سشادری ناداتور، عضو گروه همکاری ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI)، گروهی که پشت این نتیجه‌ی جدید است، گفت: «ما نسبت به سال گذشته بسیار مطمئن‌تر هستیم که این قطعاً یک چیز است.»
یافته‌ی آنها که امروز در اجلاس جهانی فیزیک در آناهیم، کالیفرنیا ارائه شد، با یافته‌ی گروه دوم کیهان‌شناسان، یعنی گروه ۴۰۰ نفره بررسی انرژی تاریک (DES)، همسو است. DES که بخش عظیمی از کیهان را نیز رصد کرده بود، اوایل این ماه در مقاله‌ای و امروز در سخنرانی خود در نشست آناهیم، شواهدی از انرژی تاریک متغیر گزارش کرد.
مایکل تروکسل، عضو تیم DES مستقر در دانشگاه دوک، گفت: «جالب است که اوضاع به این سمت پیش می‌رود و آزمایش‌های متعدد، تنش‌هایی را با ایده ثابت بودن انرژی تاریک مشاهده می‌کنند.»
اگر شواهد تکامل انرژی تاریک با افزایش داده‌های بیشتر پابرجا بماند - و این تضمین شده نیست - درک کیهان‌شناسان از سرنوشت نهایی ما را دگرگون خواهد کرد. انرژی تاریکی که چگالی و فشار ثابتی دارد، کیهان ما را محکوم به انبساط همیشگی می‌کند تا جایی که شکاف‌های غیرقابل عبور، هر ذره را از سایر ذرات جدا کرده و تمام فعالیت‌ها را از بین ببرد. اما انرژی تاریکی که تکامل می‌یابد، آینده‌های جایگزین را ممکن می‌سازد. مصطفی اسحاق-بوشاکی، کیهان‌شناس دانشگاه تگزاس در دالاس و عضو تیم DESI، گفت: «این، سرنوشت کیهان را به چالش می‌کشد.» «این بازی را تغییر می‌دهد.»
تحول یا تضعیف انرژی تاریک، تصویر ما از واقعیت امروزی را نیز از نو خواهد نوشت. سرراست‌ترین ایده این است که انرژی تاریک، انرژی خودِ خلاء فضا است که باید یک ویژگی تغییرناپذیر فیزیک کوانتومی باشد. تکامل انرژی تاریک، حضور چیزی اضافی، یک جزء قبلاً کشف نشده در دستورالعمل اساسی کیهان را نوید می‌دهد. بخش گمشده می‌تواند به سادگی یک نوع ذره جدید باشد، یا می‌تواند یک شکست ظریف در نظریه گرانش انیشتین را آشکار کند. حتی ممکن است محققان را به مسیری هدایت کند که به یک نظریه بنیادی جدید فیزیک ختم می‌شود.
ایشاک-بوشاکی گفت: «به نظر می‌رسد که این یک تغییر الگو خواهد بود، چیزی که درک ما و نحوه کنار هم قرار دادن همه قطعات را تغییر خواهد داد.»
نقشه‌برداری از کیهان
اخترفیزیکدانان برای اولین بار در اواخر دهه 1990 تأثیر انرژی تاریک را شناسایی کردند. دو تیم ده‌ها ابرنواختر دوردست را مشاهده کردند و دریافتند که دورترین آنها حتی از آنچه انتظار می‌رفت، از کهکشان راه شیری ما دورتر رفته‌اند. به نظر می‌رسید چیزی در حال سرعت بخشیدن به انبساط جهان است.
فیزیکدانان نظری دقیقاً می‌دانستند که آن چیز چه باید باشد: انرژی خود فضا. انیشتین در نظریه گرانش خود، جایگاهی ریاضی برای یک «ثابت کیهانی» - انرژی که چگالی و فشار ثابتی در همه جا دارد و باعث دافعه می‌شود - ذکر کرد. در مورد منبع این انرژی، فیزیکدانان می‌دانستند که میدان‌های کوانتومی، موجوداتی که مسئول ذراتی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها هستند، یک جوشش پرانرژی به فضای خالی ایجاد می‌کنند. این انرژی برای ماده در طول چند متر بسیار خفیف است، اما در مقیاس کیهانی باید جمع شود و با تجمع فضای بیشتر (و بنابراین انرژی خلاء بیشتر) کهکشان‌ها را سریع‌تر و سریع‌تر از یکدیگر دور کند. کشف اینکه انبساط جهان در واقع در حال شتاب گرفتن است، درک فیزیکدانان از میدان‌های کوانتومی و گرانش را تأیید کرد، حتی اگر سوالات جدیدی را مطرح می‌کرد.
