در فراوان‌ترین شکل آن، هیچ نوترونی ندارد. از آنجاکه پیشینه تشکیل عنصر هیدروژن، در کلیه نقاط گیتی، به زمان مهبانگ برمی‌گردد، با حذف مؤلفه‌های جانبی می‌توان این فرض را گرفت که هر سه ایزوتوپ هیدورژن، پیشینه مشترکی داشته‌اند، و لذا فراوانی نسبیشان (مثلاً فراوانی دوتریوم-به-هیدروژن) عدد ثابتی بوده است. اما دوتریوم، ایزوتوپی ناپایدار است و به ازای مدت‌زمان درگیری‌اش در واکنش‌های شیمیایی، غلظت نسبی آن رفته‌رفته رو به کاهش می‌گذارد. پس هرچه نسبت D/H به دست آمده برای ترکیبات شیمیایی محتوی هیدوژن (مثلاً آب) عدد کمتری باشد، حکایت از پیشینه پرافت‌وخیزتر محیط میزبان آن ترکیب دارد. محاسبات قبلی دانشمندان از مقادیر چنین شاخصی برای آب موجود در گیسوی برخی دنباله‌دارهای کوتاه‌دوره (مثلاً دنباله‌دار هارتلی-۲)، نشان می‌داد که مقدار D/H این آب‌های فرازمینی، با مقدار D/H متوسط آب اقیانوس‌های زمین برابری می‌کند. این مشابهت نمی‌توانسته صرفاً یک تصادف بوده باشد.

اما محاسبات اخیر ابراز «روزینا»، مستقر بر مدارگرد روزتا، از بخار آب موجود در گیسوی دنباله‌دار چوریوموف-گراسیمنکو، نسبت D/H آب موجود در این دنباله‌دار را سه برابر بزرگ‌تر از مقدار متوسط D/H آب اقیانوس‌های زمین نشان می‌داد. کاترین آلت‌وگ، از فیزیکدانان دانشگاه برن سوئیس و پژوهش‌گر ارشد ابزار روزینا، اعتقاد دارد که این مشاهدات آن‌قدر از خواص شیمیایی آب‌های زمین تخطی می‌کند که مشاهدات سابق دانشمندان مبنی بر مشابهت مقدار D/H آب دنباله‌دارهایی نظیر هارتلی-۲ با آب‌های زمین را در واقع باید استثناء شمرد، و محاسبات روزتا را ملاک گرفت. به عبارت دیگر، طبق مشاهدات روزتا، دنباله‌دارها «نمی‌توانسته‌اند» عامل اصلی ورود آب به سیاره‌مان بوده باشند.

اما ماجرا هنوز هم به اینجا ختم نمی‌شود؛ چراکه دنباله‌دارها تنها اجرام برخوردکننده به زمین در طول تاریخ سیاره ما نبوده‌اند: زمین، زخم‌خورده از برخورد «سیارک»ها هم هست؛ سیارک‌هایی گرچه امروزه غالباً «خشک» ‌، اما چه بسا حاوی آن مقدار آب که بتوان از مشابهت کیفیات آن با آب‌های زمین اطمینان یافت. محاسبات سابق دانشمندان از مقادیر D/H برخی شهابسنگ‌ها با منشأ سیارکی، اعدادی مشابه با شاخص آب اقیانوس‌های زمین به دست داده‌اند. اطلاعات فعلی موجود از ساختار سیارک‌ها، به‌واسطه تعدد انواعشان، هنوز در آن سطحی نیست که بتوان بر این گمانه مهر تأییدی نهاد؛ اما پرتاب یک ماه پیش کاوشگر ژاپنی «هایابوسا-۲» به مقصد یک سیارک، و همچنین ورود فضاپیمای آمریکایی «بامداد» در سال آینده میلادی به مدار سیارک سرس (بزرگ‌ترین سیارک منظومه شمسی)، می‌تواند نویدبخش آینده روشنی در پژوهش‌های مرتبط به منشأ آب زمین باشد.

۴. «آرایه‌تلسکوپ‌های بزرگ میلیمتری-زیرمیلیمتری آتاکاما» (ALMA)

چه پیشینه پرافت‌وخیز آب در سیاره آبی ما به برخورد دنباله‌دارها گره خورده باشد، چه سیارک‌ها، یک نکته واضح است و آن هم این‌که: جملگی این رخدادها در یک «منظومه» به وقوع پیوسته‌اند؛ منظومه‌ای که عمرش از حدود چهار میلیارد و ششصد میلیون سال تجاوز نمی‌کند. درست همان‌طور که هومو ارکتوس و هومو ساپینس هر دو به رده انسان‌تباران تعلق دارند، زمین و سایر سیارات همسایه، به اتفاق خورشید و اجرام کوچکی نظیر دنباله‌دارها و سیارک‌ها هم به یک «منظومه» تعلق دارند. و درست همان‌طور که مبنای حیات زمینی را می‌توان به الفبای چهارحرفی مولکول مارپیچی DNA خلاصه کرد، قصه تشکیل منظومه شمسی را هم می‌توان به یک «قرص» فشرده از گاز و غبار چرخان خلاصه کرد. این فرضیه‌ای بود که نخستین بار در سال ۱۷۵۵ میلادی توسط ایمانوئل کانت عرضه شد، که در آن مقطع هنوز فیلسوفی به شهرت امروزش نبود. چهار دهه بعد، پیر سیمون دو لاپلاس، اخترشناس و ریاضیدان فرانسوی، مستقلاً همین فرضیه را با پاره‌ای اشکالات دینامیکی مطرح کرد، و نهایتاً با حک و اصطلاحاتی که طی دو قرن گذشته بر آن صورت گرفت، این فرضیه به‌عنوان مدل استاندارد تشکیل منظومه شمسی پذیرفته شد.

