رازهای كهكشان

اکتشافات غیره منتظره قرن گذشته، اسرار بسیاری را در مورد مبداء کیهان، آشکار کرده است اما هنوز هم رازهای بزرگی ناگشوده باقی مانده که گشودن آنها برای اخترشناسان، سال ‌ها طول خواهد کشید.

معمای سیاه ‌چاله‌ ها حل شد
یكی از مشهورترین نظریه ‌های فضایی عصر حاضر دایر بر این كه هیچ چیزی قادر به فرار از سیاه‌ چاله‌ ها نیست توسط خالق این نظریه نقض شده است. استفان هاوكینگ، فیزیكدان مشهور استاد دانشگاه كمبریج ‌می‌ گوید نظریهٴ مشهور او درباره سیاه ‌چاله‌ ها تاكنون اشتباه بوده است. وی در كنفرانسی با موضوع جاذبه در دایلین گفت كه او در نظریه ‌اش، دایر بر این كه هر چه كه به درون سیاه‌ چاله‌ ها (Black holes) سقوط كند نابود‌ می‌ شود، تجدید نظر كرده است. او اكنون به این نتیجه رسیده است كه سیاه ‌چاله ‌ها ممكن است به اطلاعات اجازه فرار دهند. تحقیقات تازه او حتی ممكن است به حل "پارادوكس اطلاعات سیاه ‌چاله‌ ها" كه یكی از معماهای مهم فیزیك نوین است كمك كند. سیاه ‌چاله‌ شیئی فضایی است كه اگر چیزی وارد آن شود امكان فرار از آن نخواهد داشت. مرز سیاه ‌چاله‌ "افق رویداد" خوانده‌ می ‌شود. سیاه چاله گاه در اثر فروپاشی ستارگان عظیم به درون خود شكل‌ می‌ گیرد و گفته‌ می‌ شود حتی نور قادر به فرار از آن نیست. اما اكنون آقای هاوكینگ به این باور رسیده است كه سفر به سیاه‌ چاله‌ ممكن است چنانكه تاكنون تصور می ‌شد سفری یك طرفه نباشد. پیش از این تصور می ‌شد، زمانی كه چیزی به داخل سیاه‌ چاله‌ سقوط كرد برای همیشه گم و ناپدید شده است و تنها اطلاعاتی كه درباره سیاه‌ چاله‌ باقی‌ می‌ ماند، جرم و سرعت چرخش آن است." اما این فرض با قوانین فیزیك كوانتوم كه رفتار جهان را در كوچك‌ ترین ابعاد توضیح می‌ دهد متمایز است. این قوانین حكم‌ می ‌كند كه اطلاعات نمی‌‌ تواند برای همیشه از دست برود و نابود شود. این كه اطلاعات از دست می ‌رود یا نه دارای پیامد های مهم عملی و فلسفی است.

