پایان ثابت کیهان‌شناسی: چگونه داده‌های دزی (DESI) مدل استاندارد جهان را بازنویسی می‌کنند

برای یک ربع قرن، مدل استاندارد کیهان‌شناسی بر یک فرض ناراحت‌کننده اما از نظر ریاضی ظریف استوار بوده است: جهان توسط یک نیروی ایستا و بدون تغییر از هم پاشیده می‌شود. این «ثابت کیهان‌شناسی» که با حرف یونانی لامبدا (Lambda) نشان داده می‌شود، اولین بار توسط آلبرت اینشتین معرفی شد و بعداً در سال ۱۹۹۸ برای توضیح اینکه چرا انبساط جهان در حال شتاب گرفتن است، احیا شد. این ثابت به سنگ بنای مدل لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM) تبدیل شد و حکم می‌داد که انرژی تاریک تقریباً ۷۰ درصد کیهان را تشکیل می‌دهد و چگالی ثابتی را حفظ می‌کند، صرف نظر از اینکه جهان چقدر منبسط شود. اما به نظر می‌رسد جهان از همکاری با ساده‌ترین معادلات ما سر باز می‌زند.[7]

یک اجماع جدید و فراگیر از بزرگترین نقشه سه‌بعدی کیهان که تاکنون ساخته شده است، در حال ظهور است و ثابت کیهان‌شناسی را به طور بنیادی تهدید می‌کند. ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI)، که یک همکاری بین‌المللی عظیم است، بررسی اولیه پنج ساله خود را تکمیل کرده و بیش از ۴۷ میلیون کهکشان و کوازار را نقشه‌برداری کرده است. با تجزیه و تحلیل این مجموعه داده بی‌سابقه، اخترفیزیکدانان شواهد فزاینده‌ای پیدا می‌کنند که نشان می‌دهد انرژی تاریک یک ویژگی پس‌زمینه ثابت در خلاء نیست. در عوض، به نظر می‌رسد که یک موجودیت پویا است که در حال تکامل – و به طور بالقوه ضعیف شدن – در طول زمان کیهانی است و درک ما از نیروهای حاکم بر کیهان را به طور اساسی تغییر می‌دهد.[1][2][7]

پیامدهای این تغییر را نمی‌توان دست کم گرفت. اگر انرژی تاریک پویا باشد، کل چارچوب کیهان‌شناسی مدرن نیاز به بازنویسی دارد و سرنوشت نهایی جهان ناگهان دوباره مورد بحث قرار می‌گیرد. یافته‌های همکاری دزی (DESI) پیش از این جایزه «لانسلوت ام. برکلی» انجمن نجوم آمریکا در سال ۲۰۲۶ را برای آنها به ارمغان آورده است، که بسیاری از محققان آن را مهم‌ترین کشف کیهان‌شناسی از زمان تشخیص اولیه انبساط شتاب‌دار در اواخر دهه ۱۹۹۰ می‌دانند. این جایزه نه تنها مقیاس عظیم تلاش نقشه‌برداری، بلکه بحران نظری عمیقی را که آغاز کرده است، به رسمیت می‌شناسد.[6][7]

برای درک اینکه چگونه دزی مدل استاندارد را از بین می‌برد، باید به خود ابزار نگاه کرد. دزی که بر روی تلسکوپ ۴ متری نیکلاس یو. میال در رصدخانه ملی کیت پیک در آریزونا قرار دارد، یک نقشه‌بردار کیهانی در مقیاس صنعتی است. صفحه کانونی آن شامل ۵۰۰۰ «چشم» رباتیک فیبر نوری است که هر کدام قادرند به طور مستقل یک کهکشان خاص را هدف قرار دهند و طیف نوری آن را تنها در ۲۰ دقیقه ثبت کنند. در طول پنج سال گذشته، این دستگاه با کارایی بی‌وقفه کار کرده و از هدف اصلی خود یعنی ۳۴ میلیون هدف فراتر رفته و ۴۷ میلیون جرم فراکهکشانی و ۲۰ میلیون ستاره راه شیری را نقشه‌برداری کرده و مأموریت اصلی خود را در آوریل ۲۰۲۶ تکمیل کرده است.[1][2][3]

