تلسکوپ فضایی جیمز وب می تواند یکی از عمیق ترین اسرار کیهان شناسی را حل کند
در صبح کریسمس سال 2021، اخترشناسان شاهد پرتاب موفقیت آمیز ابزار جدید و بزرگ خود به فضا بودند. اکنون تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) به طور کامل مستقر شده است و به مقصد خود در اعماق فضا رسیده است، مکانی آرام در فاصله 1.5 میلیون کیلومتری زمین.
ماسیمو استیاولی ریاست دفتر مأموریت JWST در مؤسسه ای را بر عهده دارد که زمان تحقیقاتی را بر روی تلسکوپ اختصاص می دهد. به گفته استیاولی، در طرح‌هایی که گروهش تأیید کرده‌اند، «هر حوزه‌ای از علم پوشش داده می‌شود»، از جستجوی سیارات فراخورشیدی بالقوه قابل سکونت گرفته تا مطالعات اولیه‌ترین ستارگان. با این حال، او به ویژه امیدوار است که JWST بتواند به حل یکی از بزرگترین مناقشات در نجوم مدرن کمک کند: اختلاف بر سر نرخ انبساط جهان.
Tommaso Treu، اخترفیزیکدان از دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس، می گوید: "اگر سعی کنید نرخ انبساط فعلی را اندازه گیری کنید، خوب، تکنیک های مختلفی وجود دارد که مردم از آنها استفاده می کنند، و آنها تمایل به دریافت عدد خاصی دارند." و معلوم شد که این اعداد با هم مطابقت ندارند.»
اندازه‌گیری‌های نرخ انبساط کیهان، که به ثابت هابل معروف است، در حال حاضر حول دو رقم جمع شده‌اند: 67 و 73. هر عدد بیانگر همان چیزی است - نرخ کیلومتر بر ثانیه انبساط کیهانی در هر مگاپارسک (تقریباً 3.26 میلیون). سال نوری) فضا. اگرچه به ظاهر ناچیز است، اما تفاوت بین این ارقام در مقایسه با توافق با دقت بالایی که برای سایر اندازه‌گیری‌های کیهان‌شناسی وجود دارد، بسیار زیاد است. به عبارت ساده، چیزی در حال جمع شدن نیست.
محققان مطمئن نیستند که چگونه این اختلاف را که آن را تنش هابل می نامند، توضیح دهند. ممکن است فقط یک خطا ناشی از روش های مختلف اندازه گیری ثابت هابل باشد. در غیر این صورت، این تنش می‌تواند برای درک کنونی ما از فیزیک دردسر ایجاد کند و نظریه‌پردازان را وادار کند تا برخی از محبوب‌ترین مدل‌های خود را دوباره مرور کنند (و شاید حتی آنها را کنار بگذارند).
آدام ریس، اخترفیزیکدان دانشگاه جانز هاپکینز، می گوید: تلاش برای اندازه گیری نرخ انبساط به حدود 100 سال قبل بازمی گردد. دانشمندانی که در آن جستجو شرکت می کنند در دو اردوگاه اصلی قرار می گیرند.
اردوگاه اول داده هایی را از کیهان بسیار اولیه جمع آوری می کند. این محققان بر پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، یک درخشش باقی‌مانده از تشعشعات تقریباً 400000 سال پس از انفجار بزرگ، تکیه می‌کنند. اخترشناسان در این اردوگاه با اندازه گیری از پس زمینه مایکروویو کیهانی و برون یابی آنها به زمان حال با استفاده از بهترین مدل های فیزیکی ما می توانند به تخمینی برای نرخ انبساط امروزی کیهان دست یابند. محاسبات آنها نشان می دهد که ثابت هابل حدود 67 است.
اما Riess اضافه می کند که JWST اندازه گیری های این نوع را بهبود نمی بخشد. مایکروویوهای کیهان اولیه دارای طول موج هایی هستند که برای تشخیص JWST - که بر نور مادون قرمز متمرکز است - بسیار طولانی است. در عوض JWST پتانسیل بهبود نتایج از اردوگاه دیگر (که رایس یکی از اعضای برجسته آن است): اندازه‌گیری‌های محلی را دارد.
"محلی" یک اصطلاح نسبی است. در اینجا، به اندازه گیری های ثابت هابل اشاره دارد که به محاسبه فاصله ستاره ها و کهکشان ها بستگی دارد، که ممکن است «فقط» میلیون ها سال نوری از ما فاصله داشته باشند. تریو می‌گوید: «اندازه‌گیری فواصل چیزی است که برای اندازه‌گیری ثابت هابل به آن نیاز دارید، زیرا ثابت هابل نحوه تغییر فواصل در طول زمان است.
ستاره شناسان چند راه برای اندازه گیری چنین فاصله های آسمانی یافته اند. بسیاری از آنها به "شمع های استاندارد"، اجرام نجومی با روشنایی شناخته شده متکی هستند. با مقایسه روشنایی واقعی و ذاتی چنین جسمی با روشنایی ظاهری آن از طریق تلسکوپ، رصدگران می توانند به طور قابل اعتماد فاصله آن را از زمین تعیین کنند.
