مهبانگ واقعا رخ داده است؟

پرسش اساسی اینجاست که کیهان‌شناسان چطور می‌توانند دریابند که چه اتفاقاتی در میلیاردها سال پیش رخ داده است؟ یعنی صحبت از اتفاقاتی کنند که حتی در آن زمان زمین خودمان هم هنوز شکل نگرفته بود. اگر جهان واقعا با انفجاری مهیب آغاز شده، آیا هنوز بقایا و آثاری از وقوع چنان انفجاری باقی مانده است؟ آیا شواهدی وجود دارد که ما را به‌وقوع این انفجار مهیب اولیه رهنمون سازد؟ به نظر می‌رسد طبیعت سرنخ‌هایی را در اختیار ما قرار داده است.

تنها ابزار ما برای شناخت فیزیکی این جهان نور است و هر اطلاع و شواهدی که از کیهان در دست داریم از طریق مشاهده نوری که از اجرام دوردست در طول موج‌های مختلف امواج الکترومغناطیس به ما رسیده، به‌دست آورده‌ایم. خوشبختانه نور در مقیاس کیهانی آن‌قدرها هم سریع نیست! نور اجرام بسیار دور میلیون‌ها سال و گاهی میلیاردها سال طول می‌کشد که به ما برسد. این یعنی وقتی به جرمی که چند میلیارد سال نوری با ما فاصله دارد نگاه می‌کنیم، در واقع در حال تماشای نمایی از کیهان در چند میلیارد سال پیش هستیم. این قضیه از آن سو نیز صادق است: تصور کنید تمدن هوشمندی واقع در 65 میلیون سال نوری از ما در حال مشاهده زمین است. در این حالت آنها نمایی از زمین را می‌بینند که 65 میلیون سال پیش داشت. آنها به جای ما دایناسورها را می‌بینند که روی زمین پرسه می‌زنند! مشاهده دوردست‌ها در فضا معادل است با مشاهده تاریخ‌های گذشته در زمان و این یکی از مهم‌ترین سرنخ‌هایی است که طبیعت در اختیارمان قرار داده ‌است. آیا چنین سرنخی می‌تواند به ما از لحظات اولیه عالم یعنی درست پس از مهبانگ چیزی بگوید؟ مشاهده چگونگی حرکت کهکشان‌ها می‌تواند اطلاعاتی از علت حرکت آنها در اختیارمان قرار دهد؟ تصور کنید مجموعه‌ای از چند تیله در حال دور شدن از یکدیگر هستند و شما لحظه ضربه به تیله‌ها را ندیده‌اید. آیا از جهت دور شدن تیله‌ها از یکدیگر می‌توان حدس زد که ضربه در کدام نقطه و در چه جهتی به تیله‌ها وارد شده است؟

آیا همه چیز محصول مشاهدات است؟

در کیهان‌شناسی همه چیز محصول مشاهدات صرف نیست. مشاهدات در واقع مواد خامی است که با کمک تفسیرمان از آنها و ریاضیات، مدلسازی کرده و نظریاتمان را بنا می‌نهیم. در بسیاری از مواقع مشاهدات حتی نقش ثانویه دارند. یعنی ما ابتدا فرض‌هایی را در نظر می‌گیریم و مدل‌هایی صرفا ریاضیاتی برای تبیین کیهان می‌سازیم و بعد با مدل‌هایمان پیش‌بینی‌های مشاهداتی انجام می‌دهیم؛ سپس اگر پیش‌بینی‌هایمان درست بود و از محک تجربه سربلند بیرون آمد، می‌پذیریم که فرض‌های اولیه‌مان نیز درست بوده است.

از کجا آمده‌ایم؟!

این شاید قدیمی‌ترین پرسش بشر باشد که هنوز هم جواب قطعی برای آن نیافته‌ایم. شاید کمتر پرسشی در تاریخ اندیشه بشری اینچنین وسیع فکر همه - از فلاسفه و شعرا تا فیزیکدانان و کیهان‌شناسان - را به‌خود مشغول کرده است. از سال 1964به این سو که تابش زمینه کیهانی کشف شد، پاسخ بیشتر فیزیکدانان به این پرسش، آغاز جهان با انفجاری بزرگ بوده است. از سرعت کهکشان‌ها تا ابرهای گازی کهن برجای مانده از عالم اولیه همه حکایت روشنی از وقوع انفجاری بزرگ دارند.

