انرژی تاریک چیست؟ هرآنچه از نیروی اسرارآمیز کیهان می دانیم - وبلاگ رشد آرمان

به گزارش وبلاگ رشد آرمان، زومیت نوشت: انرژی تاریک، شکلی فرضی از انرژی است که فیزیکدانان برای توضیح انبساط جهان پیشنهاد کرده اند؛ اما ماهیت آن هنوز مشخص نیست.

انرژی و ماده تاریک دو مفهوم رازآلود هستند که سال هاست فکر دانشمندان را به خود مشغول کرده اند. با وجود شواهد غیرمستقیم، آن ها همچنان به صورت معمایی پیچیده به جای مانده اند. ماهیت این دو پدیده با یکدیگر فرق دارد. در این مقاله به انرژی تاریک که گفته می شود در انبساط جهان نقش دارد، می پردازیم.

انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک شکلی فرضی از انرژی است که نه تنها برای توصیف انبساط جهان، بلکه برای افزایش سرعت این انبساط به کار می رود. می توانید انرژی تاریک را به شکل همتای شیطانی گرانش یا ضدگرانش درنظر بگیرید که فشاری منفی را وارد می کند. این فشار منفی جهان را پر می کند و باعث کش آمدن بافت فضازمان می شود. در حالی که گرانش اجرام را به یکدیگر نزدیک می کند، انرژی تاریک اجرام را با سرعتی باورنکردنی از یکدیگر دور می کند.

بر اساس تخمین ها، انرژی تاریک بین 68 الی 72 درصد از انرژی و ماده کل جهان را تشکیل می دهد. به این ترتیب هم بر ماده تاریک و هم بر ماده معمولی غالب است؛ اما انرژی تاریک دقیقا چیست؟ تنها پاسخ واقعی به این پرسش این است که نمی دانیم. از سویی دانشمندان کاملا در تاریکی به سر نمی برند، چرا که کاندیداهایی برای انرژی تاریک وجود دارند.

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

کاندیداهای انرژی تاریک عبارت اند از انرژی خلأ فضا یا ذراتی که در فضای خالی حرکت می کنند و همچنین نیروی پنجم که ممکن است عامل فشار منفی و افزایش انبساط کیهان باشد.

احتمال های دیگر شامل طیفی از مزه های مختلف از میدان هایی است که می توانند انرژی تاریک را توضیح دهند؛ مانند میدان کم انرژی موسوم به اثیر، میدان های تاکیون ها یا ذرات فرضی که سریع تر از نور حرکت می کنند و درنتیجه در زمان به عقب می روند.

تمام این ایده ها هنوز در حد فرضیه به جای مانده اند؛ بدین معنی که فعلا فقط از طریق تاثیر انرژی تاریک بر جهان، می توانیم آن را بشناسیم.

تفاوت انرژی تاریک و ماده تاریک

هر دو بعد تاریک جهان یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک، اسرارآمیز هستند و توضیح تعیینی ندارند. همچنین هر دو را نمی توان به صورت مستقیم کشف کرد و تنها از آثاری که بر جهان و ماده مرئی دارند، می توان به وجودشان پی برد، اما نباید انرژی تاریک را صرفا یک انرژی هم ارز با ماده تاریک بدانیم.

ماده تاریک برخلاف ماده مرئی با نور برهم کنش ندارد. به همین دلیل تاریک درنظر گرفته می شود. ماده تاریک را می توان از طریق تأثیر گرانشی اش برای حفظ کهکشان ها کنار یکدیگر شناخت. بدون اثر گرانشی ماده تاریک، کهکشان ها به سرعت می چرخیدند، به طوری که اثر گرانشی ماده مرئی آن ها یعنی ستاره ها، سیاره ها، گازها و غبار برای پیشگیری از جدا شدن آن ها کافی نیست.

ماده تاریک در مقیاس کوچک و انرژی تاریک در مقیاس بزرگ بر اجرام تأثیر می گذارند

در حالی که انرژی تاریک باعث دور شدن اجرام در مقیاسی بزرگ می شود، ماده تاریک در مقیاس کوچک تر کهکشان ها را کنار یکدیگر حفظ می کند. به این ترتیب انرژی تاریک و ماده تاریک، آثار متفاوتی بر جهان دارند.