وندی فریدمن، ستاره شناس دانشگاه شیکاگو، از دسته خاصی از ستاره های غول قرمز به عنوان شمع استاندارد مورد علاقه خود استفاده می کند. «فیزیک [of these stars] فریدمن توضیح می دهد که منجر به این درخشندگی استاندارد می شود، "که آنها را به نشانگرهای کامل فاصله تبدیل می کند. با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل برای رصد این غول های قرمز، تیم فریدمن به تخمین ثابت هابل در سال 2019 رسیدند: تقریباً 70.
این در سطح پایین برآوردهای محلی است. (در واقع، بین مقادیر استاندارد پذیرفته شده توسط هر اردوگاه به طرز آزاردهنده‌ای فاصله است.) به گفته ریس، که در کار شمع استاندارد او به جای غول‌های قرمز از ابرنواخترها و ستاره‌های متغیر قیفاووس استفاده می‌شود، اکثر مطالعات محلی مقادیر تا حدودی بالاتری را تولید کرده‌اند. برای ثابت هابل - برخی به 75، با میانگین حدود 73.
این محدوده بسیار بزرگتر از اندازه گیری های خارج از اردوگاه جهان اولیه است. به همین ترتیب، مطالعات محلی نسبت به مطالعاتی که از داده‌های جهان اولیه استفاده می‌کنند، «نوارهای خطا» (یا عدم قطعیت) بیشتری دارند.
اینجاست که JWST می تواند کمک کند. با رصد در طیف مادون قرمز، می‌تواند مستقیماً از میان ابرهای مزاحم غبار فضایی که اغلب با اندازه‌گیری‌های اخترشناسان محلی تداخل دارند، نگاه کند. تلسکوپ فضایی هابل - ابزار منتخب قبلی برای ستاره شناسان محلی - دارای قابلیت های فروسرخ بسیار ساده تری است. اندازه گیری های مادون قرمز آن به قیمت کاهش کیفیت تصویر است. همانطور که Riess توضیح می دهد، JWST می تواند هر دو را انجام دهد: مشاهده در فروسرخ و حفظ تصویربرداری با وضوح بالا
تصاویر واضح تر و بدون گرد و غبار: این وعده JWST است.
JWST چنان پیشرفت تکنولوژیکی است که بسیاری از اخترشناسان به جای تغییر روش های خود، برنامه ریزی می کنند تا تحقیقات قبلی خود را به دقت تکرار کنند تا ببینند آیا نتایج تغییر می کند یا خیر. به Riess و Freedman زمان تحقیق در مورد JWST داده شده است تا این کار را انجام دهند.
چه نتایج آنها باشد یا نه اراده تغییر نامشخص است این امکان وجود دارد که داده‌های JWST بتواند مطالعات محلی را به خوشه‌بندی در اطراف تخمینی برای ثابت هابل به اندازه کمپ کمپ جهان اولیه هدایت کند. اما این بسیار بعید به نظر می رسد: ریس خاطرنشان می کند که عملاً هیچ مطالعه محلی نتیجه ای به این پایین ارائه نکرده است، همانطور که هیچ مطالعه ای در جهان اولیه نتیجه ای به اندازه 73 نداشته است.
بنابراین اگر مطالعات محلی دوباره در حدود 73 خوشه شوند اما این بار با دقت بیشتر چه معنایی دارد؟ به گفته ترئو، این بدان معناست که تنش هابل یک تناقض واقعی است و فقط نتیجه یک خطای مطالعه نیست.
ترئو اضافه می کند که اگر چنین باشد، احتمالاً به چیزی اشاره دارد که اساساً در درک ما از فیزیک وجود ندارد. از آنجایی که مطالعات اولیه جهان بر مدل‌های فیزیکی برای برون‌یابی داده‌های اولیه‌شان به زمان حال تکیه می‌کنند، فیزیک از دست رفته می‌تواند دلیلی باشد که این مطالعات رقمی به پایین‌تر از 67 را ارائه می‌کنند.
چه نوع فیزیک گم شده است؟ ریس می گوید: «این می تواند یک نوترینوی دیگر باشد. این می تواند یک قسمت اولیه از انرژی تاریک باشد. ممکن است ماده تاریک در حال پوسیدگی باشد. می تواند میدان های مغناطیسی اولیه باشد. همه اینها به‌عنوان چیزهایی پیشنهاد شده‌اند که به کاهش یا توضیح این موضوع کمک می‌کنند.» اما ریس خاطرنشان می‌کند که هیچ‌کدام از اینها علاوه بر این واقعیت که می‌توانند به توضیح تنش هابل کمک کنند، «خط دوم قوی شواهد» ندارند.
به همین ترتیب، فریدمن خاطرنشان می‌کند که بیشتر این ایده‌ها، ایده‌های دیگری را که در مورد بخش‌هایی از فیزیک در امتداد خط توافق شده‌اند، «ویران می‌کنند». فریدمن می‌گوید: «به نظر می‌رسد که حل این مسئله واقعاً دشوار است - به این معنا نیست که کسی در مقطعی ایده درخشانی را ارائه نخواهد کرد.
ممکن است یک حفره در فیزیک وجود داشته باشد. هیچ تضمینی وجود ندارد که JWST به ما کمک کند چگونه آن را پر کنیم. اما با ارائه بینش بیشتر در مورد تنش هابل، JWST حداقل می تواند به تأیید اینکه سوراخ واقعاً آنجاست کمک کند.
[ad_2]