1

از کوچک‌ترین نوسانات پس از بیگ‌بنگ، گرانش به شکل‌گیری کهکشان‌ها، ستاره‌ها و سیارات کمک کرده و شبکه وسیع کیهانی که امروزه می‌بینیم را ساخته است.

گرانش تنها چیزی نیست که ما را روی زمین نگه می‌دارد — بلکه از همان ابتداهای عالم شکل‌گیری آن را تحت تأثیر قرار داده است. مطالعات اخیر دقیق‌ترین آزمایش‌های گرانش را در مقیاس‌های بزرگ ارائه داده‌اند.

با بررسی چگونگی رشد ساختارهای کیهانی طی ۱۱ میلیارد سال گذشته، دانشمندان تأیید کرده‌اند که گرانش دقیقاً طبق پیش‌بینی نظریه نسبیت عام اینشتین عمل می‌کند، حتی در فاصله‌هایی به‌اندازه میلیاردها سال نوری.

پیگیری گرانش در طول ۱۱ میلیارد سال توسط DESI

پائولین زاروک، کیهان‌شناس مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) که در آزمایشگاه فیزیک هسته‌ای و انرژی بالا (LPNHE) فعالیت می‌کند، به بررسی این تکامل کیهانی پرداخته است.

زاروک و همکارانش در تیم بین‌المللی ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI)، چگونگی رشد ساختارهای کیهانی را طی ۱۱ میلیارد سال گذشته بررسی کرده‌اند.

با استفاده از داده‌های DESI، پژوهشگران دقیق‌ترین آزمایش گرانش را در بزرگ‌ترین مقیاس‌ها ارائه کرده‌اند.

زاروک توضیح داد: «نسبیت عام در مقیاس منظومه‌های خورشیدی به‌خوبی آزموده شده است، اما ما همچنین نیاز داشتیم تا بررسی کنیم که فرضیات ما در مقیاس‌های بسیار بزرگ‌تر نیز درست است.»

«مطالعه سرعت تشکیل کهکشان‌ها به ما اجازه می‌دهد نظریه‌های خود را به‌طور مستقیم بیازماییم و تاکنون، نتایج با پیش‌بینی‌های نسبیت عام در مقیاس‌های کیهانی همخوانی داشته‌اند.»

اینشتین از قبر لبخند می‌زند

یافته‌های آنان تأیید می‌کند که گرانش همان‌گونه که نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی کرده، حتی در فواصل عظیم کیهانی رفتار می‌کند.

این تأیید، مدل پیشرو ما از کیهان را تقویت کرده و نظریه‌های جایگزین گرانش را که برای توضیح مشاهدات عجیب نظیر انبساط شتابدار کیهان که معمولاً به انرژی تاریک نسبت داده می‌شود، محدودتر می‌کند.

این مطالعه همچنین نور تازه‌ای بر نوترینوها — ذرات گریزان و تقریباً نامحسوس که در فضا حرکت می‌کنند — می‌تاباند.

آزمایش‌های قبلی تعیین کرده بودند که جرم مجموع سه نوع نوترینو باید دست‌کم ۰.۰۵۹ الکترون‌ولت (eV/c²) باشد. برای مقایسه، الکترون جرمی حدود ۵۱۱,۰۰۰ eV/c² دارد.

نتایج DESI نشان می‌دهد که مجموع جرم نوترینوها باید کمتر از ۰.۰۷۱ eV/c² باشد، که محدودیت‌های این ذرات مرموز را سخت‌تر می‌کند.

DESI، گرانش و ساختار کیهانی

دراگان هوتِرِر، استاد دانشگاه میشیگان و یکی از سرپرستان گروه تفسیر داده‌های کیهان‌شناسی DESI، بیان کرد: «نتایج مربوط به آنالیز BAO و شکل کامل بسیار چشمگیر هستند.»

او اضافه کرد: «این نخستین بار است که DESI رشد ساختارهای کیهانی را بررسی می‌کند. ما توانایی جدید و بی‌نظیری برای بررسی گرانش تعدیل‌شده و بهبود محدودیت‌ها بر مدل‌های انرژی تاریک نشان داده‌ایم و این تنها نوک کوه یخ است.»

DESI یک تلسکوپ عادی نیست. این تلسکوپ بر روی تلسکوپ ۴ متری نیکولاس یو. مِیال در رصدخانه ملی کیت پیک نصب شده و قادر است همزمان نور ۵۰۰۰ کهکشان را جمع‌آوری کند.