یک کشف بزرگ، اما اتفاقی!

در سال 1964 رابرت ویلسون و آرنو پنزیاس به‌طور اتفاقی کشفی بزرگ و سرنوشت‌ساز در تاریخ کیهان‌شناسی انجام دادند. این دو، فیزیکدان و ستاره شناسی بودند که آسمان را در بخش امواج رادیویی و ریزموج‌ها مطالعه می‌کردند. آنها وقتی مشغول بررسی و ارزیابی ابزارهایشان بودند متوجه سیگنال ثابتی شدند که در همه جهت‌ها با شدت یکسانی قابل دریافت بود. آنها در حالی ‌که می‌کوشیدند تا سیگنال‌های مزاحم پس زمینه را از سیگنال‌های دریافتی آنتن رادیویی خود حذف کنند، متوجه شدند که قادر به حذف این نویز نیستند و دریافتند که این نویز در تمام جهات به صورت یکسان دریافت می‌شود. این به آن معنی بود که این سیگنال می‌بایستی از ورای کهکشان آمده باشد، در غیر این صورت نمی‌توانست در تمام جهات آسمان به صورت یکسان دریافت شود. همگرایی شدید این سیگنال نیز نشان می‌داد که منبع این سیگنال در فاصله دوری از ما قرار دارد و در نتیجه این سیگنال در اوایل عمر جهان ایجاد شده است و چنان منبع قدرتمندی دارد که ما امروزه قادر به دریافت این سیگنال هستیم. چنین سیگنالی را چه منبعی می‌تواند تولید کند؟ اگر مثلا از سمت کهکشان خودمان تولید شود، باید در جهتی خاص با شدت قوی‌تری دریافت شود. اگر مربوط به اجرامی خارج از کهکشان ما بود نیز باید شدتش در جهات مختلف متفاوت می‌بود. زیرا می‌دانیم کیهان از هزاران خوشه‌های کهکشانی تشکیل شده‌است که فضاهای خالی بسیار وسیعی در بین این خوشه‌ها وجود دارد. بر این مبنا اگر ما جهت آنتن دریافت کننده را در سمت‌های مختلف بگیریم باید شدت دریافتمان تغییر کند. علی‌الاصول باید در راستاهایی که خوشه‌های کهکشانی وجود دارد شدت دریافت امواج بیشتر از جهت‌هایی باشد که فضاهایی تهی و خالی از ماده‌ در کیهان است. اما در کمال تعجب پنزیاس و ویلسون موجی را یافته بودند که شدتش در همه جهات و در همه زمان‌ها یکسان بود. آنها دریافتند که چنین سیگنالی از زمانی در جهان می‌آید که توزیع ماده در سراسر کیهان یکسان بود. این یافته نشان می‌داد که جهان در زمان‌های دور ظاهری به کلی متفاوت از حالا داشت و این اولین شاهد قدرتمند برای آغاز جهان با انفجاری بزرگ بود.

