تلسكوپ فضایی جیمز وب چگونه بزرگ‌ترین جدال كیهان‌شناسی را عمیق‌تر می‌كند؟

تلسكوپ فضایی جیمز وب چگونه بزرگ‌ترین جدال كیهان‌شناسی را عمیق‌تر می‌كند؟نجوم و فضاعلمیجمعه ۳۰ شهریور ۱۴۰۳ - ۲۲:۳۰مطالعه 10 دقیقهسارا ارجمندتبلیغاتتبلیغاتتبلیغاتبا وجود داده‌های منتشرشده از تلسكوپ جیمز وب از جهان آغازین، مسئله تنش هابل یا اختلاف اندازه‌گیری‌های ثابت كیهانی هنوز حل نشده است .

تبلیغاتخلاصه مقاله:تقریبا یك قرن پیش، ادوین هابل به انبساط جهان پی برد و سرعت انبساط یا ثابت كیهانی را محاسبه كرد.از زمان هابل تاكنون گروه‌های زیادی برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان تلاش كردند. با این‌حال مقادیری كه به دست آوردند با پیش‌بینی‌های تئوری اختلاف داشت .

به این اختلاف تنش هابل گفته می‌شود. دانشمندان امروزه از سه روش برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان استفاده می‌كنند: ستاره‌های متغیر قیفاووسی، ستاره‌های غول سرخ TRGB و غول‌های مجانبی JAGB.با این‌حال تنش هابل هنوز وجود دارد و نشان می‌دهد كه روش‌ها برای محاسبه‌ی ثابت هابل از نقصی سیستماتیك رنج می‌برد .

پژوهشگرها امیدوارند بتوانند با استفاده از تلسكوپ جیمز وب در سال‌های آینده به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری از سرعت انبساط جهان برسند و به این ترتیب تنش هابل را حل كنند. تقریبا یك قرن پیش، ادوین هابل كشف كرد كه جهان در حال بزرگ‌تر شدن است .

بااین‌حال اندازه‌گیری‌های امروزی در مورد میزان سرعت انبساط جهان با یكدیگر در تناقض هستند. این اختلاف‌ها نشان می‌دهد كه درك ما از قوانین فیزیك ممكن است ناقص باشد. از سویی همگان انتظار داشتند چشم‌های تیزبین تلسكوپ جیمز وب، ما را به پاسخ معما نزدیك كند؛ اما تحلیلی تازه از رصدهای این تلسكوپ كه از مدت‌ها پیش انتظار انتشارشان می‌رفت، بار دیگر سرعت‌های انبساط متناقض از انواع متفاوت داده‌ها را منعكس می‌كند و درعین‌حال به منابع احتمالی خطا اشاره می‌كند .

دو گروه رقیب، تلاش‌ها برای اندازه‌گیری سرعت انبساط كیهان را كه به ثابت هابل یا H0 معروف است، هدایت كرده‌اند. یكی از گروه‌ها به رهبری آدام ریس از دانشگاه جانز هاپكینز، با اتكا به مواد تشكیل‌دهنده‌ی شناخته‌شده‌ی كیهان و معادلات حاكم، ثابت هابل را به‌طور پیوسته تقریبا ۸ درصد بیشتر از پیش‌بینی تئوری سرعت انبساط جهان محاسبه كرده است .

این اختلاف كه با عنوان تنش هابل شناخته می‌شود، نشان می‌دهد كه مدل تئوری كیهان‌شناسی ممكن است برخی عناصر مثل مواد اولیه یا آثاری كه انبساط كیهان را سرعت بخشند، از قلم انداخته باشد. چنین عنصری می‌تواند سرنخی برای رسیدن به دركی كامل‌تر از جهان باشد .

ریس و گروهش، بهار امسال اندازه‌گیری‌های جدید خود از ثابت هابل را بر اساس داده‌های تلسكوپ جیمز وب منتشر كردند و به مقداری منطبق با تخمین‌های گذشته‌ی خود دست یافتند. با این‌حال گروهی رقیب به رهبری وندی فریدمن از دانشگاه شیكاگو هشدار می‌دهند كه نیاز به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر احساس می‌شود .

