علوم پایه، فیزیک، نجوم ۶۴۹ بازدید

«کیهان» (Cosmos) در بیشتر موارد به معنای جهان است، اما این واژه به طور کلی برای نشان دادن جهانی منظم و هماهنگ، استفاده می‌شود. این واژه برای نخستین بار توسط فیثاغورث در قرن ششم قبل از میلاد استفاده شد. کیهان در نجوم به صورت تمام جهان فیزیکی به عنوان یک کل واحد، تعریف می‌شود. لغت کیهان برگرفته از کلمه یونانی Kosmos به معنای منظم و هماهنگ است. بشر همیشه به دنبال کشف کیهان و حل پدیده‌های شگف‌انگیز آن بوده است. در این مطلب، ابتدا به پرسش کیهان چیست به زبان ساده پاسخ می‌دهیم. در ادامه، در مورد چگونگی به وجود آمدن کیهان، بزرگی و پایان آن صحبت خواهیم کرد.

کیهان چیست ؟

انسان همیشه در مورد کیهان و پدیده‌های شگفت‌انگیز آن کنجکاو بوده است. سوال‌های بی‌شماری در ذهن او در طی سالیان طولانی شکل گرفته‌اند و همیشه به دنبال راهی برای پاسخ به آن‌ها بوده است. در علم نجوم، تمام جهان فیزیکی را به عنوان یک کل واحد در نظر می‌گیرند و آن را کیهان می‌نامند.

در این مطلب، یاد می‌گیریم که تفاوت جهان و کیهان چیست و اندازه کیهان چقدر است و چگونه تشکیل شده. در انتها نیز خواهیم دید که پایان کیهان چیست و چه اتفاقی برای کیهان رخ خواهد داد. به سوالات زیر پاسخ خواهیم داد. اما اکنون می‌دانیم معنای کیهان چیست در ادامه، در مورد تفاوت آن با جهان صحبت خواهیم کرد.

تفاوت جهان و کیهان چیست ؟

جهانی که در آن زندگی می‌کنیم بسیار بزرگ و نامحدود است. انسان تنها در بخش بسیار کوچکی از جهان زندگی می‌کند، اما همواره در مورد وجود جهان‌های دیگر و کهکشان‌ها در جهان و کیهان، آگاه بوده‌ است. در حالت کلی، کلمه‌های کیهان و جهان به همان ایده جهان طبیعت اشاره دارند، اما کیهان به سیستمی گسترده‌تر و پیچیده‌تر گفته می‌شود.

اما سوالی که به دنبال پاسخ آن هستیم آن است که تفاوت اصلی جهان و کیهان چیست و آیا در حالت کلی می‌توان این دو واژه را به جای یکدیگر استفاده کرد. کیهان و جهان دو مفهوم مجزا هستند و تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند.

کیهان سیستمی کاملا منظم و هماهنگ است که توسط قانون طبیعی هدایت می‌شود، اما جهان تمام آن چیزی است که وجود دارد، مانند فضا و زمان. کلمه کیهان برگرفته از کلمه یونانی Kosmos به معنای منظم و هماهنگ است، اما جهان از کلمه یونانی Universus به معنای کل می‌آید.

کیهان توصیف‌کننده مجموعه‌ای منظم است که توسط قانون طبیعی اداره می‌شود و انسان دخالتی در هدایت آن ندارد. مفهوم کیهان برای اشاره به اجسام طبیعی، به خصوص اجرام آسمانی، به کار برده می‌شود. فیثاغورث نخستین کسی بود که از واژه کیهان برای دیدگاه فلسفی-مذهبی خود استفاده کرد. مفهوم جهان نخستین بار توسط یونانیان باستان گسترش یافت.

کیهان به عنوان همه چیز، مانند ماده و انرژی، زمین، کهکشان‌ها، ستاره‌ها و شهاب‌ سنگ ها، تعریف می‌شود. عناصر زیر در آن وجود دارند:

  • فضا
  • زمان
  • نیستی
  • ماده
  • انرژی

جهان از سه عنصر به نام‌های فضا، زمان و خلأ، تشکیل شده است. کیهان و جهان در جدول زیر با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

پارامترهای مقایسه کیهان جهان
معنا کیهان سیستمی منظم و هماهنگ است و با استفاده از قانون طبیعی هدایت می‌شود. همه فضا به همراه تمام ستارگان، تمام جهان در فضا را تشکیل می‌دهند.
شکل کیهان شکل‌ها و ابعاد مختلفی دارد. جهان تنها فضای نامحدود به شکل خود است.
شکل و اندازه شکل مشخصی دارد. جهان پیوسته توسط عامل‌های مختلفی، مانند گرما، منبسط می‌شود.

اشاره به این نکته مهم است که در بیشتر موارد، کیهان و جهان، به طور یکسان استفاده می‌شوند.

کیهان چگونه تشکیل شد ؟

نخستین پرسشی که در مورد کیهان مطرح می‌شود، چگونگی به وجود آمدن آن است. ستارگان، کهکشان‌ها، آسمان، زمین، هوا و تمام آن‌چه در اطراف خود می‌بینیم چگونه ایجاد شده‌اند؟

کیهان از میلیاردها ستاره و کهکشان تشکیل شده است. عمر کیهان در حدود ۱۳ میلیارد سال تخمین زده شده و اندازه آن به قدری بزرگ است که در ذهن محدود بشر نمی‌گنجد. کیهان در ابتدا به اندازه‌ای کوچک بود که کف دست جا می‌شد. نکته جالب آن است که هر چیزی که می‌شناسیم و نمی‌شناسیم از این کیهان کوچک، خلق شد:

  • کهکشان‌هایی که بارها عکس‌های ثبت شده از آن‌ها را توسط تلسکوپ‌هایی مانند هابل و جیمز وب مشاهده کرده‌ایم.
  • ستاره‌هایی که هر شب در آسمان می‌بینیم.
  • آبی که هر روز می‌نوشیم.
  • اتم‌های سازنده مواد
  • عنصرهای مختلف جدول تناوبی
  • هر چیزی که در اطرافمان می‌بینیم و استفاده می‌کنیم.

اما پس از گذشت میلیاردها سال، کیهان به جای بسیار متفاوتی تبدیل شده است. در این قسمت، در مورد تولد کیهان صحبت خواهیم کرد.

هر چیزی که در اطراف خود می‌بینیم از اتم‌ها و مولکول‌ها ساخته شده است. اتومبیل فورد ساخت سال ۱۹۵۶ را در نظر بگیرید. این اتومبیل از مواد مختلفی مانند فولاد، لاستیک و شیشه ساخته شده است. مواد تشکیل‌دهنده اتومبیل از ترکیب عناصری مانند آهن، سیلیکون، کروم و کربن ساخته شده‌اند. هر اتم سازنده این اتومبیل توسط کیهان خلق شده است.

اتومبیل فورد

فیزیک‌دانی به نام «لارنس کراس» (Lawrence Krauss) در مورد چگونگی به وجود آمدن اتم‌ها مطالعه می‌کند. بر طبق یافته‌های این فیزیک‌دان، هسته ستارگان، منشا بیشتر اتم‌های تشکیل‌دهنده بدن انسان است، اما برخی از آن‌ها از نخستین ثانیه‌ها پس از انفجار بزرگ یا مه‌بانگ (بیگ بنگ) وجود داشته‌اند. بنابراین، به طور قطع ما افرادی کیهانی هستیم.

از آفرینش هر تک اتم در حدود میلیاردها سال می‌گذرد. به مثالِ اتومبیل برمی‌گردیم. هر اتم تشکیل‌دهنده آن از انفجارهای ستاره‌ای، فرایندهای ابرنواختری و تکامل ستاره‌ای می‌آید. برای فهمیدن چگونگی به وجود آمدن تمام مواد خام روی زمین، باید سفری به میلیاردها سال قبل و لحظه تولید کیهان داشته باشیم.

در ابتدا هیچ چیز نبود، نه زمان و نه فضا. ناگهان نقطه‌ای نورانی با دمای بسیار بالا ظاهر شد. فضا، داخل این توپ آتشین با دمای بالا قرار داشت. این نقطه، آغاز زمان در نظر گرفته شده است. در این نقطه، ساعت کیهانی آغاز به کار کرد و انبساط فضا آغاز شد. ذکر این نکته مهم است که اندازه نقطه نورانی آغازین، حتی از اندازه تک اتم نیز کوچک‌تر بود.

نظریه خلقت کیهان از نقطه‌ نورانی بسیار کوچک با دمای بالا توسط ستاره‌شناسی آمریکایی به نام «ادوین هابل» (Edwin Hubble)‌ مطرح شد. در سال‌های بین ۱۹۲۰ تا ۱۹۳۰ میلادی، بیشتر ستاره‌شناسان معتقد بودند که هر چیز قابل مشاهده‌ای در آسمان شب، قسمتی از کهکشان راه شیری است.

اما این نظریه، هابل را قانع نکرد و او را ترغیب به انجام پژوهش‌های بیشتری کرد. او ابر نورانی چرخانی به نام سحابی آندرومدا را مطالعه کرد. نتیجه مطالعات او روی سحابی آندرومدا نشان داد که این سحابی، خانه ستارگان بسیاری است و در کهکشانی بیرون از کهکشان راه شیری و در فاصله بسیار زیادی از آن قرار گرفته است. او همچنین نشان داد کهکشان‌های دیگر به سرعت در حال دور شدن از کهکشان ما هستند. هر چه فاصله کهکشانی از ما بیشتر باشد، با سرعت بیشتری حرکت می‌کند. از این رو، هابل نشان داد که کیهان در حال منبسط و بزرگ شدن است. در ادامه، خالی از لطف نیست کمی در مورد قانون هابل و جزییات آن صحبت کنیم.

قانون هابل چیست ؟

فرض کنید کیهان در ابتدا به صورت نقطه‌هایی مشخص و با فاصله ثابت از یکدیگر بود.

جهان در ابتدا

اکنون میلیاردها سال گذشته است و این نقطه‌ها از یکدیگر دور شده‌اند. هیچ مرکزی وجود ندارد و هر نقطه‌ای از نقطه مجاور خود دور شده است. به تصویر زیر و نقطه‌های ۱، ۲ و ۳ دقت کنید. نه‌تنها فاصله نقطه ۱ از نقطه ۲ بیشتر شده، بلکه فاصله نقطه ۱ از نقطه ۳ حتی بیشتر از فاصله نقطه ۱ و ۲ از یکدیگر است. به بیان دیگر، سرعت انبساط جسمی از نقطه مرجع، به فاصله جسم تا آن نقطه بستگی دارد.