دزی انرژی تاریک را مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌کند – هیچ ابزاری نمی‌تواند این کار را انجام دهد. در عوض، تاریخچه انبساط جهان را با استفاده از پدیده‌ای به نام نوسانات صوتی باریونی (BAO) اندازه‌گیری می‌کند. در پلاسمای داغ و متراکم جهان اولیه، تعامل بین گرانش و تابش، امواج صوتی کروی ایجاد کرد. هنگامی که جهان به اندازه کافی سرد شد تا اتم‌ها شکل بگیرند، این امواج در جای خود «منجمد» شدند و یک اثر ظریف بر توزیع ماده بر جای گذاشتند. امروزه، به دلیل این امواج صوتی باستانی، احتمال بیشتری وجود دارد که کهکشان‌ها با یک فاصله خاص – حدود ۴۹۰ میلیون سال نوری – از هم جدا شوند.[1][6]

با استفاده از این فاصله BAO به عنوان یک خط‌کش استاندارد کیهانی، دانشمندان دزی می‌توانند اندازه‌گیری کنند که جهان در دوران‌های مختلف در طول ۱۱ میلیارد سال گذشته چگونه منبسط شده است. اگر انرژی تاریک واقعاً یک ثابت کیهان‌شناسی بود، معادله حالت آن – پارامتری که فیزیکدانان آن را «w» می‌نامند – باید همیشه دقیقاً برابر با ۱- می‌بود. در مدل لامبدا-سی‌دی‌ام، این فشار منفی ثابت همان چیزی است که شتاب پایدار و قابل پیش‌بینی کیهان را هدایت می‌کند و به عنوان یک ویژگی تغییرناپذیر خود فضای خالی عمل می‌کند که هرگز رقیق نمی‌شود، مهم نیست جهان چقدر وسیع شود.[4][7]

با این حال، هنگامی که محققان اندازه‌گیری‌های دقیق BAO دزی را با داده‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی و بررسی‌های اخیر ابرنواخترهای نوع Ia ترکیب کردند، محاسبات دیگر به ۱- ختم نشد. مجموع داده‌های ترکیبی انحرافی از پارادایم لامبدا-سی‌دی‌ام را با اهمیت آماری تا ۴.۲ سیگما نشان می‌دهد. در فیزیک ذرات، نتیجه ۵ سیگما استاندارد طلایی برای یک کشف قطعی است، به این معنی که شواهد کنونی برای انرژی تاریک در حال تکامل به طرز وسوسه‌انگیزی به آستانه قطعیت مطلق نزدیک است. داده‌ها قویاً نشان می‌دهند که نیروی رانش کهکشان‌ها از هم، به عنوان یک ثابت رفتار نمی‌کند.[4]

مشاهدات به طور خاص به سمت یک سناریوی انرژی تاریک «پویا» اشاره می‌کنند که در آن معادله حالت در طول زمان تغییر می‌کند. مدل‌هایی که بهترین تطابق را با داده‌های جدید دارند، نشان می‌دهند که انرژی تاریک در گذشته قوی‌تر بوده و به آرامی با پیر شدن جهان در حال رقیق شدن یا ضعیف شدن است. این رفتار با چارچوب‌های نظری شناخته شده به عنوان مدل‌های «جوهر پنجم» (quintessence) یا «کوینتوم» (quintom) مطابقت دارد، که انرژی تاریک را نه به عنوان یک ویژگی ایستا از خلاء، بلکه به عنوان یک میدان نرده‌ای (scalar field) فراگیر و متغیر در نظر می‌گیرند که در طول میلیاردها سال از یک شیب انرژی پتانسیل پایین می‌آید.[4][7]

کنار گذاشتن ثابت کیهان‌شناسی، مستلزم پذیرش یک محاسبه عمیق در مورد سرنوشت نهایی جهان است. تحت مدل لامبدا-سی‌دی‌ام، یک انرژی تاریک ثابت، «انجماد بزرگ» (Big Freeze) را تضمین می‌کند – سناریویی که در آن جهان برای همیشه با نرخ شتاب‌دار منبسط می‌شود. در این مدل، کهکشان‌ها در نهایت فراتر از افق‌های کیهانی یکدیگر رانده می‌شوند، ستارگان خاموش می‌شوند و کیهان سرد و تاریک می‌شود و یک فضای خالی وسیع و تهی بر جای می‌گذارد که حتی بزرگترین سیاه‌چاله‌ها نیز در نهایت در آن تبخیر می‌شوند. این یک نتیجه‌گیری از نظر ریاضی ظریف اما از نظر فلسفی غم‌انگیز است که برای دهه‌ها بر تفکر کیهان‌شناسی حاکم بوده است.[3][7]

