فیزیکدانان ایلینوی و شیکاگو روش جدیدی برای اندازه‌گیری انبساط کیهانی ابداع کردند

ایالات متحده - خبرگزاری اخباری

فیزیکدانان ایلینوی و شیکاگو روش جدیدی برای اندازه‌گیری انبساط کیهانی ابداع کردند

تقریباً یک قرن است که جامعه علمی دریافته است که کیهان در حال انبساط مداوم است. این پدیده، که شاهدی بر کار بنیادی دانشمندان پیشگام است، اکنون به طور گسترده به عنوان ثابت هابل، یا ثابت هابل-لمتر شناخته می‌شود. در حال حاضر، تحقیقات کیهانی عمدتاً از دو روش اصلی برای سنجش این نرخ انبساط استفاده می‌کند: پس‌زمینه ریزموج کیهانی (CMB) و نردبان فاصله کیهانی.

روش CMB بر اندازه‌گیری‌های تغییر قرمز تابش باقی‌مانده از انفجار بزرگ تکیه دارد. در مقابل، نردبان فاصله کیهانی به اندازه‌گیری‌های اختلاف منظر و تغییر قرمز حاصل از اجرام آسمانی مانند ستارگان متغیر و ابرنواخترها، که اغلب "شمع‌های استاندارد" نامیده می‌شوند، متکی است. با این حال، یک چالش پایدار پدیدار شده است: این دو روش اصلی نتایج متناقضی به دست می‌دهند. این اختلاف اکنون به عنوان "تنش هابل" (Hubble Tension) شناخته می‌شود. این واگرایی یکی از مهم‌ترین و گیج‌کننده‌ترین اسرار کیهانی است که دانشمندان امروزه با آن روبرو هستند.

خوشبختانه، تحقیقات در حال ظهور، مسیرهای امیدوارکننده‌ای را برای حل این تنش و تقویت مدل استاندارد کیهان‌شناسی ارائه می‌دهند. در یک مطالعه اخیر مهم، تیمی چند رشته‌ای از اخترفیزیکدانان، کیهان‌شناسان و فیزیکدانان از دانشگاه ایلینوی و دانشگاه شیکاگو، روشی نوین و نوآورانه را پیشنهاد کرده‌اند. این تکنیک از امواج ظریف در فضا-زمان، که به عنوان امواج گرانشی (GWs) شناخته می‌شوند، برای پالایش درک ما از انبساط کیهانی بهره می‌برد.

این تحقیق توسط برایس کازینز (Bryce Cousins)، محقق برجسته فارغ‌التحصیل بنیاد ملی علوم (NSF) وابسته به مؤسسه گرانش و کیهان (IGC) در دانشگاه ایلینوی اربانا-شامپین، هدایت شده است. او از نزدیک با همکاران متعددی از IGC، و همچنین با پژوهشگرانی از مؤسسه فیزیک کیهانی کاولی و مؤسسه انریکو فرمی دانشگاه شیکاگو همکاری کرده است. مطالعه اساسی آنها با عنوان "آژیر تصادفی: اندازه‌گیری‌های پس‌زمینه امواج گرانشی اخترفیزیکی از ثابت هابل" (Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant) در تاریخ ۱۶ ژانویه در مجله معتبر Physical Review Letters منتشر شد.

دانشمندانی که برای حل تنش هابل تلاش می‌کنند، طیف وسیعی از راه‌حل‌های نظری را بررسی کرده‌اند. این راه‌حل‌ها از فرضیه‌هایی شامل انرژی تاریک اولیه (EDE) و برهم‌کنش‌های بین ماده تاریک (DM) و نوترینوها، تا مدل‌های پیچیده دینامیک انرژی تاریک در حال تحول را شامل می‌شود. در سال‌های اخیر، تشخیص امواج گرانشی نیز به عنوان ابزاری قدرتمند برای پرداختن به تنش هابل ظهور کرده و راهی مستقل برای اندازه‌گیری انبساط کیهانی ارائه می‌دهد.

امواج گرانشی، که اولین بار توسط نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین پیش‌بینی شدند، اساساً اغتشاشاتی در بافت فضا-زمان هستند. آنها توسط رویدادهای کیهانی فاجعه‌بار، مانند ادغام اجرام عظیم مانند ستاره‌های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها تولید می‌شوند. اولین تأیید مستقیم این امواج در سال ۲۰۱۶ توسط دانشمندانی که رصدخانه تداخل‌سنجی امواج گرانشی لیزر (LIGO) را اداره می‌کردند، به دست آمد. به لطف پیشرفت‌های قابل توجه در ابزار دقیق و همکاری قوی بین‌المللی، شبکه LIGO-Virgo-KAGRA (LVK) با موفقیت بیش از ۳۰۰ رویداد موج گرانشی را شناسایی کرده است.

