ساختار جهان در مقیاس بزرگ

جهان امروز ساختارهاى فراوانى را در خود جاى مى دهد، از خوشه ها و ابرخوشه ها گرفته تا پهنه ها، فضاهاى خالى و رشته هاى ماده موجود در خلأ.فناورى لازم براى اين نقشه بردارى به وسيله طيف نگارهاى جديدى تامين مى شود كه مى توانند ميل به قرمز صدها كهكشان را در آن واحد تعيين كنند. عظيم ترين اين پروژه ها نقش ۲dFGRS است كه با در نظر گرفتن حدود ۲۵۰ هزار ميل به قرمز رسم شده و همچنين نقشه بردارى SDSS كه شمار ميل به قرمز آن در حدود پروژه اول است اما قصد دارد تا سال ۲۰۰۴ اين مقدار را به هفتصدهزار افزايش دهد. ما اكنون مى دانيم كه نظام هايى به بزرگى ۳۰۰ ميليون سال نورى وجود دارند كه بزرگ ترين ساختارهاى جهان محسوب مى شوند.

ساختارهايى كه به وسيله كهكشان ها رسم شده اند علاوه بر نشان دادن نحوه توزيع ماده تاريك، راهى غيرمستقيم براى بررسى اولين لحظات جهان فراهم مى كند. اين بررسى از تئورى جهان نخستين حاصل مى شود. اين تئورى شرايط شكل گيرى اوليه ساختارها را مشخص مى كند. ماده تاريك سرد (كه بسيار آهسته تر از نور حركت مى كند و تنها در برابر نيروهاى گرانشى عكس العمل نشان مى دهد) و ناهمگنى هاى كوچك در توزيع (كه از نوسانات كوانتومى در حين تورم به وجود مى آيند.)

اين شرايط را تشكيل مى دهند. هنگامى كه جهان ده هزار ساله بود، تشديد گرانش برآمدگى هاى كوچك در ماده تاريك سرد شروع شد كه اين تشديد سرانجام به نظام هايى كه ما امروزه رصد مى كنيم، انجاميد. كليد آزمودن رابطه ميان اين موقعيت هاى ابتدايى و نقشه كنونى كهكشان ها شبيه سازى هاى كامپيوتر نيست.

منجمان خواص جهان هايى را كه با توجه به پارامترهاى كيهان شناختى و موقعيت هاى آغازين متفاوت، شبيه سازى شده اند محاسبه مى كنند و با آنچه در دنياى واقعى رصد مى شود مقايسه مى كنند. اين شبيه سازى ها باهم مغايرت دارند و با توجه به پيش بينى هايى براى چند جهان متفاوت انجام مى شوند. براى مثال براى جهانى كه تنها حاوى ماده تاريك داغ است.

(نوترينوهايى كه با سرعتى نزديك سرعت نور حركت مى كنند) يا جهانى كه فقط از ماده معمولى ( باريونى) تشكيل شده و يا دنيايى با چگالى بحرانى تحت تاثير ماده تاريك سرد. البته مدل هاى تخت شامل ماده تاريك سرد فراوان و حتى انرژى تاريك بيشتر به خوبى با ساختار مقياس بزرگ جهان كه امروزه نقشه بردارى شده قابل مقايسه هستند. آزمايش ديگرى كه براى بررسى تئورى هاى پيدايش جهان انجام مى شود از رصد آغاز پيدايش كهكشان ها نتيجه مى شود. در مدل حاوى ماده تاريك سرد ساختارها به صورت سلسله مراتبى شكل مى گيرند.

در اين سلسله مراتب كهكشان هاى آغازين درميل به قرمز ۶ يا ۷ ظاهر مى شوند و كهكشان هايى مانند راه شيرى با ميل به قرمز در حدود ۱ يا ۲، سپس پيدايش كهكشان ها با خوشه هايى درميل به قرمز يك يا كمتر و ابرخوشه هايى كه اخيراً به هم پيوسته اند، ادامه پيدا مى كند. در حالى كه رصد قطعى كهكشان هاى اوليه در انتظار پرتاب تلسكوپ فضايى جيمزوب است، اين زنجيره تكاملى با رصد قسمتى از جهان كه ميل به قرمز زيادى دارد مطابقت مى كند.

