تناقض ۸.۳ درصدی: چرا ابرنواخترهای محلی و داده‌های کیهان اولیه نرخ انبساط متفاوتی را نشان می‌دهند؟
دو روش بسیار دقیق برای اندازه‌گیری انبساط کیهان به نتایج متناقضی رسیده‌اند و بحرانی کیهان‌شناختی به نام «تنش هابل» ایجاد کرده‌اند. این اختلاف نشان می‌دهد که یا ابزارهای اندازه‌گیری ما ایراد اساسی دارند، یا نیرویی فیزیکی و ناشناخته در حال تغییر روند تکامل کیهان است.
به قلم ساناز امامی
این خبر را به اشتراک بگذارید
به‌طور خلاصه
- ثابت هابل سرعت انبساط کیهان را اندازه میگیرد، اما دو روش برتر برای اندازه‌گیری آن به پاسخ‌های متفاوتی می‌رسند.
- داده‌های کیهان اولیه نرخ انبساط را ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک پیش‌بینی می‌کنند.
- اندازهگیریهای مستقیم ستاره‌های محلی و ابرنواخترها نرخ سریع‌تر ۷۳.۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک را نشان می‌دهند.
کیهان با نرخی معادل ۶۷.۴ یا ۷۳.۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک در حال انبساط است؛ و این عدد کاملاً به این بستگی دارد که اخترفیزیک‌دانان قدیمی‌ترین نور کیهان را اندازه بگیرند یا مرگ انفجاری ستارگان نزدیک را. این اختلاف ۸.۳ درصدی که به عنوان «تنش هابل» شناخته میشود، به این دلیل وجود دارد که دو مورد از دقیق‌ترین ابزارهای نجوم مدرن، پاسخ‌هایی اساساً ناسازگار تولید می‌کنند.[1][3]
برای درک این تناقض، ابتدا باید به خود این معیار نگاه کنیم: ثابت هابل که با H0 نشان داده میشود. این ثابت، نرخ فعلی انبساط کیهانی را نشان می‌دهد. اگر این ثابت ۷۳.۰ باشد، کهکشانی در فاصله یک مگاپارسکی (حدود ۳.۲۶ میلیون سال نوری) با سرعت ۷۳ کیلومتر بر ثانیه از زمین دور میشود. کهکشانی در فاصله دو مگاپارسکی با سرعت ۱۴۶ کیلومتر بر ثانیه دور میشود و به همین ترتیب.[1]
روش اول برای محاسبه این عدد، به کیهان اولیه نگاه می‌کند. دانشمندان با نقشه‌برداری از تابش زمینه کیهانی (CMB) - یعنی پرتوهای باقی‌مانده از ۳۸۰ هزار سال پس از مهبانگ - می‌توانند چگالی و ترکیب کیهان نوزاد را اندازه‌گیری کنند. سپس با استفاده از مدل استاندارد کیهان‌شناسی، معروف به لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM)، زمان را ۱۳.۸ میلیارد سال به جلو می‌برند تا پیش‌بینی کنند نرخ انبساط امروز چقدر باید باشد.[3]
نقشه‌برداری قطعی ماهواره پلانک از تابش زمینه کیهانی، یک پیش‌بینی بسیار دقیق به دست داد: ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک. حاشیه خطای این اندازه‌گیری به طرز شگفت‌آوری کوچک و کمتر از ۱ درصد است. اگر مدل استاندارد کیهان درست باشد، این عدد از نظر ریاضی توسط شرایط فیزیکی کیهان اولیه قفل شده و غیرقابل تغییر است.[1][3]
روش دوم، کیهان اولیه را کاملاً نادیده میگیرد و انبساط را مستقیماً در همسایگی کیهانی محلی ما اندازه میگیرد. این رویکرد که به «نردبان فاصله کیهانی» معروف است، بر «شمع‌های استاندارد» تکیه دارد؛ یعنی اجرام نجومی که درخشندگی ذاتی آن‌ها مشخص است. اخترشناسان با مقایسه میزان درخشندگی واقعی این اجرام با میزان درخشندگی ظاهری آن‌ها از روی زمین، می‌توانند فاصله دقیق آن‌ها را محاسبه کنند.[1]
اخترشناسان از نظر تاریخی برای ساخت این نردبان به ستارگان متغیر قیفاووسی و ابرنواخترهای نوع Ia تکیه کرده‌اند. با اندازه‌گیری انتقال به سرخِ کهکشان‌های میزبان این شمع‌های استاندارد، ناظران می‌توانند ببینند کهکشان‌ها با چه سرعتی در حال دور شدن هستند. این اندازه‌گیری مستقیم و محلی، پیوسته ثابت هابل را حدود ۷۳.۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک نشان می‌دهد.[1]
در سال ۲۰۲۳، محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (LBNL) این اندازه‌گیری محلی را با استفاده از یک شمع استاندارد متفاوت اصلاح کردند: روش «شاخه غول‌های سرخ». وقتی ستارگان به پایان عمر خود می‌رسند و هلیوم را در هسته خود مشتعل می‌کنند، به یک اوج درخشندگی استاندارد می‌رسند. کالیبراسیون LBNL نرخ انبساط بالاتر را تایید کرد و شکاف بین مشاهدات محلی و پیش‌بینی‌های کیهان اولیه را عمیق‌تر ساخت.