این پروژه که توسط دفتر علوم DOE تأمین مالی شده، اکنون در چهارمین سال بررسی آسمان خود قرار دارد و هدف دارد تا زمان پایان خود داده‌های حدود ۴۰ میلیون کهکشان و اختروش را جمع‌آوری کند.

آزمایش گرانش در مقیاس‌های کیهانی ضروری است. هرچند نظریه اینشتین تمام آزمایش‌ها را در منظومه شمسی پشت سر گذاشته، همیشه احتمال دارد که رفتار آن در فواصل عظیم متفاوت باشد.

با تأیید اینکه گرانش در فواصل میلیاردها سال نوری همان‌گونه که انتظار می‌رود عمل می‌کند، دانشمندان می‌توانند نسبت به مدل‌های خود درباره چگونگی تکامل کیهان اطمینان بیشتری داشته باشند.

تفسیر داده‌های DESI

دکتر مصطفی عیسی‌بوشکی، استاد فیزیک در دانشکده علوم طبیعی و ریاضی UT دالاس و یکی از سرپرستان گروه کاری DESI برای تفسیر داده‌های کیهانی، گفت: «در این دوره از نتایج DESI، تلاش‌هایم در UT دالاس بر انجام بخش عمده‌ای از تحلیل گرانش متمرکز بود که محدودیت‌هایی بر چگونگی حرکت ماده در کیهان و تکامل ساختارهای بزرگ‌مقیاس مانند خوشه‌های کهکشانی اعمال می‌کند.»

او افزود: «نتایج حاصل از DESI همراه با داده‌های دیگر آزمایش‌ها با نظریه نسبیت عام در مقیاس کیهانی سازگار است، اگرچه به‌طور کامل نظریه‌های دیگر گرانش تعدیل‌شده را رد نمی‌کند.»

نتایج جدید تحلیل گسترش‌یافته‌ای از داده‌های سال اول DESI را ارائه می‌دهد که در آوریل بزرگ‌ترین نقشه سه‌بعدی کیهان تا آن زمان را به نمایش گذاشت و نشان داد که انرژی تاریک ممکن است در طول زمان تغییر کند.

عیسی‌بوشکی توضیح داد: «تحلیل جدید نیز با یافته‌های قبلی که نظریه انرژی تاریک پویا را تأیید می‌کنند سازگار است؛ که نتیجه‌ای بسیار مهم برای شتاب کیهانی است.»

چگونه این اتفاق افتاد؟

این همکاری در حال حاضر داده‌های سه سال نخست را تحلیل می‌کند و انتظار می‌رود تا بهار ۲۰۲۵ اندازه‌گیری‌های به‌روزشده‌ای از انرژی تاریک و تاریخچه انبساط کیهان ارائه شود.

نتایج اخیر با نشانه‌های قبلی که انرژی تاریک ممکن است در طول زمان تغییر کند همخوانی دارد و اشتیاق برای آینده را افزایش داده است.

مارک ماوس، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که روی نظریه و مدل‌سازی اعتبارسنجی این تحلیل جدید کار کرده است، گفت: «این ایده که ما می‌توانیم با تصاویر کیهان به این سؤالات بنیادی و بزرگ بپردازیم، حیرت‌انگیز است.»

این مطالعه با استفاده از تقریباً ۶ میلیون کهکشان و اختروش، به پژوهشگران اجازه داد تا تا ۱۱ میلیارد سال به گذشته نگاه کنند.

آینده DESI و گرانش

به‌طور خلاصه، تنها با یک سال داده، DESI دقیق‌ترین اندازه‌گیری کلی از رشد ساختارهای کیهانی را انجام داده و از تلاش‌های قبلی که دهه‌ها طول کشیده بود پیشی گرفته است.

پروژه DESI نه تنها از نظر توانایی‌های تکنولوژیک خود، بلکه به خاطر روحیه همکاری خود چشمگیر است.

با بیش از ۹۰۰ پژوهشگر از بیش از ۷۰ موسسه در سراسر جهان، این پروژه گواهی بر آن است که چه چیزی می‌توان زمانی که جامعه علمی جهانی به‌هم بپیوندد به‌دست آورد.

تا زمانی که منتظر دور بعدی نتایج هستیم، نمی‌توان کمک نکرد و از خود پرسید: چه اسرار دیگری از کیهان هنوز منتظر کشف شدن هستند؟

جستجو برای درک گرانش، ماده تاریک و انرژی تاریک همچنان ادامه دارد و هر کشف جدید ما را یک قدم به رمزگشایی از رازهای کیهان نزدیک‌تر می‌کند.

این مطالعه به‌طور کامل در چندین مجله علمی منتشر شده است.