اندازه‌گیری این تیم از ثابت هابل بیشتر از محاسبات ریس به تخمین تئوری نزدیك هستند و نشان می‌دهند تنش هابل ممكن است واقعی نباشد.از زمان آغاز به كار تلسكوپ جیمز وب در سال ۲۰۲۲، جامعه اخترفیزیكی در انتظار تحلیل چندجانبه‌ی فریدمن براساس مشاهدات تلسكوپی از سه نوع از ستاره‌ها بود .

اكنون نتایج به این شرح است: دو نوع ستاره، تخمین‌هایی از ثابت هابل را ارائه می‌دهند كه با پیش‌بینی نظری همسو هستند؛ در حالی كه نتایج ستاره سوم كه همان نوع مورد استفاده ریس است، با تخمین‌های بالاتر تیم او از ثابت هابل مطابقت دارد .

به باور فریدمن، اینكه نتایج سه روش متناقض هستند، به معنی وجود بنیان‌های فیزیكی ناشناخته نیست، بلكه برخی خطاهای سیستماتیك در روش‌های محاسبه وجود دارد.مقادیر مختلف ثابت هابل كه طی پژوهش‌های مجزا به دست آمده‌اند .

به این تفاوت‌ها تنش هابل می‌گویند.كپی لینكجهان متناقضبخش دشوار اندازه‌گیری انبساط كیهانی، اندازه‌گیری فاصله‌ی اجرام فضایی است. هنریتا لویت، ستاره‌شناس آمریكایی در سال ۱۹۱۲ برای اولین بار از ستاره‌های تپنده موسوم به متغیرهای قیفاووسی برای محاسبه فاصله‌ها استفاده كرد .

این ستاره‌ها با سرعتی متناسب با درخشندگی ذاتی خود سوسو می‌زنند. با فهمیدن درخشندگی یا توان تابشی یك متغیر قیفاووسی، می‌توانیم آن را با میزان روشنایی یا افت نور ظاهری‌اش مقایسه كنیم تا فاصله‌ی كهكشانش از خودمان را تخمین بزنیم .

ادوین هابل از روش لویت برای اندازه‌گیری فاصله‌ها با مجموعه‌ای از كهكشان‌های میزبان متغیرهای قیفاووسی استفاده كرد و در سال ۱۹۲۹ متوجه شد كهكشان‌هایی كه در فاصله دورتری از ما قرار دارند با سرعت بیشتری دور می‌شوند .

این یافته به معنی انبساط جهان بود. هابل سرعت انبساط را مقدار ثابت ۵۰۰ كیلومتر بر ثانیه به ازای مگاپارسك محاسبه كرد. به بیان دیگر دو كهكشان كه ۱ مگاپارسك یا تقریبا ۳٫۲ میلیون سال نوری از هم فاصله دارند با سرعت ۵۰۰ كیلومتر بر ثانیه از یكدیگر دور می‌شوند .

با پیشرفت در كالیبراسیون رابطه‌ی بین تناوب ضربان قیفاووسی‌ها و درخشندگی آن‌ها، اندازه‌گیری‌ها از ثابت هابل بهبود یافت. با این‌حال، از آنجایی كه متغیرهای قیفاووسی بسیار درخشان هستند، كل رویكرد مورد استفاده دارای محدودیت است .

دانشمندان برای اندازه‌گیری فاصله‌ی كهكشان‌ها از یكدیگر در فضای بی‌كران، به روشی جدید نیاز دارند.پژوهشگرها در دهه‌ی ۱۹۷۰ از متغیرهای قیفاووسی برای سنجش فاصله تا ابرنواخترهای درخشان استفاده كردند و به این ترتیب به اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری از ثابت هابل رسیدند .