اما کیهان‌شناسی در دهه‌های اخیر راه درازی را پیموده است. DESI و DES هر دو در حال نقشه‌برداری از میلیون‌ها جرم آسمانی هستند که به آنها وضوح لازم برای تعیین اینکه آیا انرژی تاریک واقعاً یک ثابت کیهانی است یا به طور نامحسوسی در حال تغییر است را می‌دهد.
DESI دید بسیار دقیقی دارد. این تلسکوپ که بر فراز کیت پیک در آریزونا قرار دارد، مجهز به هزاران چشم رباتیک چرخان است. از ماه مه 2021، این چشم‌ها شب به شب به جلو و عقب حرکت کرده‌اند و کابل‌های فیبر نوری خود را به سمت کهکشان‌ها نشانه رفته و نور آنها را جمع‌آوری کرده‌اند. این تلسکوپ در اولین سال فعالیت خود، شش میلیون کهکشان را مشاهده کرد.
دقیقاً سرعت دور شدن آنها از زمین را مشخص می‌کند.
بسیاری از کهکشان‌ها آنقدر دور هستند که نور آنها میلیاردها سال طول کشیده تا به ما برسد. در مجموع، نور آنها حدود ۱۱ میلیارد سال گذشته تاریخ کیهانی را روشن می‌کند. کیهان‌شناسان DESI بر شناسایی نحوه خوشه‌بندی نامحسوس کهکشان‌ها در پوسته‌های تقریباً کروی با اندازه خاص، بقایای موج‌هایی که در جهان، زمانی که بسیار جوان‌تر و متراکم‌تر بود، حرکت می‌کردند، تمرکز کردند. آنها از این پوسته‌های کهکشانی برای بازسازی انبساط جهان با جزئیات ثابت استفاده کردند.
آوریل گذشته، دانشمندان DESI نتایج اولین سال مشاهدات خود را به اشتراک گذاشتند. داده‌ها نشانه‌هایی را نشان داد که انرژی تاریک ممکن است در چند میلیارد سال گذشته در حال ضعیف شدن بوده باشد. چگالی آن ثابت به نظر نمی‌رسید.
محققان DESI هیجان‌زده اما محتاط بودند. آنها با دقت صحبت کردند و یافته‌های خود را به عنوان "نکات" به جای "شواهد" توصیف کردند و با احتیاط هشدارهایی را اضافه کردند. اعضای تیم بر تجربیات گذشته در مورد دیدن ناهنجاری‌ها در فیزیک که با داده‌های اضافی از بین می‌روند، تأکید کردند.
کیم برگهاوس، فیزیکدان نظری در موسسه فناوری کالیفرنیا که عضوی از تیم DESI نیست، گفت: «این علامت سوال بزرگ وجود داشت: این نشانه‌های جدید چقدر قوی هستند؟» «در ابتدا بسیاری از مردم فکر می‌کردند که آنها از بین خواهند رفت.»
نقشه جدید DESI شامل ۱۵ میلیون کهکشان است که ۳۲ میلیارد سال نوری فضا را در بر می‌گیرند. (جهان کمتر از ۱۴ میلیارد سال قدمت دارد، اما انبساط کیهانی آن را کشیده است.)
همکاری DESI و KPNO
NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor
سپس پاییز گذشته، این همکاری تجزیه و تحلیل دقیق‌تری را منتشر کرد که الگوهای ظریف‌تری را در مکان‌های کهکشان‌ها، فراتر از پوسته‌های کروی آشکارتر، در نظر می‌گرفت. نشانه‌های تغییر انرژی تاریک همچنان ادامه داشت. دیلون بروت، کیهان‌شناس دانشگاه بوستون که عضوی از هر دو تیم DESI و DES است، گفت: «همه نفس راحتی کشیدند.»