انبساط جهان

برای درک بهتر این موضوع، بادکنکی را در نظر بگیرید و تعدادی نقطه روی آن رسم و آن را باد کنید. هم‌زمان با بزرگ شدن بادکنک، خواهید دید که فاصله نقطه‌های رسم شده روی آن، زیاد می‌شود. اما نکته مهم برای ما سرعت دور شدن اجسام از یکدیگر و چگونگی تغییر آن با فاصله نسبت به زمین است.

تمام اجسام از یکدیگر دور می‌شوند و سرعت نسبی ظاهری با فاصله متناسب است. این جمله سال‌ها قبل توسط هابل مطرح و به قانون هابل معروف شد. هر چه فاصله جسمی از ما بیشتر باشد، بیشتر به سمت نور قرمز رفته است. برای نوشتن رابطه هابل، زمین را نقطه مرجع در نظر می‌گیریم:

$$v = H_0 D$$

در رابطه فوق:

  • $$v$$ سرعت حرکت جسم نسبت به ناظر (ناظر زمینی) است.
  • $$D$$ فاصله جسم از ناظر (ناظر زمینی) است.
  • $$H_0$$ ثابت هابل است.

به این نکته توجه داشته باشید که ثابت هابل، واقعا ثابت نیست و مقدار آن به این بستگی دارد که در کدام مرحله از تکامل کیهان قرار داریم. در رابطه هابل، ثابت هابل با اندیس صفر نوشته شده است و نشان‌دهنده مقدار آن در زمان حال و منظور از $$D$$، فاصله مناسب در زمان حال است. توجه به این نکته مهم است که فاصله مناسب به طور پیوسته تغییر می‌کند، زیرا جهان در حال منبسط شدن است.

قانون هابل

برای آن‌که درک شهودی در مورد سرعت حرکت اجرام آسمانی نسبت به زمین داشته باشیم، اندکی ریاضیات و اعداد را به توضیحات خود اضافه می‌کنیم. مقدار ثابت هابل اکنون برابر $$70.6 \pm 3.1 \ \frac{\frac{km}{sec}}{Mpc} $$ است. یک $$pc$$ در حدود ۳/۲ سال نوری است. به عنوان مثال، فرض کنید ناظری روی زمین، جسمی به فاصله $$1 \ Mpc$$ یا ۳/۲ میلیون سال نوری از زمین را مطالعه می‌کند. این جسم با سرعت ۷۰/۶ کیلومتر بر ثانیه از او دور می‌شود. اندازه این سرعت در مقایسه با سرعت‌ حرکت اجسام روی زمین، بسیار بزرگ‌تر است.

اگر جسمی در فاصله ۷ سال نوری از زمین یا $$2 \ Mpc$$ قرار داشته باشد، با سرعت ظاهری بزرگ‌تری نسبت به جسم اول، یعنی 141/2 کیلومتر بر ثانیه، حرکت خواهد کرد.

توضیح قانون هابل

مراحل اولیه شکل گیری کیهان چیست ؟

تاکنون می‌دانیم قانون هابل و نقش آن در انبساط کیهان چیست. در ادامه، در مورد لحظات پس از انفجار بزرگ و آغاز جهان صحبت خواهیم کرد. هابل به این نتیجه رسید که جهان به طور پیوسته در حال بزرگ شدن است. بنابراین، در سال‌های بسیار دور اندازه کیهان کوچک‌تر بوده است و اینجا بود که نظریه بیگ‌بنگ متولد شد.

نظریه بیگ‌بنگ در مورد آغاز کیهان چیزی نمی‌گوید، بلکه در مورد چگونگی تکامل آن صحبت می‌کند. هیچ‌کس به طور دقیق نمی‌داند که در زمان بیگ‌بنگ چه اتفاقاتی رخ داده است. اما، دانشمندان به طور قطع می‌دانند که در نخستین لحظات پس از تولد کیهان، توپ کوچک آتشین شروع به بزرگ شدن کرد. در نخستین لحظات پس از انفجار بزرگ، کیهان به اندازه تیله شیشه‌ای کوچک و بسیار ناپایدار بود و به صورت جهشی غیر قابل‌تصور منبسط شد.

به هنگام این انبساط بسیار سریع، فضا سریع‌تر از سرعت نور گسترش یافت. برای داشتن درک بهتری از انبساط کیهان در لحظات تولد، آن را به انبساط توپ شیشه‌ای داغ پس از خنک شدن تشبیه کرده‌اند. انبساط کیهان در لحظه تولد در همه جهت‌ها و به سرعت انجام شد و دمای آن به سرعت کاهش یافت. یک تریلیونم ثانیه پس از انفجار، کیهان به اندازه‌ای کوچک بود که در کف دست جا می‌شد. در کسر کوچکی از ثانیه پس از بیگ‌بنگ، به اندازه مریخ بزرگ شده بود و این انبساط ادامه یافت.

در نخستین لحظات پس از بیگ‌بنگ، کیهان به طور پیوسته بزرگ می‌شد. در آن لحظات هیچ ماده‌ای وجود نداشت و کیهان تنها از انرژی تشکیل شده بود. معادله معروف اینشتین را به یاد بیاورید:

$$E = mc^2$$

در این معادله جرم (ماده) و انرژی به یکدیگر مربوط می‌شوند. به بیان دیگر، جرم و انرژی از یکدیگر جدا نیستند. دانشمندان با کمک این معادله، بمب اتم ساختند. همچنین، با کمک این معادله می‌توان به چگونگی به وجود آمدن نخستین ماده در جهان پی برد. هنگامی که بمب اتم منفجر می‌شود، مقدار کوچکی ماده نابود و به انرژی تبدیل می‌شود. در کیهان تازه متولد شده، عکس این اتفاق رخ داد. انرژی خالص به ذرات مادی تبدیل شد. اما در اینجا مشکلی وجود داشت.

بیگ بنگ

کیهان، ماده و ضدماده را خلق کرد. این دو پس از برهم‌کنش با یکدیگر، از بین می‌روند. کیهان اولیه همانند منطقه جنگی بین ماده و ضدماده بود. اگر ماده و ضدماده پس از برهم‌کنش با یکدیگر از بین می‌رفتند، کیهان سرشار از انرژی باقی می‌ماند. بنابراین، کهکشان‌ها، ستارگان، سیاره‌ها و زندگی وجود نداشتند. در نتیجه، از این لحاظ خوش‌شانس بودیم.

به ازای تشکیل هر ۱۰۰ میلیون ضدماده، ۱۰۱ میلیون ذره مادی به وجود آمدند. این یک ذره مادی باقی‌مانده در هر حجم، برای تشکیل هر چیزی در جهان کافی بود. کیهان‌شناسان سال‌های زیادی در مورد چگونگی ساختار کیهان اولیه، تحقیق کرده‌اند. اکنون، در یکی از بزرگ‌ترین آزمایشگاه‌های جهان، دانشمندان در تلاش هستند شرایطی مشابه لحظات اولیه پس از بیگ‌بنگ را شبیه‌سازی کنند.

برای انجام این کار، سرعت ذرات زیراتمی را تا سرعتی نزدیک به سرعت نور افزایش می‌دهند. سپس، این ذرات با یکدیگر برخورد می‌کنند. انرژی گرمایی قابل ملاحظه‌ای در اثر برخورد این ذرات با یکدیگر تولید می‌شود. دانشمندان با بررسی دقیق برخورد این ذرات با یکدیگر به نتیجه بسیار جالبی رسیدند. پس از برخورد و افزایش قابل ملاحظه دما، حالت جدیدی از ماده ظاهر می‌شود. ظاهر شدن این ماده جدید، نظریه‌های قبلی در مورد ماهیت کیهان اولیه را زیر سوال می‌برد.

بر طبق نظریه‌های مطرح شده، کیهان اولیه از گاز تشکیل شده بود. اما یافته‌های جدید نشان داد که کیهان اولیه به شکل مایع بود و دمای اولیه آن، ۱۰۰ میلیون برابر دمای سطح خورشید بود. انرژی آن به قدری زیاد بود که ذرات بدون قید، با سرعت بسیار زیاد، ارتعاش می‌کردند. هیچ اصطکاکی وجود نداشت و مایع به راحتی جریان داشت. حتی گرانروی این مایع صفر بود، پدیده‌ای که اکنون مشاهده نمی‌شود.

مایع ایده‌آل اولیه، به شدت متلاطم و از تعداد زیادی ذرات زیراتمی تشکیل شده بود که به طور پیوسته با یکدیگر برخورد و انرژی تولید می‌کردند. باید بدانیم اگر سرعت این ذرات زیراتمی کاهش نمی‌یافت، با یکدیگر پیوند برقرار نمی‌کردند و هیچ اتمی تشکیل نمی‌شد.

سن کیهان اکنون به یک میلیونیم ثانیه و اندازه آن به هشت برابر منظومه شمسی رسیده است. اندکی از آشوب اولیه کاسته شده و آرامشی نسبی برقرار است.

پس از گذشت سه دقیقه، کیهان در حال گسترش به اندازه کافی سرد شده است. پروتون‌ها و نوترون‌ها با یکدیگر پیوند برقرار کرده‌اند و نخستین هسته اتمی، هیدروژن و هلیوم، شکل می‌گیرد. این اتم‌ها کامل نیستند، زیرا بخش حیاتی، یعنی الکترون‌، در آن‌ها غایب است. در کیهان اولیه داغ، تعداد زیادی الکترون وجود داشت، اما سرعت حرکت آن‌ها به اندازه‌ای زیاد بود که نمی‌توانستند پیوندی با هسته‌های شکل‌گرفته تشکیل دهند. این حالت به مدت صدها هزار سال ادامه یافت.

تشکیل کیهان

پیدایش نور

تاکنون می‌دانیم نخستین لحظات شکل‌گیری کیهان چیست در ادامه، در مورد پیدایش نور و کشف نخستین نور صحبت خواهیم کرد. ۳۸۰ هزار سال پس از بیگ‌بنگ، کیهان به اندازه کهکشان راه شیری منبسط شده و دمای آن از میلیون‌ها درجه فارنهایت به چند هزار درجه فارنهایت کاهش یافته بود. سرعت حرکت الکترون‌ها با کاهش دما، کاهش یافت. اکنون، زمان مناسبی برای تشکیل نخستین عنصر است.