با این وجود، این‌ها همه در حد فرضیه بود و در عین حال دسترسی به شواهد عینی مستقیمی از آن برهه پرتلاطم از عمر منظومه شمسی هم طبیعتاً امکان نداشت. اما می‌شد این فرض را گرفت که چنان‌چه الفبای دینامیک سیارات، حروف محدودی متشکل از قوانین فیزیک کلاسیک دارد، پس سرگذشت سایر منظومه‌های ستاره‌ای هم شبیه سرگذشت منظومه خورشیدی ما بوده و هست؛ و لذا می‌توان با رصد آن منظومه‌ها، از صحت فرضیات مرتبط به پیشینه منظومه خودمان نیز اطمینان یافت. اما مشکل اینجا بود که فرآیند تطور یک منظومه، در پشت پیله ضخیمی از غباری که اطراف ستاره نوباره را فراگرفته در جریان است؛ و این پیله غبارین، با جذب نور مرئی و بازتابش آن در امواجی با طول موج بلندتر، مانعی برای تلسکوپ‌های نور مرئی است تا به فرآیندهای درون آن بنگرند. تنها پس از ثبات ستاره و شروع فرآیندهای گرماهسته‌ای درون آن است که گرمای حاصله، پیله را پس می‌زند، و این پرده‌دری هم در شرایطی رخ می‌دهد که فرآِیند تشکیل منظومه عملاً اتمام یافته است. پس هرآنچه تلسکوپ‌های نور مرئی ما تاکنون از منظومه‌های فراخورشیدی شکار کرده بودند، مجموعه‌ای بود از سیارات جوان و بعضاً قرص‌هایی همچون کمربند سیارکی؛ نه آن «قرص» یکپارچه‌ای که در فرضیه‌ها می‌خواندیم. برای کسب شواهد مستقیم از فرآیند تطور این قرص پیش‌سیاره‌ای، چاره‌ای نبود الا ساخت تلسکوپ‌های دقیقی حساس به امواج بلندتر از نور مرئی – نظیر امواج میلیمتری یا زیرمیلیمتری.

با این وجود، یک تلسکوپ هرچه به امواج بلندتر حساس باشد، به ازای یک محدوده نورگیری ثابت، رزولوشن‌اش به‌طور مضاعف کاهش می‌یابد. این بدین‌معناست که برای ساخت یک تلسکوپ میلیمتری-زیرمیلیمتری با رزولوشن مطلوب، بایستی محدوده نورگیری آن را بعضاً تا صدها برابر از محدوده نورگیری یک تلسکوپ نور مرئی بزرگ‌تر گرفت؛ و در این‌صورت هزینه ساخت و تولید تلسکوپ، سر به آسمان خواهد گذاشت. اما به یمن فناوری «تداخل‌سنجی»، اخترشناسانی که به بررسی آسمان در طول موج‌های بلندتر مشغول‌اند، از حدود نیم‌قرن پیش تاکنون اقدام به ساخت «آرایه‌تلسکوپ»ها می‌کنند؛ به این معنی که با ساخت مجموعه‌ای از تلسکوپ‌های مشابه و توزیع متناسبشان در محوطه‌ای نسبتاً وسیع، برآیند نورگیری مجموعه را افزایش می‌دهند. در این روش، هرچند «شدت» نور دریافتی قابل مقایسه با شدت نور دریافتی توسط «یک» تلسکوپ به ابعاد همان محوطه نخواهد بود، اما رزولوشن تصاویر دریافتی، با چنان تلسکوپ فرضی‌ای برابری می‌کند. از آن پس، رؤیای اخترشناسان، ساخت آرایه‌تلسکوپ‌هایی هرچه‌غنی‌تر و هرچه‌گسترده‌تر بوده است.

آرایه‌تلسکوپ‌های امواج میلیمتری-زیرمیلیمتری ALMA در صحرای آتاکامای شیلی، که در سال گذشته با بودجه‌ای معادل ۱ میلیارد و ۴۰۰ میلیون دلار رسماً آغازبه‌کار کرد، با میزبانی از ۶۶ رادیوتلسکوپ با قطرهای ۱۲ و ۷ م‌تر، قادر است در دایره‌ای به شعاع حداکثر ۱۵ کیلومتر نورگیری کند؛ ابعادی که رزولوشن بالقوه این رصدخانه را به ۳۵ ثانیه قوسی در امواج میلیمتری می‌رساند. با فرض چنین رزولوشنی در امواج مرئی، می‌توان مبلغ حک‌شده بر یک سکه را از فاصله ۱۱۰ کیلومتری خواند. اما غنای رصدهای این تلسکوپ استثنائی تنها در سال ۲۰۱۴ بود که با به‌کارگیری توان بالقوه‌اش هویدا شد؛ آن‌هم با انتشار نخستین تصویر از یک منظومه در حال تولد. این تصویر را می‌توان به یک سونوگرافی از زهدان غبارآلود یک ستاره نوباوه تشبیه کرد:

