بنابر داده‌های به دست آمده میزانِ افت‌وخیزها در دمای تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی، در دو سوی آسمان متفاوت است. این به معنای آن است که این تابش و بنابراین سرتاسرِ کیهان در بزرگ‌مقیاس، همسان‌گرد نیست. کیهان‌شناسان برای توجیهِ این ناهمسان‌گردی، میدانِ کوانتومیِ دیگری به نظریه‌ی تورمی افزوده‌اند که افت‌وخیزهایی ناهمسان‌گرد در چگالیِ ماده‌ی کیهانی ایجاد می‌کند و همین نا‌همسان‌گردی در چگالی، به نا‌همسان‌گردی در تابش پس‌زمینه‌ی کیهانی می‌انجامد. وجود چنین میدان کوانتومی‌ای سبب می‌شود که کیهان در مقیاسِ بزرگ، هم‌چون زین اسب دارای اندکی خمشِ منفی باشد. این در حالی‌ست که بنابر باورِ رایج، کیهان تخت است.

ما در کیهانی ناهمسان‌گرد زندگی می‌کنیم، این درسی‌ست که کیهان‌شناسان با بررسیِ ساختارِ مشروحِ تابشِ به‌جای‌مانده پس از مه‌بانگ، آموخته‌اند. هم‌اینک دو کیهان‌شناس نشان داده‌اند که داده‌های موجود، با کیهانی سازگار است که هم‌چون زینِ اسب، اندکی خمیده باشد. اگر مدلِ این دو کیهان‌شناس درست باشد این باورِ دیرین که کیهان تخت است، سرنگون خواهد شد.

اندازه‌گیری‌های نخستین درباره‌ی تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی (یا به اختصار CMB) توسطِ کاوش‌گرِ ناهمسان‌گردی در امواجِ میکروی ناسا با نامِ ویلکینسون (NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) انجام می‌گرفت. دقتِ این اندازه‌گیری‌ها در مقیاسِ بزرگ، نخستین نشانه‌ها از نبودِ همسان‌گردی در تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی را در سالِ 2004 فراهم آورد. هنگامی که سفینه‌ی پلانک از آژانسِ هواییِ اروپا، جانشینِ کاوش‌گرِ ناسا شد بسیاری از کارشناسان کنجکاو بودند که آیا این یافته‌ها درباره‌ی ناهمسان‌گرد‌بودنِ تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی، خطایی سامانه‌ای‌ست به این معنی که کاوش‌گرِ اروپایی که دقتِ آن بیش‌تر از کاوش‌گرِ ناساست، پس از نقشه‌برداری از تابشِ CMB این خطا را تصحیح خواهد کرد یا خیر. اما یافته‌های به‌دست آمده از کاوش‌گرِ پلانک که در ابتدای امسال انتشار یافت نیز این ناهمسان‌گردی را تایید کرد.

هم‌اینک آندرو لیدل (Andrew Liddle) و مارینا کورتِس (Marina Cortês) هر دو از دانش‌گاهِ ادینبورگِ انگلستان به منظورِ توجیه این یافته‌ها، مدلی برای کیهانِ تورمی ارایه کرده‌اند. در مدل‌های تورمی، دوره‌ای فرضی از انبساطِ سریع، درست پس از مه‌بانگ در نظر گرفته می‌شود که در آن، کیهان در کسرِ کوچکی از ثانیه با مرتبه‌ی بزرگیِ بسیار زیادی رشد می‌کند.

میزانِ افت‌وخیزها در دمای تابشِ پس‌زمینه‌ی کیهانی، در یک سوی کیهان (سمتِ راست این تصویر) بیش از سوی دیگر است. این نشانه‌ای‌ست از آن‌که شاید کیهان خمیده باشد.

ESA and the Planck Collaboration

ساده‌ترین مدلِ تورمی بر این اساس استوار شده که کیهان تخت است و انبساطِ (ناگهانیِ) آن را میدانی کوانتومی به نام اینفلِیتون (inflaton) سبب می‌شود. اینفلیتون در این مدل دو نقش دارد: اول آن‌که انبساطی بزرگ را سبب می‌شود و دوم، افت‌وخیزهای بسیار اندکی در چگالیِ (ماده‌ی موجود در کیهان) ایجاد می‌کند که رفته‌رفته گسترش یافته و بذرِ کهکشان‌های کنونی را تشکیل می‌دهند.

