نکاتی قوی‌تر درباره تغییرات انرژی تاریک در طول زمان

نکاتی قوی‌تر درباره تغییرات انرژی تاریک در طول زمان

نتایج اخیر DESI به آستانه کشف نرسیده‌اند اما شواهدی برای انرژی تاریک دینامیک را تقویت می‌کنند.

سال گذشته، ما به یک اشاره هیجان‌انگیز از فیزیک جدید در نتایج اولیه تحلیل داده‌ها از ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) اشاره کردیم—به‌ویژه اینکه انرژی تاریک، به‌جای ثابت بودن، ممکن است در طول زمان تغییر کند. البته، آن اشاره‌ها هنوز زیر آستانه لازم برای ادعای کشف بودند و بنابراین تحت عنوان "بسیار بزرگ، اگر درست باشد" قرار گرفتند.

اما حالا ما داده‌های بیشتری از DESI داریم که با داده‌های دیگر ترکیب شده و آن اشاره‌ها به‌طور قابل توجهی قوی‌تر شده‌اند—به‌طوری که مصطفی ای‌شاک-بوشاکی از دانشگاه تگزاس در دالاس، که یکی از رئیس‌های گروه‌های کاری DESI است، گفت که "ما به نقطه‌ای از عدم بازگشت نزدیک می‌شویم" برای تأیید انرژی تاریک دینامیک. ای‌شاک-بوشاکی و چندین عضو دیگر تیم DESI امروز نتایج خود را در اجلاس جهانی فیزیک انجمن فیزیک آمریکا در آناهیم، کالیفرنیا ارائه کردند. چندین مقاله مرتبط نیز به آرشیو فیزیک (arXiv) ارسال شده است.

ثابت کیهانی اینشتین (لامبدا) وجود یک فرم جاذبه دافعه‌ای را دلالت می‌کرد. (برای بحث عمیق‌تر در مورد تاریخچه ثابت کیهانی و اهمیت آن برای انرژی تاریک، به داستان ما در سال 2024 مراجعه کنید.) فیزیک کوانتومی معتقد است که حتی خالی‌ترین خلأ نیز مملو از انرژی به‌صورت ذرات "مجازی" است که به وجود می‌آیند و ناپدید می‌شوند، جدا شده و دوباره به هم می‌پیوندند در یک رقص کوانتومی پیچیده. این دریاچه پر از ذرات مجازی می‌تواند باعث ایجاد انرژی تاریک شود و به کیهان یک شتاب اضافی بدهد تا بتواند به شتاب خود ادامه دهد. مشکل این است که خلأ کوانتومی انرژی زیادی دارد: تقریباً 10¹²⁰ برابر بیشتر از آنچه که باید باشد.

بنابراین، اگر انرژی تاریک اساساً ثابت کیهانی باشد، کیهان باید بسیار سریع‌تر از آنچه که هست، شتاب بگیرد. با این حال، تمام مشاهدات تا به امروز نشان می‌دهند که این انرژی ثابت است. بهترین تطابق نظری تا کنون به مدل Lambda CDM معروف است که شامل ماده تاریک سرد با تعامل ضعیف و انرژی تاریک است. یک نظریه جایگزین پیشنهاد می‌دهد که کیهان ممکن است پر از یک فرم نوسانی از انرژی تاریک به نام "کوانتسنس" باشد. همچنین چندین مدل جایگزین دیگر وجود دارد که فرض می‌کنند چگالی انرژی تاریک در طول تاریخ کیهان تغییر کرده است.

در روزهای اولیه خود، کیهان یک سوپ داغ و متراکم از ذرات زیراتمی، از جمله هسته‌های هیدروژن و هلیوم، معروف به باریون‌ها بود. نوسانات کوچک یک الگوی موجی در آن پلاسما یونیزه اولیه ایجاد کردند که به‌عنوان کیهان گسترش یافته و سرد شد، به یک مکان سه‌بعدی منجمد شد. آن امواج، یا حباب‌ها، به نام نوسانات صوتی باریونی (BAO) شناخته می‌شوند. می‌توان از BAOها به‌عنوان نوعی خط‌کش کیهانی برای بررسی تأثیرات انرژی تاریک در طول تاریخ کیهان استفاده کرد.