انرژی تاریک به عنوان عنصر غالب جهان، 68 درصد از کل انرژی جهان را تشکیل می دهد، در حالی که تأثیر ماده تاریک و ماده مرئی بر جهان به 28 الی 32 درصد می رسد. از طرفی ماده تاریک با نسبت 6 به 1 بسیار بیشتر از ماده مرئی جهان است. در نتیجه 25 درصد از کل انرژی ماده جهان متعلق به ماده تاریک و اندازه کمی در حد 5 درصد از آن متعلق به ماده تشکیل دهنده ستاره ها، سیاره ها و هر چیزی است که اطراف خود می بینیم. به این ترتیب دانشمندان هیچ ایده ای درباره 95 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 قهوه مان باشیم یا حداقل هر روز مسافت بیشتری را طی کنیم؟ در واقع باید گفت ما چنین اثری را احساس نمی کنم، زیرا اجرامی مثل ستاره ها، منظومه های سیاره ای، خوشه های ستاره ای، کهکشان ها، خوشه های کهکشانی و حتی فنجان قهوه و میزمان که از نظر گرانشی به یکدیگر متصل هستند، آثار انرژی تاریک را تجربه نمی کنند؛ بنابراین باید گفت، گرانش در مقیاس کوچک بر انرژی تاریک غلبه دارد.

انرژی تاریک در مقیاس های بزرگ عمل می کند و انبساط جهان پدیده ای است که اندازه گیری آن صرفا از طریق رصد کهکشان ها و دیگر اجرامی امکان پذیر است که فاصله شان به میلیون ها، میلیاردها و حتی ده ها میلیارد سال نوری می رسد. هر چه فاصله این اجرام کیهانی بیشتر باشد، با سرعت بیشتری از یکدیگر دور می شوند.

این نمودار، سیر زمانی انبساط جهان را بر اساس نظریه بیگ بنگ و تورم کیهانی نشان می دهد

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 فاصله دورتری قرار گرفته است. در این قیاس، انرژی تاریک همان هوایی است که وارد بادکنک می شود و بر گرانش پوسته لاستیکی بادکنک غلبه می کند. با باد شدن بادکنک هر سه نقطه از یکدیگر دور می شوند اما دورترین نقطه با سرعت بیشتری فاصله می گیرد.

نقاط روی بادکنک را می توان به سه کهکشان تشبیه کرد که دو کهکشان در نزدیکی یکدیگر و یکی از آن ها دورتر از بقیه واقع شده است. کهکشان سوم با سرعت بیشتری فاصله می گیرد، زیرا فضای بین آن و کهکشان های دیگر مانند لاستیک بادکنک کش می آید و فضای بیشتر به معنی انبساط بیشتر است.

در حال حاضر بر اساس تخمین دانشمندان، کهکشان ها هر یک میلیون سال با سرعت 0.007 درصد از یکدیگر دور می شوند. برای اجرام کیهانی که 100 میلیون سال نوری فاصله دارند. این استدلال به معنی 2150 کیلومتر در ثانیه است. در عین حال کهکشانی با فاصله یک میلیارد سال نوری، ده برابر سریع تر یعنی با سرعت 21٬500 کیلومتر بر ثانیه دور می شود.

کهکشان ها هر یک میلیون سال با سرعت 0.007 درصد از یکدیگر دور می شوند

سرعت انبساط جهان برای کهکشان GN-z11، یکی از قدیمی ترین کهکشان های کشف شده در فاصله 400 میلیون سال پس از بیگ بنگ، اندازه گیری شد. این کهکشان با فاصله تقریبی 32 میلیارد سال نوری، دراثر انرژی تاریک با سرعت 687 هزار کیلومتر بر ثانیه (بیش از دو برابر سرعت نور) از ما دور می شود.

با اینکه در حقیقت هیچ چیز نمی تواند از نور در خلأ سریع تر حرکت کند (299٬792 کیلومتر بر ثانیه)، انرژی تاریک ثابت می کند بافت فضازمان محدود به چنین سرعتی نیست. به لطف وجود ماده تاریک، کهکشان ها با وجود دور شدن از یکدیگر شکل خود را از دست نمی دهند و دچار فروپاشی داخلی نمی شوند.

فریب اسامی مشابه را نخورید. انرژی تاریک و ماده تاریک گاهی به صورت ترکیبی با عنوان جهان تاریک توصیف می شوند و با وجود شباهت های محدود، با یکدیگر تفاوت دارند.

ابرنواختر نوع Ia (نقطه درخشان) در نزدیکی کهکشان NGC 4526

فرضیه های مربوط به انرژی تاریک

شرایط انرژی تاریک به عنوان نیرویی فرضی با ویژگی های ناشناخته آن را به موضوع جذابی برای پژوهش ها تبدیل کرده است. ازاین رو فرضیه های متعددی برای وجود انرژی تاریک مطرح شده اند که در ادامه به برخی از مهم ترین آن ها می پردازیم.

ثابت کیهانی

ساده ترین توصیف برای انرژی تاریک این است که انرژی ذاتی و بنیادی فضا به شمار می رود که همان ثابت کیهانی است و اغلب با حرف یونانی لامبدا (Λ) تعیین می شود. از آنجا که انرژی و جرم بر اساس معادله معروف E=mc^2 با یکدیگر مرتبط هستند، نظریه نسبیت عام اینشتین پیش بینی می کند که این انرژی دارای اثر گرانشی است. انرژی تاریک گاهی انرژی خلأ هم نامیده می شود.