ALMA این تصویر را از قرص پیش‌سیاره‌ای ستاره HL-ثور، در فاصله ۴۵۰ سال نوری از زمین تهیه کرده است. کاترین ولاهاکیس، قائم‌مقام دانشمند ارشد این رصدخانه منحصربفرد می‌گوید: «وقتی برای اولین بار این تصویر را دیدیم، محو چنین سطح شگفت‌انگیزی از جرئیات‌اش شدیم. همین تصویر، انقلابی در نظریه‌های تشکیل سیارات ایجاد خواهد کرد». انتظار می‌رود که سیاره‌های پابه‌ماه منظومه HL-ثور، در شکاف‌های تیره‌رنگ لابه‌لای این قرص جاخوش کرده باشند؛ شکاف‌هایی که از اثر فعل و انفعالات گرانشی این سیارات، رفته‌رفته از گاز و غبار می‌ان‌سیاره‌ای جاروب شده‌اند.

رصدخانهٔ ALMA، با همین نخستین تصویر خود در سطح قابلیت‌های بالقوه‌اش نشان داد که طی سالیان آتی، باید به‌راستی شاهد انقلابی در شناختمان از ساز و کار تشکیل ستارگان و سیارات باشیم؛ تصویری که گویی گذشتهٔ منظومه خود ما را هم به تصویر می‌کشد. آیا منظومهٔ HL-ثور هم روزگاری میزبان یک زمین دیگر، در لابه‌لای یکی از همین شکاف‌های تصویر فوق، خواهد بود؟

۵. ابرخوشه کهکشانی لانی‌آکئا

منظومه شمسی ما، منظومه HL-ثور، و هر ستاره دیگری که در آسمان پیداست، علی‌رغم فواصل نسبتاً دور و سرسام‌آورشان نسبت به یکدیگر، همگی متعلق به یک ساختار واحدند: «کهکشان راه شیری»؛ کهکشان مارپیچی متوسطی با میزبانی از بالغ بر یک‌صدمیلیارد ستاره. راه شیری هم به اتفاق نزدیک‌ترین کهکشان همسایه‌مان (آندرومدا)، و کهکشان کوچک‌تر M۳۳، و نیز افزون بر ۵۰ کهکشان کوتوله دیگر، اجتماعی موسوم به «خوشه محلی» (Local Group) را شکل می‌دهند. نام «خوشه» به آن دسته کهکشان‌هایی اطلاق می‌شود که از لحاظ گرانشی به همدیگر مقیدند، و حرکاتشان را می‌توان با توجه به فعل و انفعالات گرانشی متقابلشان توضیح داد. یک خوشه کهکشانی هم می‌تواند بر خوشه‌های همسایه تأثیرات گرانشی متقابل اعمال کند؛ به‌طوری‌که دایره این تأثیرات، حد و حدود ساختار بزرگ‌تری موسوم به یک «ابرخوشه کهکشانی» (Supercluster) را تعریف می‌کند. اما این‌که آیا ابرخوشه‌ها هم می‌توانند نسبت به یکدیگر مقید باشند و ساختار گسترده‌تری را شکل بدهند، احتمالی بود که تاکنون شاهدی بر آن دلالت نداشت.

«خوشه محلی» ما، به اتفاق «خوشه سنبله» (که بخش مرکزی آن در حدود ۵۳ میلیون سال نوری از ما فاصله دارد)، روی‌هم‌رفته «ابرخوشه سنبله» را می‌سازند. ابرخوشه سنبله، در همسایگی ابرخوشه‌های دیگری نظیر ابرخوشه گونیا، ابرخوشه گیسو، و ابرخوشه اژدها قرار دارد (اسامی این ابرخوشه‌ها، اقتباسی از صورت‌های فلکی میزبان این تجمعات کهکشانی، از نقطه‌نظر یک ناظر زمینی است).

تا دهه ۱۹۷۰ میلادی، هیچ‌گونه فعل و انفعال گرانشی متقابلی بین ابرخوشه سنبله و سایر ابرخوشه‌های همسایه تشخیص داده نشده بود. اما در سال ۱۹۷۳، اخترشناسان برای نخستین بار بر مبنای نقشه‌برداری‌های کهکشانی احتمال دادند که کهکشان‌های متعلق به چند ابرخوشه مجاور، تحرکاتی را به نمایش می‌گذارند که از آهنگ ثابت انبساط فضا تخطی می‌کند. از آنجاکه فضا، با توجه به خواص نسبیتی‌اش، از زمان مهبانگ تاکنون با آهنگی اندک‌شتابناک در حال انبساط است، ما هرچه کهکشان‌های دورتری را رصد کنیم، به‌واسطه حجم بیشتر فضای واقع بین ما و آن کهکشان، آنچه به‌عنوان حرکت کهکشان تشخیص خواهیم داد، در واقع حاصل انبساط فضاست، نه حرکت ذاتی آن کهکشان نسبت به کهکشان‌های مجاورش. اما رفته‌رفته به یمن پیشرفت ابزارآلات رصدی اخترشناسان در دهه ۱۹۸۰، آن‌ها موفق شدند حرکات ذاتی برخی کهکشان‌های متعلق به ابرخوشه‌های همسایه ما را از تأثیرات انبساط فضا تمیز دهند و متوجه شوند که ابرخوشه ما، یعنی ابرخوشه سنبله، به اتفاق ابرخوشه‌های همسایه، به سمت نقطه نامعلومی که از دید ما در ناحیه‌ای بین صورت‌های فلکی «مثلث جنوبی» و «گونیا» واقع شده، جذب می‌شوند. از آن پس این نقطه اسرارآمیز، «جاذب بزرگ» (Great Attractor) نامیده شد.