این همان چیزی است که DESI برای آن طراحی شده است: اندازه‌گیری‌های دقیقی از اندازه ظاهری این حباب‌ها (هم نزدیک و هم دور) با تعیین فاصله به کهکشان‌ها و کوازارها در طول 11 میلیارد سال انجام دهد. سپس می‌توان آن داده‌ها را به قطعاتی تقسیم کرد تا تعیین شود که کیهان در هر نقطه از زمان در گذشته با چه سرعتی در حال گسترش بود، تا بهتر مدل‌سازی کنیم که انرژی تاریک چگونه بر آن گسترش تأثیر می‌گذارد.

نتایج سال گذشته بر اساس تحلیل یک سال کامل از داده‌ها که از هفت برش مختلف زمان کیهانی گرفته شده بود، و شامل 450,000 کوازار، بزرگ‌ترین مجموعه‌ای که تاکنون جمع‌آوری شده، با دقت رکوردی از دورترین دوره (بین 8 تا 11 میلیارد سال گذشته) به میزان 0.82 درصد بود. در حالی که توافق اساسی با مدل Lambda CDM وجود داشت، زمانی که نتایج سال اول با داده‌های دیگر (شامل تابش زمینه کیهانی و ابرنواخترهای نوع Ia) ترکیب شد، برخی تفاوت‌های ظریف بروز کرد.

در واقع، آن تفاوت‌ها نشان می‌دادند که انرژی تاریک ممکن است در حال ضعیف شدن باشد. از نظر اعتماد، نتایج به سطح 2.6 سیگما برای داده‌های DESI ترکیب شده با داده‌های CMB رسید. با افزودن داده‌های ابرنواخترها، آن اعداد به سطوح 2.5 سیگما، 3.5 سیگما یا 3.9 سیگما افزایش یافت، بسته به اینکه کدام مجموعه داده ابرنواختر خاص استفاده شده باشد.

مهم است که داده‌های DESI را با اندازه‌گیری‌های مستقل دیگر ترکیب کنیم زیرا "ما می‌خواهیم سازگاری داشته باشیم"، گفت ویل پرسیوال، سخنگوی مشترک DESI از دانشگاه واترلو. "تمام آزمایش‌های مختلف باید به ما همان پاسخ را در مورد مقدار ماده در کیهان در روز حاضر، و اینکه کیهان با چه سرعتی در حال گسترش است، بدهند. اگر همه آزمایش‌ها با مدل Lambda-CDM توافق داشته باشند، اما سپس پارامترهای مختلفی به شما بدهند، این کار نمی‌کند. فقط گفتن اینکه با Lambda-CDM سازگار است، به خودی خود کافی نیست. باید با Lambda-CDM سازگار باشد و پارامترهای یکسانی برای ویژگی‌های اصلی آن مدل به شما بدهد."

این نتایج اخیر شامل سه سال اول داده‌های جمع‌آوری شده است که تقریباً 15 میلیون کهکشان و کوازار را در بر می‌گیرد. دوباره، داده‌های DESI به تنهایی با Lambda CDM سازگار بود، یعنی انرژی تاریک ثابت است. و دوباره، زمانی که با دیگر مجموعه داده‌ها—از CMB، ابرنواخترها و مطالعات لنز گرانشی ضعیف—ترکیب شد، نشانه‌های قوی‌تری بروز کرد که انرژی تاریک ممکن است در طول زمان در حال تغییر باشد. سطح اعتماد از 2.8 تا 4.2 سیگما متغیر است، بسته به ترکیب مجموعه داده‌ها—فقط کمی کمتر از آستانه پنج سیگما.