در سال ۱۹۶۳، دو دانشمند آمریکایی در مورد امواج رادیویی کیهانی تحقیق می‌کردند. آن‌ها به هنگام پژوهش، به طور تصادفی با یکی از بزرگ‌ترین کشف‌های علم نجوم مواجه شدند. این دو دانشمند در حین انجام آزمایش با نویز غیرمنتظره‌ای مواجه شدند. این‌گونه به نظر می‌رسید که این سیگنال از فضا آمده بود. برای اطمینان، تمام منابع احتمالی سیگنال دریافتی را حذف شدند، اما هیچ تغییری ایجاد نشد. بنابراین، منبع سیگنال دریافتی روی زمین جستجو شد.

کبوترها، اولین حدس برای ایجاد این سیگنال بودند. دریافت سیگنال حتی با رفع این مشکل نیز، ادامه داشت. بنابراین، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که سیگنال از جسمی ناشناخته در آسمان می‌آید. منبع این سیگنال به پیدایش نور ربط داده شد. در کیهان اولیه، هیچ چیز دیده نمی‌شد. نور محبوس شده و کیهان مه‌آلود بود.

فرض کنید در هوای مه‌آلود در اعماق جنگل، چراغ‌قوه‌ای را روشن کرده‌اید. نور آن پس از برخورد به ذرات واقع در مه، به عقب و جلو حرکت می‌کند و در ناحیه مشخصی محبوس شده است. در کیهان اولیه با دمای بسیار بالا، توده فشرده‌ای از الکترون‌ها، نور را مسدود کرده بودند. اما پس از انبساط و سرد شدن کیهان، سرعت حرکت الکترون‌ها کاهش یافت. سپس، الکترون‌ها توسط پروتون‌ها جذب شدند و نخستین اتم هیدروژن و در ادامه هلیوم تشکیل شد. در نتیجه، نور از حبس خارج شد و به شکل انفجار، آشکار شد.

با گذر زمان، انفجار نور کم‌رنگ و سرد شد و به شکل امواج رادیویی درآمد. از این رو، سیگنال دریافتی عجیب همان سیگنال امواج رادیویی بود. ‌

مشاهده نخستین نور

تشکیل کهکشان‌ ها

تا اینجا، تنها اتم‌های هیدروژن و هلیوم ساخته شده بودند، اما جهانی که در آن زندگی می‌کنیم از صدها عنصر متفاوت ساخته شده است. برای تشکیل عناصر دیگر، اتم‌های هیدروژن و هلیوم باید با یکدیگر ترکیب و برای انجام این کار، ستاره‌ها باید تشکیل می‌شدند.

اکنون، ۲۰۰ میلیون سال از تولد کیهان می‌گذرد. دمای آن به قدری سریع کاهش یافت که حتی از دمای نیتروژن مایع (۳۶۷- درجه فارنهایت) کمتر بود. «کارلوس فرنک» (Carlos Frank) شبیه‌سازی سه‌بعدی از تولد کیهان ساخت و در آن چگونگی تکامل جهان را نشان داد. بر طبق نتایج به‌دست آمده از این شبیه‌سازی، کیهانِ متولد شده پس از بیگ‌بنگ، غیریکنواخت بود. ترک‌های بسیار کوچکی در کیهان متولد شده ظاهر شدند و بعدها به صورت کهکشان درآمدند.

کارلوس فرنک
کارلوس فرنک

اما سوالی که مطرح می‌شود آن است کهکشان‌ها چگونه‌ از این ترک‌ها ایجاد شدند. دانشمندان با مطالعه دقیق سیگنال امواج رادیویی، به سرنخ‌هایی برای حل این چالش دست یافتند.

در ابتدا کیهان اولیه بسیار یکنواخت به نظر می‌رسید، اما با انجام تحقیقات بیشتر، این نظریه رد شد. در حقیقت، کیهان اولیه سرشار از نوسان بود. این نوسانات، اطلاعات جالبی در مورد تغییرات چگالی به ما می‌دهد. ناحیه‌هایی با چگالی بیشتر برای تشکیل خوشه‌های کهکشانی، فروپاشیده می‌شوند. در مقابل، ناحیه‌هایی با چگالی کمتر انبساط می‌یابند و به نواحی خالی بین کهکشان‌ها تبدیل خواهند شد.

داخل این ترک‌ها، با ابر‌های چرخان اتم‌های هیدروژن، پر شده بود. حفره‌های بین ابرها، بزرگ‌تر شدند. چگالی ابرهای گازی و دمای آن‌ها افزایش یافت. این ابرها، توسط نیروی گرانش به سمت یکدیگر کشیده شدند. در ادامه، کهکشان‌ها و ستاره‌ها به وجود آمدند.

در این زمان، کیهان سرشار از ستاره‌هایی متشکل از هیدروژن و هلیوم است. این ستاره‌های هیچ شباهتی با خورشید نداشتند و بسیار ناپایدار بودند، اما همین ناپایداری آن‌ها سبب پیدایش عناصر جدید شد. به بیان دیگر، مرکز هسته‌ها همانند رآکتور هسته‌ای کار می‌کردند. این نظریه با تحلیل نور دریافتی از ستارگان، تایید شد.

فرستادن تلسکوپ فضایی هابل به فضا، راه جدیدی را برای مطالعه کیهان گشود. عکس‌های ارسالی توسط هابل، جزییات جدیدی را از شکل‌گیری ستارگان و کهکشان‌ها آشکار کرد.

دانشمندان معتقد هستند که زندگی امروزی بدون انفجار ستارگان امکان‌پذیر نبود. انفجار ستارگان یکی از لینک‌های کلیدی در زنجیره تکامل از انفجار بزرگ تا امروز است. یکی از بزرگ‌ترین ابرنواخترهای نزدیک به کهکشان راه شیری در سال ۱۹۸۷ در نیمکره جنوبی مشاهده شد. هنگامی که ابرنواختری مانند 1987a منفجر می‌شود، نوری متشکل از عناصر مختلف، ساطع می‌کند. دانشمندان با مطالعه طیف نوری به‌دست آمده از این ابرنواختر، به وجود عناصر شکل‌گرفته به هنگام انفجار ستاره، پی خواهند برد.

ابرنواختر 1987
برای مشاهده تصویر در اندازه بزرگ کلیک کنید (+).

انفجار ستاره‌ها در آزمایشگاه‌های پیشرفته‌ای در نقاط مختلف جهان، شبیه‌سازی شده است. برای انجام این کار از برخی شتاب‌‌دهنده‌ها به ارتفاع ۳۰ متر استفاده می‌شود. ذرات تکی داخل این برج شتاب داده می‌شوند و به یکدیگر برخورد می‌کنند و اتفاقی مشابه انفجار ابرنواختر رخ می‌دهد. عناصر سنگین‌تر از هم‌جوشی هسته‌های اتمی کوچک‌تر با یکدیگر، شکل می‌گیرند. هنگامی که ذرات داخل برج شتاب می‌گیرند، مقدار قابل‌توجهی انرژی ایجاد می‌شود.

ستاره‌های کلان‌جرم پس از وقوع انفجارهای متعدد در مرکز آن‌ها، به شکل لایه‌لایه (پیازشکل) درمی‌آیند. مرکز ستاره از جنس آهن است. بیرون هسته آهنی، لایه‌های مختلفی از عناصر سبک‌تر تشکیل‌ شده‌اند. دمای هسته آهنی در حدود هشت میلیارد درجه سانتی‌گراد و ۳۰۰ برابر داغ‌تر از مرکز خورشید است. دما به اندازه‌ای زیاد است که حتی اتم‌های آهن نیز از یکدیگر جدا می‌شوند. بنابراین، هسته ستاره، ناپایدار می‌شود و در کسری از ثانیه در خود فرو می‌پاشد. فروپاشی هسته با سرعتی بیشتر از ۶۹۰۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه، رخ می‌دهد. حجمی برابر زمین در یک لحظه به تکه‌هایی در حدود ۶ برابر شهر منهتن، تبدیل و چگالی هسته بسیار زیاد می‌شود.

هسته همانند توپ لاستیکی به حالت اولیه خود بازمی‌گردد و موج ضربه‌ای عظیمی ایجاد می‌شود. این موج، پس از خروج از هسته، به لایه‌های مختلف ستاره برخورد می‌کند. انرژی زیادی در اثر برخورد این موج به لایه‌های ستاره، ایجاد و تولید عناصر جدید آغاز می‌شود. اتم‌ها با یکدیگر برخورد و عناصری سنگین‌تر از آهن به وجود می‌آیند. سپس ستاره منفجر و باقی‌مانده‌های آن توسط موج ضربه‌ای، به فاصله‌های دور در فضا منتقل می‌شود. زندگی ما به ستارگان موجود در کیهان بستگی دارد. عکس‌هایی از انفجارهای بزرگ ستارگان، توسط تلسکوپ هابل ثبت شده است.

انفجار ستاره

تشکیل منظومه شمسی

اکنون ۹ میلیارد سال از بیگ‌بنگ می‌گذرد و تمام اجزای لازم برای زندگی تشکیل شده است. کیهان به محلی بسیار وسیع، پیچیده و سرشار از میلیاردها کهکشان و ستاره، تبدیل شده است. در گوشه‌ای از کهکشان راه شیری، توده‌ای از گرد و غبار و گاز، انباشته می‌شوند. این توده از باقی‌مانده‌های انفجار ستاره‌ای، تشکیل‌ شده است. با رسیدن جرم توده به جرم بحرانی، مواد داخل آن می‌سوزند و ستاره‌ای به نام خورشید متولد می‌شود. باقی‌مانده‌های توده، دیسکی چرخنده به شکل حلقه‌های مختلف را به دور خورشید تشکیل می‌دهند.

گرد و غبار و گازهای تشکیل‌دهنده این حلقه‌ها، به یکدیگر برخورد می‌کنند و توسط گرانش، کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. اندازه توده‌های تشکیل شده از گرد و غبار و گاز، بزرگ‌تر و سیاره‌ها تشکیل می‌شوند. یکی از این سیاره‌ها، زمین است. در طی ۵۰۰ میلیون سال، لایه‌ای متشکل از گاز به نام اتمسفر، به دور زمین تشکیل خواهد شد.

امروزه با استفاده از تلسکوپ‌هایی مانند هابل یا تلسکوپ فضایی جیمز وب، مطالعه ستارگان، کهکشان‌ها و ابرنواخترها بسیار آسان‌تر شده است. جیمز وب با استفاده از نور فروسرخ تصاویر حیرت‌آوری از کیهان به ثبت خواهد رساند و نادیده‌ها را آشکار خواهد کرد.