این کشف تائیدکننده پیش‌بینی‌های عمومی نظریاتی بود که وجود چنین تابشی را پیش‌بینی می‌کرد. این موضوع موازنه شواهد تجربی را به نفع نظریه مهبانگ تغییر داد و در سال ۱۹۷۸ برای این کشف به پنزیاس و ویلسون جایزه نوبل اهدا شد. اما باز هم این همه‌ داستان نبود. کیهان‌شناسان برای مطالعه بیشتر و دقیق‌تر تابش ریزموج زمینه‌ کیهانی کاوشگرهایی را به خارج از جو زمین فرستادند. در سال 1992 کاوشگر زمینه کیهانی (Cosmic Background Explorer) نشان داد که این تابش آن‌قدرها هم که پنزیاس و ویلسون تصور می‌کردند یکنواخت نیست. اطلاعات این کاوشگر نشان داد که عالم اولیه کاملا یکدست نبوده است. این یکنواخت نبودن و نوسانات در امواج زمینه‌ کیهانی می‌تواند توضیحی برای ترکیب ذرات بنیادی با یکدیگر، شکل‌گیری عناصر سنگین‌تر در زمان‌های پس از مهبانگ‌ و در نهایت شکل‌گیری ستاره‌ها و کهکشان‌ها باشد. در سال 2009 تلسکوپ فضایی پلانک برای بررسی بازهم دقیق‌تر امواج زمینه کیهانی به فضا پرتاب شد و سال 2013 دقیق‌ترین نقشه‌ای را که از کیهان تاکنون داشته‌ایم به ما ارائه داد (تصویر کادر بالا). این نقشه نبود تقارن و ناهمسانگردی عجیبی را در تابش زمینه کیهانی آشکار کرد. یکی از اصول اولیه‌ در مدل استانداردکیهان‌شناسی همسانگرد بودن جهان در مقیاس‌های وسیع است. همسانگردی یعنی جهت مُرَجَّعی در فضا وجود ندارد و ساختار جهان در همه جهات فضایی یکسان است. کیهان‌شناسان هنوز به‌طور دقیق علت ناهمسانگردی مشاهده شده در نقشه مذکور را نمی‌دانند. هرچند که این ناهمسانگردی‌ها در تابش زمینه کیهانی چالشی بزرگ برای نظریه مهبانگ محسوب نمی‌شود اما به ما گوشزد می‌کند که هنوز راه درازی تا توضیح کامل شکل‌گیری جهان در پیش داریم.

گذشته‌های‌ دور و کهن ابرهای عظیم کیهانی

تلسکوپ‌های مدرنی که امروز در اختیار داریم، این توان را در اختیارمان قرار داده است که به دوردست‌ترین بخش‌های عالم نگاه کنیم؛ مناطقی با فاصله‌ای در حدود 13 میلیارد سال نوری و این یعنی زمان‌هایی نزدیک (در مقیاس‌های کیهانی) به مهبانگ. اگر مهبانگ واقعا رخ داده باشد، انتظار داریم در چنین فاصله‌هایی ابرهای عظیمی از گاز را مشاهده کنیم که هنوز فرصت کافی برای تبدیل شدن به ستاره‌ها و کهکشان‌ها را نیافته‌اند. ستاره‌شناسان بتازگی چنین ابرهای گازی را در فواصل 12 تا 13 میلیارد سال نوری یافته‌اند. هرچند این ابرهای عظیم در فواصل بسیار دوری از ما قرار گرفته‌ است، اما با دریافت نور عبوری از آنها و استفاده از روش طیف‌سنجی، می‌توانیم بدانیم که این ابرها از چه عناصری تشکیل شده‌ است. همان‌طور که نظریه‌ انفجار بزرگ یا مهبانگ پیش‌بینی می‌کند عناصر سازنده این ابرهای کهن کیهانی بسیار متفاوت از عناصر سازنده کیهانی که امروز ما را در برگرفته است. اغلب عناصر شیمیایی موجود در جهان اطراف ما از عناصر آلی تشکیل دهنده بدن خودمان تا عناصر سازنده کره زمین، عناصری است که زمانی در دل ستاره‌ها به‌وجود آمده ‌است. از آنجا که ابرهای کهن کیهانی را ما در زمانی مشاهده می‌کنیم (13 میلیارد سال پیش) که هنوز ستاره‌ای در کیهان شکل نگرفته است، انتظار می‌رود ابرهای مزبور خالی از عناصر سنگینی باشد که ستاره‌ها آنها را به‌وجود آورده ‌است. در واقع این ابرها فقط باید شامل عناصر سبکی باشد که در لحظات اولیه عالم شکل گرفته است. حالا جالب است بدانید مشاهدات مطابق همین پیش‌بینی‌هاست! این ابرها فقط شامل عناصر سبکی مانند هیدروژن و هلیوم است، یعنی عناصری که پیش از شکل‌گیری ستاره‌ها در کیهان گسترش یافته بود.

