تأیید تنش هابل چگونه قوانین انبساط کیهانی و فیزیک بنیادی را بازنویسی می‌کند؟

برای دهه‌ها، کیهان‌شناسان با این فرض کار می‌کردند که جهان از نظر ریاضی منطقی است. مدل استاندارد کیهان‌شناسی سنگ بنای این باور بوده و با موفقیت همه چیز را از توزیع کهکشان‌ها گرفته تا گرمای باقیمانده بیگ بنگ پیش‌بینی کرده است. اما یک شکاف پایدار در این بنیان – اختلافی در سرعت انبساط جهان که به «تنش هابل» معروف است – تهدید کرده که کل این بنا را فرومی‌ریزد. موضوع کاملاً جدی است: اگر این تنش واقعی باشد، درک بنیادی ما از گرانش، انرژی تاریک یا ماده تاریک ناقص است.[3]

قرار بود تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) یا این شکاف را ترمیم کند یا تأیید کند که این خانه در حال غرق شدن است. JWST با چرخاندن نگاه فروسرخ فوق‌دقیق خود به سمت ستاره‌های متغیر قیفاووسی در کهکشان‌های نزدیک، قصد داشت اندازه‌گیری‌های انبساطی را که قبلاً توسط تلسکوپ فضایی هابل انجام شده بود، بررسی مجدد کند. اکنون نتایج منتشر شده‌اند و آسایش ناشی از یک خطای اندازه‌گیری ساده را ارائه نمی‌دهند. JWST اعداد هابل را با دقت خیره‌کننده‌ای تأیید کرده و جامعه علمی را مجبور می‌کند بپذیرد که جهان سریع‌تر از آنچه از نظر ریاضی باید باشد، در حال انبساط است.[4]

وقتی آژانس‌های فضایی JWST را تبلیغ می‌کنند، اغلب بر توانایی آن در دیدن اولین کهکشان‌ها در لبه زمان تمرکز می‌کنند. اما شاید سخت‌ترین آزمون علمی آن، محلی باشد. دوربین فروسرخ نزدیک JWST می‌تواند از میان غبار کیهانی عبور کرده و ستاره‌های منفرد را در محله‌های کهکشانی شلوغی که عدسی‌های نوری هابل آن‌ها را تار می‌کرد، تفکیک کند. این تاری نوری که به «تراکم» معروف است، آخرین بهانه قابل قبول برای عدم تطابق اندازه‌گیری‌های محلی انبساط جهان با پیش‌بینی‌های نظری بود. شکاکان استدلال می‌کردند که ما صرفاً علائم محدودیت سرعت کیهانی را اشتباه می‌خوانیم.[2][4]

این تنش به دو عدد بسیار دقیق و کاملاً ناسازگار خلاصه می‌شود. هنگامی که دانشمندان به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی – کیهان نوزاد، منجمد شده در ۳۸۰,۰۰۰ سال پس از بیگ بنگ – نگاه می‌کنند و با استفاده از مدل استاندارد آن را به جلو فرافکنی می‌کنند، ثابت هابل را ۶۷.۴ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک محاسبه می‌کنند. این اندازه‌گیری کیهان اولیه که توسط ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا حمایت می‌شود، از نظر ریاضی زیبا و بسیار محدود شده است. اما وقتی اخترشناسان کیهان محلی و معاصر را اندازه‌گیری می‌کنند، نرخی تقریباً ۷۳.۰ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک به دست می‌آورند.[1][2]

اختلاف تقریباً ۵.۶ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک ممکن است برای یک فرد عادی شبیه خطای گرد کردن به نظر برسد، اما در کیهان‌شناسی، این یک شکست فاجعه‌بار در توافق است. اهمیت آماری این شکاف اکنون از آستانه ۵ سیگما عبور کرده است. در فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی، اختلاف ۵ سیگما به این معنی است که احتمال اینکه این تفاوت یک تصادف آماری تصادفی باشد، کمتر از ۱ در ۳.۵ میلیون است. این معیار طلایی برای یک کشف رسمی است. این تنش یک نقص فنی نیست؛ بلکه یک ویژگی از کیهان است.

