آنچه درباره انرژی تاریک نمی‌دانید

به گزارش زنهار، انرژی و ماده تاریک دو مفهوم رازآلود هستند که سال‌هاست ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده‌اند. با وجود شواهد غیرمستقیم، آن‌ها همچنان به صورت معمایی پیچیده باقی مانده‌اند. ماهیت این دو پدیده با یکدیگر متفاوت است. در این مقاله به انرژی تاریک که گفته‌ می‌شود در انبساط جهان نقش دارد، می‌پردازیم.

انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک شکلی فرضی از انرژی است که نه‌تنها برای توصیف انبساط جهان، بلکه برای افزایش سرعت این انبساط به کار می‌رود. می‌توانید انرژی تاریک را به شکل «همتای شیطانی» گرانش یا «ضدگرانش» درنظر بگیرید که فشاری منفی را وارد می‌کند. این فشار منفی جهان را پر می‌کند و باعث کش آمدن بافت فضازمان می‌شود. در حالی که گرانش اجرام را به یکدیگر نزدیک می‌کند، انرژی تاریک اجرام را با سرعتی باورنکردنی از یکدیگر دور می‌کند.

بر اساس تخمین‌ها، انرژی تاریک بین ۶۸ الی ۷۲ درصد از انرژی و ماده‌ی کل جهان را تشکیل می‌دهد. به‌این‌ترتیب هم بر ماده‌ی تاریک و هم بر ماده معمولی غالب است؛ اما انرژی تاریک دقیقا چیست؟ تنها پاسخ واقعی به این پرسش این است که «نمی‌دانیم». از سویی دانشمندان کاملا در تاریکی به سر نمی‌برند، چرا که کاندیداهایی برای انرژی تاریک وجود دارند.

انبساط جهان

انرژی تاریک اجرام کیهان را با سرعتی باور نکردنی از یکدیگر دور می‌کند.

کاندیداهای انرژی تاریک عبارت‌اند از انرژی خلأ فضا یا ذراتی که در فضای خالی حرکت می‌کنند و همچنین «نیروی پنجم» که ممکن است عامل فشار منفی و افزایش انبساط کیهان باشد.

احتمال‌های دیگر شامل طیفی از «مزه‌های» مختلف از میدان‌هایی است که می‌توانند انرژی تاریک را توضیح دهند؛ مانند میدان کم‌انرژی موسوم به «اثیر»، میدان‌های تاکیون‌ها یا ذرات فرضی که سریع‌تر از نور حرکت می‌کنند و درنتیجه در زمان به عقب می‌روند.

تمام این ایده‌ها هنوز در حد فرضیه باقی مانده‌اند؛ بدین معنی که فعلا فقط از طریق تاثیر انرژی تاریک بر جهان، می‌توانیم آن را بشناسیم.

تفاوت انرژی تاریک و ماده تاریک

هر دو بعد تاریک جهان یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک، اسرارآمیز هستند و توضیح مشخصی ندارند. همچنین هر دو را نمی‌توان به‌صورت مستقیم کشف کرد و تنها از آثاری که بر جهان و ماده‌ی مرئی دارند، می‌توان به وجودشان پی برد، اما نباید انرژی تاریک را صرفا یک انرژی هم‌ارز با ماده‌ی تاریک بدانیم.

ماده‌ی تاریک برخلاف ماده‌ی مرئی با نور برهم کنش ندارد. به همین دلیل «تاریک» درنظر گرفته می‌شود. ماده‌ی تاریک را می‌توان از طریق تأثیر گرانشی‌اش برای حفظ کهکشان‌ها کنار یکدیگر شناخت. بدون اثر گرانشی ماده‌ی تاریک، کهکشان‌ها به سرعت می‌چرخیدند، به طوری که اثر گرانشی ماده‌ی مرئی آن‌ها یعنی ستاره‌ها، سیاره‌ها، گازها و غبار برای پیشگیری از جدا شدن آن‌ها کافی نیست.

