نظریه جدید: امواج گرانشی، عامل اصلی انبساط اولیه و شکل‌گیری جهان

آیا امواج گرانشی معماران پنهان کیهان اولیه بودند؟

نظریه جدیدی که توسط رائول خیمنس، اخترفیزیکدان نظری برجسته از دانشگاه بارسلونا و همکارانش مطرح شده، بر سادگی و قابلیت آزمون‌پذیری تأکید دارد. خیمنس بیان می‌کند: «آنچه این پیشنهاد را هیجان‌انگیز می‌کند سادگی و قابلیت آزمون آن است. ما عناصر فرضی تازه‌ای اضافه نمی‌کنیم، بلکه نشان می‌دهیم گرانش و مکانیک کوانتوم ممکن است به‌تنهایی برای توضیح شکل‌گیری ساختار کیهان کافی باشند.»

دانشمندان همچنان در مورد مراحل بسیار ابتدایی جهان پس از رویداد «بیگ بنگ» که حدود 13.8 میلیارد سال پیش رخ داد، در ابهام به سر می‌برند. نظریه‌های کنونی، با وجود موفقیت‌هایشان، دارای کاستی‌ها و چالش‌های آشکاری هستند.

یکی از این چالش‌ها، کشف اخیر تلسکوپ فضایی جیمز وب است که وجود تعداد زیادی کهکشان پرجرم را در دوران‌های بسیار اولیه جهان، زودتر از انتظار کیهان‌شناسان فاش کرده است. این مشاهده، مدل‌های استاندارد شکل‌گیری کهکشان‌ها را به چالش می‌کشد و نیاز به بازنگری در درک ما از سرعت رشد و تکامل ساختارهای کیهانی را برجسته می‌سازد.

فیزیکدانان به دنبال داستانی جدید برای تولد جهان

در خط زمانی پذیرفته‌شده فعلی برای تکامل جهان، بلافاصله پس از بیگ بنگ دوره‌ای از انبساط فوق‌العاده سریع به نام «تورم» فرض می‌شود. بر اساس این مدل، جهان از یک نقطه تک‌بُعدی با چگالی بی‌نهایت – موسوم به «تکینگی» – به سرعت منبسط شده و به سوپی داغ و چگال از پلاسما تبدیل شده است. این پلاسما با گذر زمان سرد شده و به تدریج به تشکیل ذرات بنیادی و سپس ماده‌ای که امروزه می‌شناسیم، انجامیده است.

در این فرضیه، «اینفلاتون» یک ذره یا میدان کوانتومی فرضی است که برای توضیح «تورم کیهانی» و یکنواختی جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ذره فرضی انبساط سریع جهان را هدایت می‌کند و امکان ایجاد نوسانات چگالی بسیار کوچک در سوپ پلاسمای اولیه را فراهم می‌آورد که بذر ساختارهای کیهانی بزرگتر محسوب می‌شوند. با این حال، فیزیکدانان تاکنون هیچ مدرک مستقیم و قاطعی برای وجود اینفلاتون پیدا نکرده‌اند.

همین محدودیت‌ها و پرسش‌های بی‌پاسخ بود که خیمنس و همکارانش را بر آن داشت تا به دنبال راهی دیگر باشند؛ راهی که بتواند تکامل اولیه جهان را با پارامترهایی توضیح دهد که کمتر به عناصر فرضی وابسته باشند و بیشتر بر مبنای پدیده‌های فیزیکی اثبات‌شده استوار باشد.

معمای جهان آغازین بدون اینفلاتون حل می‌شود؟

رائول خیمنس و تیم پژوهشی وی کار خود را با یک مدل بسیار ساده‌شده اما قدرتمند از جهان واقعی آغاز کردند؛ مدلی که کاملاً با نظریه «نسبیت عام» انیشتین و مشاهدات کنونی ما از انبساط جهان سازگار است و نام آن «فضای دسیتر» است. در این چارچوب نظری، پژوهشگران نشان دادند که نوسانات کوانتومی در خود بافت فضا-زمان – که به عنوان «امواج گرانشی» شناخته می‌شوند – می‌توانند از طریق نوعی آشفتگی خاص به نام «اغتشاشات تانسوری» ایجاد شوند.