صورت‌های فلکی مثلث جنوبی و گونیا، متأسفانه دقیقاً در راستای نوار راه شیری واقع شده‌اند؛ محدوده‌ای از آسمان که بین اخترشناسان به «منطقه ممنوعه» معروف است. گاز و غبار پراکنده در صفحه کهکشان، مانع از رسیدن نور پس‌زمینه به ما می‌شود و لذا تلسکوپ‌های نور مرئی، قادر به نفوذ در این منطقه ممنوعه نیستند. اما امواجی با طول موج بلندتر از قطر متوسط دانه‌های غبار میان‌کهکشانی می‌توانند از منطقه ممنوعه بگذرند و به چشم ما برسند. از همین‌رو، برای رصد آنچه در پشت صفحه کهکشانمان مخفی شده، باید به «رادیوتلسکوپ»ها متوسل شد.

در اوایل سپتامبر ۲۰۱۴، تیمی از اخترشناسان دانشگاه هاوایی به سرپرستی برنت تولی، نتایج نقشه‌برداری‌های گسترده‌شان در منطقه ممنوعه را، به یمن چشم‌انداز بی‌بدیل رادیوتلسکوپ غول‌آسای گرین‌بنک (با قطر یکصدم‌تر، که بزرگ‌ترین رادیوتلسکوپ متحرک دنیا، واقع در دره گرین‌بنک ویرجینیاست)، منتشر کردند. در شرایطی که انبساط فضا، سرعت ظاهری کهکشان‌های متعلق به ابرخوشه‌هایی به فاصله ۴۰۰ میلیون سال نوری از ما را تا ۱۰ هزار کیلومتر بر ثانیه نشان می‌داد، تیم تولی می‌بایست حرکات ذاتی این کهکشان‌ها – که چیزی در حدود تنها چندصد کیلومتر بر ثانیه بود – را تشخیص بدهد؛ یعنی با دقتی معادل پنج‌صدم درصد. هرچند که انجام رصدهایی این‌چنین دقیق، آن‌هم در منطقه ممنوعه (که خطای محاسباتی ابزارآلات رصدی را به ۱۰ الی ۲۰ درصد افزایش می‌دهد) تقریباً غیرممکن بود، تیم تولی با توسل به یک الگوریتم تحلیلی موسوم به «فیلترینگ واینر»، صرفاً راستای نسبی حرکت کهکشان‌ها در ابرخوشه‌های همسایه را محاسبه کردند، و بدین‌وسیله تصویری سراسری از فعل و انفعالات گرانشی این ابرخوشه‌ها به دست آوردند. این تصویر، حاکی از وجود ساختار غول‌آسایی بود که ابرخوشه ما، یعنی ابرخوشه سنبله، به اتفاق ابرخوشه‌های همسایه، تنها بخشی از آن را شکل داده‌اند و «جاذب بزرگ» هم در قلب آن واقع شده: ابرخوشه‌ای موسوم به «لانی‌آکئا» (Laniakea).

لانی‌آکئا، عنوان پیشنهادی تیم تولی، برگرفته از زبان هاوایایی، به‌معنای «کائنات پهناور» است. این نام، اشاره دارد به دریانوردان کهن سرزمین پولی‌نزی، که هزاران سال پیش، به یمن بهره‌مندی از شناخت صورت‌های فلکی، مسیرشان را در پهنه بیکران اقیانوس آرام پیدا می‌کردند؛ شیوه‌ای که بی‌شباهت به رهیافت هوشمندانه تیم تولی برای فتح «سرزمین جدید» لانی‌آکئا نیست – ابرخوشه‌ای به قطر تقریبی نیم‌میلیارد سال نوری.

۶. مریم میرزاخانی

از چهره اول تا چهارم فهرست حاضر، سلسله‌مراتبی از پرسش‌های ناظر بر منشأ خلاقیت هنری، منشأ حیات، منشأ آب، و منشأ منظومه شمسی را به یمن دستاوردهایی که پژوهش‌گران طی سال گذشته میلادی حاصل آورده‌اند را دوره کردیم؛ اما گام بلند و زمختی که ما را از مرزهای منظومه شمسی (با قطر نهایتاً ۹ میلیارد کیلومتر) ‌، ناگهان به سروقت ابرخوشه کهکشانی لانی‌آکئا (با قطر تقریبی ۵۰۰ میلیون سال نوری برد)، دورنمای نسبتاً وفاداری از یک شکاف انگشت‌نما در علوم پایه نیز می‌دهد: شکاف بین دقت فیزیک کلاسیک در توصیف جهان پیرامون ما (که تنها برای مقیاس‌های نسبتاً خرد معتبر است)، و دقت فیزیک نسبیتی در توصیف جهان بزرگ‌مقیاس (که بهره‌وری کاربرد آن تنها در مقیاس‌های فراکهکشانی هویدا می‌شود). حدفاصل این دو ساحت از علوم دقیقه را شکافی از ابهام پر کرده، که مربوط می‌شود به نحوه صورت‌بندی ریاضی یک تعریف یکپارچه از مفهوم «فضا»، که هم به تعبیر کلاسیکی، و هم به تعبیر نسبیتی از این مفهوم بنیادی در علم فیزیک وفادار بماند. اولین گام چنین اقدام جاه‌طلبانه‌ای را یکی از سه برنده مدال فیلدز ۲۰۱۴ برداشت: مریم میرزاخانی.