شاید گاهی فراموش کنیم که تنها همین یک قرن پیش بود که هنوز سیاره پلوتون کشف نشده بود و اخترشناسان، کهکشان راه شیری را تمامی جهان می ‌پنداشتند. اما اینک در آغاز قرن بیست و یکم، تصویر ما از جهان، بسیار پیچیده ‌تر شده است.
نظریه نسبیت عام اینشتین که چگونگی انحنای فضا-زمان را تبیین می ‌کند، توضیح می‌ دهد که همانگونه که یک توپ سنگین باعث فرورفتگی سطح تشک می ‌شود، هر جرمی نیز سبب فرورفتگی اندکی در تار و پود فضا-زمان می ‌گردد. اما اینشتین بر این باور بود که کل جهان در وضعیتی ایستا است. بدین منظور، او ساختاری ریاضی را به معادلات خود اضافه کرد تا با ایجاد یک نیروی دافعه کیهانی، از فروپاشی جهان به واسطه نیروی گرانشی خود، جلوگیری کند.
در آن زمان، یک ریاضیدان ناشناس روسی به این نکته پی برد که ایده اینشتین در مورد گرانش می ‌تواند منجر به دیدگاه کاملاً جدیدی نسبت به جهان شود که در آن، جهان بجای ایستا بودن، درحال انبساط است. این فرضیه یعنی جهانِ در حالِ انبساط، توسط یک کیهان ‌شناس و راهب به نام جورج لومتر مورد تأیید واقع شد. بر طبق نظریه لومتر، انبساط جهان از ابعاد بسیار کوچک آغاز شده تا به ابعاد بسیار عظیم کنونی رسیده است.
پس از آن دانشمندان در تحقیقات خود دریافتند که هرچه فاصله کهکشانی از زمین دورتر باشد، با سرعت بیشتری از ما دور می ‌شود. اینک می ‌دانیم که دور شدن کهکشان ‌ها از زمین، نه به واسطه حرکت خود کهکشان‌ ها بلکه بر اثر انبساط کل جهان صورت می ‌گیرد.
دانشمندان نظریه مشهور "مِهبانگ"را پس از آن ارائه کردند. بنابراین نظریه ، انفجار کیهانی و تولد جهان در لحظات آغازین خود و در دمایی بسیار بالا، منجر به ایجاد ذرات ماده (شامل پروتون‌ ها، نوترون‌ ها و غیره) شده است.
بالاخره در سال‌های 1964 و 1965، دو دانشمند هنگام استفاده از رادیوتلسکوپی که به منظور برقراری ارتباط با اولین ماهواره مخابراتی جهان طراحی شده بود، متوجه وجود امواجی شدند که گویی در تمامی جهان پراکنده شده ‌اند. شدت این امواج، مستقل از جهتی بود که رادیوتلسکوپ به سوی آن نشانه می ‌رفت. آنها در ابتدا تصور کردند این مسأله مربوط به وجود مشکلی در گیرنده رادیوتلسکوپ است و بنابراین آنرا از ابتدا تنظیم کرده و اجزاء مختلف آنرا تمیز کردند اما با این حال، سیگنال مربوطه هنوز هم دریافت می‌ شد. این دو دانشمند، رادیوتلسکوپ را هم به سوی خورشید و هم به سوی صفحه کهکشان راه شیری نشانه گرفتند اما در هر حال در شدت امواج دریافتی، هیچ تغییری ایجاد نمی‌ شد و این حاکی از آن بود که این تابش نه از خورشید گسیل می‌ شود و نه از منبعی در داخل کهکشان.
آنها خیلی زود متوجه شدند که این امواج، همان تابشی است که وجود آن چند سال پیش، پیش‌ بینی شده بود. بنابراین، دیگر نظریه مِهبانگ، نظریه ‌ای غیرقابل باور نبود چرا که نشانه ‌های فیزیکی آن پیدا شده بود. اما این نظریه نیز مانند تمامی نظریات بزرگ قرن ‌های گذشته و احتمالاً همانند تمامی نظریات بزرگی که بعد از این مطرح خواهند شد، بیش از آنکه سؤالات ما را در مورد جهان پاسخ گوید، سؤالات جدیدی در پیشِ روی ما قرار داد.

این کشف، همانند سایر اکتشافات بزرگ گذشته، سؤالاتی را مطرح کرد. اینک می‌ خواهیم ببینیم مهم‌ترین اسرار ناگشوده کیهان که پیشِ روی انسان امروز قرار دارند، کدامند. رازهایی که حاصل یک قرن، چالش فکری بشر بوده و هنوز راهی طولانی برای گشودن آنها در پیش است . . .

جهان، چند بُعدی است؟
شاید تصور کنید که بیرون آوردن یک خرگوش از داخل یک کلاه خالی، فقط کار شعبده‌ بازان است اما شاید چنین نباشد. به عنوان مثال، تصور ما بر این است که در جهانی سه بُعدی زندگی می‌ کنیم ولی شاید این پنداری نادرست باشد. فیزیکدان ‌ها تاکنون رفتار جهان را با کمک چهار بُعد، تبیین می ‌کردند: 3 بُعد مکانی و یک بُعد زمانی. این مدل، آنها را در تبیین بسیاری از پدیده‌ های جهان از انحنای نور در نزدیکی خورشید گرفته تا چگونگی پیدایش سیاهچاله ‌ها، یاری می‌ بخشید. اما اینک فیزیکدان ‌ها بر این باورند که ابعاد مکانی جهان، بیش از 3 بُعد است.

