دنیای کیهان‌شناسی این روزها شاهد جنب و جوشی هیجان انگیز است. یکی از مرموز ترین موجودات عالم که ما حتی هنوز ماهیت دقیقش را نمی دانیم انرژی تاریک است و حالا به نظر می آید این انرژی مرموز رفتار مرموز تری از خود نشان می دهد. چارلی وود در مجله کوانتا مقاله ای در این زمینه نوشته که فکر کردم شاید ترجمه اش برای علاقه مندان جالب باشد و می توانید در ادامه مطالعه کنید.

سال گذشته، نقشه‌ای عظیم از کیهان نشان داد که پیشران انبساط کیهان ممکن است در حال از کار افتادن باشد. حالا فیزیک‌دان‌ها با نقشه‌ای حتی بزرگ‌تر برگشته‌اند—و احتمالی که این فرض را بیشتر تایید می‌کند

با این حال، کیهان‌شناسی در دهه‌های اخیر راه درازی پیموده است. دو پروژه DES و DESI در حال نقشه‌برداری از میلیون‌ها جرم آسمانی‌اند به محققان توان تفکیکی را می‌دهد که برای پاسخ به این سوال مهم ضروری است: آیا انرژی تاریک واقعاً یک ثابت کیهان‌شناختی است یا به‌طرزی پنهان در حال تغییر است.

چشم‌انداز DESI به‌ویژه شفاف و دقیق است. این تلسکوپ که در قله‌ی Kitt Peak در آریزونا قرار دارد، به هزاران چشم روباتیکی گردان مجهز شده است. از ماه مه ۲۰۲۱، این چشم‌ها شب‌به‌شب بی‌وقفه در رفت‌وآمد بوده‌اند، کابل‌های فیبر نوری‌شان را به سوی کهکشان‌ها نشانه می‌روند و نورشان را گرد می‌آورند. در نخستین سال فعالیت خود، این تلسکوپ موفق شد نور شش میلیون کهکشان را رصد کند و با دقت بسیار، سرعت دورشدن آن‌ها از زمین را اندازه‌گیری نماید.

بسیاری از این کهکشان‌ها چنان دورند که نورشان میلیاردها سال در راه بوده تا به ما برسد. در مجموع، نوری که جمع‌آوری شده، بازتابی از حدود ۱۱ میلیارد سال تاریخ کیهان است. کیهان‌شناسان DESI بر شناسایی الگوی تجمع کهکشان‌ها در پوسته‌هایی کروی با اندازه‌ای خاص تمرکز کردند؛ این پوسته‌ها بازمانده‌ی موج‌هایی هستند که در دوران آغازین و چگال کیهان منتشر شده‌اند. آن‌ها با استفاده از این پوسته‌ها توانستند گسترش کیهان را به‌صورت قاب‌های ثابت بازسازی کنند.

در آوریل گذشته، دانشمندان DESI نتایج نخستین سال رصد خود را منتشر کردند. داده‌ها نشانه‌هایی از کاهش انرژی تاریک در چند میلیارد سال اخیر نشان می‌دادند به عبارت دیگر به نظر می‌رسید چگالی آن تغییر کرده است.

پژوهشگران DESI از این نتایج هیجان‌زده بودند اما با احتیاط برخورد کردند. آن‌ها با دقت صحبت کردند، یافته‌های خود را «نشانه» خواندند نه «مدرک» و هشدارهایی به آن افزودند. اعضای تیم بر این تأکید داشتند که در گذشته نیز با مواردی روبه‌رو بوده‌اند که پدیده‌ای غیرمنتظره، با داده‌های بیشتر، ناپدید شده است.

کیم برگهاوس، فیزیک‌دان نظری در مؤسسه فناوری کالیفرنیا که عضو تیم DESI نیست، می‌گوید: «سؤال بزرگ این بود که آیا این نشانه‌ها واقعاً معتبرند؟ خیلی‌ها در ابتدا فکر می‌کردند که با داده‌های بیشتر ناپدید می‌شوند.»

