بسم الله الرحمن الرحیم

انرژی تاریک

 

بعد از مدت ها دوباره قصد داریم تا یکی از مهم ترین چالش های فیزیک را با هم بررسی کنیم . بحث انرژی تاریک موضوعی است که ما در این مقاله بررسی خواهیم کرد .

 

از کجا آغاز شد ؟

 

آغاز این بحث را می توان به انتشار نسبیت عام در سال 1917 ربط داد . اینشتین برای تفسیر یک جهان ایستا از یک ثابت در معادلات پیچیده نسبیت عام استفاده کرد و آن را ثابت کیهان شناسی نامید .

 

در این معادله  بیان گر این ثابت است .

 اما همانطور که می دانید تحقیقات ادوین هابل نشان داد که جهان آنگونه که با ثابت کیهان شناسی تعریف می شود نیست بلکه در حال گسترش و انبساط است . پدیده تورم نیز بدین شکل پیش بینی شد . این اصل کیهان شناسی به ما یادآوری کرد که ذرات مجازی انرژی می پراکنند . همین اصل ساده که مکانیک کوانتوم نیز آن را به ما گفته بود موجب شد مشکلی پیش آید . این اصل پیش می کرد که که چگالی انرژی آن باید 120 برابر بزرگتر است آنچه که ما نشان می دهد باشد . این یعنی این که کهکشان اجازه دارند تا زیر گرانش شکل گیرند .همچنین پیش بینی شد که جهان خیلی سریع بعد از بیگ بنگ فضایی مسطح به خود گرفت آن گونه که ما می بینیم . در نتیجه نظریه اینشتین با توجه به این پیش بینی های غیر معمول می بایست اصلاح شد . همچنین گفته می شد که جهان چهار بعدی ما باید در یک بعد بالاتر قرار گرفته باشد بنابراین گرانش در میان آن ها رخنه کرد بنابراین تسلط آن بر روی ماده موجب ضعف آن شده و این دلیل موجب افزایش انبساط می گردد . و یک حدس ذهنی نیز یاد آور می شد تفاوت بین قسمت های مختلف جهان موجب این موضوع شده و ما از روی شانس در این منطقه ی مناسب قرار گرفته ایم .

 

 

HTTP://iranianphysics.mihanblog.com

با این اوصاف باز هم موضوع اصلی از این جا آغاز نشد . در سال 1998 وقتی گروهی از اختر شناسان دربررسی  یک سوپر نوا دور برای اندازه گیری سرعت انبساط جهان بودند چیزی خلاف انتظار رخ داد .

 

 

 آنها انظار داشتند که این انبساط روندی کند شونده داشته باشد اما مشاهدات نشان داد که این انبساط با شتاب مثبت انجام می گیرد .  در این زمان بود که کیهان شناسان گرد هم آمدند تا مقصر اصلی برای این شتاب را شناسایی کنند . این عامل در حدود دو سوم چگالی انرژی را در بر میگیرد . دارای خاصیت عکس گرانش است . این عامل خود را در خوشه های کهکشانی خود را نمایان نمی سازد . این عامل با نام انرژی تاریک معرفی شد .

بسیاری از دانشمندان در ذهن خود به ثابت کیهانی مظنون بودند . این عامل دقیقا" با این انبساط شتاب دار تناسب دارد . این انرژی یک نتیچه ی دراماتیک برای فیزیک بنیادی است . شاید محافظه کارانه ترین حدسی که برای این موضوع زده می شد این است که  دنیا دریایی است که از ذرات کوانتومی بدون انرژی پرشده است یا اینکه دارای ذراتی است که هم چگالند و دارای جرمی وعادل 39- ^ 10 برابر یک الکترون است .

برخی از نظریه پردازان نیز پیشنهاد دادند که تئوری نسبیت عام تغییر کند تا یک تعریف متناسب برای گرانش ارائه شود . با این وجود بر این پیشنهاد محافظه کارانه نیز نقص های زیادی وارد آمد . برای مثال چگالی انرژی صفر می بایست با یک مقدار باور نکردنی معادل 120 ^ 10 هماهنگ باشد . با نگاهی به این راه حل بی نهایت در می یابیم که شاید بهتر باشد با توجه به نسبیت عام به دنبال راه حلی مناسب برای این شتاب باشیم . این امکان بسیاری از فیزیکدانان را تا نیمه شب برای پیدا کردن نظریه ای مناسب در شب بیدار نگه داشت .