جهان چگونه پدید آمد؟
کیهان ‌شناسان همگی براین مسأله توافق دارند که جهان، در رویدادی منحصر بفرد مابین 13 تا 14 میلیارد سال پیش بوجود آمد. در طول یک میکرو ثانیه اول پس از پیدایش، جهان، مخلوطی از کوارک ‌ها و سایر ذرات عجیب با دمایی فراتر از حد تصور بود. با پایین ‌تر آمدن دما، کوارک‌ ها گردهم آمده و ذراتی نظیر پروتون ‌ها، نوترون ‌ها و سایر هادرون ‌ها را تشکیل دادند. وقتی فقط یک ثانیه از پیدایش جهان گذشته بود، تنها ذرات بجا مانده در جهان، نوترون‌ ها، پروتون‌ ها، فوتون ‌ها و نوترینو ها بودند. در مدت 200 ثانیه بعدی، وقوع یک سری از واکنش ‌های هسته ‌ای منجر به ایجاد سبک ‌ترین سه عنصر موجود در جهان شد.
امواج صوتی حاصل از پژواک مِهبانگ، همانند امواج سطح یک دریاچه در میان ماده فوق‌ العاده گرم جهان اولیه منتشر شد. انبوهی از الکترون‌ ها که توسط پروتون ‌های با بار مثبت جذب می‌ شدند، در این ارتعاشات کیهانی سهیم شده و نقش ایفا کردند. بدین ترتیب، 380 هزار سال از عمر جهان گذشت. در این زمان، دما آنقدر پایین آمده بود که اتم‌ ها بتوانند شکل بگیرند. بنابراین جهان، ناگهان شفاف شد.
هنگامی ‌که اخترشناسان، تلسکوپ ‌های میکروموجی خود را به هر سو از آسمان نشانه می‌ روند با تابشی با شدت تقریباً یکسان مواجه می‌ شوند. اما چگونه ممکن است انفجار اولیه پیدایش جهان، چنین آثار یکنواختی بوجود آورده باشد؟ گویی تمامی بخش ‌های جهان اولیه با همدیگر در ارتباط بوده‌ اند. اما این چگونه ممکن است؟ آلن گات که سرگرم اندیشیدن به این مسأله بود به پاسخی شگفت ‌انگیز دست یافت: آیا ممکن است تمامی جهان از حبابی بسیار گرم و فوق ‌العاده همگن ایجاد شده و با چنان سرعتی منبسط شده باشد که فرصتی برای تغییر نداشته است؟ این نظریه به "نظریه تورمی" شهرت یافت.

اما بااینحال هنوز هیچ‌ کس نمی ‌داند چه عاملی منجر به تورم جهان شد. فیزیکدان‌ ها مدل‌ های تورمی متعددی را برای توصیف جهان تورمی پیشنهاد کرده‌ اند اما اغلب راه حل‌ های پیشنهادی، تنها راه حل ‌هایی ریاضی بوده که هیچ مبنای فیزیکی ندارند. ادوارد کلب، اخترفیزیکدانی از آزمایشگاه ملی شتاب دهنده فرمی در این باره می ‌گوید: "در واقع، تمامی نظریات تورمی موجود، به نوعی اثبات می‌ کنند که ما هنوز نظریه مناسبی در این زمینه نداریم."

کهکشان ‌ها چگونه شکل گرفتند؟
پروتون ‌ها و نوترون‌ ها (که مجموعاً باریون نام دارند) در جهان اولیه، تحت تأثیر گرانش خود به شکل گروه گروه گردهم آمدند و همین امر، منجر به افزایش دمای آنها شد. در این حال، باریون‌ های پرانرژی دیگری که در زمینه آنها در حال حرکت بودند، با برخورد به این توده‌ ها، انرژی از دست داده و گرفتار نیروی جاذبه آنها شدند. بدین ترتیب، خوشه ‌های کهکشانی به آرامی و به شکل تارهای عنکبوتی در سرتاسر کیهان شکل گرفته و بافته شد.

