یک لحظه پس از بیگ بنگ چه اتفاقی افتاد؟

به گزارش «تابناک» به نقل از باشگاه خبرنگاران جوان، همه چیز با یک انفجار شروع شد. در طی کسری از ثانیه غیرقابل تصور، جهان جنینی با سرعتی غیرقابل تصور به اندازه بالون افزایش یافت. در یک لحظه، فرورفتگی‌های نقص به صورت زخم‌های کیهانی کشیده شدند و در کیهانی که امروز تجربه می‌کنیم، محبوس شدند، محیطی مملو از کهکشان‌ها، ستاره‌ها، سیارات و انسان‌ها.

شواهد غیرمستقیم برای این داستان منشا که به عنوان تورم شناخته می‌شود، بسیار زیاد است. این الهام بخش نسلی از کیهان شناسان برای نوشتن مقاله، تدریس در کلاس‌ها و انتشار کتاب‌های درسی در مورد روش‌های مختلف تورم بوده است؛ امواج باستانی در فضا-زمان باید اثر خاصی را در آسمان به جا می‌گذاشتند، اما جستجوها بارها و بارها به نتیجه نرسیده‌اند.

گروهی از اخترشناسان معروف به همکاری BICEP/Keck در جستجوی این «امواج گرانشی اولیه» هستند. اخیرا محققان آخرین نتایج خود را منتشر کردند، اوج سال‌ها زایمان پر دردسر در یکی از خشن‌ترین مکان‌های روی زمین. آن‌ها یک بار دیگر هیچ نشانی از معدن خود پیدا نکردند. اگر جهان در حال متورم شدن با امواج گرانشی طنین انداز می‌کرد، همانطور که بیشتر کیهان‌شناسان هنوز انتظار دارند که چنین باشد، باید این کار را به روشی ظریف انجام داده باشد.

قدیمی‌ترین نور در جهان بیش از ۱۳ میلیارد سال است که از زمانی که کیهان به اندازه کافی سرد شد تا شفاف شود، در فضا جریان داشته است. اخترشناسان دقیقا این «پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB)» را ترسیم کرده‌اند و از آن برای یادگیری این موضوع استفاده کرده‌اند که جهان به‌طور کلی یکنواخت بوده و باقی مانده است. CMB نشان می‌دهد زمانی که جهان فقط ۳۸۰۰۰۰ سال قدمت داشت، تقریبا در همه جا چگالی ماده مشابهی داشت. امروزه ستاره شناسان کهکشان‌ها را در هر جهت مشاهده می‌کنند.

اما CMB همیشه کمی توده‌ای است و به روشی خاص جمع می‌شود. لکه‌های متراکم و نازک در همه اندازه‌ها، از خیلی کوچک تا خیلی بزرگ وجود دارند. امروز ما شاهد الگوی مرتبطی هستیم، از کهکشان‌های منفرد گرفته تا خوشه‌های بزرگ از آن‌ها. کیهان چگونه به این راه رسید؟ تورم زمان را حتی بیشتر به عقب برگردانده و تلاش می‌کند توضیح دهد که چگونه توده‌هایی با هر اندازه در طول اولین ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه کیهان ایجاد شدند. در این دوره، جهان کوچک پر از انرژی شد و نظریه کوانتومی بر آن روز حکومت کرد. در قلمرو کوانتومی، هیچ چیز کاملا ثابت نمی‌ماند. لرزش‌های زیراتمی به طور مداوم نقص‌های کوچکی را وارد جهان در حال باد می‌کردند و چگالی موادی را تغییر می‌دادند که در نهایت به نور، ماده، ماده تاریک و موارد دیگر تبدیل می‌شدند. جهان در حال رشد به طور مداوم این لکه‌ها را گسترش می‌دهد، حتی زمانی که نوسان‌های جدیدتر و کوچک‌تر ظاهر می‌شدند که منجر به لکه‌هایی در اندازه‌های مختلف می‌شد. در نهایت CMB محصول نهایی را ثبت کرد.

یتورم به نظریه اصلی تولد کیهان تبدیل شده است، زیرا دقیقا توضیح می‌دهد که ستاره شناسان هنگام مطالعه الگوهای بزرگ مقیاس تشکیل شده توسط ماده، ماده تاریک و موارد دیگر چه می‌بینند.

نکته دیگر این است که تار و پود فضازمان به خودی خود نمی‌تواند در مقیاس کوانتومی کاملا ثابت بماند و تورم باید آن لرزش‌های اولیه را به امواج مناسب تبدیل می‌کرد، درست مانند ماده و هر چیز دیگری. این امواج گرانشی اولیه می‌توانند اثر انگشت ضعیفی را در CMB به جا بگذارند، چرخش‌های خاصی در نور که به «قطب‌شدن حالت B» معروف است. اخترشناسان این توانایی را دارند که امروزه به طور مستقیم این حلقه‌ها را شناسایی کنند، اگر این الگو به اندازه کافی هم برجسته باشد، اما هنوز هیچ یک از آن‌ها را پیدا نکرده‌اند.

به طرز ناامید کننده‌ای، جهان غرق در موادی است که به طور چرخشی مشابهی می‌درخشند. برای مثال، تیم BICEP پیروزمندانه کشف امواج گرانشی اولیه را در سال ۲۰۱۴ اعلام کرد، اما بعدا متوجه شدند که درخشش گرمای ضعیف دانه‌های غبار را که در امتداد میدان‌های مغناطیسی که فضای بین ستارگان کهکشان راه شیری را پر می‌کنند، دریافت کرده‌اند.

همکاری BICEP/Keck اکنون سال‌ها زمان خود را صرف اصلاح روش‌های خود و ساخت مجموعه‌ای از تلسکوپ‌ها در قطب جنوب کرده است، جایی که هوای صاف و خشک نمای شفافی از کیهان ارائه می‌دهد. جدیدترین نتایج آن‌ها داده‌های سه نسل آخر تلسکوپ‌های قطب جنوب را با آزمایش‌های دیگر ترکیب می‌کند.

برای بیش از یک دهه، آن‌ها تعداد سنسورها را از ده‌ها به هزاران افزایش داده‌اند و مهمتر از همه، آن‌ها مجموعه رنگ‌هایی را که در آن مشاهده می‌کنند، از یک طول موج به سه گسترش داده‌اند. هر چرخشی در حالت B در CMB که کل جهان را پر می‌کند، باید در تمام طول موج‌ها به طور یکنواخت نشان داده شود، با این حال قطبش که با شدت بیشتری در طول موج‌های مختلف رخ می‌دهد، می‌تواند مقصر گرد و غبار محلی باشد.

معیار کلیدی میزان تورم که جهان را تکان داده است با نام «نسبت تانسور به اسکالر» یا r که به آنچه در میدان وجود دارد، اطلاق می‌شود. این عدد نشان می‌دهد که فضا زمان با چه شدتی در مقایسه با نوسانات دیگر موج می‌زند. r صفر نشان می‌دهد که تورم به هیچ وجه ساختار کیهان را تکان نداده است.

بسیاری از کیهان شناسان امیدوارند امواج گرانشی اولیه در یکی از این تصاویر واضح‌تر از CMB نشان داده شود و ثابت کند که نظریه پردازان واقعا بر انفجار اولیه کیهان دست دارند. در غیر این صورت، این نظریه ممکن است برای مدتی طولانی‌تر در هاله‌ای از ابهام بماند.