وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، به نظر می‌رسد اطراف کیهانی ما پر از ستاره‌ها، سیارات و کهکشان‌های بی‌شمار است. با این حال، پژوهشگران مدت‌هاست این فرضیه را مطرح کرده‌اند که منطقه محلی جهان ما ممکن است تعداد کهکشان‌های کمتری نسبت به آنچه انتظار می‌رود داشته باشد.
شواهد به‌طور فزاینده‌ای به این احتمال اشاره دارند که ما در یک خلاء کیهانی عظیم زندگی می‌کنیم که چگالی ماده در آن حدود ۲۰ درصد کمتر از میانگین کیهانی است.
البته همه فیزیکدان‌ها به این موضوع متقاعد نشده‌اند. اما یک مقاله جدید که در نشریه Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده و به تحلیل صداهای مخدوش‌شده از اوایل جهان می‌پردازد، به‌شدت از این ایده حمایت می‌کند.
مشکل تنش هابل
علم کیهان‌شناسی در حال حاضر با بحرانی به نام تنش هابل روبه‌رو است: به نظر می‌رسد جهان محلی با سرعتی حدود ۱۰ درصد سریع‌تر از حد انتظار در حال انبساط است. نرخ مورد انتظار با استفاده از مشاهدات دقیق از جهان اولیه و پیش‌بینی آن‌ها به آینده، بر اساس چارچوب کیهان‌شناسی استاندارد به نام ماده تاریک سرد-لامبدا (ΛCDM)، به دست می‌آید.
ما می‌توانیم جهان اولیه را با جزئیات استثنایی از طریق تابش پس‌زمینه کیهانی (CMB)، که تابش باقی‌مانده از زمانی است که جهان حدود ۱۱۰۰ برابر کوچک‌تر از امروز بود، بررسی کنیم. امواج صوتی که در پلاسمای داغ جهان اولیه حرکت می‌کردند، مناطق متناوب با چگالی بالاتر و پایین‌تر و در نتیجه تغییرات دمایی را از خود به‌جا گذاشتند.
با تحلیل نوسانات در CMB در مقیاس‌های مختلف، دانشمندان می‌توانند به‌طور مؤثری به “پژواک” این امواج صوتی اولیه “گوش دهند”، که در مقیاس‌های مشخصی با بیشترین شدت طنین‌انداز می‌شوند.
نوسانات آکوستیک باریونی به عنوان خط‌کش استاندارد
این الگوها در CMB حفظ شده‌اند و به نام نوسانات آکوستیک باریونی (BAO) شناخته می‌شوند. از آنجایی‌که آن‌ها باعث تشکیل کهکشان‌ها و ساختارهای بزرگ‌مقیاس شدند، همین الگوها را می‌توان در توزیع فعلی کهکشان‌ها نیز شناسایی کرد.
با مطالعه اینکه کهکشان‌ها چگونه در انتقال به سرخ‌های مختلف (که متناظر با فاصله هستند) خوشه‌بندی می‌شوند، پژوهشگران می‌توانند این نوسانات را ردیابی کنند. یکی از ویژگی‌های خوشه‌بندی به‌ویژه متمایز، به نام “مقیاس زاویه‌ای BAO”، به عنوان یک نشانگر کلیدی عمل می‌کند.
این ویژگی چیزی را فراهم می‌کند که کیهان‌شناسان آن را یک “خط‌کش استاندارد” می‌نامند؛ یک اندازه شناخته‌شده که به آن‌ها اجازه می‌دهد فواصل را در سراسر جهان تعیین کنند. با اندازه‌گیری اینکه این مقیاس در یک انتقال به سرخ مشخص چقدر بزرگ به نظر می‌رسد، دانشمندان می‌توانند هم فاصله تا آن کهکشان‌ها و هم سرعت انبساط کیهانی را محاسبه کنند.
آزمایش فرضیه خلاء
با استفاده از این اندازه‌گیری‌ها، کیهان‌شناسان می‌توانند نرخ‌های انبساط را با استفاده از مثلثات و داده‌های انتقال به سرخ تعیین کنند. اگر ویژگی BAO در یک فاصله مشخص بزرگ‌تر به نظر برسد، به این معنی است که جهان محلی با سرعت بیشتری در حال انبساط است.