كشف تشعشع مايكروويو كيهانى در سال ۱۹۴۶ به وسيله آرنوپنزياس و رابرت ويلسون مسير كيهان شناسى را تغيير داد.

اين پديده برداشتى كلى به كيهان شناسى ارائه كرد. وقتى كه جهان ۴۰۰ هزار ساله و۳/۱ ميليارد بار چگالى تر از امروز بود. اين تابش باقى مانده از انفجار بزرگ ثابت مى كند كه جهان، آغازى داغ داشته است. كشفى كه در سال ۱۹۹۲ توسط كاوشگر تشعشعات كيهانى (COBE) صورت گرفت تقريباً به اهميت كشف وجود اين تشعشات بود. دماى CMBR (كه به طور متوسط ۷/۲ درجه بيشتر از صفر مطلق است) در پهناى آسمان با تفاوت حدوداً ۰۰۱/۰ تغيير مى كند. اين عدم تقارن هاى كوچك مدارك محكمى براى ناهمگنى هاى چگالى اى است كه احتمالاً ساختارهاى امروزى جهان را شكل داده اند.

وسيله به كار رفته درCOBE كه تفاوت هاى كوچك دمايى را شناسايى كرد، تنها مى توانست پديده هايى را تفكيك كند كه در پهنه آسمان بيشتر از حدود ۷ درجه پهنا داشتند- اجزايى معادل بزرگ ترين ساختارهاى قابل رؤيت در جهان امروز- عدم تقارن ها در مقياس هاى زاويه اى كه با واحد دقيق قوسى اندازه گيرى شده اند، اطلاعاتى در مورد نوسانات چگالى كه كهكشان ها و خوشه هاى كهكشانى را پراكنده كرده اند، فراهم مى كنند.

علاوه براين مى توان با مطالعه اين پديده و بررسى خصوصيات جهان نوزاد به وسيله ابزارهايى با قدرت تفكيك بالاتر از COBEنظريه تورم را مورد آزمايش قرار داد و پارامترهاى كيهانى شناختى مانند تقعر جهان و چگالى ماده معمولى و تاريك را اندازه گيرى كرد.نقاط داغ و سرد آسمان نقشه بردارى شده با مايكروويو علاوه براينكه به برآمدگى آغازينى كه امروزه به وسيله تورم منتقل شده بستگى دارند، بلكه با پارامترهاى مهمى از كيهان شناسى نيز رابطه دارند.

پى بردن به اين حقيقت باعث به وجود آمدن جوش و خروش زيادى براى فعاليت هاى تجربى شده است. بيش از بيست آزمايش زمينى و هوايى از زمان COBE تا به حال براى بررسى CMBR صورت گرفته است. اين تلاش ها به تجربه ماهواره اى ديگرى انجاميد كه تاكنون سرتاسر آسمان مايكروويو را با قدرت تفكيك۳۰ برابر و حساسيت ۱۰۰ برابر COBE نقشه بردارى مى كند. اين پروژه كه فضاپيماى پژوهشى مايكروويو WMAP نام دارد، اكنون با به پايان رساندن اولين سال ماموريت چهارساله اش نقشه اى تماشايى از جهان نوزاد تهيه كرده، شگفتى اى كه WMAP براى كيهان شناسان به ارمغان آورد اين بود كه هيچ چيز شگفت آور نبود! وبا محاسبات قبلى تطابق خوبى داشت، هرچند معلوم شد پيدايش ستارگان زودتر از آنچه پيش بينى شده بود شروع شده _ تنها ۲۰۰ ميليون سال بعد از انفجار بزرگ WMAPموقعيت جهانى كه قبلاً پيش بينى شده بود را تحكيم كرد - جهانى ۵/۱۳ ميليارد ساله شامل يك سوم تا يك دوم ماده و انرژى تاريك و ۴ درصد ماده معمولى (باريونى). اين پروژه همچنين مقدار به دست آمده براى ثابت هابل توسط پروژه كليدى هابل (HSTKP) را تاييد مى كند.