ماده‌ تاریک در مقیاس کوچک و انرژی تاریک در مقیاس بزرگ بر اجرام تأثیر می‌گذارند

در حالی که انرژی تاریک باعث دور شدن اجرام در مقیاسی بزرگ می‌شود، ماده‌ی تاریک در مقیاس کوچک‌تر کهکشان‌ها را کنار یکدیگر حفظ می‌کند. به این ترتیب انرژی تاریک و ماده ‌تاریک، آثار متفاوتی بر جهان دارند.

انرژی تاریک به عنوان عنصر غالب جهان، ۶۸ درصد از کل انرژی جهان را تشکیل می‌دهد، در حالی که تأثیر ماده‌ی تاریک و ماده‌ی مرئی بر جهان به ۲۸ الی ۳۲ درصد می‌رسد. از طرفی ماده‌ی تاریک با نسبت ۶ به ۱ بسیار بیشتر از ماده‌ی مرئی جهان است. در نتیجه ۲۵ درصد از کل انرژی ماده‌ی جهان متعلق به ماده‌ی تاریک و مقدار کمی در حد ۵ درصد از آن متعلق به ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی ستاره‌ها، سیاره‌ها و هر چیزی است که اطراف خود می‌بینیم. به‌این‌ترتیب دانشمندان هیچ ایده‌ای درباره‌ی ۹۵ درصد از جهان ندارند.

اثرات انرژی تاریک بر کیهان

اگر انرژی تاریک عامل انبساط جهان با سرعتی فزاینده است، آیا نباید شاهد دور شدن فنجان قهوه‌مان باشیم یا حداقل هر روز مسافت بیشتری را طی کنیم؟ در واقع باید گفت ما چنین اثری را احساس نمی‌کنم، زیرا اجرامی مثل ستاره‌ها، منظومه‌های سیاره‌ای، خوشه‌های ستاره‌ای، کهکشان‌ها، خوشه‌های کهکشانی و حتی فنجان قهوه و میزمان که از نظر گرانشی به یکدیگر متصل هستند، آثار انرژی تاریک را تجربه نمی‌کنند؛ بنابراین باید گفت، گرانش در مقیاس کوچک بر انرژی تاریک غلبه دارد.

انرژی تاریک در مقیاس‌های بزرگ عمل می‌کند و انبساط جهان پدیده‌ای است که اندازه‌گیری آن صرفا از طریق رصد کهکشان‌ها و دیگر اجرامی امکان‌پذیر است که فاصله‌شان به میلیون‌ها، میلیاردها و حتی ده‌ها میلیارد سال نوری می‌رسد. هر چه فاصله‌ی این اجرام کیهانی بیشتر باشد، با سرعت بیشتری از یکدیگر دور می‌شوند.برای درک بهتر انرژی تاریک، فرض کنید سه نقطه‌ روی یک بادکنک خالی از هوا بکشید. دو نقطه در نزدیکی یکدیگر قرار دارند و دیگری در فاصله‌ی دورتری قرار گرفته است. در این قیاس، انرژی تاریک همان هوایی است که وارد بادکنک می‌شود و بر گرانش پوسته‌ی لاستیکی بادکنک غلبه می‌کند. با باد شدن بادکنک هر سه نقطه از یکدیگر دور می‌شوند اما دورترین نقطه با سرعت بیشتری فاصله می‌گیرد.

نقاط روی بادکنک را می‌توان به سه کهکشان تشبیه کرد که دو کهکشان در نزدیکی یکدیگر و یکی از آن‌ها دورتر از بقیه قرار دارد. کهکشان سوم با سرعت بیشتری فاصله می‌گیرد، زیرا فضای بین آن و کهکشان‌های دیگر مانند لاستیک بادکنک کش می‌آید و فضای بیشتر به معنی انبساط بیشتر است.