ایندرانیل بانیک، یکی از نویسندگان این مقاله می‌گوید:
من و همکارانم پیش‌تر استدلال کردیم که تنش هابل ممکن است به دلیل قرار گرفتن ما در یک خلاء بزرگ باشد. دلیل آن این است که مقدار کم ماده در خلاء به‌طور گرانشی به ماده متراکم‌تر بیرون از آن جذب می‌شود و به‌طور مداوم از خلاء خارج می‌شود.
در تحقیقات قبلی، ما نشان دادیم که این جریان باعث می‌شود به نظر برسد جهان محلی حدود ۱۰ درصد سریع‌تر از حد انتظار در حال انبساط است. این مسئله تنش هابل را حل می‌کند.
اما ما شواهد بیشتری می‌خواستیم و می‌دانیم که یک خلاء محلی به دلیل حرکت سریع‌تر ماده در خلاء و اثر گرانشی آن بر نور ورودی از بیرون، رابطه بین مقیاس زاویه‌ای BAO و انتقال به سرخ را اندکی تحریف می‌کند.
بنابراین در مقاله جدید ما، من و واسیلیوس کالایتزیدیس تصمیم گرفتیم پیش‌بینی‌های مدل خلاء را با استفاده از اندازه‌گیری‌های BAO که در طول ۲۰ سال گذشته جمع‌آوری شده‌اند، آزمایش کنیم. ما نتایج خود را با مدل‌های بدون خلاء و با همان تاریخچه انبساط پس‌زمینه مقایسه کردیم.
در مدل خلاء، خط‌کش BAO باید در هر انتقال به سرخ مشخصی روی آسمان بزرگ‌تر به نظر برسد و این بزرگی اضافی باید در انتقال به سرخ کم (فاصله نزدیک) حتی بیشتر شود، که مطابق با تنش هابل است.
شواهد قوی برای یک خلاء محلی
او افزود:
مشاهدات این پیش‌بینی را تأیید می‌کنند. نتایج ما نشان می‌دهد که یک جهان با خلاء محلی حدود یکصد میلیون بار محتمل‌تر از یک کیهان بدون آن است، البته زمانی که از اندازه‌گیری‌های BAO استفاده می‌کنیم و فرض می‌کنیم جهان بر اساس مدل استاندارد کیهان‌شناسی و اطلاعات به‌دست‌آمده از CMB منبسط شده است.
تحقیق ما نشان می‌دهد که مدل ΛCDM بدون هیچ خلاء محلی با مشاهدات BAO در “تنش ۳.۸ سیگما” قرار دارد. این به این معنی است که احتمال اینکه یک جهان بدون خلاء با این داده‌ها مطابقت داشته باشد، معادل شیر یا خط آمدن یک سکه سالم ۱۳ بار پشت سر هم است. در مقابل، احتمال اینکه داده‌های BAO در مدل‌های خلاء به این شکل به نظر برسند، معادل شیر یا خط آمدن یک سکه سالم فقط دو بار پشت سر هم است. به طور خلاصه، این مدل‌ها به خوبی با داده‌ها مطابقت دارند.
در آینده، به دست آوردن اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر BAO در انتقال به سرخ کم، که در آن خط‌کش استاندارد BAO روی آسمان بزرگ‌تر به نظر می‌رسد، بسیار حیاتی خواهد بود – به ویژه اگر ما در یک خلاء باشیم.
میانگین نرخ انبساط تاکنون مستقیماً از سن جهان به دست می‌آید، که می‌توانیم آن را از سن ستاره‌های قدیمی در کهکشان راه شیری تخمین بزنیم. یک خلاء محلی بر سن جهان تأثیری نمی‌گذارد، اما برخی از فرضیه‌ها بر آن تأثیر می‌گذارند. این موارد و بررسی‌های دیگر به روشن شدن بیشتر بحران هابل در کیهان‌شناسی کمک خواهند کرد.
منبع: Scitechdaily