اما پاییز گذشته، تیم همکاری DESI تحلیل دقیق‌تری را منتشر کرد که الگوهای ظریف‌تری را در موقعیت کهکشان‌ها و فراتر از همان پوسته‌های کروی معروف بررسی می‌کرد،. نشانه‌های تغییر انرژی تاریک همچنان پابرجا ماندند. دیلون براوت، کیهان‌شناس دانشگاه بوستون و عضو هر دو تیم DESI و DES گفت: «همه با خیال راحت نفس کشیدند.»

نتیجه‌ی تازه آن‌ها بر پایه‌ی سه سال رصد مداوم توسط چشم‌های روباتیکی DESI در Kitt Peak به دست آمده است. با تحلیل این داده‌های جدید، حال و هوای محققان از «آرامش» قبل از توفان به «شادی» مواجهه با واقعیتی تا کنون نادانسته تغییر یافته است.

میلیون‌ها کهکشان بیشتر

اگر داده‌های سال اول DESI شامل شش میلیون کهکشان بود، مجموعه سه‌ساله اکنون شامل نزدیک به ۱۵ میلیون کهکشان است. تیم پژوهشگر بار دیگر پوسته‌های کروی را شناسایی و بار دیگر تاریخ ۱۰ میلیارد ساله‌ی گسترش کیهان را این‌بار با وضوحی بیشتر، بازسازی کرد.

آن‌ها ماه‌ها وقت صرف کردند تا کدهای رایانه‌ای خود را روی داده‌های شبیه‌سازی‌شده و نسخه‌ی درهم‌ریخته‌ی داده‌های واقعی آزمایش کنند، به دنبال اشکالات گشتند و صحت تحلیل خود را بررسی کردند. در شب ۱۰ دسامبر ۲۰۲۴، نمایندگان تیم در کنکون، مکزیک گرد آمدند و سه ساعت تمام درباره‌ی اینکه آیا تحلیل خود را از هر زاویه‌ای بررسی کرده‌اند، بحث کردند.

وقتی تصمیم گرفتند که بله، گروه کوچکی از پژوهشگران به اتاق‌های هتلشان رفتند تا داده‌ها را رمزگشایی کرده و نمودارهای نهایی را تولید کنند. از جمله‌ی آن‌ها ناداتور بود، کیهان‌شناس دانشگاه پورتسموث در بریتانیا. او از اینکه یکی از نخستین انسان‌هایی باشد که اسرار بزرگ‌ترین و دقیق‌ترین نقشه‌ی کهکشان‌ها را می‌بیند، به‌شدت خوشحال بود. دو روز بعد، روی صحنه مقابل ۲۰۰ نفر از همکارانش ایستاد و نتیجه را با دیگران به اشتراک گذاشت—با صدها نفر که از راه دور تماشا می‌کردند. «این بهترین تجربه‌ی دوران حرفه‌ای من بود.»

به‌تنهایی، داده‌های مبتنی بر ۱۵ میلیون کهکشان DESI می‌توانستند با مدل انرژی تاریک در حال تغییر همخوانی داشته باشند یا با مدل استاندارد کیهان‌شناسی، یعنی مدل لامبدا-CDM. (لامبدا نماد یونانی ثابت کیهان‌شناختی اینشتین است، و CDM مخفف ماده‌ی تاریک سرد.) اما وقتی پژوهشگران داده‌های موقعیت هزاران ابرنواختر در کهکشان‌های نزدیک و شواهد مربوط به دوران اولیه‌ی کیهان (نور پس‌زمینه‌ی کیهانی) را هم وارد محاسبات کردند، این مجموعه‌ی داده‌ها به‌وضوح از مدل لامبدا-CDM فاصله گرفتند و نشانی از تحول در انرژی تاریک دادند.