در دوازدهم اوت ۲۰۱۴، اعلام نام مریم میرزاخانی به‌عنوان نخستین بانوی برنده مدال معتبر فیلدز از زمان اعطای این مدال (در ۱۹۳۶) تاکنون، این ریاضیدان ۳۷ ساله دانشگاه استنفورد را به‌یک‌باره به چهره نام‌آشنایی در رسانه‌های ایران و جهان بدل کرد (نگاه کنید به: یک ذهن زیبا: مریم میرزاخانی). اما به رغم این موج گسترده رسانه‌ای، کمتر کسی به دلالت‌های علمی دستاورد میرزاخانی در حوزه ریاضیات محض عنایتی نشان می‌داد. در سال ۲۰۱۲، او طی مقاله‌ای ۱۷۲ صفحه به اتفاق الکس اسکین، از ریاضیدانان دانشگاه شیکاگو، و پس از ۹ سال کار پیاپی، موفق شده بود پاسخ استاد راهنمای خود، کورتیس مک‌مولن، به معمایی دیرینه راجع به الگوی انحنای سطوح هذلولی دوحفره‌ای را، به‌صورت تابعی از تعداد حفره‌ها، به سایر سطوح پیچیده‌تر هذلولی هم بسط بدهد. هرچند که تجسم این مبحث انتزاعی کار سختی به نظر می‌رسد، اما گریزی به دلالت‌های فیزیکی این دستاورد، اهمیت آن را روشن‌تر خواهد کرد.

در فیزیک کلاسیک، فضا به منزله سطح تختی لحاظ می‌شود که اجرام بر آن واقع شده‌اند، و نیروی جاذبه هم به‌صورت نیروی دوربردی که این اجسام را به سمت یکدیگر جذب می‌کند. اما با تدوین تئوری نسبیت عام اینشتین در سال ۱۹۱۶، این دو تصویر کلاسیک در هم آمیخت و نیروی جاذبه، معیاری شد برای تعیین «انحنای» فضا. در این تعریف جدید، فضا را صرفاً در محیطی می‌توان «تخت» شمرد که در آن «هیچ» میدان جاذبه‌ای حضور نداشته باشد؛ و این عملاً غیرممکن است (چراکه دست‌کم خودمان در آن حضور داریم!). پس فضای نسبیتی، ذاتاً ماهیتی غیرتخت دارد، و این را می‌شود از رفتار غیرمتعارف نور در اطراف اجرام سنگین‌وزن، بهتر متوجه شد: نور همواره نزدیک‌ترین خط بین مبدأ و مقصدش را طی می‌کند، و این در حالی است که پرتوهای نور عبوری از کنار جرم سنگینی نظیر خورشید، دچار «خمیدگی» می‌شوند. این خمیدگی بدین‌معنا نیست که پرتوهای مزبور مسیرشان را «کج» کرده‌اند، بلکه بدین‌معناست که فضای پیرامون خورشید دچار انحناست، به‌طوری‌که آن پرتوها کماکان نزدیک‌ترین خط بین مبدأ و مقصدش را کرده‌اند، منتها در یک فضای منحنی. در ریاضیات، به نزدیک‌ترین خط بین دو نقطه در یک سطح منحنی، اصطلاحاً «خط ژئودزیک» می‌گویند.

هرچند که نسبیت عام اینشتین، تصویر واقع‌گرایانه‌تری از ساز و کار نیروی جاذبه به دست داد، اما در واقعیت امر، درک الگوی انحنای فضا، به‌واسطه پیچیدگی توزیع جرم در یک سیستم فیزیکی واقعی، کار ساده‌ای نیست. حتی پیش از تدوین تئوری نسبیت عام هم ایزاک نیوتن در کتاب دوران‌ساز «مبانی ریاضی فلسفه طبیعی» (یا به اختصار، پرینسیپیا)، دشواری مسأله توضیح دقیق حرکت ماه در سیستم سه‌گانه ماه-زمین-خورشید را بر همین مبنا مطرح کرده بود. این مسأله در نیمه دوم قرن هجدهم، به بحث داغی بین ریاضیدانان و فیزیکدانان دوران بدل شد. ژان دالامبر و الکسی کلرو، دو ریاضیدانان و اخترشناس سرشناس فرانسوی، کوشیدند از طریق معادلات دیفرانسیل و ارتقای تقریب‌ها، به پاسخی برای این مسأله – که هم‌اینک به «مسأله سه‌جسم» مشهور شده بود – دست پیدا کنند. اما عاقبت در اواخر قرن نوزدهم بود که ریاضیدان آلمانی، ارنست برونز، و ریاضیدان فرانسوی هنری پوآنکاره، نشان دادند ارائه یک راه حل کلی برای مسأله سه‌جسم، از طریق رهیافت‌های جبری می‌سر نیست؛ چراکه الگوی توزیع جاذبه در یک سیستم سه‌گانه، با هر بار صورت‌بندی مجدد مسأله، صورت دیگری به خود می‌گیرد (به عبارت دقیق‌تر، سیستم‌های متشکل از سه جسم، «سیستم‌های دینامیکی» محسوب می‌شوند). از طرفی در آن مقطع، ریاضیدان آلمانی، برنارد ریمان نیز همزمان زمینه را برای عبور ریاضیات از سد هندسه اقلیدسی فراهم ساخته بود؛ رهیافتی که عاقبت در چارچوب تئوری نسبیت عام اینشتین، امکان توصیف طبیعت را یافت.