آن زمان هم مثل حالا دو گروه پژوهشی اندازه‌گیری‌ها را برعهده گرفتند و با استفاده از ابرنواخترها و ستاره‌های متغیر قیفاووسی به مقادیر متناقض ۵۰ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك و ۱۰۰ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك دست یافتند .

با این‌حال هیچ توافقی به دست نیامد و همه چیز كاملا دوقطبی شد.ادوین هابل، ستاره‌شناس آمریكایی كاشف انبساط جهان در این عكس از سال ۱۹۴۹ در كنار تلسكوپ اشمیت در رصدخانه پالومار حضور دارد.پرتاب تلسكوپ فضایی هابل در سال ۱۹۹۰ دیدی جدید و چندلایه از جهان به ستاره‌شناس‌ها داد .

فریدمن رهبری كارزار رصدی چندساله با هابل را برعهده گرفت و در سال ۲۰۰۱ به همراه همكارانش، سرعت انبساط را با عدم قطعیتی كه حداكثر ۱۰ درصد است، برابر با ۷۲ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك تخمین زد.ریس كه یكی از برندگان جایزه نوبل به پاس كشف انرژی تاریك است، چند سال بعد وارد بازی انبساط شد .

گروه او در سال ۲۰۱۱ مقدار ثابت هابل را برابر با ۷۳ با سه درصد عدم قطعیت به دست آورد. بلافاصله پس از این، كیهان‌شناس‌ها در روشی دیگر به برتری رسیدند. آن‌ها در سال ۲۰۱۳ از مشاهدات تلسكوپ پلانك از نور به‌جامانده از كیهان آغازین، برای تعیین شكل دقیق و تركیب كیهان اولیه استفاده كردند .

پژوهشگرها در مرحله‌ی بعد یافته‌هایشان را به نظریه نسبیت عام اینشتین متصل كردند و مدل نظری را برای پیش‌بینی وضعیت كنونی جهان، تا تقریبا ۱۴ میلیارد رو به جلو تكامل دادند. براساس این محاسبات، كیهان باید در حال حاضر با سرعت تقریبی ۶۷٫۴ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك با عدم قطعیت كمتر از یك درصد درحال انبساط باشد .

اندازه‌گیری تیم ریس، حتی با وجود بهبود دقت، ۷۳ باقی ماند. این مقدار بالاتر نشان می‌دهد كهكشان‌ها امروزه با سرعتی بیشتر از سرعت قابل انتظار تئوری در حال دور شدن از یكدیگر هستند. این‌گونه بود كه تنش هابل متولد شد .

به گفته‌ی ریس، تنش هابل امروز به ما نشان می‌دهد كه چیزی در مدل كیهان‌شناسی از قلم افتاده است.عامل گمشده می‌تواند اولین عنصر جدید كیهان باشد كه از زمان انرژی تاریك كشف خواهد شد. هنوز نظریه‌پردازها نسبت به هویت این عامل شك دارند .

شاید این نیرو نوعی انرژی پس‌رانشی باشد كه برای مدتی كوتاه در جهان آغازین دوام آورده است یا شاید میدان‌های مغناطیسی آغازینی باشد كه در طول بیگ‌بنگ به‌وجود آمده است یا شاید آنچه از قلم افتاده، بیشتر به خود ما مربوط باشد تا كیهان .

كپی لینكروش‌های دیدنبرخی كیهان‌شناس‌ها از جمله فریدمن گمان می‌كردند كه خطاهای ناشناخته مقصر تنش هابل هستند. برای مثال، ستاره‌های متغیر قیفاووسی در دیسك‌هایی از كهكشان‌های جوان‌تر در مناطقی مملو از ستاره، غبار و گاز قرار دارند .

به گفته‌ی جورج افستاتیو، اخترفیزیكدان دانشگاه كمبریج، حتی با وجود تفكیك‌پذیری دقیق هابل، یك متغیر قیفاووسی واحد نمی‌بینید. بلكه آن را به صورت هم‌پوشان با ستاره‌های دیگر می‌بینید. این تراكم ستاره‌ها، اندازه‌گیری‌ها از روشنایی را دشوار می‌سازد .

