دانشمندان به دنبال یافتن «ناشناختههای ناشناختهای» هستند که ما را به تکههای گمشده پازل کیهانشناسی میرسانند. بعد از اکتشافاتی درباره سیاهچالهها، تاریکترین پدیده کیهان، شاید ستاره های همنوع خوار یا انرژی تاریک بخش دیگری از این پازل باشند.
بازنگری دانشمندان درباره شمعهای استاندارد؛ جایگزینی رویکرد جدید
گروهی از دانشمندان با استفاده از هوش مصنوعی و دادههای رصدخانه پیشگام ورا سی. روبین، در حال بازنگری در دانستههای خود درباره «شمعهای استاندارد» کیهانی هستند. شمعهای استاندارد، اجرامی ناشی از انفجار ستارههای مردهای هستند که رفتاری شبیه به آدمخوارها دارند؛ این اجرام به ما در اندازهگیری فواصل در سراسر جهان کمک میکنند.
این شمعهای استاندارد که با نام ابرنواخترهای نوع Ia یا اول الف نیز شناخته میشوند، نقشی مهم در اندازهگیری سرعت انبساط جهان دارند. این ابرنواخترها در درک ما از چگونگی شتاب گرفتن انبساط، تحت تاثیر انرژیهای تاریک یا همان نیروی مرموزی که کیهان را در همه جهتها از هم دور میکند، نیز نقشی کلیدی ایفا میکنند.
رویکرد این تیم تحقیقاتی برای بررسی ابرنواخترهای نوع اول الف، شامل چارچوبی به نام استنتاج ترکیبی و استانداردسازی مرتبط با کهکشان یا به اختصار CIGaRS است. این روش با رویکردهای استاندارد قبلی تفاوت دارد؛ زیرا به جای استفاده از مشاهدات طیفسنجی که بر پایه تحلیل ویژگیهای نور هستند، به تصاویر واقعی و تحلیلهای ریاضی متکی است.
اعضای تیم توضیح میدهند که این رویکرد به اخترشناسان اجازه میدهد تا اطلاعات بیشتری درباره سن و تراکم عناصر سنگین یا فلزات در ستارههای منفجرشده در ابرنواخترهای نوع اول الف به دست آورند. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که فاصله این ستارهها را با دقت بسیار بالاتری برای ما آشکار میکند و در کشف راز انرژی تاریک و ستاره های همنوع خوار موثر خواهد بود.
مدلسازی جهان با شبیهسازی در رایانه
رائول خیمنس، یکی از اعضای این تیم پژوهشی از دانشگاه بارسلونا، در بیانیهای مرتبط میگوید: «یکی از قدرتمندترین روشها برای مدلسازی جهان، شبیهسازی آن در رایانه است. این کار به ما امکان میدهد تمام پارامترهای ممکن را همزمان تغییر دهیم و پیشبینی کنیم در چه جهانی زندگی میکنیم. بهعلاوه داشتن چنین قابلیتی، امکان بررسی اثر ناشناختههای ناشناخته و خطاهای سیستماتیک را نیز فراهم میکند. تاثیر این خطاها بر استنباطهای ما، بیتردید یکی از مهمترین اجزای گمشده در رویکردهای کنونی برای مدلسازی جهان است.»
مروری دوباره بر مسئله انرژی تاریک و ستاره های همنوع خوار
کشف انرژیهای تاریک، پس از مرگ ستارگانی با اندازهای مشابه خورشید و تبدیل آنها به بازماندههای خاموش و سوزانی به نام کوتوله سفید آغاز شد. عمر خورشید ما حدود ۶ میلیارد سال دیگر تمام میشود و در نهایت به یک کوتوله سفید تبدیل خواهد شد؛ جرمی کوچک و بسیار چگال که بهتدریج سرد و کمنور میشود. در واقع خورشید هم روزی بهتنهایی در گورستانی کیهانی که زمانی منظومه شمسی ما بوده، خاموش خواهد شد.
اما اگر یک کوتوله سفید در منظومه دوتایی باشد، یعنی ستاره دیگری در کنارش داشته باشد، این امکان را دارد که با کشیدن ماده از ستاره همدم خود دوباره فعال شود؛ در واقع برای زنده ماندن از همسایه خود تغذیه کند. همنوع خواری ستارهها در نهایت به انفجاری هستهای و مهارنشدنی ختم شده و کوتوله سفید را بهطور کامل نابود میکند و جرمی به نام ابرنواختر نوع Ia ایجاد خواهد کرد.
نکته جالب ماجرای انرژی تاریک اینجاست که تا مدتها تصور میشد انفجارهای نوع Ia همیشه با الگوی یکسان و مشابه رخ میدهند، درحالیکه امروزه خلاف آن ثابت شده است. تصور شباهت به دانشمندان کمک میکرد که از طریق اندازهگیری نور انفجارها فاصله بین آنها را محاسبه کرده و از طریق محاسبه فاصله نیز سرعت انبساط جهان را به دست آورند.