اما توصیف نسبیتی الگوی توزیع جاذبه در سیستم‌های دینامیکی، همچنان مستلزم تعیین الگوی انحنای فضا در این سیستم‌ها، یا به عبارت بهتر، کلیه خطوط ژئودزیک ممکنی بود که بر فضای مدنظر می‌توان شمردشان. درک الگوی انحنای فضا در چنین سیستم‌هایی که مداوماً تغییر شکل می‌دهند هم درک هندسه سطوح هذلولی (یعنی با انحنای منفی، نظیر سطح یک زین اسب) را می‌طلبد. یک سطح ساده هذلولی را می‌توان به‌صورت قطاعی از یک رویه دونات‌شکل (مانند سطح بیرونی یک تایر اتومبیل) تصور کرد؛ اما برای درک الگوی انحنای سطوح پیچیده‌تر هذلولی، باید عکس مسأله را پی گرفت: اگرچنانچه سطح مدنظر را قطاعی از یک رویه گسترده‌تر تلقی کنیم، این رویه فرضی (که در اصطلاح ریاضی، «رویه انتقالی» نامیده می‌شود) را با آمیزش چند رویه ساده دونات‌شکل می‌توان ایجاد کرد؟ از آنجاکه هر رویه ساده دونات‌شکل هم فقط یک حفره میانی دارد (کمااین‌که هر تایر اتومبیل، فقط یک حفره میانی دارد)، الگوی انحنای سطوح هذلولی، بر حسب تابعی از تعداد «حفره» [ها] ی رویه انتقالیشان تعریف می‌شود.

مک‌مولن، استاد راهنمای پایان‌نامه دکتری میرزاخانی در دانشگاه هاروارد، در سال ۲۰۰۳ موفق شده بود الگوی انحنای یک رویه انتقالی دوحفره‌ای را از طریق تعیین تعداد خطوط ژئودزیک ممکن آن، تبیین کند. اما میرزاخانی موفق شد همین رهیافت را برای رویه‌های انتقالی پیچیده‌تری با n حفره به ثمر برساند؛ اقدامی که فقط یک سال بعد، معتبرترین مدال ریاضیات جهان را برای وی به ارمغان آورد. میرزاخانی، به نحو بالقوه توانسته بود الگوی تطور انحنای فضا در یک سیستم دینامیکی متشکل از دست‌کم سه جسم را تبیین کند؛ پرسشی که نخستین صورت‌بندی آن توسط ایزاک نیوتن، بنیان‌گذار فیزیک کلاسیک رقم خورد، و آلبرت اینشتین، از بنیان‌گذاران فیزیک جدید، آن را به زبان هندسه نااقلیدسی ترجمه کرد. از این نقطه‌نظر، اقدام میرزاخانی، زیرسازی برای احداث یک پل منطقی بود که می‌تواند متغیرهای فیزیک کلاسیک (که هندسه اقلیدسی را پیش‌فرض گرفته‌اند) را به رهیافت‌های فیزیک نسبیتی پیوند بزند.

۷. حسگر میکروموجی BICEP2

پیش از این گفته شد که گرچه در فیزیک کلاسیک، فضا به‌عنوان موجودیتی تخت مدنظر قرار می‌گیرد، اما تصور وجود فضایی کاملاً تخت هم در طبیعت غیرممکن است؛ چراکه هیچ نقطه‌ای از فضا، از تأثیرات یک میدان گرانشی برحذر نیست. فضا، ولو به مقداری بسیار ناچیز، همواره دچار انحناست. اما منشأ این انحنای دائمی، یا به عبارت بهتر، منشأ پیدایش «ماده» در فضای جهان، از دیرینه‌ترین سؤالات علم کیهان‌شناسی به شمار می‌رود. با تحکیم تئوری مهبانگ در اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی به‌عنوان مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی، این معما هم کماکان به قوت خود باقی بود، چراکه مهبانگ، صورتی از تئوری نسبیت عام است، حال‌آنکه منشأ ماده در چارچوب علم فیزیک، به حوزه کنکاش فیزیک کوانتوم مربوط می‌شود. آشتی‌ناپذیری این دو ساحت از فیزیک جدید، در همین معماست که از همه‌جا چهره ملموس‌تری به خود می‌گیرد.