نتیجه جدید این گروه بر اساس سه سال رصد ستارگان توسط چشمان رباتیک در کیت پیک است. با تجزیه و تحلیل این داده‌های جدید، حال و هوای آن از آسودگی به سرخوشی تغییر یافته است.
میلیون‌ها کهکشان دیگر
در حالی که داده‌های سال اول DESI شامل شش میلیون کهکشان بود، مجموعه داده‌های سه ساله تقریباً ۱۵ میلیون کهکشان را در بر می‌گیرد. این تیم دوباره پوسته‌های کروی کهکشان‌ها را شناسایی کرد و دوباره ۱۰ میلیارد سال آخر انبساط کیهانی را بازسازی کرد - این بار، با وضوحی حتی بیشتر.
آنها ماه‌ها کد رایانه‌ای خود را بر روی داده‌های ساختگی و نسخه‌ای درهم‌ریخته از داده‌های واقعی اصلاح کردند، به دنبال اشکالات گشتند و تأیید کردند که تحلیل آنها آنطور که باید کار می‌کند. عصر ۱۰ دسامبر ۲۰۲۴، نمایندگان این همکاری در کانکون، مکزیک، گرد هم آمدند و سه ساعت را صرف بحث در مورد اینکه آیا از اینکه از هر زاویه ممکن به تحلیل نگاه کرده‌اند، احساس رضایت می‌کنند یا خیر، کردند.
وقتی تصمیم گرفتند که این کار را کرده‌اند، تعداد انگشت‌شماری از محققان به اتاق‌های هتل خود رفتند تا داده‌ها را رمزگشایی کرده و نمودارهای نهایی را تولید کنند. در میان آنها، ناداتور، کیهان‌شناس دانشگاه پورتسموث در بریتانیا، حضور داشت. او از این امتیاز که یکی از اولین انسان‌های روی زمین است که اسرار بزرگترین و دقیق‌ترین نقشه کهکشانی ساخته شده تا به امروز را کشف کرده، بسیار خوشحال بود. دو روز بعد، او در مقابل حدود ۲۰۰ نفر از همکاران DESI خود، در حالی که صدها عضو دیگر تیم از راه دور تماشا می‌کردند، روی صحنه رفت و نتایج را به اشتراک گذاشت. او گفت: «این بهترین تجربه دوران حرفه‌ای من بود.»
به صورت جداگانه، ۱۵ میلیون کهکشان DESI می‌توانند یا با یک مدل انرژی تاریک در حال تکامل یا با نظریه استاندارد کیهان‌شناسی، معروف به مدل Lambda-CDM، که یک ثابت کیهان‌شناسی را فرض می‌کند، مطابقت داشته باشند. (لامبدا نماد یونانی است که برای ثابت کیهان‌شناسی انیشتین استفاده می‌شود و CDM مخفف ماده تاریک سرد است.) اما هنگامی که محققان DESI داده‌های موجود در مورد مکان هزاران ابرنواختر در کهکشان‌های نزدیک و شرایط روزهای اولیه جهان را که توسط بقایای نور باستانی (به نام پس‌زمینه مایکروویو کیهانی) آشکار شده بود، در نظر گرفتند، مجموعه داده‌های ترکیبی به شدت از Lambda-CDM فاصله گرفت و به تکاملی در انرژی تاریک اشاره کرد.
DESI حدود ۵۰۰۰ چشم رباتیک دارد که به سمت کهکشان‌های دور می‌چرخند و نور آنها را یکی یکی جمع‌آوری می‌کنند.
همکاری DESI
DESI بهار گذشته گزارش داد که مجموعه داده‌های ترکیبی با آنچه مدل Lambda-CDM پیش‌بینی می‌کرد، تا ۳.۹ "سیگما"، معیاری از اهمیت آماری، متفاوت است. اکنون این رقم به ۴.۲ سیگما رسیده است. با فرض اینکه محققان اشتباه نکرده باشند، این عدد به این معنی است که اگر Lambda-CDM مدل صحیح کیهان باشد، احتمال رسیدن به این نتیجه تنها حدود ۱ در ۳۰۰۰۰ است. این تقریباً به اندازه احتمال ۱۵ بار پرتاب سکه و ۱۵ بار آمدن شیر پشت سر هم است.