اما این نسخه از میدانِ اینفلیتون نمی‌تواند پاسخ‌گوی ناهمسان‌گردی کیهان باشد مگر آن‌که یک خوش‌شانسیِ آماری رخ دهد، درست مانندِ آن‌که از سکه‌ای کاملاً متقارن انتظار داشته باشیم شمارِ شیرهایی که در 1000 بار پرتابِ سکه می‌آیند بسیار بیش‌تر از شمارِ خط‌ها باشد. اما بنا به گفته‌ی لیدل اگر ناهمسان‌گردی‌های موجود در CMB خوش‌شانسیِ آماری نباشد (که نظریه‌های نوینِ تورمی بر این باورند)، بررسیِ همین ناهمسان‌گردی‌ها دریچه‌ای بی‌سابقه بر ساختارِ مشروحِ کیهانِ نخستین خواهد گشود.

لیدل و کورتس در مقاله‌ی خود که این هفته در Physical Review Letters¹ به چاپ رسیده، نظریه‌ی تورمی را دست‌کاری و تعمیر کرده‌اند. این دو کیهان‌شناس هم‌چون بسیاری از نظریه‌پردازانِ پیش از خود، میدانِ کوانتومیِ دیگری را با نامِ کِرواتون (curvaton) به کار گرفته‌اند تا به کمکِ آن، افت‌وخیزهای نخستینِ موجود در چگالیِ (ماده‌ی موجود در کیهان) را در کیهانِ آغازین تنظیم کنند. به این ترتیب میدانِ اینفلیتون تنها نقشِ عاملی آغازگر و پیش‌ران را در دوره‌ی انبساطِ بزرگ بازی خواهد کرد.

این پژوهش‌گران نشان داده‌اند که میدانِ کرواتون افت‌وخیزهایی ناهمسان‌گرد در چگالیِ ماده‌ی کیهانی ایجاد می‌کند که اگر خمشِ کیهان در مقیاسِ بزرگ، اندکی منفی باشد می‌توان این افت‌وخیزها را آشکارا دید. منفی‌بودنِ خمشِ فضا به این معنی‌ست که اگر می‌توانستیم مثلثی بسیار بزرگ در فضا رسم کنیم، آن‌گاه مجموعِ زوایای درونیِ آن مثلث کمتر از 180 درجه می‌شد. همان‌گونه که می‌دانیم در فضایی تخت (هندسه‌ی اقلیدسی)، مجموعِ زوایای درونیِ یک مثلث دقیقاً 180 درجه است، درحالی‌که در فضایی با خمشِ مثبت، مجموعِ این زوایا بیش از 180 و در فضایی با خمشِ منفی، این مجموع کمتر از 180 درجه خواهد بود (به چنین هندسه‌هایی هندسه‌ی نااقلیدسی می‌گویند).

آدرین اِریک‌چِک (Adrienne Erickcek) فیزیک‌دانی نظری از دانش‌گاهِ کارولینای شمالی واقع در چاپِل‌هیل است که در این کارِ پژوهشی سهیم نبوده اما در این باره چنین می‌گوید: «کارِ این نویسندگان، نخستین کار در گونه‌ی خود است که در نظر دارد ناهمسان‌گردی را به کمکِ اصولِ اولیه توضیح دهد».

بنابر سناریویی که لیدل و کورتس برای کیهان نگاشته‌اند، ناهمسان‌گردیِ دیده‌شده در تابشِ CMB ممکن است به دلیلِ نبودِ یک‌نواختی در ساختارِ بسیار بزرگ‌مقیاسِ کیهان باشد که کلیدِ این نایک‌نواختی نیز در وجودِ میدانِ کرواتون نهفته است. اریک‌چک و هم‌کارانش در سالِ 2008 سازوکارِ همانندی را ارایه کرده بودند. گرچه در مدلِ آن‌ها خمشِ کیهان منفی در نظر گرفته نشده بود.

گرچه بنابر شمارِ بسیاری از رصدها، کیهان درواقع تخت است، اما بنابر گفته‌ی لیدل انحراف‌هایی که این واپسین مدل برای داده‌های CMB پیش‌بینی می‌کند به اندازه‌ی کافی کوچک هستند که بتوان آن‌ها را در چارچوبِ حدهایی گنجانید که توسطِ اندازه‌گیری‌های ماهواره‌ی پلانک اعمال می‌شوند. البته ادعای این پژوهش‌گران درباره‌ی میزانِ انحراف‌ها از داده‌های تابش CMB هنوز در حدِ گمانه‌زنی‌ست اما آزمایش‌های آینده که با دقتی افزون بر دقت‌های امروزی صورت می‌پذیرند شاید تعیین کنند که حق با چه کسی‌ست.

منبع: Universe may be curved, not flat

مرجع‌ها:

1. Liddle, A. R. & Cortês, M. Phys. Rev. Lett. 111, 111302 (2013).

2. Erickcek, A. L., Kamionkowski, M. & Carroll, S. M. Phys. Rev. D 78, 123520 (2008).