اما اگر انرژی تاریک در حال ضعیف شدن باشد، آن آینده تنها دیگر تضمین شده نیست. یک انرژی تاریک پویا می‌تواند در نهایت تا جایی رقیق شود که گرانش دوباره دست بالا را بگیرد و انبساط جهان را کُند کند. در برخی مدل‌های نظری افراطی، میدان نرده‌ای حتی می‌تواند قطبیت خود را معکوس کند و جهان را در یک «رمبش بزرگ» (Big Crunch) فاجعه‌بار به عقب بکشد. متناوباً، اگر تکامل میدان مسیر متفاوتی را طی کند، می‌تواند به شدت شتاب بگیرد و اتم‌ها را در یک «پارگی بزرگ» (Big Rip) از هم بدرد. داده‌های دزی عملاً کتاب پایان زمان را دوباره باز کرده است و قطعیت را با طیفی از احتمالات دراماتیک جایگزین کرده است.[5][7]

علیرغم هیجان، جامعه کیهان‌شناسی در حالت شک و تردید سختگیرانه باقی مانده است. انحراف ۴.۲ سیگما به شدت متکی بر ترکیب داده‌های دزی با کاتالوگ‌های ابرنواختری خارجی، مانند مجموعه‌های داده پانتئون+ (Pantheon+) و یونیون۳ (Union3) است. برخی محققان هشدار می‌دهند که خطاهای سیستماتیک ظریف یا تفاوت‌های کالیبراسیون بین این انواع متمایز مشاهدات می‌تواند خود را به عنوان فیزیک جدید نشان دهد. تاریخ کیهان‌شناسی مملو از ناهنجاری‌هایی است که پس از کالیبره شدن بهتر ابزارها یا در نظر گرفتن صحیح تداخل گرد و غبار ناپدید شدند، و این باعث می‌شود دانشمندان در اعلام مرگ مدل استاندارد در حال حاضر محتاط باشند.[4][7]

برای عبور از آستانه ۵ سیگما و بازنویسی قطعی کتاب‌های درسی، همکاری دزی در حال پیشروی است. از آنجا که این ابزار در طول مأموریت اصلی خود بسیار بی‌نقص عمل کرد، وزارت انرژی و شرکای بین‌المللی عملیات آن را تا سال ۲۰۲۸ تمدید کرده‌اند. این بررسی گسترده ۲۰ درصد بیشتر از آسمان را پوشش خواهد داد و «کهکشان‌های سرخ درخشان» کم‌نورتر را هدف قرار می‌دهد و برای جمع‌آوری ۶۳ میلیون انتقال به سرخ فراکهکشانی بی‌سابقه، نزدیک‌تر به گرد و غبار پوشاننده صفحه راه شیری نگاه می‌کند، که داده‌های خام مورد نیاز برای تأیید یا رد ناهنجاری را فراهم می‌کند.[1]

در حالی که جهان علمی منتظر تحلیل کامل مجموعه داده پنج ساله است که انتظار می‌رود در سال ۲۰۲۷ منتشر شود، فیزیکدانان نظری از هم اکنون در تلاش برای توسعه مدل‌های جدیدی هستند که بتوانند انرژی خلاء متغیر را در خود جای دهند. چه ثابت کیهان‌شناسی واقعاً مرده باشد و چه فقط به یک وصله ریاضی پیچیده نیاز داشته باشد، پروژه دزی به طور قاطع ثابت کرده است که جهان هنوز اسرار بنیادی را در خود جای داده است. عصر کیهان‌شناسی دقیق تازه آغاز شده است و کیهان ثابت می‌کند که بسیار پویاتر از آن چیزی است که ساده‌ترین معادلات ما جرأت می‌کردند پیشنهاد دهند.[1][7]