وقتی تلسكوپ جیمز وب در سال ۲۰۲۱ پرتاب شد، ریس و همكارانش از دوربین فروسرخ قدرتمند آن برای نفوذ به مناطق شلوغ میزبان متغیرهای قیفاووسی استفاده كردند. آن‌ها می‌خواستند بدانند آیا ادعای فریدمن و دیگر پژوهشگرها درباره تأثیر شلوغی منطقه بر مشاهدات صحیح است یا خیر .

آینه‌ی چندبخشی ۶٫۵ متری تلسكوپ فضایی جیمز وب در مركز پرواز فضایی گادرد ناسا در مریلند. این آینه در سال ۲۰۱۷ مراحل تست مختلف را گذراند. وقتی پژوهشگرها اعداد جدید را با فاصله‌های محاسبه‌شده از داده‌های تلسكوپ هابل مقایسه كردند، شاهد تطبیقی اعجاب‌انگیز بودند .

آخرین نتایج تلسكوپ جیمز وب، مقدار ثابت هابل را كه چند سال پیش توسط تلسكوپ هابل اندازه‌گیری شده بود، تأیید می‌كرد: ۷۳ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك با اختلاف یك كیلومتر كمتر یا بیشتر.با توجه به نگرانی ازدحام، فریدمن به ستاره‌های جایگزین رو آورد كه می‌توانستند به‌عنوان شاخص‌های فاصله به كار بروند .

این ستاره‌ها در دامنه‌ی بیرونی كهكشان‌ها و دور از ازدحام یافت می‌شوند. یكی از آن ستاره‌ها، به گروه «رأس شاخه‌ی غول سرخ» یا به اختصار TRGB تعلق دارد. غول سرخ به ستاره‌ای مسن با جوی پف‌كرده گفته می‌شود كه با درخشش بالایی در طیف نور سرخ می‌درخشد .

غول سرخ با افزایش سن در نهایت هلیم را در هسته‌اش می‌سوزاند و در این موقعیت، دمای ستاره و درخشش آن به طور ناگهانی كاهش می‌یابد.یك كهكشان معمولی دارای تعداد زیادی غول سرخ است. اگر روشنایی این ستاره‌ها را نسبت به دمایشان ترسیم كنید، به نقطه‌ای می‌رسید كه روشنایی در آن افت می‌كند .

جمعیت ستاره‌ها پیش از این افت روشنایی، شاخص فاصله‌گذاری خوبی است؛ زیرا در هر كهكشان، چنین جمعیتی دارای توزیع مشابهی از درخشندگی است. ستاره‌شناس‌ها با مقایسه‌ی روشنایی این جمعیت‌های ستاره‌ای، می‌توانند فاصله‌های نسبی‌شان را تخمین بزنند .

تنش هابل نشان می‌دهد مدل استاندارد كیهانی چیزی كم داردفیزیك‌دان‌ها صرف‌نظر از روش‌ به كار‌رفته، باید به‌منظور كالیبره‌كردن كل مقیاس، فاصله‌ی مطلق حداقل یك كهكشان را به‌عنوان نقطه‌ی اتكا محاسبه كنند. استفاده از TRGB به‌عنوان شاخص فاصله‌، پیچیده‌تر از كاربرد متغیرهای قیفاووسی است .

مك‌كینن و دیگر همكاران از ۹ فیلتر طول موج تلسكوپ جیمز وب برای درك چگونگی رابطه‌ی روشنایی با رنگ آن‌ها استفاده كردند.ستاره‌شناس‌ها همچنین به دنبال شاخصی جدید هستند: ستاره‌های غنی از كربن كه به گروه موسوم به «غول مجانبی منطقه جِی» (JAGB) تعلق دارند .