اما سوال اساسی همچنان پابرجاست...

همه این حرف‌ها درباره پس از مهبانگ بود. اما چه چیزی به خود مهبانگ منجر شده است؟ عاملی که به انفجار بزرگ اولیه منجر شد هنوز یکی از بزرگ‌ترین معماهایی است که برترین ذهن‌های بشر را مشغول خود ساخته است. انفجاری در دل یک سیاهچاله عظیم، چرخه‌ای مداوم و ابدی از مرگ و حیات برای جهان، حبابی در یکی از جهان‌های چندگانه یا به قول استیون هاوکینگ هیچ علتی و فقط یک میدان کوانتومی اولیه! پاسخ هرچه باشد از طریق دانش امروزی‌مان قابل وصول نیست. زیرا روش‌شناسی علوم تجربی بر مبنای مشاهدات بنا شده است و ما تا امروز هیچ طریقی برای مشاهده‌ یا کسب اطلاعاتی از لحظه وقوع خود مهبانگ نیافته‌ایم. در چنین اوضاعی هر پاسخی که برای این پرسش مهیا کنیم، بیش از آن‌که پاسخی علمی باشد به سمت‌گیری فلسفی ما وابسته است. ‌

جهان در حال انبساط است

وقتی با چشمان غیرمسلح به آسمان شب نگاه می‌کنیم، تقریبا تمام آنچه می‌بینیم ستاره‌های کهکشان خودمان، یعنی ستاره‌های کهکشان راه‌شیری است؛ اما اگر با تلسکوپ به آسمان نگاه کنیم ـ حتی با تلسکوپی کوچک ـ علاوه بر ستاره‌ها توده‌های ابری‌شکل دیگری در آسمان می‌بینیم. بعضی از اینها، کهکشان‌های دیگری هستند شبیه به کهکشان خودمان که بسیار دورتر از ستاره‌های کهکشان راه‌شیری از ما قرار گرفته‌اند و هریک خود میلیاردها ستاره دارند.

هرچقدر ابزار رصدی‌مان قدرتمند‌تر باشد تعداد بیشتری از این کهکشان‌ها می‌بینیم. در عکس مقابل که تصویر فراژرف هابل نام دارد و فقط از ناحیه بسیار محدودی از آسمان تهیه شده، ده هزار کهکشان قابل شناسایی است! اغلب این کهکشان‌ها با سرعتی معادل صدها و گاهی هزاران کیلومتر در هر ثانیه در حال دور شدن از ما هستند. دور شدن کهکشان‌ها از ما یعنی جهان در حال انبساط است و جهان در حال انبساط یعنی ابعاد هستی در گذشته کوچک‌تر از حالا بوده است.

اگر در جهت گذشته به قدر کافی بر پیکان زمان پیش برویم به لحظه‌ای می‌رسیم که تمام مواد موجود در جهان در یک نقطه فشرده شده و از آن نقطه به سمت بیرون در حال گسترش است. آن لحظه، لحظه مهبانگ است. با محاسبه سرعت دور شدن کهکشان‌ها از ما حتی می‌توانیم تاریخ انفجار را که حدود 14 میلیارد سال پیش است محاسبه کنیم؛ اما از کجا می‌دانیم کهکشان‌ها در حال دور شدن از ما هستند؟ سرنخی که ما را به این موضوع رهنمون می‌سازد رنگ کهکشان‌هاست؛ کهکشان‌ها قرمزتر از آنچه باید باشند به‌نظر می‌رسند!