DESI بهار گذشته گزارش داد که این داده‌ها تا حدود ۳.۹ «سیگما» با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد اختلاف دارند— سیگما یکی از ابزارهای سنجش دقت آماری در علوم است که اهمیت آماری نام دارد. حالا این عدد به ۴.۲ سیگما رسیده است. اگر پژوهشگران اشتباهی نکرده باشند، این به آن معناست که احتمال چنین نتیجه‌ای یک در ۳۰ هزار امکان دارد با  مدل لامبدا-CDM قابل تطبیق باشد. این تقریباً به اندازه احتمال پرتاب سکه و آمدن ۱۵ بار پشت‌سرهم شیر است.

برای تقویت بیشتر این نتایج، اختلاف با لامبدا-CDM حتی زمانی که داده‌های نور پس‌زمینه‌ی کیهانی یا ابرنواخترها را حذف کنیم، همچنان باقی می‌ماند—هرچند با شدت کمتر. این نشان می‌دهد که مشکل از یک مجموعه داده‌ی خاص نیست.

ایشاک-بوشاکی در این باره به کوانتوم درباره احتمال خطا بودن این نتیجه گفت: «باید همه با هم اشتباه کرده باشند، که فکر می‌کنم بسیار، بسیار غیرمحتمل است.»

تیم DES هم به نتیجه‌ای مشابه رسید. تلسکوپ آن‌ها در رشته‌کوه‌های آند شیلی، در طی پنج سال، از ۱۲٪ آسمان عکس‌های با وضوح بالا گرفت و بزرگ‌ترین کاتالوگ ابرنواخترها تا به امروز را تهیه کرد. آن‌ها نیز همان پوسته‌های کروی را شناسایی کردند، هرچند با دقت کمتر از DESI. با ترکیب این داده‌ها با رصدهای پیشرفته از پس‌زمینه‌ی کیهانی، آن‌ها اختلافی معادل ۳.۲ سیگما با مدل لامبدا-CDM یافتند—اختلافی که وقتی فرض کنیم انرژی تاریک در حال تغییر است، از بین می‌رود. تروکسل گفت: «این تصویر منسجمی را ترسیم می‌کند.»

با این حال، تیم DES هشدار می‌دهد که تحلیل آماری در کیهان‌شناسی کار ساده‌ای نیست. برخلاف آزمایش‌های معمول که می‌توان آن‌ها را تکرار کرد، ما فقط یک جهان داریم که بتوانیم رصد کنیم. این یعنی ممکن است اختلاف‌ها میان داده و نظریه به‌خاطر خود فرضیات نظریه باشد، نه داده‌ها. چی‌هوای چانگ، کیهان‌شناس دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «چه خوشمان بیاد یا نه، مقداری ذهنیت و سوگیری در این کار دخیل است.»

یکی از چالش‌های دیگر این است که در تاریخ کیهان طبق DESI، انرژی تاریک ظاهراً ابتدا برای میلیاردها سال افزایش یافته، و بعد از حدود شش میلیارد سال پیش، شروع به کاهش کرده. این رفتار افزایشی غیرممکن نیست، اما نظریه‌پردازان آن را طبیعی نمی‌دانند و به آن «انرژی تاریک فانتوم» یا شبح انرژی تاریک می‌گویند.

آن‌ها توضیح‌هایی هم برای حذف این شبح دارند. شاید داده‌های آن دوران دور، تصویر دقیقی ارائه ندهند. در دوران اولیه، اثر انرژی تاریک ناچیز بوده، چون فضا هنوز گسترش چندانی نیافته بود. سیگنال آن دوران هم ضعیف‌تر است. برگهاوس امیدوار است که DESI چیزی واقعی کشف کرده باشد، اما این امید او به شرطی است که انرژی تاریک واقعاً به‌طور مداوم تضعیف شده باشد.