منظومه شمسی

در مطالب بالا، در مورد پیدایش کیهان، نخستین نور و تشکیل کهکشان‌ها و منظومه شمسی صحبت کردیم. در ادامه، در مورد ده مرحله از پیدایش کیهان تا زمان حال، توضیح می‌دهیم.

تاریخچه کیهان چیست ؟

گفتیم کیهان در حدود ۱۳ میلیارد سال قبل در اثر انفجار جرمی با چگالی بی‌نهایت، آغاز شد. تکامل کیهان از ابتدا تاکنون، در ده مرحله صورت گرفته است.

مرحله ۱: پیدایش

به هنگام صحبت در مورد بیگ‌بنگ، از لغت انفجار در کنار آن استفاده می‌کنیم. اما بیگ‌بنگ، همان‌‌طور که از نام آن استنباط می‌شود،‌ انفجاری در فضا نیست. بر طبق گفته‌های دانشمندان، بیگ‌بنگ، پیدایش فضا در همه جای کیهان بود. بر طبق نظریه بیگ‌بنگ، جهان از نقطه‌ای بسیار داغ، متراکم و تک، متولد شد.

یکی از شواهد مربوط به بیگ‌بنگ و تولد کیهان، مشاهده پس‌زمینه مایکروویو کیهانی است. این پس‌زمینه از نور تشعشع شده از بیگ‌بنگ تشکیل شده است و توسط آشکارسازهای مایکروویو کشف شد.

در سال ‌۲۰۰۱، ناسا کاوشگر ناهمسانگردِ مایکروویوی به نام «ویلکینسون» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe | WMAP) را به فضا پرتاب کرد. این کاوشگر در فاصله ۱/۵ میلیون کیلومتری از زمین و در نقطه لاگرانژی L2 قرار گرفت. هدف اصلی WMAP تولید نقشه‌ از تمام آسمان پس‌زمینه مایکروویو کیهانی بود. از آنجایی که تفاوت دمایی تنها از مرتبه ۰/۰۰۰۲ درجه سلسیوس بود، دقت کافی برای به‌دست آوردن اطلاعات مفید بسیار ضروری بود. همچنین، WMAP سن جهان را در حدود ۱۳/۷ میلیارد سال تخمین زد.

نقشه کامل آسمان
تصویر تمام آسمان از نوسانات دمایی (تفاوت در رنگ‌ها) در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی. این تصویر از ۹ سال مشاهدات WMAP ساخته شده است. نقاط مشاهده شده در تصویر، بذرهای کهکشان‌ها، ۴۰۰ هزار سال پس از تولد کیهان هستند.

مرحله ۲: نخستین رشد جهشی کیهان

در نخستین لحظات پس از انفجار بزرگ، رشد جهشی باورنکردنی در کیهان رخ داد. در مدت این انبساط جهشی، که به عنوان تورم شناخته می‌شود، کیهان به طور تصاعدی رشد کرد و اندازه آن چندین برابر شد.

با انبساط جهان، دما و چگالی آن کمتر شد. پس از تورم، انبساط جهان با سرعت کمتری ادامه یافت. در این زمان دمای کیهان بسیار کمتر از لحظات اولیه بود و ماده نیز تشکیل شد.

مرحله دوم شکل گیری کیهان
مرحله دوم شکل گیری کیهان

مرحله ۳: عدم درخشش نور

عناصر شیمیایی سبک، سه دقیقه پس از تولد کیهان، آفریده شدند. دمای کیهان با انبساط آن کاهش یافت و پروتون‌ها و نوترون‌ها به یکدیگر برخورد و دوتریوم را تولید کردند. دوترویوم یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن است. بسیاری از دوتریوم‌ها با یکدیگر ترکیب و هلیوم را تشکیل دادند. در ۳۸۰ هزار سال ابتدای کیهان، شدت گرما به اندازه‌ای زیاد بود که درخشش نور مشخص نبود.

اتم‌ها با نیروی زیادی به یکدیگر برخورد می‌کردند و به پلاسمای متراکم پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها تبدیل می‌شدند. این پلاسما، نور را مانند مه پراکنده می‌کرد.

مرحله ۴: پیدایش نور

در حدود ۳۸۰ سال پس از بیگ‌بنگ، دما به اندازه‌ای پایین آمده بود که الکترون‌ها بتواند با هسته ترکیب و اتم‌های خنثی را تشکیل دهند. این مرحله به عنوان بازترکیب شناخته می‌شود. جذب الکترون‌های آزاد باعث شفافیت کیهان شد. نور آزاد شده در این زمان به شکل تشعشعِ پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، آشکار می‌شود. توجه به این نکته مهم است که دوران بازترکیب با دوره‌ای تاریکی همراه بود.

مرحله ۵: پایان دوران تاریکی

در حدود ۴۰۰ میلیون سال پس از بیگ‌بنگ، کیهان از دوران تاریکی خارج شد. به این دوره از تکامل، یونیزاسیون مجدد گفته می‌شود. تصور می‌شد که این مرحله دینامیک در حدود ۵۰۰ میلیون سال به طول انجامید، اما بر طبق مشاهدات جدید، مرحله یونش مجدد سریع‌تر از این مدت به اتمام رسیده است. در طی این مدت، توده‌های گاز فروپاشیده شدند و نخستین ستارگان و کهکشان‌ها تشکیل شدند. نور ماورابنفش تابیده شده از این رخدادهای پرانرژی، بیشتر گاز هیدروژنی خنثای اطراف را از بین برد.

فرایند یونیزاسیون مجدد به همراه حذف گازهای هیدروژنی سبب شد که کیهان برای نخستین بار نسبت به نور ماورابنفش شفاف شود.

پایان دوران تاریکی

مرحله ۶: ستاره‌ها و کهکشان‌های بیشتر

ستاره‌شناسان برای فهمیدن ویژ‌گی‌های کیهان اولیه، به دنبال دورترین و قدیمی‌ترین کهکشان‌ها هستند. به طور مشابه، مطالعه پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، کمک بزرگی به ستاره‌شناسان در درک اتفاقات رخ داده در کیهان اولیه می‌کند.

مرحله ۷: تولد منظومه شمسی

منظومه شمسی در حدود ۹ میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ متولد شد و سن آن در حدود ۴/۶ میلیارد سال است. خورشید یکی از صدها میلیون ستاره در کهکشان راه شیری است و در فاصله ۲۵ هزار سال نوری از مرکز کهکشان قرار دارد.

مرحله ۸: ماده نامریی در کیهان

بین سال‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰ میلادی، مساله جدیدی ذهن ستاره‌شناسان را به خود مشغول کرد. شاید جرم بیشتری در کیهان وجود داشته باشد. ستاره‌شناسی به نام «ورا رابین» (Vera Rubin) سرعت ستاره‌ها را در مکان‌های مختلفی از کهکشان‌ها مشاهده و بررسی کرد.

بر طبق فیزیک نیوتنی، ستاره‌های حاشیه کهکشان با سرعت کمتری نسبت به ستاره‌های مرکزی، می‌چرخند. اما یافته‌های رابین چیز دیگری نشان داد. بر طبق یافته‌های این ستاره‌شناس، هیچ تفاوتی در ستاره‌های خارجی‌تر دیده نمی‌شد. در حقیقت، تمام ستاره‌ها در کهکشان با سرعت تقریبا یکسانی، به دور مرکز می‌چرخند.

به این ماده رازآلود و نامریی، ماده تاریک گفته می‌شود. ماده تاریک قسمتی از جهان را تشکیل داده است، اما هرگز دیده نمی‌شود. ماده تاریک در حدود ۸۰ درصد ماده کل جهان را تشکیل می‌دهد. این ماده به طور کامل نامریی است و هیچ انرژی یا نوری تشکیل نمی‌دهد، بنابراین توسط سنسورهای معمولی قابل آشکارسازی نیست. بر طبق پیش‌بینی فیزیک‌دان‌ها، ذرات تشکیل‌دهنده ماده تاریک با ذرات تشکیل‌دهنده ماده معمولی، تفاوت دارد.

انرژی و ماده تاریک

مرحله ۹: کیهان در حال گسترش و شتاب

در دهه بیست میلادی، هابل کشف مهمی در مورد کیهان انجام داد. او متوجه شد که کیهان ساکن نیست و منبسط می‌شود. سال‌ها بعد و در سال ۱۹۹۸، تلسکوپ فضایی هابل با مطالعه ابرنواخترهای بسیار دور به این نکته پی برد که کیهان در گذشته با سرعت کمتری نسبت به امروز، منبسط می‌شد. ستاره‌شناسان با این کشف، بسیار شگفت‌زده شدند. زیرا مدت‌ها تصور می‌شد که جاذبه ماده در کیهان انبساط آن را کند و حتی سبب انقباض آن می‌شود. انرژی تاریک نیروی بسیار عجیبی است که سبب انبساط کیهان با سرعت‌های افزایشی می‌شود.

مرحله ۱۰: دانش بیشتر

اکنون، انسان با استفاده از تجهیزات پیشرفته می‌داند کیهان چیست و چگونه تشکیل شده است، اما هنوز پرسش‌های زیادی بدون پاسخ باقی مانده‌اند. به عنوان مثال، ماده تاریک و انرژی تاریکی از بزرگ‌ترین چالش‌های کیهان‌شناسی هستند.

اکنون می‌دانیم منشا کیهان چیست و چگونه تشکیل شده است، اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که قبل از انفجار بزرگ چه اتفاقی رخ داد و نظریه بیگ‌بنگ تا چه اندازه معتبر است. در ادامه، در مورد این موضوع صحبت خواهیم کرد.

قبل از بیگ بنگ چه اتفاقی رخ داد ؟

پاسخ به پرسش کیهان چیست و دانستن مراحل شکل‌گیری آن، تنها سوالات مطرح شده در مورد کیهان نیستند. آنچه قبل از بیگ‌بنگ اتفاق افتاد یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های انسان تاکنون بوده است. در ابتدا، توپی بسیار کوچک و متراکم از ماده وجود داشت. سپس، انفجاری بزرگ رخ داد و اتم‌ها، ستارگان و کهکشان‌ها تشکیل شدند. این نظریه ده‌ها سال توسط فیزیک‌دان‌های مختلف مطرح شده است.