برخورد این دو روش یک اختلاف آماری ۵ سیگما ایجاد کرده است؛ به این معنی که تقریباً یک در میلیون احتمال دارد این تفاوت صرفاً یک خطای آماری تصادفی باشد. هر دو طرف در یک دهه گذشته به دنبال یافتن خطاهای کالیبراسیون در ابزارهای خود بوده‌اند، اما هرچه اندازهگیریها دقیق‌تر شده، این شکاف تنها تثبیت‌تر شده است.[3][5]
در دسامبر ۲۰۲۵، اندازهگیریهای جدید با استفاده از همگرایی گرانشی کیهانی - جایی که گرانش خوشه‌های کهکشانی عظیم، نور اجرام پس‌زمینه را خم می‌کند - این معما را عمیق‌تر کرد. همان‌طور که ScienceDaily گزارش داد، این اندازهگیریهای مستقلِ همگرایی نیز از پیش‌بینی CMB فاصله گرفتند و نشان دادند که کیهان محلی واقعاً سریع‌تر از آنچه مدل استاندارد اجازه می‌دهد، در حال انبساط است.[5]
اگر نه داده‌های ماهواره پلانک و نه نردبان فاصله محلی اشتباه نباشند، نقص باید در خود مدل لامبدا-سی‌دی‌ام باشد. کیهان باید متفاوت از آنچه معادلات فیزیک فعلی ما پیش‌بینی می‌کنند، تکامل یافته باشد. این درک، موجی از پیشنهادهای نظری را به راه انداخته است که هدفشان پر کردن این شکاف ۸.۳ درصدی با معرفی پدیده‌های فیزیکی جدید است.[3][4]
یکی از فرضیه‌های پیشرو شامل «انرژی تاریک اولیه» است. در این سناریو، یک انفجار از انرژی دافعه، انبساط کیهان را در چند صد هزار سال اول پس از مهبانگ شتاب داده و سپس محو شده است. این امر اندازه قله‌های صوتی در CMB را تغییر می‌دهد و به داده‌های کیهان اولیه اجازه می‌دهد تا با نرخ انبساط سریع‌تر محلی که امروز می‌بینیم، همسو شوند.[4]
رویکرد دیگر بر نیروهای بنیادی موجود در سپیده‌دم زمان تمرکز دارد. یک تحلیل در مارس ۲۰۲۶ از آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلک (SLAC) پیشنهاد کرد که نیروهای مغناطیسی اولیه می‌توانستند نحوه خنک شدن پلاسما به هیدروژن خنثی را تغییر دهند. همان‌طور که محققان SLAC اشاره کردند، «میدان‌های مغناطیسی نخستین می‌توانند با تغییر جدول زمانی بازترکیب، تنش هابل و سایر اسرار کیهانی را حل کنند.»
از سوی دیگر، نرخ انبساط ممکن است اصلاً یک ثابت نباشد. یک بررسی در سال ۲۰۲۳ در نشریه Astronomy & Astrophysics شواهدی از یک «روند کاهشی» برای ثابت هابل در طول زمان کیهانی یافت. اگر نرخ انبساط پویا باشد و با پیر شدن کیهان به روش‌هایی تغییر کند که تنها با انرژی تاریک قابل توضیح نیست، اختلاف بین CMB باستانی و ابرنواخترهای محلی به جای یک باگ در اندازهگیریها، به یکی از ویژگی‌های ذاتی کیهان تبدیل میشود.[2]
حل این تنش نیازمند تکنیک‌های رصدی کاملاً جدیدی است که نه به CMB وابسته باشند و نه به نردبان فاصله سنتی. نجوم امواج گرانشی - یعنی اندازه‌گیری امواج در فضا-زمان ناشی از برخورد ستارگان نوترونی - یکی از این مسیرهای مستقل را ارائه می‌دهد و به عنوان «آژیرهای استاندارد» برای اندازه‌گیری فواصل کیهانی بدون اتکا به درخشندگی ستارگان عمل می‌کند.[3]
تا زمانی که آن مجموعه داده‌های مستقل به بلوغ برسند، اخترفیزیک در وضعیت یک بحران سازنده باقی می‌ماند. اختلاف ۸.۳ درصدی دیگر به عنوان یک خطای رصدی که باید اصلاح شود دیده نمی‌شود، بلکه مانند یک تابلوی نئون درخشان است که به سمت فیزیک ناشناخته اشاره می‌کند. جهش بزرگ بعدی در درک ما از کیهان احتمالاً از سوی کسی خواهد بود که بفهمد چرا هر دوی این اعداد درست هستند.[1][3]
اصطلاحات کلیدی
- ثابت هابل (H0)
- واحد اندازه‌گیری که نرخ فعلی انبساط کیهان را توصیف می‌کند.