در حال حاضر بر اساس تخمین دانشمندان، کهکشان‌ها هر یک میلیون سال با سرعت ۰٫۰۰۷ درصد از یکدیگر دور می‌شوند. برای اجرام کیهانی که ۱۰۰ میلیون سال نوری فاصله دارند. این استدلال به معنی ۲۱۵۰ کیلومتر در ثانیه است. در عین حال کهکشانی با فاصله‌ی یک میلیارد سال نوری، ده برابر سریع‌تر یعنی با سرعت ۲۱٬۵۰۰ کیلومتر بر ثانیه دور می‌شود.

کهکشان‌ها هر یک میلیون سال با سرعت ۰٫۰۰۷ درصد از یکدیگر دور می‌شوند

سرعت انبساط جهان برای کهکشان GN-z11، یکی از قدیمی‌ترین کهکشان‌های کشف شده در فاصله‌ی ۴۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ، اندازه‌گیری شد. این کهکشان با فاصله‌ی تقریبی ۳۲ میلیارد سال نوری، دراثر انرژی تاریک با سرعت ۶۸۷ هزار کیلومتر بر ثانیه (بیش از دو برابر سرعت نور) از ما دور می‌شود.

با اینکه در حقیقت هیچ چیز نمی‌تواند از نور در خلأ سریع‌تر حرکت کند (۲۹۹٬۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه)، انرژی تاریک ثابت می‌کند بافت فضازمان محدود به چنین سرعتی نیست. به لطف وجود ماده تاریک، کهکشان‌ها با وجود دور شدن از یکدیگر شکل خود را از دست نمی‌دهند و دچار فروپاشی داخلی نمی‌شوند.

فریب اسامی مشابه را نخورید. انرژی تاریک و ماده‌ی تاریک گاهی به صورت ترکیبی با عنوان جهان تاریک توصیف می‌شوند و با وجود شباهت‌های محدود، با یکدیگر تفاوت دارند.

فرضیه‌های مربوط به انرژی تاریک

وضعیت انرژی تاریک به‌عنوان نیرویی فرضی با ویژگی‌های ناشناخته آن را به موضوع جذابی برای پژوهش‌ها تبدیل کرده است. ازاین‌رو فرضیه‌های متعددی برای وجود انرژی تاریک مطرح شده‌اند که در ادامه به برخی از مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم.

ثابت کیهانی

ساده‌ترین توصیف برای انرژی تاریک این است که انرژی ذاتی و بنیادی فضا به شمار می‌رود که همان ثابت کیهانی است و اغلب با حرف یونانی لامبدا (Λ) مشخص می‌شود. از آنجا که انرژی و جرم بر اساس معادله‌ی معروف E=mc^2 با یکدیگر مرتبط هستند، نظریه نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی می‌کند که این انرژی دارای اثر گرانشی است. انرژی تاریک گاهی انرژی خلأ هم نامیده می‌شود.

اثیر

در مدل‌های اثیری از انرژی تاریک، افزایش سرعت انبساط جهان به دلیل انرژی احتمالی یک میدان متغیر موسوم به میدان اثیر به وجود می‌آید. اثیر با ثابت کیهانی متفاوت است و می‌تواند در فضا و زمان تغییر کند. تاکنون هیچ شواهدی از اثیر به دست نیامده و از طرفی احتمال وجود آن حذف هم نشده است. به‌طورکلی این فرضیه سرعت انبساط کمتری را نسبت به ثابت کیهانی پیش‌بینی می‌کند.

انرژی تاریک واکنش‌دهنده

نظریه‌های مرتبط با برهم‌کنش انرژی تاریک تلاش می‌کنند به نظریه‌ی جامعی از ماده و انرژی تاریک به‌عنوان یک پدیده‌ی واحد برسند که قوانین گرانش را در مقیاس‌های متعدد یکپارچه می‌سازند. برای مثال ممکن است ماده و انرژی تاریک را به‌عنوان ابعاد متفاوتی از یک جوهر یا ماده‌ی ناشناخته در نظر بگیرند یا فرض کنند ماده‌ی تاریک به شکل انرژی تاریک تجزیه می‌شود.