تا اینکه نتایج مشاهدات اخیر از یک سوپرنوا مدرکی محکم مبنی بر انبساط کیهانی شتاب دار بود و تنها دلیل قابل قبول برای این موضوع بحث انرژی تاریک بود . اندازه گیری های دقیق تابش زمينه ميكرو موج كيهاني ( ( CMB شامل اطلاعات WMAP   مدارک مبنی بر وجود انژی تاریک است . ترکیب اطلاعات WMAP  و پروژه   SDSSکه توسط چند گروه مستقل اختر شناسی به دست آمده اند نشان هایی از دافع گرانشی را به دست آورده اند .

 

طرح انبساط کیهانی

 

انساط کیهانی در دهه ی 1920 توسط ادوین هابل کشف شد که تصویری چشم گیر از دنیا را به ما نشان داد . در ابتدا استنباط شد که اجرام کیهانی تحت تأثیر گرانش همسایگان خود به حرکت در می آیند . اما در مقیاس های بزرگ کیهانی این انبساط با این دلیل توجیه نمی شد . می توان دنیا را یک کیک کشمشی بزرگ تصور کرد که کشمش های پخته شده در آن حرکت می کنند . در این جایگاه یک کشمش به ما یک کهکشانی را نشان می دهد در این حالت هر کشمش از همسایه ی خود در هر جهتی فاصله می گیرد . در این حالت جهان داغ و غلیظ ما از سمت بیگ بنگ به سمت سرد و رقیق خود در حال حرکت است . پس نور ناشی از اجرام کیهانی باید انتقال به قرمز داشته باشد یعنی :

 

 

          HTTP://iranianphysics.mihanblog.com

 

یکی از متود های اصلی برای اندازه گیری فاصله های بین کهکشانی متغییرهای قیقاووسی هستند . که نور آنها بسته به یک دوره ی زمانی خاص تغییر می کند و درخشندگی آنها با متناسب با دوره ی آنها است .

فاصله از یک متغییر قیقاووسی می تواند با اولین اندازه گیری دوره اش که از درخشندگی آن تبعیت می کند تعیین  کرد . بدین گونه انتقال به قرمز و فاصله از جسم متحرک در روند هابل مطرح می شود که قانون هابل را یادآور می شود .

 

واحد H0 کیلو متر بر ثانیه در مگا پارسک است که ثابت هابل نامیده می شود .

 

 

هرچند اندازه گیری های دقیق فاصله یکی از مشکل ترین کارها در نجوم است و رابطه ی بین انتقال به قرمز و فاصله در انتقال به قرمز های بالاتر چک نشده بود . علاوه بر این بر پایه جدیدترین اطلاعات در این دهه انتظار می رفت که این انبساط کند شونده باشد و دلیل آن نیز وجود گرانش است اما مشاهدات چیز دیگری را یادآور می شد .

همانطور که می دانید نوع اول سوپر نوا موجب می شود که کوتوله ی سفید پدید آید . در سیستم های دوتایی میدان قوی گرانشی کوتوله ی سفید می تواند ماده ی ستاره ی همدم خود را به سوی خود بکشد و سپس آن را ببلعد . این بلعیدن موجب ناپایداری این جرم شده و پس از آن منفجر می شود . درخشندگی ناشی از انفجار این کوتوله ی سفید تقریبا" برابر با درخشندگی یک ستاره متغییر است . در میانه ی دهه ی 1990 گروهی از اخترشناسان به بررسی انتقال به قرمز نوع یک سوپرنوا پرداختند . آنچه انتظار می رفت برآورده نشد چراکه این  شرایط آنها انبساط شتاب دار را مشاهده کردند .

 

انرژی گم شده

 

محرک این شتاب به انرژی تاریک نسبت داده شد ماده ای است سرد غیر نسبیتی ساخته شده از ذراتی بیگانه که در واکنش ضعیف با نور و اتم ها پدید می آیند . مشاهدات پیشنهاد می داند که تمام ماده و انرژی جهان که قابل رؤیت هستند تنها یک سوم آنچه است که وجود دارد . این نظریه با تحقیقات پروژه های2DF و SDSS تأیید شد . اما نسبیت عام پیش بینی می کرد که یک ارتباط دقیق بین انبساط و محتوای انرژی جهان وجود دارد . حالا ما می دانیم که اشتراک چگالی انرژی تمامی فوتون ها و اتم ها و ماده تاریک باید در یک نقطه ی بحرانی با ثابت هابل تعیین می شود تجمع داشته باشند .