- تابش زمینه کیهانی (CMB)
- پرتوهای ضعیف و باستانی باقی‌مانده از مهبانگ که تصویری از کیهان در زمان ۳۸۰ هزار سالگی آن ارائه می‌دهد.
- مدل لامبدا-سی‌دی‌ام (Lambda-CDM)
- مدل استاندارد کیهان‌شناسی که جهانی متشکل از انرژی تاریک (لامبدا)، ماده تاریک سرد (CDM) و ماده معمولی را توصیف می‌کند.
- انتقال به سرخ (Redshift)
- پدیده‌ای که در آن نورِ ساطع‌شده از جسمی که در حال دور شدن از ناظر است، کشیده شده و به طول موج‌های بلندتر و قرمزتر تبدیل میشود.
- ۵ سیگما (5-Sigma)
- یک آستانه آماری مورد استفاده در فیزیک برای نشان دادن اینکه یک نتیجه بسیار معنادار است و تنها ۱ در ۳.۵ میلیون احتمال دارد که یک نوسان تصادفی باشد.
پرسش‌های متداول
مگاپارسک چیست؟
مگاپارسک یک واحد فاصله در نجوم است که برابر با یک میلیون پارسک یا تقریباً ۳.۲۶ میلیون سال نوری است.
چرا کیهان منبسط میشود؟
این انبساط با مهبانگ آغاز شد و در حال حاضر توسط نیرویی مرموز به نام انرژی تاریک که خود بافت فضا-زمان را کش میآورد، شتاب میگیرد.
شمع استاندارد چیست؟
شمع استاندارد یک جرم نجومی مانند ابرنواختر نوع Ia یا ستاره متغیر قیفاووسی است که مقدار مشخص و استانداردی از نور ساطع می‌کند و به اخترشناسان اجازه می‌دهد فاصله دقیق آن را از زمین محاسبه کنند.
آیا ممکن است اندازهگیریها صرفاً اشتباه باشند؟
این بسیار بعید است. هم اندازهگیریهای CMB و هم نردبان فاصله محلی چندین بار توسط تیمهای مختلف به طور مستقل کالیبره شدهاند و احتمال آماری اینکه این شکاف یک خطای تصادفی باشد، تقریباً یک در میلیون است.
بررسی عمیق دیدگاه‌ها
مدافعان مدل استاندارد
استدلال می‌کنند که داده‌های CMB بی‌نقص‌تر از آن هستند که اشتباه باشند و معتقدند اندازهگیریهای محلی از خطاهای کالیبراسیون کشف‌نشده رنج می‌برند.
محققانی که بر کیهان اولیه تمرکز دارند، به حجم عظیم و دقت داده‌های ماهواره پلانک اشاره می‌کنند. تابش زمینه کیهانی یک تصویر جامع از کل کیهان در یک لحظه خاص از زمان ارائه می‌دهد و فضای بسیار کمی برای خطای سیستماتیک باقی می‌گذارد. از این منظر، نردبان فاصله محلی - که بر مشاهده اجرام منفرد و پیچیده‌ای مانند ابرنواخترها و غول‌های سرخ تکیه دارد - ذاتاً آشفته‌تر است. آن‌ها استدلال می‌کنند که غبارهای کشف‌نشده‌ای که ستارگان را پنهان می‌کنند، یا تغییرات جزئی در ترکیب شیمیایی شمع‌های استاندارد، ممکن است به طور مصنوعی نرخ انبساط محلی را متورم کرده باشند.
حامیان اندازه‌گیری محلی
به مشاهدات مستقیم ابرنواخترها و غول‌های سرخ اعتماد دارند و استدلال می‌کنند که شواهد فیزیکی کیهان محلی بر مدل‌های نظری ارجحیت دارد.