اثیر

در مدل های اثیری از انرژی تاریک، افزایش سرعت انبساط جهان به دلیل انرژی احتمالی یک میدان متغیر موسوم به میدان اثیر به وجود می آید. اثیر با ثابت کیهانی فرق دارد و می تواند در فضا و زمان تغییر کند. تا به امروز هیچ شواهدی از اثیر به دست نیامده و از طرفی احتمال وجود آن حذف هم نشده است. به طورکلی این فرضیه سرعت انبساط کمتری را نسبت به ثابت کیهانی پیش بینی می کند.

بر اساس نظریه اثیر، یک میدان متغیر بر جهان تأثیر می گذارد

انرژی تاریک واکنش دهنده

نظریه های مرتبط با برهم کنش انرژی تاریک تلاش می کنند به نظریه جامعی از ماده و انرژی تاریک به عنوان یک پدیده واحد برسند که قوانین گرانش را در مقیاس های متعدد یکپارچه می سازند. برای مثال ممکن است ماده و انرژی تاریک را به عنوان ابعاد متفاوتی از یک جوهر یا ماده ناشناخته در نظر بگیرند یا فرض کنند ماده تاریک به شکل انرژی تاریک تجزیه می شود.

مدل های انرژی تاریک متغیر

تراکم انرژی تاریک ممکن است در طول تاریخ جهان تغییر کرده باشد. داده های عینی کنونی به ما اجازه می دهند تراکم انرژی تاریک فعلی را تخمین بزنیم. مدل های جدیدی با این فرضیه پیشنهاد شدند. یکی از محبوب ترین مدل ها، مدل چوالیر- پولارسکی- لیندر (CPL) است.

شک گرایی عینی

برخی جایگزین های انرژی تاریک مثل کیهان شناسی غیرهمگن بر داده های عینی استناد می کنند. در این سناریو، انرژی تاریک اصلا وجود ندارد و بیشتر زاییده اندازه گیری ها است. برای مثال برخی معتقدند افزایش سرعت انبساط جهان بیشتر یک توهم است که بر اثر حرکت نسبی ما نسبت به جهان به وجود می آید. این فرضیه در میان کیهان شناسان چندان محبوب نیست.

شواهد مربوط به انرژی تاریک

اولین اکتشاف انرژی تاریک از طریق افزایش سرعت انبساط جهان از طریق دو گروه از دانشمندان صورت گرفت که در اواخر دهه 1990 به صورت مستقل از یکدیگر کار می کردند. این گروه ها در حال بررسی ابرنواخترهای نوع Ia به این شواهد دست یافتند. ابرنواخترها انفجارهای کیهانی هستند که در پی مرگ ستاره های کلان جرم رخ می دهند و پرتوهای نوری را منتشر می کنند که مقیاس خوبی برای اندازه گیری فاصله های کیهانی به شمار می روند.

دلیل این مسئله هم این است که با انبساط جهان، نور از منابع مختلف در مدت طولانی تری به زمین می رسند و طول موجشان کش می آید. از آنجا که رنگ قرمز نشانه طول موج بلند است، این کشیدگی باعث سرخ شدن نور می شود که ستاره شناس ها این اثر را انتقال به سرخ یا ردشیفت (redshift) می نامند.

نقشه ای از پرتوهای پس زمینه به جای مانده از بیگ بنگ که از طریق فضاپیمای پلانک آژانس فضایی اروپا ثبت شده است.

هرچقدر منبع نوری دورتر باشد، نور آن بیشتر به رنگ سرخ متمایل می شود. نور منابع دوردست که هنگام نوزادی جهان رصد می شوند به سمت فروسرخ طیف الکترومغناطیس تمایل پیدا می کند. ستاره شناس ها ابرنواخترهای معروف به شمع استاندارد را برای اندازه گیری سرعت انبساط جهان یا ثابت هابل رصد می کنند.

بر اساس یافته ها، ابرنواخترهای دوردست تر که هنگام نوزادی جهان رصد شدند، کم نورتر 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 اندازه گیری های تشعشعات به جای مانده از بیگ بنگ یا تابش پس زمینه کیهانی (CMB) تأیید می شوند.

جمع بندی

انرژی تاریکی شکلی تئوری از انرژی است که تأثیر قابل توجهی بر جهان دارد و عامل انبساط آن به شمار می رود. تنها شواهد مربوط به انرژی تاریک اثری است که بر انبساط جهان دارد. نظریه های متعددی درباره انرژی تاریک وجود دارند که از معروف ترینشان می توان به اثیر و ثابت کیهانی اشاره کرد.

227227