 

 

 

HTTP://iranianphysics.mihanblog.com

جرم و انرژی و خمیدگی فضا – زمان در نسبیت معنا می دهند . خلأ بین چگالی انرژی بحرانی و چگالی واقعی ماده با چگالی انرژی که در مقیاس بزرگ که فضا را خمیده کرده است که فقط در حدود 400 مگاپارسک است پر شده است . خوشبختانه خمیدگی فضا- زمان می تواند با اندازه گیری های دقیق تابش زمينه ميكرو موج كيهاني اندازه گیری شود .

 

فشار منفی

 

بزرگترین راز شتاب انبساط کیهانی این نیست که دو سوم جهان از ماده غیر قابل رؤیت پر شده است . بلکه آن است که ماده است .یژگی عکس گرانش ایجاد می کند . برای شناختن ماهیت انرژی تاریک بد نیست که کمیت w را تعریف کنیم .

 

 

در این جا p بیان گر فشار و  چگالی است . در نسبیت عام مقدار تفاوت در انبساط کیهانی متناسب است با :

 

 

در حالی که total  برای همه ی ماده و انرژی موجود در جهان است . هر چند که این کمیت باید مثبت باشد . زیرا کمیتی مثبت است و این بدان معنا است که فشار نیز به سبب عادی بودن  هر دو و ماده تاریک  ناچیز است زیرا که  آن سرد و غیر نسبیتی است . و در نهایت برای یک انبساط ستاب دار :

 

زیرا که و در نتیجه  بنابراین فضار انرژی تاریک نه تنها مقدار ناچیز بلکه به میزان زیادی بیشتر است . زمان ما یک مجزا گر و محدود کننده نیست انبساط کیهانی که با گازهای داغی پر شده است به وسیله ی جاذبه ی بین همان گاز ها کند می شود و هم چنین چگالی انرژی سرد و بی فشاری که به انبساط آن سرعت می بخشد . بنابراین فشار منفی که از  تبعیت می کند به انبساط سرعت می بخشد . در این حالت فشار نامعلوم است ؛ در مقیاس میکروسکوپی نوعی جاذبه هیگز بوزون

که بر روی فشار منفی اعمال می کند زمانی که حرارت آن و یا القای جنبشی آن کم است . در اصل اگر w کمتر از 1- شود حوادث جالبی روی می دهد مثل این که جرم یک لامپ منفی می شود . در این میان یک چیز واضح است فشار منفی برای میدان ها و ذراتی که ما می شناسیم رخ نمی دهد .

زمانی که پیش بینی ها و نظریات متفاوت در رابطه با انرژی تاریک را با یکدیگر ترکیب می کنیم و با نتایج دقیق تابش زمينه ميكرو موج كيهاني در می آمیزیم در می یابیم که

 

 

HTTP://iranianphysics.mihanblog.com

 

 

انرژی تاریک و گمانه زنی ها

 

ثابت کیهان شناسی w = -1

 

در واقع توسط آلبرت اینشتین معرفی شد و بعدا" توسط یاکوف زلدوویچ به عنوان انرژی کوانتومی خلأ در نظر گرفته شد . هرچند که پیش بینی های تئوریکال ثابن کیهان شناسی میدانی 120 برابر بزرگ تر مشاهدات نشان می دهد .

 

w > -1

 

یک نوع انرژی با فشار منفی که با فضا و زمان تعییر می کند . بعد پنجم فعال است خلاف ثابت کیهانی و میانگین چگالی انرژی و فشار به آرامی با گذشت زمان کاهش می یابد .

 

دیگر انرژی خلأ  w < -1

 

جز اینکه ما دستخوش دسیسه ی جلوه های تقارن هستیم . در این حالت ما با فیزیکی بیگانه رو به رو هستیم . در این حالت ما با واقعه ی شکاف بزرگ مواجه هستیم .