این ممکن است برای شهروند عادی به‌عنوان یک پیشرفت تدریجی به نظر برسد، اما واقعیت پیچیده‌تر است. "داده‌های DESI خود به خود تدریجی نیستند"، گفت پرسیوال. "ما اکنون سه سال داده داریم نه یک سال داده. این قابل توجه است، نه تنها به دلیل افزایش مساحت بلکه به دلیل اینکه ما همپوشانی را افزایش داده‌ایم. نحوه انجام نظرسنجی این است که ما صفحات را در آسمان می‌سازیم و، پس از سه سال به‌جای یک سال عملیات، ما بسیاری از آن همپوشانی‌ها را پر کرده‌ایم. بنابراین داده‌های ما از نظر اینکه ما به عمق کامل مورد انتظار خود در بخش‌های بیشتری رسیده‌ایم، بسیار کامل‌تر است. در نتیجه، اندازه‌گیری‌های BAO خودمان نیز بسیار بهتر هستند. آن‌ها بین دو تا سه برابر بهتر هستند بسته به اینکه دقیقاً این تعادل بین مساحت و عمق چگونه باشد."

کاترین هیمنز، ستاره‌شناس سلطنتی اسکاتلند، به Ars گفت که این نتایج جدید به دانشمندان اعتماد بیشتری به تحلیل DESI می‌دهد. او از هیجان در مورد نتایج اولیه سال گذشته شگفت‌زده شد، زیرا "هر زمان که یک داده اولیه منتشر می‌شود، جامعه علمی همیشه نتایج را با احتیاط می‌نگرد"، گفت. اما DESI داده‌های خود را عمومی کرد و دانشمندان دیگر در طول سال گذشته تحلیل‌های خود را انجام داده‌اند؛ این داده‌ها در برابر آن بررسی دقیق ایستاده است.

"اهمیت واقعی برای انرژی تاریک دینامیک از ترکیب خط‌کش استاندارد DESI، BAO و داده‌های ابرنواختر ناشی می‌شود"، او افزود. "این دو روش مختلف برای اندازه‌گیری نرخ گسترش کیهان هستند. با ترکیب این دو چیز، شما این شناسایی قوی از انرژی تاریک دینامیک را به‌دست می‌آورید."

گام بعدی برای همکاری DESI تحلیل داده‌های پنج ساله است تا ببیند آیا روند رو به افزایش به سمت آستانه 5 سیگما برای کشف ادامه دارد—شاید حتی فراتر از آن آستانه، که واقعاً هیجان‌انگیز خواهد بود. بر اساس گفته پرسیوال، این احتمالاً برای دو سال دیگر اتفاق نخواهد افتاد. اگر 5 سیگما به‌دست آید، هیمنز گفت که ستاره‌شناسان باید انتظار داشته باشند که نتایج مشابهی در داده‌های تلسکوپ فضایی یوفید که قرار است آزمایش مشابهی با DESI، در شیفت‌های بالاتر انجام دهد، ببینند.

"این یک دامنه وسیع از امکانات را باز می‌کند"، گفت پرسیوال درباره پیامدهای احتمالی اگر تأیید شود که انرژی تاریک در طول زمان تغییر می‌کند. "این موضوع نظریه‌پردازان را برای سال‌های زیادی خوشحال خواهد کرد. به‌عنوان یک دانشمند، شما می‌خواهید کمی در میانه بنشینید. اما اگر این درست باشد، این گام بعدی پس از کشف انرژی تاریک است. لامبدا کار می‌کند. حالا، لامبدا کار نمی‌کند. این بدان معناست که اطلاعات بیشتری درباره این فرآیند در دسترس است. من فکر می‌کنم مردم نگران بودند که همه چیز نشان دهد که دقیقاً با لامبدا توافق دارد. اما اگر واقعاً چیزهایی در حال وقوع باشد که چگونه شتاب در حال تغییر است، این هیجان‌انگیز است زیرا ما می‌توانیم بر روی فیزیک آن تسلط پیدا کنیم."

"هیچ پایه بنیادی برای آنچه که می‌تواند باعث انرژی تاریک دینامیک باشد وجود ندارد و این من را نگران می‌کند"، گفت هیمنز. "این مانند این است که ناظرین چالش را به نظریه‌پردازان برمی‌گردانند. خوب است که بتوانیم دو موجود تاریک را با یک تیر توضیح دهیم. من از شکاف‌ها در مدل کیهانی هیجان‌زده هستم زیرا این مسیر نظریه‌پردازان را به فکر کردن خارج از چارچوب وادار می‌کند تا ایده‌های جدیدی بیاندیشند. و شاید این موضوع معماهای کل موجودات تاریک را حل کند، که به همین دلیل ما همه اینجا هستیم."