بر طبق آخرین تحقیقات انجام شده توسط فیزیک‌دان‌های نظری، کیهان ممکن است آخرین تکرار یک چرخه انفجاری-جهشی باشد که حداقل برای یک‌بار و شاید برای همیشه، ادامه دارد. اما قبل از تصمیم برای حذف نظریه بیگ‌بنگ و جانشین کردن آن با نظریه چرخه انفجاری-جهشی، این پیش‌بینی‌های نظری باید از آزمایش‌های مختلف، سربلند بیرون بیایند. دانشمندان، تصویر بسیار خوبی از کیهان اولیه دارند. در این مدل، جهان اولیه بسیار کوچک‌تر، داغ‌تر و متراکم‌تر بود. نظریه بیگ‌بنگ توسط آزمایش‌های بسیاری تایید شده است. اما این نظریه هر اندازه خوب باشد، کامل نیست. قطعه گمشده‌ای در آن وجود دارد و آن قطعه، نخستین لحظات کیهان است. برای توصیف و درک کیهان از ترکیب نسبیت عام و فیزیک ذرات با انرژی بالا، استفاده می‌شود. اما این ترکیب تنها تا جایی کاربردی و قابل استفاده است. هرچه برای درک کیهان عمیق‌تر و به نخستین لحظات تولد آن نزدیک‌تر می‌شویم، ریاضیات استفاده شده بسیار پیچیده‌تر و حل معادلات حاکم بسیار سخت‌تر خواهد شد. در پایان، پیچیدگی به حدی می‌رسد که باید تسلیم شویم.

وجود تکینگی یا نقطه‌ای با چگالی بی‌نهایت، نشانه و دلیل اصلی ترغیب ما برای ادامه پژوهش است. تکینگی به ما می‌گوید که کیهان در نقطه‌ای با چگالی نامحدود و بسیار کوچک، فشرده شده بود. برای درک تکینگی و حل معادلات حاکم بر آن، به نظریه‌های فیزیکی جدید، نیاز داریم. این نظریه جدید باید قادر به کنترل گرانش و دیگر نیروها، در انرژی‌های بسیار بالا باشد. این نظریه، ریسمان نام دارد. فیزیک‌دان‌های نظری معتقد هستند که با استفاده از نظریه ریسمان می‌توانند نخستین لحظات تولد کیهان را توضیح دهند.

جهان «اکپیروتیک» (Ekpyrotic)، یکی از نخستین ایده‌های این نظریه است. اکپیروتیک از کلمه یونانی آتش‌سوزی یا آتش، گرفته شده است. بر طبق این ایده، جرقه بیگ‌بنگ توسط اتفاق دیگری قبل از آن، زده شد. در واقع، بیگ‌بنگ آغاز نبود، بلکه قسمتی از فرایندی بزرگ‌تر بود.

گسترش مفهوم اکپیروتیک سبب شکل‌گیری نظریه‌ای دیگر، به نام کیهان‌شناسی چرخه‌ای شد. بر طبق این نظریه، کیهان به طور تناوبی تکرار می‌شود. قدمت نظریه کیهان‌شناسی چرخه‌ای به هزاران سال قبل برمی‌گردد، اما نظریه ریسمان به این نظریه، شکل ریاضی داد. ایده کیهان‌شناسی چرخه‌ای بسیار جالب به نظر می‌رسید، اما شکل‌های اولیه آن با مشاهدات تجربی سازگار نبودند.

سازگاری با مشاهدات مربوط به پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، یکی از اصلی‌ترین مانع‌های این نظریه بود. بنابراین، این‌گونه به نظر می‌رسید که ایده کیهان چرخه‌ای، ایده‌ای منظم، اما نادرست بود.

نظریه جهان اکپیروتیک سال‌ها مطرح بود. مقاله‌ای در ماه مارس سال ۲۰۲۰ به چاپ رسید و این نظریه را از نظر ریاضیات حاکم بر آن بررسی کرد. بر طبق نتایج به‌دست آمده در این مقاله، در لحظه جهش و زمانی که کیهان ما به نقطه بسیار کوچکی، فشرده می‌شود و به حالت بیگ‌بنگ بازمی‌گردد، هر چیزی را می‌توان برای به‌دست آوردن مشاهدات مناسب، در یک ردیف قرار داد. به بیان دیگر، پیچیدگی و درک ناقص فیزیک حاکم بر این لحظه بحرانی (لحظات اولیه تولد کیهان) ممکن است سبب بازنگری اساسی دیدگاه ما نسبت به زمان و مکان در کیهان شود.

به هر حال، برای آزمایش صحت این مدل باید منتظر آزمایش‌های نسل جدید کیهان‌شناسی باشیم.

اکنون می‌دانیم کیهان چیست و چگونه تشکیل شده است. اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که شکل کیهان چیست. در ادامه، به این پرسش پاسخ خواهیم داد.

شکل کیهان چیست ؟

متون مذهبی در مورد شکل کیهان، نظریه‌های مختلفی را مطرح کرده‌اند. در متون مذهبی هندی، کیهان به شکل بدن انسان توصیف شده است. در گذشته‌های دور و در خاورمیانه، کیهان به شکل دیسکی شناور روی آب، توصیف شده است. ارسطو کیهان را به شکل کره توصیف کرد، زیرا کره یکی از ایده‌آل‌ترین شکل‌های هندسی است. متون هندی، کیهان را به صورت تخم‌مرغ کیهانی بسیار بزرگ تصور کردند و هر چیزی در کیهان را داخل این تخم‌مرغ قرار دادند.

در سال ۱۹۵۹، نویسنده‌ای به نام «هوارد بلوم» (Howard Bloom) نظریه‌ای در مورد شکل و اندازه کیهان مطرح کرد. بر طبق این نظریه، کیهان کوچک‌تر از چیزی بود که فکر می‌شد و شکل آن شبیه دونات فرض شد. هوارد، نظریه خود را مناسب کتاب‌های علمی-تخیلی می‌دانست. اما، در سال‌های اخیر، برخی از فرضیه‌های او تایید شدند.

هوارد بلوم
هوارد بلوم

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که آیا روزی انبساط جهان متوقف خواهد شد. این اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که چگالی کیهان به مقداری بحرانی برسد. در این چگالی، مقدار جرم جهان به اندازه‌ای است که انبساط آن پس از زمانی نامتناهی، متوقف خواهد شد. دانشمندان با مقایسه مقدار جرم موجود در کیهان با چگالی بحرانی، شکل و پایان کیهان را تعیین می‌کنند. اینشتین در نظریه نسبیت عام خود مطرح کرد که فضا در نزدیکی جسمی با جرم بسیار زیاد خمیده می‌شود. بر طبق این نظریه، کیهان می‌تواند به سه شکل باشد:

  1. مسطح همانند کاغذ: اگر چگالی کیهان با چگالی بحرانی برابر باشد، شکل آن تخت و شبیه کاغذ است.
  2. بسته همانند کره: اگر چگالی کیهان بیشتر از چگالی بحرانی باشد، انبساط آن متوقف خواهد شد. در نتیجه، کیهان بسته و به شکل کره‌ای چهاربعدی است.
  3. باز همانند زین اسب: اگر چگالی کیهان کمتر از چگالی بحرانی باشد، ماده کافی در کیهان برای غلبه بر انبساط و توقف آن وجود ندارد. بنابراین، انبساط جهان تا بی‌نهایت ادامه می‌یابد.

هندسه نجومی موضوع بی‌اهمیتی نیست و سرنوشت کیهان به آن بستگی دارد. شکل جهان اطلاعات مهمی در مورد گذشته و آینده آن به ما می‌دهد.

  • آیا جهان تا ابد منبسط می‌شود؟
  • آیا جهان در جایی از زمان فرو می‌پاشد؟
  • آیا جهان محدود است؟
  • آیا جهان نامحدود است؟

پاسخ به تمام سوالات بالا مهم است. ساختار نهایی کیهان به دو عامل بستگی دارد:

  1. چگالی آن
  2. نرخ انبساط آن

در حدود ۶۸ درصد کیهان از انرژی تاریک و ۲۷ درصد آن از ماده تاریک تشکیل شده است. تنها ۵ درصد جهان از ماده معمولی یعنی سیاره‌ها، ستارگان و اجرام آسمانی دیگر، تشکیل می‌شود. چگالی جهان به این بستگی دارد که چه مقدار از ماده معمولی در حجم معینی از فضا قرار گرفته است.

کیهان بسته

به طور حتم بارها از خود پرسیده‌اید شکل کیهان چیست. شاید در تصورات خود شکل‌های مختلفی را به آن نسبت داده باشید. در این بخش، در مورد محتمل‌ترین شکل‌های کیهان، صحبت خواهیم کرد.

اگر چگالی کیهان به اندازه‌ای بزرگ باشد که نیروی جاذبه آن بر نیروی انبساط، غلبه کند، کیهان بسته و انحنای آن مثبت و نشان‌دهنده کره است. یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز این کیهان محدود بودن آن بدون هیچ حد و مرزی است. در این حالت، نور پس از سفر به دور کیهان، به نقطه شروع بازمی‌گردد. انحنای کیهان در این حالت مثبت و انرژی کل آن منفی است.

جهان بسته
کیهان بسته

پایان کیهان در این حالت هنگامی رخ می‌دهد که تمام ماده موجود در جهان به داخل خود کشیده و پودر می‌شوند. به این پدیده «کرنش بزرگ» (Big Crunch) می‌گویند و برعکس بیگ‌بنگ است. گرچه کیهان کروی از طرف بیشتر دانشمندان رد شده است، مطالعات اخیر آن را به عنوان شکل احتمالی کیهان مطرح کرده‌اند.

کیهان تخت، قطعه‌ای کلیدی در مدل کیهان‌شناسی استاندارد است و به عنوان مدل ماده تاریک سرد لامبدا (Lambda Cold Dark Matter | $$\Lambda CDM$$) نیز شناخته می‌شود. اما در اواخر سال ۲۰۱۹، ستاره‌شناسی به نام «الساندرو پلچیوری» (Alessandro Melchiorri) و همکارانش، با اندازه‌گیری پس‌زمینه مایکروویو کیهانی با استفاده از رصدخانه فضایی پلانک، به این نتیجه رسیدند که کیهان بسته است.