اخترشناسانی که نردبان فاصله کیهانی را می‌سازند تاکید می‌کنند که اندازهگیریهای آن‌ها مستقیم، تجربی و در همین لحظه در حال انجام است. آن‌ها برای حدس زدن اینکه کیهان امروز باید چگونه به نظر برسد، به جلو بردن یک مدل فیزیک ۱۳.۸ میلیارد ساله تکیه نمی‌کنند؛ آن‌ها به سادگی آنچه را که واقعاً وجود دارد اندازه می‌گیرند. از آنجا که چندین روش محلی مستقل - از جمله متغیرهای قیفاووسی، غول‌های سرخ و همگرایی گرانشی - همگی حول مقدار بالاتر ۷۳.۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسک متمرکز هستند، این ناظران استدلال می‌کنند که داده‌های محلی قوی بوده و مدل نظری باید دارای نقص باشد.
نظریه‌پردازان فیزیک جدید
معتقدند هر دو اندازه‌گیری دقیق هستند و این تناقض ثابت می‌کند که مدل لامبدا-سی‌دی‌ام فاقد یک نیروی بنیادی است.
فیزیکدانان نظری به تنش هابل نه به عنوان یک مشکل، بلکه به عنوان یک فرصت نگاه می‌کنند. اگر هم اندازهگیریهای CMB و هم نردبان فاصله محلی درست باشند، پس مدل لامبدا-سی‌دی‌ام ناقص است. این اردوگاه بر طراحی سازوکارهای فیزیکی جدیدی تمرکز دارد که می‌توانستند در کیهان اولیه عمل کنند - مانند انرژی تاریک اولیه، ماده تاریک در حال واپاشی، یا میدان‌های مغناطیسی نخستین. هدف آن‌ها یافتن یک چارچوب ریاضی است که ضمن حفظ کامل داده‌های CMB، به طور طبیعی به نرخ انبساط سریع‌تری که امروز مشاهده می‌کنیم منجر شود.
- نظریه‌پردازان فیزیک جدید
- معتقدند هر دو اندازه‌گیری دقیق هستند و این تناقض ثابت می‌کند که مدل لامبدا-سی‌دی‌ام فاقد یک نیروی بنیادی است.
- مدافعان مدل استاندارد
- استدلال می‌کنند که داده‌های CMB بی‌نقص‌تر از آن هستند که اشتباه باشند و معتقدند اندازهگیریهای محلی از خطاهای کالیبراسیون کشف‌نشده رنج می‌برند.
- حامیان اندازه‌گیری محلی
- به مشاهدات مستقیم ابرنواخترها و غول‌های سرخ اعتماد دارند و استدلال می‌کنند که شواهد فیزیکی کیهان محلی بر مدل‌های نظری ارجحیت دارد.
دیدگاه‌هایی که این گزارش پوشش نداده
- مهندسان ابزاردقیقی که تلسکوپ‌های نسل آینده را طراحی می‌کنند
- اخترشناسان امواج گرانشی که روش‌های اندازه‌گیری جایگزین را پیشنهاد می‌دهند
منابع
پوشش منابع
6 منبع
3 دیدگاه شناسایی‌شده
- [1]NASA Scienceمدافعان مدل استاندارد
Hubble Constant and Tension
مطالعه در NASA Science → - [2]Astronomy & Astrophysicsنظریه‌پردازان فیزیک جدید
Evidence of a decreasing trend for the Hubble constant
مطالعه در Astronomy & Astrophysics → - [3]arXivمدافعان مدل استاندارد
The Hubble tension: A decade review
مطالعه در arXiv → - [4]AAS Novaنظریه‌پردازان فیزیک جدید
The Expansion of the Universe on Another Mode
مطالعه در AAS Nova → - [5]ScienceDailyحامیان اندازه‌گیری محلی
New cosmic lens measurements deepen the Hubble tension mystery
مطالعه در ScienceDaily → - [6]تیم سردبیری کوهستان
تحلیل تیم سردبیری کوهستان
مطالعه در تیم سردبیری کوهستان →
بیشتر در علم
مشاهده همه →فیزیک سیاه‌چاله
شعاع Rs = 2GM/c²: متریک شوارتزشیلد چگونه مرز بی‌بازگشت را تعریف می‌کند
6 منبع
مکانیک کوانتومی
رابطه Δx Δp ≥ ℏ/2: اصل عدم قطعیت چگونه حد نهایی اندازه‌گیری همزمان مکان و تکانه را تعیین می‌کند
6 منبع
فیزیک پیشرانش
سازوکار اصلی بادبان‌های خورشیدی: نیروی محرکه فضاپیماها از فشار تابش و فوتون‌های بی‌جرم
5 منبع
آکوستیک کوانتومی
مشاهده جهش کوانتومی صدا برای اولین بار: فیزیکدانان گذار آنی فونون‌ها را ثبت کردند
3 منبع
نظرات
هر زاویه. هر روز.
اخبار علم با پوشش کامل منابع و تحلیل دیدگاه‌ها، هر روز و رایگان.