این اکتشافات مرزهای جدیدی را در نجوم گشوده و به دانشمندان اجازه داده است تا پدیده‌های کیهانی را بررسی کرده و اندازه‌گیری‌های انبساط کیهان را دقیق‌تر کنند. تحقیق حاضر بر این پیشرفت‌ها بنا شده و راه جدیدی را برای بهبود این اندازه‌گیری‌ها شناسایی می‌کند. این تیم پیشنهاد می‌کند که از "پس‌زمینه امواج گرانشی" (GWB) بهره‌برداری شود – که یک وزوز مداوم از امواج گرانشی ناشی از برخوردهای اخترفیزیکی است که برای شبکه فعلی LVK برای تشخیص فردی بسیار ضعیف هستند.

این رویکرد نوآورانه "روش آژیر استاندارد تصادفی" نامیده می‌شود. نام آن از ماهیت تصادفی (stochastic)، یعنی تصادفی بودن، برخورد بی‌شمار اخترفیزیکی که به GWB کمک می‌کنند، گرفته شده است. دانیل هولتز (Daniel Holz)، استاد دانشگاه شیکاگو و یکی از نویسندگان این تحقیق، در بیانیه‌ای مطبوعاتی دانشگاه ایلینوی بر اهمیت این پیشرفت تأکید کرد: "هر روز یک ابزار کاملاً جدید برای کیهان‌شناسی اختراع نمی‌کنید. ما نشان می‌دهیم که با استفاده از وزوز پس‌زمینه امواج گرانشی ناشی از ادغام سیاه‌چاله‌ها در کهکشان‌های دور، می‌توانیم در مورد سن و ترکیب کیهان اطلاعات کسب کنیم. این یک جهت هیجان‌انگیز و کاملاً جدید است، و ما مشتاقانه منتظر اعمال روش‌های خود بر روی مجموعه داده‌های آینده هستیم تا به محدود کردن ثابت هابل، و همچنین سایر مقادیر کلیدی کیهانی کمک کنیم."

به عنوان اثبات مفهوم، محققان روش خود را بر روی داده‌های موجود از همکاری LVK اعمال کردند. تجزیه و تحلیل آنها نشان داد که عدم تشخیص فعلی GWB شواهد قانع‌کننده‌ای علیه مدل‌هایی که نرخ‌های کند انبساط کیهانی را پیش‌بینی می‌کنند، ارائه می‌دهد. متعاقباً، آنها روش آژیر تصادفی خود را با اندازه‌گیری‌های ثابت هابل که از رویدادهای ادغام سیاه‌چاله فردی مشتق شده‌اند، ادغام کردند و به نرخ انبساط دقیق‌تری دست یافتند.

کازینز توضیح داد: "از آنجایی که ما ادغام‌های فردی سیاه‌چاله‌ها را مشاهده می‌کنیم، می‌توانیم نرخ این ادغام‌ها را که در سراسر کیهان رخ می‌دهند، تعیین کنیم. "بر اساس آن نرخ‌ها، ما انتظار داریم رویدادهای بسیار بیشتری وجود داشته باشند که ما نمی‌توانیم آنها را مشاهده کنیم، که این "پس‌زمینه امواج گرانشی" نامیده می‌شود." این بینش نشان می‌دهد که اگر ثابت هابل کمتر بود، حجم فضایی که این ادغام‌ها در آن رخ می‌دهند کوچکتر می‌شد، که این امر نشان‌دهنده تراکم بالاتر ادغام‌ها و سیگنال قوی‌تر GWB است، که به طور بالقوه در محدوده تشخیص ابزارهای فعلی قرار دارد.

نیکولاس یونس (Nicolás Yunes)، مدیر موسس مرکز مطالعات پیشرفته کیهان ایلینوی (ICASU) و یکی از نویسندگان، بر اهمیت این اندازه‌گیری مستقل تأکید کرد: "این نتیجه بسیار مهم است – دستیابی به یک اندازه‌گیری مستقل از ثابت هابل برای حل تنش فعلی هابل ضروری است. روش ما راهی نوآورانه برای افزایش دقت استنتاج ثابت هابل با استفاده از امواج گرانشی است."

با ارتقاء برنامه‌ریزی شده حساسیت شبکه LVK، دانشمندان انتظار دارند که GWB در شش سال آینده به طور بالقوه شناسایی شود. اگر و هنگامی که این اتفاق بیفتد، انتظار می‌رود که روش آژیر تصادفی این تیم، اندازه‌گیری‌های ثابت هابل را بیشتر پالایش کند. در این میان، این روش می‌تواند برای محدود کردن مقادیر بالاتر احتمالی ثابت هابل مورد استفاده قرار گیرد، و در نتیجه محدودیت‌های بالایی را برای GWB تعیین کند و امکان مطالعات اولیه را قبل از اینکه تشخیص مستقیم امکان‌پذیر شود، فراهم کند.

کازینز گفت: "این باید راه را برای اعمال این روش در آینده هموار کند، زیرا ما به افزایش حساسیت، محدود کردن بهتر پس‌زمینه امواج گرانشی، و شاید حتی شناسایی آن ادامه می‌دهیم. "با گنجاندن آن اطلاعات، ما انتظار داریم نتایج کیهانی بهتری به دست آوریم و به حل تنش هابل نزدیک‌تر شویم."

خبرگزاری اخباری