آن‌ها مقدار همگرایی گرانشی را بررسی کردند (مقدار انحراف نور پس‌زمینه کیهانی به دلیل جاذبه ماده قرار گرفته در مسیر آن) و مقداری بیشتر از مقدار پیش‌بینی شده توسط مدل $$\Lambda CDM$$، به‌دست آوردند. اگر به جای تلاش برای برازش داده‌های به‌دست آمده به مدل غلط، فرضیه جهان تخت را حذف کنید، انحراف به‌دست آمده از بین می‌رود.

الساندرو پلچیوری
الساندرو پلچیوری

کیهان باز

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که منظور از بسته بود کیهان چیست و تفاوت کیهان باز با کیهان بسته چیست. اگر چگالی کیهان بسیار کوچک باشد و نتواند بر نیروی انبساط غلبه کند، فضا در جهت مخالف خواهد چرخید. در این حالت، کیهان، باز، انحنای آن منفی و به شکل زین اسب است. هنگامی که در مورد شکل کیهان توضیح می‌دهیم، باید به این نکته دقت داشته باشیم که کیهان در چهاربعد وجود دارد. اما هر شکلی که در مورد آن صحبت می‌کنیم، در دو یا سه‌بعد تصور می‌شود.

در حالتی که کیهان به شکل زین اسب است، نور هیچ‌گاه به نقطه آغاز باز نمی‌گردد و تا ابد به مسیر خود ادامه می‌دهد. از آنجا که انبساط کیهان تا ابد ادامه دارد، به نقطه‌ای می‌رسد که ماده کش می‌آید و به قسمت‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شود. بنابراین، کیهان به نقطه پایانی خود (Big rip) می‌رسد. انحنای کیهان در این حالت منفی و انرژی کل آن مثبت است.

کیهان به شکل زین اسب
کیهان به شکل زین اسب

داستان طلایی دیگری نیز برای کیهان وجود دارد که دانشمندان آن را محتمل‌ترین داستان می‌دانند. بیشتر شواهد کیهان‌شناسی، نظر صحیحی در مورد چگالی کیهان دارند و آن را برابر شش پروتون در هر ۰/۲۳ مترمربع می‌دانند. کیهان در هر جهتی بدون انحنای مثبت یا منفی، منبسط می‌شود. به بیان دیگر، کیهان مسطح است (این موضوع شاید بر هر کسی که از گرد بودن زمین ناامید شده است، تسلی‌بخش باشد).

کیهان مسطح به صورت سه بعدی

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که منظور از مسطح بودن کیهان چیست و چرا این نظریه مطرح شده است. مسطح بودن شبیه حالت دوبعدی نیست که در زندگی روزمره با آن روبرو می‌شویم، اما برای فهمیدن آن می‌توان از شبیه‌سازی‌های مختلفی استفاده کنیم.

فرض کنید در گوشه اتاقی به شکل مربع ایستاده‌اید. ده متر در امتداد دیوار راه بروید تا به گوشه دیگر اتاق برسید، سپس ۹۰ درجه بچرخید. دوبار ده متر دیگر راه بروید و به اندازه ۹۰ درجه بچرخید. این کار را دوبار دیگر انجام دهید، بله به جایگاه اولیه خود بازگشته‌اید و یک مربع را کامل کرده‌اید. این همان هندسه اقلیدسی استاندارد است که در دبیرستان آموخته‌ایم. اگر یک بعد دیگر اضافه کنیم، کیهانی مسطح خواهیم داشت.

با انجام این آزمایش روی فضایی با انحنای مثبت (کیهان بسته)، به نتیجه متفاوتی خواهید رسید. برای این حالت، از خط استوای زمین شروع کنید و به سمت قطب شمال بروید. سپس، به اندازه ۹۰ درجه بچرخید و به سمت استوا بروید. در ادامه، ۹۰ درجه دیگر بچرخید و به نقطه آغاز برگردید. در حالت کیهان مسطح، پس از چهار دور به نقطه شروع بازگشتید، اما در مثال جهان بسته، این اتفاق تنها با سه دور، رخ داد.

اگر درک این موضوع هنوز برای شما مشکل است، به مثال دیگری در این مورد توجه کنید. اگر دو موشک در کیهان تخت کنار هم پرواز کنند، همواره موازی یکدیگر باقی خواهند ماند. این حالت در کیهان بسته برقرار نیست و مسیرهای دو موشک از یکدیگر جدا خواهند شد. موشک‌ها در امتداد انحنای فضا حرکت می‌کنند و در پایان در نقطه شروع، به یکدیگر می‌رسند. اگر انحنای فضا منفی باشد، موشک‌ها از یکدیگر جدا خواهند شد و هرگز از کنار هم عبور نخواهند کرد.

شکل های کیهان چیست
شکل‌های پیشنهاد شده برای کیهان

بهترین سرنخ‌ها در مورد شکل کیهان در پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، یافت می‌شوند. در دهه‌های اخیر، دانشمندان به طور تناوبی نوسانات دمایی پس‌زمینه مایکروویو کیهانی را اندازه گرفته‌اند و تقریبا هیچ انحنایی پیدا نکرده‌اند.

توجه به این نکته مهم است که کوچک‌ترین دلیلی برای شک در مورد کیهان تخت، وجود ندارد. تمام اندازه‌گیری‌های پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، مانند اندازه‌گیری‌های WMAP، با فرضیه جهان تخت سازگار هستند.

پایان کیهان در حالت مسطح شبیه پایان آن در حالت بسته با زین اسبی است. در این حالت، تمام مواد موجود در جهان به قطعه‌های بسیار کوچک‌تری تقسیم می‌شوند. گرچه سه مدل کیهان تخت، بسته و باز، شناخته شده‌ترین مدل‌های پیشنهادی برای شکل کیهان هستند، مدل‌های دیگری نیز توسط فیزیک‌دان‌های مختلف پیشنهاد شده است. همان‌طور که گفته شده فیزیک حاکم بر تورم کیهان بسیار پیچیده و ناشناخته است، بنابراین شکل کیهان ممکن است به طور کامل پیچیده و متفاوت باشد.

به هنگام پاسخ به پرسش شکل کیهان چیست، گاهی به توپولوژی آن اشاره می‌شود. در این حالت، شاید فرض شود که جنس جسم، لاستیکی و چکش‌خوار است. بنابراین، کیهان ممکن است شکل‌های بسیار متفاوتی داشته باشد. بر طبق برخی نظریه‌های مطرح شده، کیهان ممکن است به شکل دونات یا سیم‌پیچ باشد. این حالت هنگامی رخ می‌دهد که کیهان تخت است و قسمت‌های مختلفی از آن در نقطه‌های متفاوت به یکدیگر متصل شده‌اند.

شکل دونات کیهان

کیهان با انحنای منفی می‌تواند به شکل شیپور باشد. در این حالت، یک انتهای آن پهن و انتهای دیگر بسیار باریک است. در این صورت، فردی که در انتهای باریک زندگی می‌کند، تنها دوبعد را درک خواهد کرد. برخی شکل‌های پیشنهاد شده برای کیهان، غیر قابل‌جهت‌گیری هستند. اگر در چنین کیهانی سفر کنید، پس از بازگشت به زمین:

  • قلب شما سمت مخالف قرار دارد.
  • ساعت شما، پادساعتگرد کار می‌کند.

دیگر شکل‌های پیشنهاد شده برای کیهان عبارت هستند از:

  • مکعب
  • منشور شش‌ضلعی
  • دودکش
  • دودکش پیچ‌خورده

از آنجایی که انرژی یکی از مهم‌ترین بخش‌های فیزیک است، در مورد مفهوم آن در کیهان با جزییات بیشتری صحبت خواهیم کرد.

منشا انرژی در کیهان چیست ؟

در زندگی روزمره بارها از مفهومی به نام انرژی استفاده کرده‌ایم بدون آن‌که مفهوم فیزیکی آن را بدانیم. انرژی کمیتی بسیار مهم است و برای ادامه حیات به آن نیاز داریم. نخستین سوالی که باید به آن پاسخ دهیم آن است که مفهوم انرژی چیست. انرژی در فیزیک به معنای ظرفیت انجام کار است و شکل‌های مختلفی دارد. براساس قانون پایستگی انرژی، انرژی نه از بین می‌رود و نه به وجود می‌آید، بلکه از حالتی به حالت دیگر تبدیل می‌شود. به بیان دیگر، مقدار انرژی کل در کیهان، ثابت است.

سوال دیگری که ممکن است به وجود آید آن است که اگر انرژی نه از بین می‌رود و نه به وجود می‌آید، از کجا آمده است و منشا آن در کیهان چیست و از کجا آمده است. نظریه‌های مختلفی در مورد منشا انرژی در کیهان وجود دارند، اما هیچ‌‌کس به طور قطع پاسخ این پرسش را نمی‌داند. در ادامه، نظریه‌های مختلف را به طور خلاصه بیان می‌کنیم.

رابطه انرژی و شکل کیهان چیست ؟

شکل‌های مختلفی را به کیهان نسبت داده‌اند، از میان آن‌ها کیهان تخت، کیهان بسته یا کروی و کیهان باز یا زین اسبی از معروف‌ترین شکل‌های نسبت داده شده به جهان هستند. انرژی کیهان بسته با انحنای مثبت، منفی، انرژی کیهان باز با انحنای منفی، مثبت و انرژی کیهان تخت، صفر است.

ستاره‌ای مانند خورشید را در نظر بگیرید که در مرکز قرار دارد و سیاره‌ای مانند زمین به دور آن در مداری دایره‌ای می‌‌چرخد. نیروی بین خورشید و زمین، نیروی جاذبه گرانشی است. انرژی مدار چرخشی از نوع انرژی جاذبه‌ای و منفی است. طول مدار چرخش با تزریق انرژی، افزایش داده می‌شود. اگر به زمین سرعت بیشتری دهیم، مدار دایره‌ای به بیضی تبدیل می‌شود. هرچه سرعت چرخش زمین بیشتر شود، طول بیضی نیز به نسبت افزایش خواهد یافت. اگر سرعت چرخش زمین به دور خورشید از سرعتی بحرانی بیشتر شود، زمین از مدار خود خارج و به بی‌نهایت می‌رود. بنابراین، مقدار انرژی گرانشی کل سیستم خورشید، زمین و مدار چرخش برابر صفر خواهد بود. به مسیر حرکت زمین در این حالت، سهمی گفته می‌شود.