برای سال‌ها، شکاکان اندازه‌گیری محلی استدلال می‌کردند که دید هابل به سادگی بیش از حد تار است. ستاره‌های متغیر قیفاووسی – ستاره‌هایی که با نرخی متناسب با روشنایی ذاتی خود می‌تپند – اغلب در زایشگاه‌های ستاره‌ای متراکم قرار دارند. اگر نور ستاره همسایه به پیکسل‌های قیفاووسی روی آشکارساز هابل نشت می‌کرد، قیفاووسی به طور مصنوعی روشن‌تر، و در نتیجه نزدیک‌تر از آنچه واقعاً بود، به نظر می‌رسید. این سوگیری فوتومتریک نرخ انبساط محاسبه شده را به طور مصنوعی افزایش می‌داد و یک تنش کاذب ایجاد می‌کرد.[3]

حکم JWST به طور سیستماتیک این دفاع را از بین برده است. تیمی به رهبری آدام ریس، برنده جایزه نوبل، از JWST برای مشاهده بیش از ۱۰۰ قیفاووسی در کهکشان‌های دور استفاده کرد و عمداً از مناطق با آلودگی پس‌زمینه کم به آلودگی پس‌زمینه صفر گذار کرد. داده‌های فروسرخ به وضوح قیفاووسی‌ها را از همسایگانشان جدا کردند و ثابت کردند که سوگیری فوتومتریکی که شکاکان به آن تکیه می‌کردند، به سادگی وجود نداشته است. اندازه‌گیری‌های اصلی هابل از همان ابتدا درست بودند و نرخ انبساط محلی همچنان به طور لجبازانه‌ای بالا باقی مانده است.[2]

با حذف قطعی فرضیه خطای ابزاری، JWST تنش هابل را از یک مزاحمت نجومی به یک واقعیت فیزیکی عمیق تبدیل کرده است. جهان امروز واقعاً سریع‌تر از آنچه فیزیک کیهان اولیه حکم می‌کند، در حال انبساط است. این بدان معناست که مدل استاندارد فاقد چیزی بنیادی است. ما در حال مشاهده اثرات نیروها یا ذراتی هستیم که در کتاب‌های درسی کنونی ما وجود ندارند.[5]

نظریه‌پردازان کمبود ایده ندارند، اگرچه هنوز هیچ کدام ثابت نشده‌اند. نامزد اصلی «انرژی تاریک اولیه» (Early Dark Energy) است – یک نیروی دافعه فرضی که ممکن است اندکی پس از بیگ بنگ جهان را فرا گرفته باشد، انبساط را تسریع کرده و سپس محو شده باشد. پیشنهادات دیگر شامل اصلاحاتی در نسبیت عام در مقیاس‌های کیهانی، یا وجود ذرات زیراتمی کشف‌نشده، مانند نوترینوهای عقیم، است که چگالی و فشار تابشی کیهان را در دوران شکل‌گیری آن تغییر داده‌اند.

شایان ذکر است که هر کیهان‌شناسی آماده اعلام مرگ مدل استاندارد نیست. برخی محققان به اندازه‌گیری‌های محلی جایگزین، مانند روش «نوک شاخه غول سرخ» (TRGB) اشاره می‌کنند که به طور کامل از قیفاووسی‌ها صرف نظر می‌کند. اندازه‌گیری‌های اخیر TRGB گهگاه مقداری میانی در حدود ۶۹.۸ کیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسِک به دست می‌دهند که کمی از تنش می‌کاهد. با این حال، داده‌های TRGB هنوز به اندازه کافی قوی نیستند که اندازه‌گیری‌های قیفاووسی را باطل کنند، و تأیید JWST تنها مبنای قیفاووسی را محکم‌تر کرده است.[3]

تأیید تنش هابل یک لحظه نادر و هیجان‌انگیز در علم مدرن را رقم می‌زند: شکست قطعی یک پارادایم موفق. فیزیک با ناهنجاری‌ها رشد می‌کند، و این بزرگترین ناهنجاری کیهان‌شناسی در یک قرن اخیر است. نسل بعدی رصدخانه‌ها، از جمله تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن و مأموریت اقلیدس آژانس فضایی اروپا، به دنبال خطا در داده‌ها نخواهند بود. آنها به دنبال فیزیک جدیدی خواهند بود که داده‌ها آن را طلب می‌کنند.[5]

اکنون می‌دانیم که جهان طبق قوانین ما رفتار نمی‌کند. تلسکوپ فضایی جیمز وب دقیقاً کاری را انجام داد که برای آن ساخته شده بود: عمیق‌تر و واضح‌تر از هر ابزار دیگری نگاه کرد. با این کار، معمای انبساط کیهانی را حل نکرد – بلکه ثابت کرد که این معما واقعی است. تنش تأیید شده، خطای اندازه‌گیری رد شده، و صحنه برای انقلاب بزرگ بعدی در فیزیک بنیادی آماده است.[5]