این اغتشاشات، پیچ و تاب‌هایی در ساختار فضا-زمان هستند که می‌توانند امواج گرانشی را تولید کنند. دانشمندان بر این باورند که امواج گرانشی نه تنها پدیده‌ای نوظهور نیستند، بلکه امروزه نیز سراسر جهان را پر کرده‌اند. این امواج، همان اعوجاجات و چین‌خوردگی‌هایی هستند که توسط رویدادهای کیهانی عظیم و پرانرژی، مانند حرکت اجرام بسیار سنگین و متراکم در بافت فضا-زمان ایجاد می‌شوند.

امواج گرانشی که امروزه شناسایی می‌کنیم، عمدتاً از برخورد اجرام بسیار پرجرم و متراکم مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها شکل می‌گیرند. با این حال، فیزیکدانان برای مدت‌ها بر این باور بوده‌اند که کل جهان با یک «زمینه همهمه‌وار» از امواج گرانشی بسیار بزرگ‌تر در حال ارتعاش است؛ امواجی با طول موج‌های بسیار بلند و فرکانس‌های بسیار پایین که منشأ آن‌ها به خودِ لحظات اولیه جهان بازمی‌گردد و هنوز با ابزارهای فعلی ما قابل آشکارسازی نیستند.

چگونه امواج گرانشی، بذر سیاه‌چاله‌ها و کهکشان‌ها را کاشتند؟

طبق پژوهش خیمنس و همکارانش، امواج گرانشی ایجادشده توسط اغتشاشات تانسوری در مدل فضا-زمانی آن‌ها، می‌تواند به تنهایی و بدون نیاز به هیچ ذره یا میدان فرضی دیگری باعث ایجاد تغییرات چگالی در پلاسماهای آغازین جهان شود. این تغییرات چگالی، نوسانات ریزی در توزیع ماده ایجاد می‌کند که به نوبه خود انبساط اولیه و فوق‌العاده سریع جهان را نیز به حرکت در می‌آورد.

در نهایت، این تغییرات چگالی که توسط امواج گرانشی اولیه ایجاد شده‌اند، منجر به شکل‌گیری توده‌هایی از ماده می‌شوند که به قدری متراکم‌اند که تحت تأثیر گرانش خود فرو می‌ریزند. این فروپاشی گرانشی، نقاط آغازین تشکیل ساختارهای عظیم‌مقیاس در جهان اولیه، یعنی نخستین ستارگان، کهکشان‌ها و سیاه‌چاله‌ها را می‌سازد که بعدها به ساختارهای پیچیده‌تر امروزی تکامل یافتند.

این راه حل بسیار زیبا و اقتصادی در حوزه کیهان‌شناسی، نیاز به عناصر فرضی را به‌عنوان عامل محرک تکامل اولیه کل جهان برطرف می‌کند. این به معنای حذف اینفلاتون از معادله و بازگشت به اصول بنیادی‌تر فیزیک، یعنی گرانش و مکانیک کوانتوم است.

اگرچه برای تأیید نهایی این نظریه و تثبیت آن به عنوان مدل استاندارد، پژوهش‌های آزمایشگاهی و رصدی بیشتری لازم است، اما پژوهشگران عنوان داشتند: «سازوکار پیشنهادی ما می‌تواند نیاز به یک سناریوی وابسته به مدل، یعنی انتخاب یک میدان اسکالر به‌عنوان ذره اینفلاتون برای هدایت تورم را برطرف کند.» این مطالعه مهم که جزئیات بیشتر آن در نشری معتبر “Physical Review Research” منتشر شده است، چشم‌انداز جدیدی را در درک ما از لحظات آغازین کیهان می‌گشاید.