علاوه بر تقویت نتایج، تنش با Lambda-CDM (هرچند در سطوح پایین‌تر) حتی اگر داده‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی یا داده‌های ابرنواختر را حذف کنیم، همچنان ادامه دارد. این نشان می‌دهد که مشکل از هیچ مجموعه داده‌ای نیست.
"آنها باید همه با هم توطئه کنند."
ایشاک-بوشاکی گفت: «کاملاً اشتباه می‌کنم، که به نظر من خیلی، خیلی بعید است.» تیم DES به نتیجه مشابهی رسید. طی پنج سال، تلسکوپ آنها در آند شیلی عکس‌هایی با وضوح بالا از ۱۲٪ آسمان گرفت و گسترده‌ترین کاتالوگ ابرنواخترها تا به امروز را ایجاد کرد و همان پوسته‌های کروی را که توسط میلیون‌ها کهکشان ردیابی شده بودند، پیدا کرد (البته با دقتی کمتر از DESI). آنها با ترکیب این داده‌ها با مشاهدات پیشرفته از پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، تنشی با Lambda-CDM به میزان ۳.۲ سیگما یافتند که با فرض تغییر انرژی تاریک ناپدید می‌شود. تروکسل گفت: «این یک تصویر سازگار خوب را ترسیم می‌کند.»
با این حال، تیم DES هشدار می‌دهد که تجزیه و تحلیل آماری در کیهان‌شناسی یک کار دشوار است. معمولاً می‌توانید یک آزمایش را بارها و بارها انجام دهید تا زمانی که مطمئن شوید نظریه شما درست یا غلط است. اما کیهان‌شناسان فقط یک جهان را برای مشاهده در اختیار دارند. از آنجا که اینگونه است، تنش بین داده‌ها و نظریه می‌تواند از فرضیاتی که در مورد خود نظریه انجام می‌شود، ناشی شود، نه از الگوهای غیرمنتظره در داده‌ها. گفت: «چه بخواهید چه نخواهید، تا حدودی ذهنیت‌گرایی وجود دارد.» چیوای چانگ (یک تب جدید باز می‌کند)، کیهان‌شناس دانشگاه شیکاگو و عضو تیم DES.
چالش دیگر در تفسیر نتایج جدید این است که، حداقل در تاریخ کیهانی DESI، به نظر می‌رسد انرژی تاریک به تدریج میلیاردها سال قبل از شروع به کاهش حدود شش میلیارد سال پیش، شدت گرفته است. رفتار تشدید غیرقابل تصور نیست، اما نظریه‌پردازان آن را کاملاً غیرطبیعی می‌دانند و آن را انرژی تاریک «شبح» می‌نامند.
آنها قبلاً توضیحاتی در مورد اینکه چرا شبح واقعاً وجود ندارد، ارائه داده‌اند. شاید داده‌های آن دوره اولیه تصویر دقیقی را ترسیم نکنند. تأثیر انرژی تاریک بر جهان در سال‌های اولیه آن خفیف بود زیرا در آن زمان فضای بسیار کمتری وجود داشت؛ سیگنال آن دوران ضعیف‌تر است. برگهاوس با احتیاط خوش‌بین است که DESI به چیزی واقعی دست یافته است، اما امید او به این بستگی دارد که انرژی تاریک به طور مداوم در طول زمان ضعیف شود. او گفت: «اگر وارد گذرگاه شبح شود، بیشتر به سمت یک خطای سیستماتیک متمایل خواهد شد.»
ریدار هان/فرمیلاب
تغییر انرژی تاریک، طیف وسیعی از احتمالات را برای جهتی که جهان به سمت آن می‌رود، به شدت گسترش می‌دهد. انبساط ممکن است متوقف شود و گرانش می‌تواند همه چیز را به هم بکوبد. یا انرژی تاریک می‌تواند دوباره به صورت شبح درآید و جهان در حال گسترش حتی می‌تواند سرعت بیشتری بگیرد. همه چیز به جزئیات آنچه این انرژی را تولید می‌کند بستگی دارد.