تغییرپذیری انرژی تاریک، دامنه‌ی احتمالات آینده‌ی کیهان را به‌شدت گسترش می‌دهد. ممکن است گسترش متوقف شود و گرانش همه‌چیز را فروبپاشد. یا انرژی تاریک دوباره فانتوم شود و انبساط جهان سرعت بیشتری بگیرد. همه‌چیز به ماهیت تولید این انرژی بستگی دارد.

ایشاک-بوشاکی می‌گوید: «حالا جعبه‌ی پاندورا برای نظریه‌ها باز شده است.»

شواهد فزاینده برای تغییر انرژی تاریک، واکنش‌های متفاوتی در میان نظریه‌پردازان برانگیخته است.

برای کامران وفا، فیزیک‌دان دانشگاه هاروارد، ایده‌ی جهانی که انرژی فضای آن به‌آرامی کاهش می‌یابد، کاملاً طبیعی است. او متخصص نظریه ریسمان است، چارچوبی که تلاش دارد همه ماده و نیروها را با ریسمان‌های مرتعش انرژی توضیح دهد. او می‌گوید وقتی تلاش می‌کنی جهان‌هایی از دل این نظریه بسازی، نمی‌توانی جهانی ایجاد کنی که انرژی فضای آن برای همیشه مثبت باقی بماند. بالاخره این انرژی باید کاهش یابد—یا ناگهانی، یا به‌تدریج. او می‌گوید: «خود نظریه می‌طلبد که این انرژی تغییر کند. فقط پرسش این است که چقدر سریع؟» او از داده‌های DESI هیجان‌زده است چون با کاهش آهسته‌ای که در بسیاری از مدل‌های ریسمانی دیده می‌شود، همخوانی دارد.

رافائل بوسو، فیزیک‌دان نظری در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، اعتقاد دارد که تغییر انرژی تاریک آن‌قدر نامحتمل است که تقریباً غیرممکن می‌نماید. او یادآور می‌شود که از نظر رفتار ذرات شناخته‌شده، خلأ باید مقداری انرژی ثابت داشته باشد—و این اختیاری نیست. پس اگر DESI تغییری را ثبت کرده، باید تأثیر میدانی جدید و ناشناخته را تشخیص داده باشد—میدانی که به‌تدریج تحلیل می‌رود و تقریباً از انرژی خلأ معمولی قابل تفکیک نیست. او معتقد است که احتمال خطا در اندازه‌گیری ثابت کیهان‌شناختی بسیار بیشتر است.

اما در حالی که بوسو با خیال آسوده می‌خوابد، چشم‌های بی‌وقفه‌ی روباتیکی در Kitt Peak همچنان به آسمان و گذشته‌ی کیهان خیره خواهند ماند تا نقشه‌ی کیهانی سوم (و نهایی) را ثبت کنند—که شامل ۵۰ میلیون کهکشان خواهد بود و شاید تا اواخر ۲۰۲۶ یا اوایل ۲۰۲۷ آماده شود. اواخر امسال نیز تیم DES قصد دارد نتایج رصدهای خود از الگوی تجمع ماده و کهکشان‌ها در طول اعصار را منتشر کند—فرایندی که بازتاب کشمکش میان جاذبه و انرژی تاریک است. این یافته‌ها باید شفاف‌تر کنند که آیا انرژی تاریک واقعاً در حال از نفس افتادن است یا نه.

پژوهشگران هم‌صدا می‌گویند: اکنون زمان شگفت‌انگیزی برای کیهان‌شناسان است. برگهاوس، ناهنجاری انرژی تاریک را یکی از اسرار جذاب نوظهور کیهان‌شناسی می‌داند. با آغاز کار نسل جدیدی از تلسکوپ‌ها در دهه‌ی آینده، او این دوران را همچون «صبحی تازه» برای علم کیهان‌شناسی می‌بیند. «الان زیر مدل لامبدا-CDM کلی تنش داریم که یکی‌یکی خودشون رو نشون می‌دهند… پس از این نظر، فکر نمی‌کنم پایان ماجرا باشه.»