ماده تاریک چیست؟
تمامی ستاره‌ ها و کهکشان‌ های جهان، مجموعاً تنها نیم درصد جرم کل جهان را تشکیل می ‌دهند. حتی اگر جرم توده ابرهای نامرئی را که به شکل اتمی در بخش‌ های دوردست جهان شناورند به این عدد اضافه کنیم، به چیزی در حدود 4 درصد کل جرم جهان می ‌رسیم. مابقی جرم جهان از ماده ‌ای ناپیدا که اصطلاحاً "ماده تاریک" نامیده می‌ شود و همینطور نوعی انرژی اسرارآمیز به نام "انرژی تاریک" تشکیل شده است. اگرچه ماده تاریک از دید مستقیم اخترشناسان پوشیده است اما تأثیرات و نشانه‌ های آن قابل آشکارسازی است. اینک اخترشناسان به کمک تأثیرات گرانشی این ماده ناپیدا بر روی نور ستارگان دور دست (خم کردن پرتوهای نوری) تخمین می ‌زنند که ماده تاریک، چیزی در حدود 23 درصد جرم کل جهان را تشکیل می ‌دهد. این ماده به شکل رشته ‌هایی کیهانی بر روی سطوح حباب ‌هایی با ابعادی در حدود صدها میلیون سال نوری‌ منجمد شده است. شکل توزیع ماده تاریک در جهان، نشان دهنده سرد بودن آن است و به همین علت نیز اغلب "ماده تاریک سرد" نامیده می‌ شود. ماده تاریک به شکل هاله ‌ای کهکشان ما و سایر کهکشان‌ ها را در برگرفته .

انرژی تاریک چیست؟
انرژی تاریک، پدیده اسرار‌آمیز و ناشناخته ‌ای است که انبساط جهان را شتاب می ‌بخشد. برای آنکه این انرژی، شتاب فعلی انبساط جهان را تأمین کند باید در حدود 73 درصد کل چگالی جهان را تشکیل دهد. اساسی ‌ترین مسأله در این مورد آن است که هیچ‌ کس از ماهیت این انرژی که چنین نقش شگفت‌ انگیزی ایفا می‌ کند اطلاعی ندارد. مایکل ترنر از دانشگاه شیکاگو می‌ گوید: "تنها کاری که تاکنون توانسته‌ ایم در ارتباط با این پدیده انجام دهیم، صرفاً نام‌ گذاری آن بوده است. این انرژی ممکن است از هیچ (خلاء) حاصل شده و یا تأثیری از سایر ابعاد مکانی پنهان در هستی باشد." هرچند انرژی تاریک، نقش یک نیروی دافعه کیهانی نظیر ضدگرانش را ایفا می ‌کند اما نمی‌ توان آنرا صرفاً یک نیرو به حساب آورد چرا که این نیروی دافعه، تابع ویژگی ‌های ذرات مادی نبوده و مستقیماً‌ بر روی فضا عمل می‌کند !

چگالی جهان، چقدر است؟
ماده موجود در جهان در برابر انبساط آن مقاومت می‌ کند. بنابراین اگر چنانچه انرژی تاریک وجود نداشت، انبساط جهان به تدریج متوقف شده و به انقباض تبدیل می‌ شد و نهایتاً جهان درهم فرو می‌ پاشید. اما انرژی تاریک با نیروی دافعه خود از این کار جلوگیری می‌ کند. انرژی تاریک، مسبب شتاب گرفتن انبساط جهان است. بنابراین اگر چگالی انرژی تاریک، ثابت بوده و یا حداقل مقدار مثبتی باقی بماند، در این صورت، انبساط جهان با سرعتی فزاینده ادامه خواهد یافت. اما این احتمال نیز وجود دارد که چگالی انرژی تاریک، ثابت نبوده و متغیر باشد و حتی ممکن است مقداری منفی پیدا کند که در آن صورت، جهان را به سوی فروپاشی خواهد برد. مارتین ریس، اخترفیزیکدان دانشگاه کمبریج می‌ گوید: "اگر چنانچه چگالی انرژی تاریک حتی به میزان اندکی منفی شود می ‌تواند منجر به فروپاشی تمامی جهان گردد." اکنون، ماهیت انرژی تاریک بر ما پوشیده است و بنابراین از سرنوشت جهان هم بی‌ خبریم چرا که سرنوشت جهان، وابسته به انرژی تاریک است . . .