در اوایل دهه ۱۹۸۰، فیزیکدان آمریکایی آلن گوت، و فیزیکدان روسی-آمریکایی، آندره لینده، این فرضیه را مطرح ساختند که شاخص مقیاس جهان، در کسری از ثانیه پس از مهبانگ (و در آستانه رخدادی که در فیزیک کوانتوم به «تفکیک نیروی قوی هسته‌ای از نیروی الکتروضعیف» معروف است)، ۱۰ به توان ۲۶ برابر بزرگ‌تر شد؛ رخدادی که این فیزیکدانان از آن به‌عنوان «تورم کیهانی» (Cosmic Inflation) یاد کردند. با این‌همه، مکانیک کوانتومی، برخلاف نسبیت عام، فضا را رویه‌ای یکدست و انتزاعی مثل الگوی رقصان دود سیگار در هوا نمی‌بیند، بلکه بافتار فضا را، پیرو روابط عدم قطعیت، چونان دیگ جوشانی تلقی می‌کند که در هر لحظه و در هر نقطه، میزبان جفت‌ذراتی موسوم به «جفت‌های مجازی» (Virtual Pairs) است که مداوماً از انرژی پتانسیل فضازاده می‌شوند و بر اثر برهم‌کنش با یکدیگر هم آناً به انرژی فرومی‌پاشند. در مدل گوت و لینده، تورم کیهانی با آهنگی بسیار سریع‌تر از آن حادث می‌شود که انرژی جنبشی جفت‌های مجازی، کفاف طی مسافت فزاینده مابینشان (که هم‌اینک ۱۰ به توان ۲۶ برابر شده) را بدهد؛ و لذا به‌هنگام وقوع تورم کیهانی، کلیه جفت‌های مجازی تولیدشده در بافتار فضا در آن لحظه، به هیأت ذراتی حقیقی، اما به دو فرم «ماده» و «پادماده» در جهان پخش شدند (به‌طوری‌که مثلاً به ازای هر الکترون، ذره‌ای با همان جرم اما با بار مثبت – موسوم به پوزیترون – هم به جهان راه پیدا کرد).

با این‌که مدل استاندارد علم کیهان‌شناسی، همچنان به این معما که «پادماده»ها هم‌اینک کجا رفته‌اند، پاسخ مطلوبی نداده (چراکه هرآنچه در جای‌جای جهانمان می‌بینیم، از ماده شکل یافته، و نه پادماده)، ولی پیش‌بینی کیهان‌شناسان مبنی بر این‌که چه بسا بتوان انرژی باقیمانده از برهم‌کنش آن حجم از ماده و پادماده را امروزه در اطرافمان تشخیص داد، به تأیید تجربی رسیده است. (در حال حاضر، حسگر غول‌آسای LHCb، واقع در مسیر شتاب‌دهنده LHC، و همچنین حسگر AMS-2، مستقر بر ایستگاه فضایی بین‌المللی، درصدد پاسخ به معمای تفوق ماده بر پادماده در سنوات نخستین عمر جهان برآمده‌اند). پیش‌بینی می‌شد که فوتون‌های پرتو گامای ناشی از برهم‌کنش ماده/پادماده، با گذشت مدت‌زمانی بالغ بر ۱۳ میلیارد و ۸۰۰ میلیون سال، هم‌اکنون دوشادوش جهان به قدری منبسط شده باشند که امروزه بشود آن‌ها را در طول موج‌های میکروموجی تشخیص داد. تشخیص تصادفی همین امواج میکروموجی (موسوم به «تابش میکروموجی پس‌زمینه کیهان»، یا CMB) در اواخر دهه ۱۹۶۰، از پشتوانه‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی، از آن برهه تاکنون به شمار می‌رود.

از جمله پیش‌بینی‌های «مدل تورمی» مهبانگ، تولید امواج مشخصی بر پهنه فضا به‌هنگام وقوع تورم است، که به «امواج گرانشی» معروف‌اند. انتظار می‌رود که بتوان تأثیر غیرمستقیم این امواج بر فوتون‌های تابش CMB را به هیأت خاصیتی موسوم به «قطبش حالت B»، بر پهنه این تابش میکروموجی تشخیص داد. اما تشخیص این حالت از قطبش تابش CMB، فوق‌العاده دشوار است؛ چراکه بخش اعظم فرآیند قطبش این تابش ارتباطی به زمان مهبانگ ندارد و حین عبور فوتون‌های CMB از محیط میان کهکشانی رخ می‌دهد. خوشبختانه این‌گونه قطبش ثانویه، الگوی متفاوتی موسوم به «قطبش حالت E» را به نمایش می‌گذارد، که می‌توان به‌راحتی تشخیص‌اش داد. اما چنان‌چه مسیر این فوتون‌های قطبیده، حین عبور از نزدیکی نواحی پرجرمی نظیر خوشه‌های کهکشانی، به‌واسطه انحنای فضای پیرامون این نواحی پرجرم دچار خمیدگی بشود، امکان این وجود دارد که ما از زمین، قطبش حالت E در این فوتون‌ها را با حالت B اشتباه بگیریم. از این گذشته، تابش گرمایی غبار پیرامون کهکشان خودمان، راه شیری، نیز چنان‌چه با میدان‌های مغناطیسی آن تداخل پیدا کند، می‌تواند الگوی قطبش حالت B را به نمایش بگذارد.

لذا تشخیص ردپای تورم کیهانی در این مسیر پرفراز و نشیب، و بین این‌همه ردپای بدلی، کار ساده‌ای نیست. اما در اواسط مارس ۲۰۱۴ بود که تیمی از پژوهش‌گران هشت دانشگاه ایالات متحده، به اتفاق دانشگاه‌های بریتیش‌کلمبیای کانادا، و ولز کاردیف انگلستان، و همچنین پایگاه پژوهشی JPL ناسا (روی‌هم‌رفته موسوم به ائتلاف BICEP2، مخفف «نسل دوم تصویربرداری پس‌زمینه قطبش فراکهکشانی کیهان»)، با انتشار مقاله‌ای اعلام کردند که به یمن رصدهای صورت‌پذیرفته با حسگر میکروموجی BICEP2، مستقر در پایگاه آموندسن-اسکات جنوبگان، موفق به کشف شواهد «قطعی» قطبش حالت B تابش CMB با منشأ تورمی شده‌اند. این خبر، موجی از هیجان را به جامعه کیهان‌شناسی جهان تزریق کرد و حتی زمینه‌ساز گمانه‌زنی‌هایی برای اعطای قریب‌الوقوع جایزه نوبل فیزیک هم به تیم BICEP2 شد (نگاه کنید به: کشف نخستین شواهد مستقیم «تورم کیهانی»).