مدل‌های انرژی تاریک متغیر

تراکم انرژی تاریک ممکن است در طول تاریخ جهان تغییر کرده باشد. داده‌های عینی کنونی به ما اجازه می‌دهند تراکم انرژی تاریک فعلی را تخمین بزنیم. مدل‌های جدیدی با این فرضیه پیشنهاد شدند. یکی از محبوب‌ترین مدل‌ها، مدل چوالیر- پولارسکی- لیندر (CPL) است.

شک‌گرایی عینی

برخی جایگزین‌های انرژی تاریک مثل کیهان‌شناسی غیرهمگن بر داده‌های عینی استناد می‌کنند. در این سناریو، انرژی تاریک اصلا وجود ندارد و بیشتر زاییده‌ی اندازه‌گیری‌ها است. برای مثال برخی معتقدند افزایش سرعت انبساط جهان بیشتر یک توهم است که بر اثر حرکت نسبی ما نسبت به جهان به وجود می‌آید. این فرضیه در میان کیهان‌شناسان چندان محبوب نیست.

شواهد مربوط به انرژی تاریک

اولین اکتشاف انرژی تاریک از طریق افزایش سرعت انبساط جهان توسط دو گروه از دانشمندان صورت گرفت که در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ به صورت مستقل از یکدیگر کار می‌کردند. این گروه‌ها در حال بررسی ابرنواخترهای نوع Ia به این شواهد دست یافتند. ابرنواخترها انفجارهای کیهانی هستند که به دنبال مرگ ستاره‌های کلان‌جرم رخ می‌دهند و پرتوهای نوری را منتشر می‌کنند که مقیاس خوبی برای اندازه‌گیری فاصله‌های کیهانی به شمار می‌روند.

دلیل این مسئله هم این است که با انبساط جهان، نور از منابع مختلف در مدت طولانی‌تری به زمین می‌رسند و طول موجشان کش می‌آید. از آنجا که رنگ قرمز نشانه طول موج بلند است، این کشیدگی باعث سرخ شدن نور می‌شود که ستاره‌شناس‌ها این اثر را انتقال به سرخ یا ردشیفت (redshift) می‌نامند.

تابش پس‌زمینه کیهانی

نقشه‌ای از پرتوهای پس‌زمینه‌ی باقی‌مانده از بیگ‌بنگ که توسط فضاپیمای پلانک آژانس فضایی اروپا ثبت شده است.

هرچقدر منبع نوری دورتر باشد، نور آن بیشتر به رنگ سرخ متمایل می‌شود. نور منابع دوردست که هنگام نوزادی جهان رصد می‌شوند به سمت فروسرخ طیف الکترومغناطیس تمایل پیدا می‌کند. ستاره‌شناس‌ها ابرنواخترهای معروف به «شمع استاندارد» را برای اندازه‌گیری سرعت انبساط جهان یا ثابت هابل رصد می‌کنند.

بر اساس یافته‌ها، ابرنواخترهای دوردست‌تر که هنگام نوزادی جهان رصد شدند، کم‌نورتر از حد انتظار بودند؛ بنابراین این ابرنواخترها بسیار دورتر از تصورات هستند و این مدرک دلالت بر سرعت انبساط جهان دارد. این اکتشاف با رصدهای بیشتر و اندازه‌گیری‌های تشعشعات باقی‌مانده از بیگ‌بنگ یا تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی (CMB) تأیید می‌شوند.

جمع‌بندی

انرژی‌ تاریکی شکلی تئوری از انرژی است که تأثیر قابل توجهی بر جهان دارد و عامل انبساط آن به شمار می‌رود. تنها شواهد مربوط به انرژی تاریک اثری است که بر انبساط جهان دارد. نظریه‌های متعددی درباره‌ی انرژی تاریک وجود دارند که از معروف‌ترینشان می‌توان به اثیر و ثابت کیهانی اشاره کرد.