انرژی تاریک چیست؟ هرآنچه از نیروی اسرارآمیز کیهان می دانیم - کنفرانس هکا

انرژی و ماده تاریک دو مفهوم رازآلود هستند که سال هاست فکر دانشمندان را به خود مشغول نموده 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 گردد در انبساط دنیا نقش دارد، می پردازیم.

انرژی تاریک چیست؟

انرژی تاریک شکلی فرضی از انرژی است که نه تنها برای توصیف انبساط دنیا، 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 نماید. این فشار منفی دنیا را پر می نماید و باعث کش آمدن بافت فضازمان می گردد. در حالی که گرانش اجرام را به یکدیگر نزدیک می نماید، انرژی تاریک اجرام را با سرعتی باورنکردنی از یکدیگر دور می نماید.

بر اساس تخمین ها، انرژی تاریک بین 68 الی 72 درصد از انرژی و ماده کل دنیا 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 نماید.

کاندیداهای انرژی تاریک عبارت اند از انرژی خلأ فضا یا ذراتی که در فضای خالی حرکت می نمایند و بعلاوه 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 شرح دهند؛ مانند میدان کم انرژی موسوم به اثیر، میدان های تاکیون ها یا ذرات فرضی که سریع تر از نور حرکت می نمایند 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 به وسیله تاثیر انرژی تاریک بر دنیا، می توانیم آن را بشناسیم.

تفاوت انرژی تاریک و ماده تاریک

هر دو بعد تاریک دنیا یعنی ماده تاریک و انرژی تاریک، اسرارآمیز هستند و شرح معینی ندارند. بعلاوه هر دو را نمی توان به صورت مستقیم کشف کرد و تنها از آثاری که بر دنیا 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 علت تاریک درنظر گرفته می گردد. ماده تاریک را می توان به وسیله 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 گردد، ماده تاریک در مقیاس کوچک تر کهکشان ها را کنار یکدیگر حفظ می نماید. به این ترتیب انرژی تاریک و ماده تاریک، آثار متفاوتی بر دنیا دارند.

انرژی تاریک به عنوان عنصر غالب دنیا، 68 درصد از کل انرژی دنیا را تشکیل می دهد، در حالی که تأثیر ماده تاریک و ماده مرئی بر دنیا به 28 الی 32 درصد می رسد. از طرفی ماده تاریک با نسبت 6 به 1 بسیار بیشتر از ماده مرئی دنیا است. در نتیجه 25 درصد از کل انرژی ماده دنیا متعلق به ماده تاریک و مقدار 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 دنیا ندارند.

اثرات انرژی تاریک بر کیهان

اگر انرژی تاریک عامل انبساط دنیا 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 نمایند؛ بنابراین باید گفت، گرانش در مقیاس کوچک بر انرژی تاریک غلبه دارد.

انرژی تاریک در مقیاس های بزرگ عمل می نماید و انبساط دنیا پدیده ای است که مقدار گیری آن صرفا به وسیله 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 دنیا 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 گردد و بر گرانش پوسته لاستیکی بادکنک غلبه می نماید. 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 گردد.

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

سرعت انبساط دنیا برای کهکشان GN-z11، یکی از قدیمی ترین کهکشان های کشف شده در فاصله 400 میلیون سال پس از بیگ بنگ، مقدار 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 گردد.

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 نماید 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 دنیا 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 نموده است. ازاین رو فرضیه های متعددی برای وجود انرژی تاریک مطرح شده اند که در ادامه به بعضی 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) معین می گردد. از آنجا که انرژی و جرم بر اساس معادله معروف E=mc^2 با یکدیگر مرتبط هستند، نظریه نسبیت عام اینشتین پیش بینی می نماید که این انرژی دارای اثر گرانشی است. انرژی تاریک گاهی انرژی خلأ هم نامیده می گردد.

اثیر

در مدل های اثیری از انرژی تاریک، افزایش سرعت انبساط دنیا به علت 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 نماید.

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

انرژی تاریک واکنش دهنده

نظریه های مرتبط با برهم کنش انرژی تاریک کوشش می نمایند 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 نمایند ماده تاریک به شکل انرژی تاریک تجزیه می گردد.

مدل های انرژی تاریک متغیر

تراکم انرژی تاریک ممکن است در طول تاریخ دنیا تغییر نموده 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

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

شواهد مربوط به انرژی تاریک

اولین اکتشاف انرژی تاریک به وسیله افزایش سرعت انبساط دنیا به وسیله دو گروه از دانشمندان صورت گرفت که در اواخر دهه 1990 به صورت مستقل از یکدیگر کار می کردند. این گروه ها در حال آنالیز 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 نمایند که مقیاس خوبی برای مقدار گیری فاصله های کیهانی به شمار می روند.

علت این مسئله هم این است که با انبساط دنیا، 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 گردد 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 به وسیله فضاپیمای پلانک آژانس فضایی اروپا ثبت شده است.

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

بر اساس یافته ها، ابرنواخترهای دوردست تر که هنگام نوزادی دنیا رصد شدند، کم نورتر از حد انتظار بودند؛ بنابراین این ابرنواخترها بسیار دورتر از تصورات هستند و این مدرک دلالت بر سرعت انبساط دنیا دارد. این اکتشاف با رصدهای بیشتر و مقدار 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 دنیا دارد و عامل انبساط آن به شمار می رود. تنها شواهد مربوط به انرژی تاریک اثری است که بر انبساط دنیا دارد. نظریه های متعددی درباره انرژی تاریک وجود دارند که از معروف ترینشان می توان به اثیر و ثابت کیهانی اشاره نمود.

227227