این ستاره‌ها در فاصله‌ای دور از دیسك درخشان كهكشان قرار دارند و مقدار زیادی نور فروسرخ منتشر می‌كنند. با این‌حال امكان رصد‌ آن‌ها در فاصله‌های دوردست تا زمان پرتاب جیمز وب میسر نشده بود.فریدمن و گروهش به منظور رصد TRGB-ها و JAGB همراه با شاخص‌های ثابت‌شده‌تر فاصله‌گذاری و متغیرهای قیفاووسی در ۱۱ كهكشان، درخواست دریافت زمان رصد با تلسكوپ فضایی جیمز وب را داده‌اند .

كپی لینكراه‌حل ناپدید‌شوندهدر ۱۳ مارس ۲۰۲۴، فریدمن، لی و دیگر اعضای تیم در شیكاگو گرد هم آمدند تا ببیند چه چیزی را از یكدیگر مخفی كرده‌اند. طی ماه‌های گذشته آن‌ها به سه گروه تقسیم شده بودند كه هر كدام وظیفه‌ی اندازه‌گیری فاصله تا ۱۱ كهكشان با استفاده از یكی از این سه روش را برعهده داشتند: ستاره‌های متغیر قیفاووسی، TRGB و JAGB-ها .

كهكشان‌های یادشده همچنین میزبان انواع مرتبطی از ابرنواخترها هستند، بنابراین فاصله‌ی آن‌ها می‌تواند فاصله‌ی ابرنواخترها در بسیاری از كهكشان‌های دورتر را كالیبره كند. سرعت دور شدن كهكشان‌ها از ما تقسیم بر فاصله‌شان، مقدار ثابت هابل را نشان می‌دهد .

وندی فریدمن در دانشگاه شیكاگو در حستجوی تطبیق رصدهای تلسكوپ جیمز وب با مدل كیهان‌شناسی استاندارد است.سه گروه از پژوهشگرها، اندازه‌گیری‌های فاصله را با یك مقدار متعادل‌كننده‌ی منحصر‌به‌فرد و تصادفی كه به داده‌ها افزوده بود، محاسبه كردند .

آن‌ها در حین جلسه‌ی حضوری، آن مقادیر را حذف و نتایج را با یكدیگر مقایسه كردند.هر سه روش فاصله‌های مشابهی با سه درصد عدم قطعیت به دست آوردند. در نهایت گروه سه مقدار ثابت هابل را برای هر شاخص فاصله محاسبه كردند .

تمام مقادیر در محدوده‌ی پیش‌بینی نظری ۶۷٫۴ قرار گرفتند. از این‌رو به نظر می‌رسید تنش هابل حل شده است. با این‌حال با بررسی بیشتر تحلیل‌ها برای نوشتن نتایج، به مشكلات مواجه شدند.تجزیه‌وتحلیل JAGB خوب بود؛ اما دو مورد دیگر خطا داشتند .

تیم دریافت كه ستون‌های خطای بزرگی در اندازه‌گیری TRGB وجود دارد. آن‌ها سعی كردند با گنجاندن TRGB-های بیشتر، خطاها را كوچك كنند؛ اما وقتی دست به انجام این كار زدند، دریافتند كه فاصله تا كهكشان‌ها كمتر از آن چیزی است كه درابتدا فكر می‌كردند .

این تغییر موجب موجب بزرگ‌ترشدن مقدار ثابت هابل شد.تیم فریدمن در تحلیل قیفاووسی نیز یك خطا را كشف كرد: در تقریبا نیمی از ستارگان تپنده، اصطلاح ازدحام دوبار اعمال شده بود. تصحیح این خطا، مقدار ثابت هابل را به میزان درخورتوجهی افزایش داد .

تنش هابل دوباره زنده شد.درنهایت پس از تلاش‌ها برای رفع خطاها، مقاله‌ی پژوهشگرها سه مقدار مجزای ثابت هابل را ارائه می‌دهد. اندازه‌گیری JAGB نتیجه‌ی ۶۷٫۹۶ كیلومتر بر ثانیه بر مگا پارسك را در پی داشت. نتیجه‌ی TRGB هم برابر با ۶۹٫۸۵ با حاشیه‌های خطای مشابه بود .