برای کامران وفا (یک برگه جدید باز می‌کند)، فیزیکدان دانشگاه هاروارد، مفهوم جهانی که در آن کل انرژی در فضا به آرامی پراکنده می‌شود، کاملاً طبیعی است. او در نظریه ریسمان، چارچوب نظری که تلاش می‌کند تمام ماده و نیروها را بر اساس ریسمان‌های مرتعش انرژی توضیح دهد، تخصص دارد. او می‌گوید در تلاش برای ساختن جهان‌هایی از ریسمان‌ها، نمی‌توانید جهانی بسازید که در آن متر مکعب فضا برای همیشه انرژی مثبت را حفظ کند. در نهایت، انرژی باید به طور ناگهانی یا به آرامی در طول زمان کاهش یابد. او گفت: «این نظریه به نوعی خواستار تغییر است. تنها سوال این است که چقدر سریع.» او به ویژه از داده‌های DESI هیجان‌زده است زیرا با کاهش آهسته‌ای که در بسیاری از مدل‌های جهان‌های ریسمانی ظاهر می‌شود، همسو است.
رافائل بوسو (یک تب جدید باز می‌کند)، فیزیکدان نظری در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، احساس می‌کند که تغییر ادعا شده در انرژی تاریک آنقدر بعید است که تقریباً غیرممکن است. او خاطرنشان کرد که دقیقاً از رفتار ذراتی که می‌دانیم وجود دارند، خلاء باید مقداری انرژی ثابت داشته باشد؛ این اختیاری نیست. بنابراین DESI باید تأثیر ظریف یک میدان اضافی و کشف نشده را که به عنوان یک سیال دافعه به تدریج رقیق شونده عمل می‌کند، تشخیص دهد - یک لایه روی انرژی خلاء ثابت که به سختی از آن قابل تشخیص است. او معتقد است که به احتمال زیاد یک اشتباه یا بدشانسی ظریف باعث شده است که تیم DESI یک ثابت کیهانی را اشتباه اندازه‌گیری کند.
در حالی که بوسو به خواب عمیقی فرو رفته است، چشمان رباتیک بی‌پلک بر روی کیت پیک همچنان به سراسر جهان و به گذشته خیره می‌شوند و فوتون‌ها را برای یک نقشه کیهانی سوم (و نهایی) به دام می‌اندازند. این یکی شامل ۵۰ میلیون کهکشان است و می‌تواند تا اواخر ۲۰۲۶ یا اوایل ۲۰۲۷ شکل بگیرد. اواخر امسال، همکاری DES
قصد دارد مشاهدات خود را در مورد چگونگی خوشه‌بندی کهکشان‌ها و ماده در طول اعصار منتشر کند، فرآیندی که نشان دهنده‌ی کشمکش بین کشش گرانش و فشار انرژی تاریک است. نتایج آنها باید بیشتر روشن کند که آیا انرژی تاریک در حال اتمام است یا خیر.
محققان کاملاً موافقند که اکنون زمان هیجان‌انگیزی برای کیهان‌شناس بودن است. برگهاوس ناهنجاری انرژی تاریک را جدیدترین مورد از تعداد انگشت‌شماری از اسرار کیهان‌شناسی جذاب می‌داند. با موج جدیدی از تلسکوپ‌های نسل بعدی که در دهه‌ی آینده به صورت آنلاین عرضه می‌شوند، برای او مانند این است که در کیهان‌شناسی صبح شده است. او گفت: «ما اکنون تحت Lambda-CDM همه این تنش‌ها را داریم که در حال ظهور هستند. بنابراین از این منظر، فکر نمی‌کنم پایان داستان باشد.»
نسخه‌ی قبلی این مقاله، ماهیت تنش با مدل Lambda-CDM را به اشتباه بیان کرده بود. عبارت دقیق فنی این است که اگر Lambda-CDM صحیح باشد، احتمال رسیدن به نتیجه DESI یک در سی هزار است (به جای اینکه با توجه به نتیجه، احتمال صحیح بودن Lambda-CDM یک در سی هزار باشد).