نتايج WMAP با ايده كلى تورم سازگارى دارند ولى تورم نظريه اى با گونه هاى متعدد است و با درست انگاشتن يكى از آنها، دقت بى سابقه WMAP عصر جديدى را براى نظريه پردازان كيهان شناسى شروع مى كند.

•مرزهاى نوين

در اين دوران هيجان انگيز كيهان شناسى، كشفيات جديد با بالا بردن سطح آگاهى باعث پديد آمدن چند سرى سئوال شده اند: ماده تاريك چيست؟ ماهيت انرژى تاريك اسرار آميز و گرانش دفعى آن چيست؟ چرا طرز كار جهان ما تا اين حد پيچيده است؟ و دنيا چطور آغاز شد؟ اين سئوالات در عين سادگى نشان مى دهند تكامل دانش ما در شناخت جهان به چه سطحى رسيده است. آخرين سئوال- دنيا چطور آغاز شد؟- از آن دسته سئوالاتى است كه بشر براى چند هزار سال از خود پرسيده است.

با توجه به متن نسبيت عام، پاسخ ساده است: انفجار بزرگ تنها آفريننده ماده، فضا و زمان است، بدون توضيح بيشتر. اين جواب البته قانع كننده نيست و دلايلى وجود دارند كه بپذيريم پاسخ عميق ترى براى اين سئوال هست. نسبيت عام شرحى ناقص از گرانش است چون شامل مكانيك هاى كوانتومى نمى شود و گرانش را با ديگر نيروهاى بنيادى تلفيق نمى كند. بيشتر فيزيكدانان معتقدند نسبيت عام حرف آخر را در مورد گرانش نمى زند و نظريه اى گسترده تر مى تواند شگفتى هايى مانند انفجار بزرگ را توضيح دهد: در حال حاضر نظريه ريسمان (كه بهM-Theory نيز معروف است) با وجود ناقص بودن و مورد آزمايش قرار نگرفتن بهترين تفكر را در مورد پيوند گرانش، ديگر نيروهاى بنيادى و مكانيك هاى كوانتومى ارائه مى دهد. با اينكه نظريه تورم ريشه اى در نظريه ريسمان ندارد، اما امكان دارد در آخر توضيح خود را در اين نظريه بيابد و هر چند تورم نظريه اى محكم است اما به آزمايشات عملى بيشترى نيازدارد.

دو نتيجه از سه نتيجه اى كه اين نظريه پيش بينى مى كند تا به حال مراحل اوليه آزمايشات خود را پشت سرگذاشته اند و در آينده به طور جدى ترى اين آزمايشات پيگيرى مى شوند. اين دو نتيجه عبارتند از: تخت بودن فضا و سر منشاء كوانتومى ناهمگن بودن ماده موجود در جهان. پيش بينى سوم- وجود

پس زمينه اى از امواج گرانشى _ نيز به وسيله آزمايشاتى پى گيرى مى شود كه به دنبال رد قطبشى اندكى مى گردند كه امواج گرانشى مى توانند به روى CMBRايجاد كنند. نظريه ريسمان تاكنون توضيحى فيزيكى براى انرژى تاريك فراهم نكرده و اين يك اشكال عمده است. هنوز سئوالات كيهان شناسى مهم ديگرى نيز مطرحند. مثلاً چه زمانى اولين ستاره ها شكل گرفتند؟ كهكشان هاى منفرد چگونه تشكيل شدند و چطور تكامل مى يابند؟ كى و كجا عناصر شيميايى اى كه بعد از عناصر موجود در انفجار بزرگ بودند (عناصر سنگين ترى كه براى حيات ما مفيد هستند)پديد آمدند؟ قسمت عمده ماده معمولى جهان كجاست و آيا فقط شامل گاز داغ است؟ پاسخ به اين سئوالات نيازمند رصدها و وسايل جديد و همچنين مدل هاى جديد و پيچيده ترى است كه ما در ميانه دوران بزرگى از اكتشافات كيهان شناختى هستيم. اگر موفق شويم نظريه هايمان را با هر كشف جديدى تطبيق دهيم، مى توانيم به جهشى بزرگ در دركمان از جهان و جاى خودمان درميان آن برسيم.