اما کمتر از ده روز بعد، دیوید اسپرگل، اخترفیزیکدان دانشگاه پرینستون، شبهات تأمل‌برانگیزی را متوجه گزارش ائتلاف BICEP2 ساخت؛ و احتمال داد که آنچه توسط این تیم به‌عنوان قطبش حالت B تابش CMB تشخیص داده شده، چه بسا ناشی از تابش گرمایی غبار راه شیری بوده باشد. چندی بعد، انتشار نتایج نقشه‌برداری‌های ماهواره میکروموجی پلانک هم، که تراکم قابل‌توجهی از غبار کهکشانی را در موقعیت رصدی تیم BICEP2 نشان می‌داد، این گمانه را تقویت کرد. این ملاحظات، آب سردی بر آتش هیجان جامعه کیهان‌شناسی شد، و ضرورت توجه به مؤلفه‌های فرعی در جریان تعبیر رصدهای تعیین‌کننده‌ای نظیر مورد اخیر را دوچندان کرد.

با این وجود، هنوز هم امکان تأیید گمانه‌زنی‌های اصلی ائتلاف BICEP2 وجود دارد؛ اما چنین امری مستلزم تطبیق چندباره داده‌های موجود، با داده‌های آتی تأسیسات رصدی پیشرفته‌تری از قبیل حسگر میکروموجی POLARBEAR در صحرای آتاکامای شیلی، و همچنین ماهواره اروپایی پلانک است، که گرچه مأموریت آن در اکتبر ۲۰۱۳ پایان یافت، اما حجم انبوه داده‌های ارسالی‌اش کماکان در مرحله پردازش است.

توضیحات تصاویر:

۱ – خوشحالی جمعی از مهندسین کنترل مأموریت «فیله» در شهر دارمشتات آلمان، پس از فرود نسبتاً موفق این سطح‌نشین بر سطح هسته دنباله‌دار چوریوموف-گراسیمنکو در ۱۲ اوت ۲۰۱۴، پس از ده سال انتظار / عکس از جیک ادمیسون؛ نشنال‌پست

۲ – اشکال انتزاعی یافت‌شده بر فسیل صدفی در اندونزی، احتمالاً کار انسان راست‌قامت، که قدمت حکاکیشان در حدود نیم‌میلیون سال تخمین زده می‌شود / عکس از ویم لوستن‌هوئر؛ دانشگاه آمستردام

۳ – بالا: تصویر نمای باز مدارگرد روزتا از مراحل جابجایی سطح‌نشین فیله، قبل و بعد از برخورد اول به سطح هسته دنباله‌دار. سه تصویر کوچک اول (از پایین به بالا)، جابجایی فیله را پیش از اولین تماس با سطح هسته نشان می‌دهند؛ که بلافاصله بعد از آن، تا حداکثر ۱ کیلومتر از سطح هسته جدا شد (آخرین تصویر کوچک)، و بعد از گذشت سه ساعت، در یک‌کیلومتری محل تماس اول، و در پایین‌دسته منطقه ناهمواری شبیه به یک دره کوچک فرود آمد. پایین: تصویر نامشخصی که فیله پس از تماس اول با سطح هسته به ثبت رساند، اما به‌واسطه جدا شدن سریع و غیرمنتظره‌اش از سطح، اینچنین تار و مبهم افتاد / اسا

۴ – قرص پیش‌سیاره‌ای پیرامون ستاره HL-ثور، از دید رصدخانه ALMA / رصدخانه جنوبی اروپا

۵ – نقشه تراکم جرم در ابرخوشه کهکشانی سنبله (وسط: Virgo)، و نیز ابرخوشه‌های کهکشانی همسایه؛ که روی‌هم‌رفته به ابرخوشه لانی‌آکئا شکل داده‌اند. خطوط تیره‌رنگ، مسیر بالقوه حرکت کهکشان‌های منفرد متعلق به این ابرخوشه‌ها را نشان می‌دهد؛ که بخش اعظمشان به سمت ابرخوشه شیپلی متمرکز شده‌اند (که جایگاه ظاهری آن از دید ناظر زمینی، بر جایگاه «جاذب بزرگ» انطباق دارد). سرعت‌های مشخص‌شده در چارچوب مختصات این نمودار، سرعت حرکت ظاهری کهکشان‌ها را با احتساب تأثیر انبساط جهان نشان می‌دهند، که به ازای افزایش فاصله کهکشان از ما، بیشتر می‌شود / منبع: Tully et al.

۶ – مریم میرزاخانی، پس از دریافت مدال فیلدز ۲۰۱۴ در جریان کنگره بین‌المللی ریاضیات (ICM ۲۰۱۴) در شهر سئول کره جنوبی / AFP / گتی‌ایمیجز