در روش متغیر قیفاووسی هم ثابت هابل در مقدار بالاتر ۷۲٫۰۵ به دست‌آمد. به این ترتیب فرضیه‌های متفاوت درباره‌ی ویژگی‌های این ستاره‌ها باعث شد مقدار تنش هابل از ۶۹ تا ۷۳ متغیر باشد.با تركیب روش‌های یادشده و عدم قطعیت‌ها، میانگین مقدار تنش هابل برابر با ۶۹٫۹۶ با عدم قطعیت چهار درصد به دست آمد .

این حاشیه‌ی خطا با پیش‌بینی تئوری سرعت انبساط كیهان و همچنین مقدار بالاتر تیم ریس هم‌پوشانی دارد.بیشتر بخوانید:تلسكوپ فضایی جیمز وب سرعت انبساط كیهان را اندازه‌گیری كرد29 شهریور 02مطالعه '3چگونه مرگ پنج‌باره یك ستاره، سرعت باورنكردنی انبساط جهان را آشكار كرد؟31 اردیبهشت 02مطالعه '4اگر جهان در حال انبساط است، به چه چیزی منبسط می‌شود؟23 اسفند 95مطالعه '3كپی لینكتنش‌ها و تفكیك‌پذیری‌هاتلسكوپ فضایی جیمز وب روش‌هایی را برای اندازه‌گیری ثابت هابل فراهم كرده است .

ایده‌ی كار ساده است: كهكشان‌های نزدیك‌تر انبوه‌تر به نظر می‌رسند؛ زیرا می‌توانید برخی از ستاره‌هایشان را تشخیص دهید، در حالی كه تعداد بیشتری از كهكشان‌های دوردست ظاهری یكدست‌تر دارند.روشی موسوم به همگرایی گرانشی امیدواركننده‌تر است .

یك خوشه‌ی كهكشانی كلان‌جرم درست مانند ذره‌بین عمل می‌كند و می‌تواند تصویر جسمی را كه در پس‌زمینه قرار دارد خمیده و بزرگ‌نمایی كند و زمانی كه نور آن مسیرهای متفاوتی را طی می‌كند، تصاویر متعددی از جسم پس‌زمینه را ایجاد می‌كند .

برندا فرای، ستاره‌شناس دانشگاه آریزونا، رهبری برنامه‌ای را با هدف رصد هفت خوشه با تلسكوپ فضایی جیمز وب برعهده دارد. فرای و همكارانش با دیدن اولین تصاویری كه سال گذشته از خوشه‌ی G165 ثبت كرده بودند، سه نقطه‌‌ای را مشاهده كردند كه قبلا در تصاویر وجود نداشت .

این سه نقطه در واقع تصاویر مجزایی از یك ابرنواختر بودند كه در پس‌زمینه‌ی خوشه‌ی یادشده قرار داشت.پژوهشگرها پس از چند بار تكرار رصد، تفاوت بین زمان ورود سه تصویر لنز گرانشی‌شده از ابرنواختر را محاسبه كردند .

این تأخیر زمانی متناسب با ثابت هابل است و می‌توان برای محاسبه‌ی این مقدار از آن استفاده كرد. این گروه سرعت انبساط ۷۵٫۴ كیلومتر بر ثانیه بر مگاپارسك را با یك عدم قطعیت بزرگ ۸٫۱ درصد به دست آوردند. فرای انتظار دارد ستون‌های خطا پس از چند سال اندازه‌گیری مشابه اصلاح شوند .

هر دو تیم فریدمن و ریس پیش‌بینی می‌كنند كه با رصد‌های سال‌های آینده‌ی جیمز وب بتوانند به پاسخی بهتر دست پیدا كنند. فریدمن می‌گوید: «با بهبود داده‌ها، تنش هابل درنهایت حل خواهد شد و فكر می‌كنم خیلی سریع به اصل قضیه پی خواهیم برد .