در سال ۱۹۹۸، دو گروه از اخترشناسان بهطور مستقل با استفاده از ابرنواخترهای نوع Ia کشف کردند که جهان نهتنها در حال انبساط است، بلکه این انبساط با شتاب بالایی انجام میشود. این گروه بهطور موقت نام انرژیهای تاریک را برای نیروی محرکه شتاب انبساط جهان انتخاب کردند.
اهمیت کشف ماهیت مورد انرژی تاریک
از اواخر دهه ۱۹۹۰، معمای مربوط به انرژیهای تاریک پاسخی نداشته و تنها پیچیدهتر شده است. در حال حاضر میدانیم که انرژیهای تاریک، هرچه باشند، حدود ۶۸ درصد از کل ماده و انرژی جهان را تشکیل میدهند و نیروی غالب در کیهان هستند. اما نکته عجیب اینجاست که عمر انرژیهای تاریک نسبت به جهان ما کمتر است و از ابتدا بر جهان مسلط نبودهاند.
غلبه انرژیهای تاریک بر کشش گرانشی همه مواد موجود در جهان حدود ۴ میلیارد سال پیش، زمانی که عمر جهان به حدود ۹ میلیارد سال رسیده بود، آغاز شد. تا پیش از آن، کشش گرانشی سرعت انبساط جهان را کم میکرد؛ اما از آن به بعد، انرژیهای تاریک باعث شتابگیری مجدد انبساط جهان شدند.
برای درک این موضوع که چرا انرژی تاریک و موارد مشابه، نگرانکننده هستند، این مثال را در نظر بگیرید: تصور کنید کودکی را روی تاب هل میدهید، سرعت تاب بهتدریج کم شده و تقریبا از حرکت میایستد، مانند انبساطی که در اثر بیگبنگ اتفاق افتاد. اما ناگهان، تاب سرعت گرفته و بدون اینکه توسط کسی هل داده شود، به مرور شتاب بیشتری میگیرد. انرژیهای تاریک دقیقا چنین کاری با جهان ما میکنند.
بنابراین جای تعجب نیست که دانشمندانی مانند خیمنس و همکارانش در تلاش باشند که به ماهیت این انرژی پی ببرند. این معما در حال حاضر بهعنوان بزرگترین راز کیهانشناسی مدرن شناخته میشود. اما نکته اینجاست: فرض قبلی دانشمندان درباره یکسان بودن ابرنواخترهای نوع Ia را به خاطر دارید؟ محققان اخیرا دریافتند که این فرض همیشه هم درست نیست.
شمعهایی نه چندان استاندارد؟
در طول ۲۰ سال گذشته، تیمی از اخترشناسان دریافتهاند که درخشندگی ابرنواخترهای نوع اول الف تا حدی به محیط کهکشانی که در آن منفجر میشوند هم بستگی دارد. در واقع وقتی این انفجارها در کهکشانهای بزرگ یا پیر رخ میدهند، کمی متفاوت از انفجارهایی به نظر میرسند که در کهکشانهای کوچکتر یا جوانتر اتفاق میافتند.
اگرچه برای حل این مشکل اصلاحاتی تقریبی اعمال شده است، اما اثر محیط همچنان مانع از دقت بالای فاصلهسنجیهایی میشود که شمعهای استاندارد ویرانگر ارائه میدهند. این تیم تحقیقاتی با مدلسازی همزمان تمام عوامل مرتبط با ابرنواخترها به سراغ حل این مسئله رفته است؛ عواملی شامل ماهیت کهکشانهای میزبان آنها، هرگونه غباری که نور خروجی آنها را کمتر میکند، فراوانی این انفجارها در طول زمان و البته انبساط جهان. نتیجه کار، یک مدل واحد و منسجم است که عناصر فیزیکی و آماری را با هم پیوند میدهد. این تیم همچنین موفق شده دهها هزار ابرنواختر نوع اول الف را به طور همزمان مدلسازی کند که پیشرفت بزرگی در جهت کشف راز انرژی تاریک محسوب میشود.
نتایج تحقیقات
حاصل این تحقیقات، پیدا کردن روشی است که فواصل کهکشانی را تنها با استفاده از تصاویر و با دقت بسیار بالا تخمین میزند. این روش بهویژه زمانیکه پروژه نقشهبرداری میراث فضا و زمان یا LSST که توسط رصدخانه روبین از فراز قلهای در شیلی انجام میشود، شروع به ارسال مشاهداتی از تعداد بیسابقهای از ابرنواخترها کند، مهمتر خواهد شد. بهعبارتی چارچوب CIGaRS دقیقا برای کار با همین حجم عظیم دادهها طراحی شده است.
«کنستانتین کارچف»، سرپرست تیم تحقیقاتی از دانشگاه بارسلونا، در بیانیهای گفته است که: «برخلاف سایر چارچوبها که نیازمند سادهسازیهای تحلیلی هستند، رویکرد بدون سازش ما که مبتنی بر استنتاج شبیهسازیمحور سرتاسری end-to-end است، پتانسیل بینظیری برای استخراج اطلاعات کامل کیهانشناختی و اخترفیزیکی از دادههای ارزشمند رصدخانه روبین دارد. در عین حال از تلههای ناشی از سوگیریهای انتخابی و مدلسازی نیز اجتناب میکند.»