اگر سرعت زمین را باز هم افزایش دهیم، به مسیر خود ادامه می‌دهد و به سمت بی‌نهایت می‌رود. در این حالت، انرژی کل مثبت و مسیر حرکت هذلولی است. این حالت را به طور حتم مشاهده کرده‌اید. چراغ‌قوه‌ای را روشن و نور آن را به طور مستقیم روی دیوار بیاندازید. دایره‌ای نورانی را مشاهده خواهید کرد. در ادامه، چراغ‌قوه را نسبت به سطح افق با زاویه‌ای مشخصی قرار دهید و نور آن را روی دیوار بتابانید. اکنون، به جای دایره، بیضی نورانی مشاهده می‌کنید. اگر چراغ‌قوه را در فاصله بسیار نزدیکی از دیوار و موازی آن قرار دهید، سهمی نورانی مشاهده خواهید کرد.

نور چراغ قوه

اگر فضا-زمان تخت باشد، مقدار انرژی کل کیهان برابر صفر خواهد بود. اگر کیهان هر شکل دیگری با انحنای مثبت یا منفی داشته باشد، مقدار انرژی کل مثبت یا منفی است، اما مقدار انرژی کل کیهان تخت برابر صفر خواهد بود. اما معنای این جمله چیست؟ شاید باورنکردنی به نظر برسد، ولی بسیاری از دانشمندان معتقد هستند که مقدار کل انرژی در کیهان صفر است. بنابراین، به هنگام تولد کیهان، نیازی به خلق انرژی نبود. به بیان دیگر، کیهان از هیچ متولد شده است.

مقدار زیادی انرژی در ذرات و تشعشعات کیهانی وجود دارد و مقدار آن با انرژی منفیِ جاذبه گرانشی بین ذرات، به تعادل می‌رسد. بر طبق توضیحات «استفان هاوکینگ» (Stephen Hawking)، هنگامی که دو جسم را از یکدیگر دور می‌کنیم، باید برای غلبه بر نیروی جاذبه گرانشی بین آن‌ها، انرژی مصرف کنیم. از آنجا که انرژی لازم برای جدا کردن دو جسم از یکدیگر مثبت است، انرژی حاصل از گرانش، منفی خواهد بود. اگر این نظریه درست باشد، نیازی به خلق انرژی یا ماده به هنگام تولد کیهان نبود. این بدان معنا است که بیگ‌بنگ می‌تواند به صورت نوسانی آماری ساده، آغاز شده باشد. اما سوال اصلی هنوز پابرجاست، منشا انرژی در کیهان چیست و کیهان چگونه از هیچ خلق شده است.

هاوکینگ

انرژی در بعد چهارم

هیچ‌کس نمی‌داند انرژی چیست. فیزیک‌دان بزرگ معاصر، «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman)، می‌گوید انرژی تنها عددی است که از محاسبات به‌دست می‌آید. هیچ‌کس نمی‌داند زمان چیست. در این مورد باید از اینشتین تشکر کنیم که زمان را در بعد چهارم جای داد. ما هیچ دیدگاهی در مورد بعد چهارم نداریم، زیرا در دنیای سه‌بعدی زندگی می‌کنیم. از این رو، زمان را نمی‌توانیم اندازه بگیریم، تنها حرکت عقربه ساعت را دنبال می‌کنیم. بنابراین، هر چیزی که درک درستی از آن نداریم در بعد چهارم قرار می‌گیرند. در نتیجه، انرژی را نه می‌توانیم خلق کنیم و نه از بین ببریم، زیرا واقعیتی چهاربعدی است که با دنیای سه‌بعدی ما فاصله زیادی دارد.

«واکر گارگاگلیانو« (Walker Gargagliano) واضح‌ترین پاسخ را به پرسش مطرح شده، داده است. انرژی برای ما بسیار دقیق و ظریف است، زیرا از جایی غیرقابل‌دسترس و نامفهوم برای ما، آمده است.

علم نیز دیدگاه مشابهی در مورد انرژی دارد. قبل از بیگ‌بنگ، هیچ چیز وجود نداشت: نه فضا و نه زمان. به بیان ساده‌تر، ما هیچ دیدگاه مطمئنی در مورد وقایع قبل از بیگ‌بنگ نداریم. حتی در مورد وقوع بیگ‌بنگ نیز شبهاتی وجود دارد، زیرا علم فیزیک هر چه به بیگ‌بنگ نزدیک‌تر شود، پیچیده‌تر خواهد شد، تا جایی که غیرقابل درک می‌شود. بنابراین، بر طبق این دیدگاه، منشا انرژی در کیهان مشخص نیست، زیرا در ابعادی بالاتر از درک انسان قرار گرفته است.

اکنون می‌دانیم نظریه‌های مختلف در مورد شکل کیهان چیست و در مورد انرژی در کیهان صحبت کردیم. در ادامه، در مورد ساختار کیهان توضیح خواهیم داد.

ریچارد فاینمن
ریچارد فاینمن

ساختار کیهان چیست ؟

برای آشنایی با نحوه تکامل کیهان، به سوال اساسی زیر در فیزیک نجوم باید پاسخ داده شود:

اجزای تشکل دهنده کیهان چیست ؟

انسان، تمام وسایلی که می‌شناسیم، هوایی که نفس می‌کشیم، و ستاره‌های بسیار دور از پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها ساخته شده‌اند. پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند و الکترون‌ها به دور هسته حرکت می‌کنند. هیدروژن از یک پروتون و یک الکترون و هلیوم نیز از دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون تشکیل شده است. عناصر سنگین‌تر مانند آهن یا کلسیم، از تعداد بیشتری پروتون، نوترون و الکترون تشکیل می‌شوند. ستاره‌شناسان به تمام موادی که از الکترون‌ها، نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده‌اند، مواد باریونی می‌گویند.

ستاره‌شناسان تا حدود ۳۰ سال قبل فکر می‌کردند که کیهان تنها از ماده باریونی یا همان اتم معمولی، تشکیل شده است. اما، در دهه‌های گذشته، شواهدی مبنی بر وجود ماده‌ای جدید در کیهان پیدا شده‌اند، ماده‌ای که دیده نمی‌شود.

ماده و انرژی تاریک

WMAP با اندازه‌گیری دقیق نوسانات پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، پارامترهای اصلی مدل بیگ‌بنگ، یعنی چگالی و ترکیب کیهان، را اندازه گرفته است. WMAP چگالی نسبی ماده باریونی و غیرباریونی را با دقتی بهتر از چند درصد چگالی کلی اندازه می‌گیرد. این کاوشگر همچنین می‌تواند برخی ویژگی‌های ماده غیرباریونی را تعیین کند:

  • برهم‌کنش ماده غیرباریونی با خودش
  • جرم ماده غیرباریونی
  • برهم‌کنش ماده غیرباریونی با ماده معمولی

بر طبق داده‌های به‌دست آمده از کاوشگر WMAP، کیهان تخت و چگالی انرژی متوسط آن، با خطایی کمتر از ۰/۵ درصد، برابر چگالی بحرانی است. مقدار این چگالی برابر $$9.9 \times 10^{-30} \frac {g} {cm^3}$$ یا حدود ۵/۹ پروتون بر مترمکعب است. این چگالی به قسمت‌های مختلفی شکسته می‌شود:

  • ۴/۶٪ اتم‌ها: بیش از ۹۵ درصد چگالی انرژی در کیهان به شکلی است که هیچ‌گاه به طور مستقیم در آزمایشگاه آشکار نشده است. چگالی واقعی اتم‌ها در حدود یک پروتون بر ۴ مترمکعب است.
  • ۲۴٪ ماده تاریک سرد: ماده تاریک احتمالا از یک یا بیشتر از یک ذره ریزاتمی تشکیل شده است و برهم‌کنش بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارد.
  • ۷۱/۴٪ انرژی تاریک: نخستین نشانه‌های انرژی تاریک به دهه ۸۰ میلادی برمی‌گردد. در آن زمان، ستاره‌شناسان در تلاش برای فهمیدن چگونگی تشکیل خوشه‌های کهکشانی بودند. تلاش آن‌ها برای توضیح چگونگی توزیع کهکشان‌ها زمانی بهبود یافت که فرضیه انرژی تاریک در نظر گرفته شده بود، اما شواهد مشاهده شده بسیار نامطمئن بودند. در دهه ۹۰ میلادی، ستاره‌شناسان از مشاهده ابرنواخترها برای یافتن تاریخچه انبساط کیهان استفاده کردند و در کمال شگفتی فهمیدند که سرعت انبساط کیهان به جای کاهش، افزایش یافته است.
    نگرانی‌هایی مبنی بر تفسیر نادرست داده‌های به‌دست آمده از ابرنواختر وجود داشت، اما نتیجه تا به امروز باقی مانده است. در سال ۲۰۰۳، اولین نتایج به‌دست آمده از WMAP مبنی بر مسطح بودن کیهان، به‌دست آمدند. براساس این نتایج، ماده تاریک تنها ۲۴٪ چگالی موردنیاز برای تولد یک کیهان تخت را تشکیل می‌داد. اگر ۷۱/۴٪ چگالی انرژی در کیهان، به شکل انرژی تاریک با اثر دافعه گرانشی باشد، این مقدار برای توضیح مسطح بودن کیهان و انبساط شتابی مشاهده شده کافی خواهد بود. بنابراین، انرژی تاریک بسیاری از مشاهده‌های کیهانی را توضیح می‌دهد.
انرژی تاریک

ستاره‌شناسان با اندازه‌گیری حرکت ستاره‌ها می‌توانند وزن کهکشان‌ها را محاسبه کنند. در منظومه شمسی، با استفاده از اندازه‌گیری سرعت حرکت زمین به دور خورشید، وزن آن را محاسبه می‌کنند. زمین با سرعت ۳۰ کیلومتر بر ثانیه به دور خورشید حرکت می‌کند. اگر جرم خورشید چهار برابر جرم کنونی آن بود، زمین برای ماندن در مدار خود باید با سرعت ۶۰ کیلومتر بر ثانیه به دور خورشید حرگت می‌کرد. خورشید نیز با سرعتی برابر ۲۲۵ کیلومتر بر ثانیه به دور کهکشان راه شیری حرکت می‌کند.

با استفاده از سرعت حرکت خورشید و سرعت حرکت ستاره‌های دیگر، جرم کهکشانمان را محاسبه می‌کنیم. به طور مشابه، مشاهدات اپتیکی و رادیویی ستاره‌ها در کهکشان‌های دوردست، به ستاره‌شناسان این فرصت را می‌دهد که توزیع جرم در این سیستم‌ها را به‌دست آورند.