تابش زمینه کیهانی، بقایای یک انفجار مهیب

چشمانمان قادر به دیدن این تابش نیست، اما ابزارها و تلسکوپ‌هایی داریم که می‌توانند آنها را ثبت کنند. می‌دانید که چشم ما فقط قادر به شناسایی بخش کوچکی از نورهای موجود در جهان است. در حقیقت ما فقط می‌توانیم بخش مرئی طیف نور را ببینیم که طول موجی بین 400 نانومتر (رنگ بنفش) تا 700 نانومتر (رنگ قرمز) دارد. در حالی‌که محدوده وسیعی از نور گسیل شده در کیهان مانند امواج گاما، ایکس، فرابنفش، فروسرخ، ریزموج‌ها و امواج رادیویی برای چشم‌های ما بدون ابزار قابل مشاهده نیست. در واقع آنها طول موجی کوتاه‌تر یا بلندتر از محدوده‌ امواجی دارند که چشم انسان توانایی تشخیص آنها را دارد.

پس از واقعه انفجار بزرگ یا مهبانگ، درخشندگی شدیدی سراسر کیهان را مملو از تابش خود کرد و همین‌طور که جهان در حال گسترشِ ناشی از انفجار اولیه بود، طول موج بیشینه تابش در محدوده ریزموج‌ها (محدوده یک میلی‌متر تا یک متر) قرار گرفت. تلسکوپ‌هایی که در محدوده ریز موج به بررسی کیهان می‌پردازند می‌توانند چنین تابش کهنی را که مربوط به لحظات اولیه عالم است، رصد کنند. این تابش در همه‌ جا و در هر جهتی از آسمان، در شب و روز قابل رویت است و به همین جهت به آن «تابش زمینه‌ کیهانی» می‌گویند.

در عکس بالا کمربند کهکشان راه‌شیری را برفراز رصدخانه جنوبی اروپا مشاهده می‌کنید که آسمان را دربر گرفته است. توده‌ نورانی که در مرکز تصویر مشاهده می‌شود، مرکز کهکشان خودمان است. ما در واقع منظره‌ای از کهکشان خودمان در 27 هزار سال پیش را نگاه می‌کنیم، زیرا 27 هزار سال نوری از مرکز کهکشان راه‌شیری فاصله داریم. حال اگر ما به‌جاهای دورتری از عالم نگاه کنیم، آن‌قدر دور که به لحظات اولیه‌ جهان نزدیک شویم، می‌توانیم از اوضاع جهان در لحظات اولیه آگاه شویم؟

چرا کهکشان‌ها قرمزتر از آنچه که باید باشند به‌نظر می‌رسند؟

تقریبا همگی ما با اثر داپلر در امواج صوتی آشناییم: آمبولانسی که آژیرکشان از ما دور می‌شود صدای آژیرش بم‌تر از حالتی که حرکتی ندارد به گوشمان می‌رسد. علت این رویداد کش آمدن امواج هنگامی است که منبع صوتی از شنونده دور می‌شود.

به زبان فیزیکی منبع صوتی که از شنونده دور شود، صوتش با بسامد کمتر و طول موج بلندتر به گوش شنونده رسیده و در نتیجه شنونده صدا را بم‌تر از حالت عادی می‌شنود. داستان برای کهکشان‌ها نیز به همین صورت است.

تفاوت کهکشان‌ها با صدای آژیر آمبولانس این است که نور دریافتی از کهکشان‌ها در حقیقت نوعی از امواج الکترومغناطیسی است. در امواج صوتی طول‌موج بلندتر یعنی صدای بم‌تر؛ اما در امواج الکترومغناطیس طول موج بلندتر یعنی رنگ قرمزتر. همان‌طور که از بم‌تر شدن صدای آژیر به این نتیجه می‌رسیم که آمبولانس در حال دور شدن از ماست، از قرمزتر شدن رنگ یک کهکشان نیز به این نتیجه می‌رسیم که آن کهکشان در حال دور شدن از ماست. به این پدیده در فیزیک انتقال به سرخ یا قرمزگرایی می‌گوییم. هرچقدر سرعت دور شدن از ما بیشتر باشد مقدار انتقال به سرخ نیز بیشتر است.

منابع:

1. Andrew Liddle (2003). An Introduction to Modern Cosmology

2. George F R Ellis (2006). Issues in the Philosophy of Cosmology

3. bbc

4. esa.int

امیرحسن موسوی / جام‌جم