جرم به‌دست آمده برای کهکشان‌ها در حدود ده مرتبه بزرگ‌تر از جرمی است که با در نظر گرفتن ستاره‌ها، گاز و گرد و غبار در کهکشان‌، به‌دست می‌آید. این اختلاف جرم با استفاده از مشاهداتِ همگرایی گرانشی پیش‌بینی شده توسط نسبیت عام اینشتین، تایید شده است. ستاره‌شناسان با اندازه‌گیری چگونگی انحراف کهکشان‌های پس‌زمینه توسط خوشه پیش‌زمینه، جرم خوشه را به‌دست می‌آورند. همگرایی گرانشی در تصویر ثبت شده از خوشه کهکشانی Abell 2218 مشاهده می‌شود.

همگرایی گرانشی
همگرایی گرانشی

ماهیت ماده تاریک در کیهان چیست ؟

اما سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که ماهیت ماده تاریک در کیهان چیست. ماده‌ای اسرارآمیز که نیروی جاذبه گرانشی وارد، اما نه نوری تابش یا جذب می‌کند. ستاره‌شناسان پاسخ دقیقی برای این پرسش ندارند. تعدادی از حدس و گمان‌های مطرح شده در مورد ماده تاریک عبات هستند از:

  • کوتوله‌های قهوه‌ای: اگر جرم ستاره‌ای کمتر از یک‌بیستم جرم خورشید باشد، دمای هسته آن به اندازه کافی برای سوزاندن هیدروژن یا دوتریوم بالا نیست. بنابراین، این ستاره تنها به دلیل گرانش انقباضی خود می‌درخشد. این اجسام کم‌نور به اندازه کافی درخشان نیستند که توسط تلسکوپ‌های مختلف آشکار شوند. کوتوله‌های قهوه‌ای در حالت کلی توسط آزمایش‌های همگرایی گرانشی آشکار می‌شوند. اگر ماده تاریک بیشتر از این کوتوله‌ها ساخته شده باشد، به احتمال زیاد بیشتر جرم کیهان از ماده باریونی تشکیل شده است.
  • سیاهچاله‌های کلان جرم: برخی ستاره‌شناسان حدس می‌زنند که ماده تاریک از تعداد زیادی سیاهچاله تشکیل شده است. این سیاهچاله‌ها از طریق اثرات همگرایی شناسایی می‌شوند.
  • شکل‌های جدیدی از ماده: فیزیک‌دان‌ها ذرات بنیادی معتقد هستند که نیروها و ذرات جدیدی در طبیعت وجود دارند. کیهان در لحظه تولد شبیه یک شتاب‌دهنده ذرات بنیادی بود. کیهان‌شناسان گمان می‌کنند که ماده تاریک از ذرات تولید شده در نخستین لحظات تولد کیهان، ساخته شده است.

انرژی تاریک در کیهان چیست ؟

شاید از خود پرسیده باشید که نقش انرژی تاریک در کیهان چیست. بخش زیادی از کیهان از انرژی تاریک تشکیل شده است، اما ماهیت آن همیشه مجهول بود. اینشتین، نخستین بار ثابت کیهانی $$\Lambda$$ را به عنوان ثابت ریاضی نظریه نسبیت عام مطرح کرد. به ساده‌ترین زبان، نسبیت عام پیش‌بینی کرد که کیهان منبسط یا منقبض می‌شود. اینشتین فکر می‌کرد که کیهان ایستا است، بنابراین این اصطلاح جدید را برای توقف انبساط به نسبیت عام اضافه کرد.

«فریدمن» (Friedmann)، ریاضی‌دان روسی، به این نتیجه رسید که ثابت اضافه شده همانند تعادل مداد روی نوکش، ثابتی ناپایدار است. از این رو، مدل کیهان منبسط شده (نشریه بیگ‌بنگ) را پیشنهاد داد. هابل به هنگام مطالعه کهکشان‌های نزدیک به این نتیجه رسید که کیهان، منبسط می‌شود.

فریدمن
فریدمن، ریاضی‌دان روس

گرچه سال‌ها بعد، اینشتین از ثابت کیهانی به عنوان بزرگ‌ترین اشتباه خود یاد کرد، بسیاری از کیهان‌شناسان تلاش کردند تا ثابت کیهانی را برای توضیح و به‌دست آوردن نرخ انبساط کیهان، احیا کنند.

پایان کیهان چیست ؟

سه نظریه معروف برای پایان کیهان، انجماد بزرگ، کرنش بزرگ و ازهم‌گسیختگی بزرگ هستند.

تا سال‌های اخیر، ستاره‌شناسان فکر می‌کردند که کیهان به طور پیوسته منبسط می‌شود و در چرخه بی‌‌نهایت مرگ و تولد کیهانی‌، فرومی‌پاشد. اما تریلیون‌ها سال بعد و مدت‌ها پس از نابودی زمین، اجزای تشکیل‌دهنده کیهان تا جایی از یکدیگر دور می‌شوند که تشکیل ستاره و کهکشان متوقف شود. ستارگان کم‌کم خاموش می‌شوندو آسمان شب در تاریکی مطلق غرق می‌شود. تمام مواد باقی‌مانده توسط سیاهچاله‌ها بلعیده می‌شوند تا جایی که هیچ چیز باقی نماند. در پایان، آخرین ردپای گرما از بین خواهد رفت.

شاید کیهان به جای مرگ با گرما و آتش، تسلیم مرگ گرمایی یا انجماد بزرگ شود.

انجماد بزرگ، تنها فرضیه مطرح شده در مورد نابودی کیهان نیست. در حدود یک قرن قبل، ستاره‌شناسان فکر می‌کردند کهکشان راه شیری، تمام کیهان است. کیهان ایستا به نظر می‌رسید. گرچه اینشتین به هنگام کار روی نظریه‌های نسبیت به موارد عجیبی برخورد. معادلات به‌دست آمده در این نظریه‌ها نشان می‌داد که کیهان در حرکت انبساطی یا انقباضی است. بنابراین، همان‌طور که گفته شد، او برای برقراری نظریه ایستایی کیهان، ثابتی به نام ثابت کیهانی را به معادلات خود افزود.

در همان زمان، ستاره‌شناسان به این نتیجه رسیدند که سحابی‌های مارپیچی مشاهده شده، مجموعه‌ای از ستارگان در کهکشان راه شیری نیستند. در حقیقت، آن‌ها کهکشان‌های دیگری بودند. هابل نیز با اندازه‌گیری حرکت این کهکشان‌ها، نشان داد که آن‌ها در حال دور شدن از ما هستند. و در این زمان بود که انبساط جهان کشف شد.

پس از این کشف بزرگ، نظریه بیگ‌بنگ و عمر کیهان مطرح شدند. اما سوال بزرگ بعدی آن بود که پایان کیهان چیست و چگونه رخ می‌دهد. کیهان ممکن است به روش‌های مختلفی به پایان برسد، اما چگونگی آن به تغییرات نرخ انبساط کیهانی در آینده بستگی دارد.

کرنش بزرگ

اگر گرانش بر انبساط غلبه کند، کیهان بر اثر کرنشی بزرگ نابود خواهد شد. براساس معادلات به‌دست آمده توسط فریدمن در سال ۱۹۲۲، سرنوشت کیهان به چگالی آن بستگی دارد. اگر ماده در کیهان به اندازه کافی وجود داشته باشد، گرانش بر انبساط غلبه و آن را متوقف می‌کند. در نتیجه، کیهان به سمت داخل فرومی‌پاشد.

در سال‌های بین ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰، ستاره‌شناسان مقدار تمام ماده موجود در کیهان را حساب کردند. براساس این محاسبان، جرم موجود در کیهان به اندازه‌ای است که در ناحیه بسیار کوچکی جمع و در نهایت فروپاشیده شود. فیزیک‌دانی به نام «جان ویلر» (John Wheeler) یکی از طرفداران این پایان، در دهه ۸۰ میلادی بود.

کرنش بزرگ
پایان جهان به صورت کرنش بزرگ

انجماد بزرگ

اگر کیهان به طور پیوسته منبسط شود، پایان آن به صورت انجمادی بزرگ رخ خواهد داد. در دهه نود میلادی، ستاره‌شناسان به این نتیجه رسیدند که انبساط کیهان نه‌تنها کندتر نشده، بلکه نرخ انبساط آن در حال افزایش است. کشف انرژی تاریک نشان داد که احتمال پایان کیهانی به صورت کرنش بزرگ، بسیار کم است. حتی اگر تمام مواد کیهان توسط نیروی گرانشی به سمت یکدیگر کشیده شوند و سعی در جمع شدن در نقطه‌ای بسیار کوچک داشته باشند، این نیروی جاذبه آن‌قدر قوی نخواهد بود که بر اثر تورمیِ انرژی تاریک غلبه کند. بنابراین، سرنوشت کیهان انجمادی بزرگ خواهد بود.

از هم گسیختگی بزرگ

از هم‌گسیختگی بزرگ یکی دیگر از نظریه‌های مطرح شده در مورد پایان کیهان است. بر طبق مدل ریاضی جدید، کیهان و هر چیزی که در آن است، حتی زمان، در ۲۲ میلیارد سال بعد، به قسمت‌های بسیار کوچکی تقسیم خواهند شد.

سه نظریه مطرح شده در مورد پایان کیهان در تصویر زیر با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

سه نظریه پایان کیهان
سه نظریه پایان کیهان

جمع‌بندی

در این مطلب، آموختیم که تفاوت جهان با کیهان چیست و فهمیدیم که پایان کیهان چیست و چه نظریه‌هایی در مورد آن مطرح شده‌اند. همچنین، در مورد اجزای تشکیل‌دهنده کیهان و پایان آن نیز صحبت کردیم. کیهان در اثر انفجار جرمی بسیار بزرگ با دمای زیاد به وجود آمد، اما چگونگی پایان آن، هنوز در هاله‌ای از ابهام باقی مانده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۲ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

2 نظر در “کیهان چیست؟ — توضیح به زبان ساده

  • آرین ملکشاهی — says: ۲۴ مرداد، ۱۴۰۱ در ۶:۱۸ ب٫ظ

    باسلام خدمت شما.
    مقاله خیلی عالی بود و خسته نباشید.
    ولی هنوز یه سوال دارم که وقتی جهان با انفجار بیگ بنگ شروع شد فضا و زمان هم شروع به گسترش کردن کردند و الان هم فضا و زمان هم درحال گسترش هستن.اگه این درسته میشه گفت که جهان ما کران‌داره نامتناهی نیست؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.