از این بزرگ‌تر در جهان پیدا نمی‌شود!

کشف ابرخوشه‌های غول‌پیکر کهکشان‌ها، شناخت ما از کیهان به چالش می‌کشد. قوسهای غول‌پیکر کهکشانی که مقابل اندازه‌ آن‌ها هر چیزی در کیهان خرد به نظر می‌رسد.

کد خبر: ۵۹۶۳۶۳

تاریخ: ۲۰ اسفند ۱۴۰۱ - ۱۵:۳۱

در سال 2021، الکسیا لوپز، دانشجوی بریتانیایی در مقطع دکترا، زمانی که مشغول تجزیه و تحلیل نوری بود که از یکی اختروش‌های دوردست می‌آمد، به کشف شگفت‌انگیزی دست پیدا کرد.

اختروش‌ها (Quasar) یا کوازارها هسته‌های فعال به شدت نورانی کهکشان‌های دوردست هستند، و نام اختروش یا شبه ستاره از این رو به آن‌ها داده شده است که اجرامی بسیار درخشان هستند و همانند ستاره‌ها نقاطی نورانی به نظر می‌رسند.

او یک قوس غول پیکر و تقریبا متقارن از کهکشان‌ها را در فاصله 9.3 میلیارد سال نوری در صورت فلکی گاوران Boötes the Herdsman کشف کرد. وسعت این سازه برابر با ۳/۳ میلیارد سال نوری و یک پانزدهم شعاع جهانی است که ما میتوانیم مشاهده کنیم. اگر می‌توانستیم آن را از زمین ببینیم، وسعت آن به اندازه 35 عدد کره ماه کامل میشد که سراسر آسمان را می‌پوشانید.

کشف این قوس بزرگ که با نام «قوس غول‌پیکر (Giant Arc) »شناخته می‌شود، می‌تواند اساساًعلم کیهان‌شناسی را آن طور که ما می‌شناسیم، وارونه کرده و مدل استاندارد ما، و برخی از فرضیات اساسی در مورد جهان را زیر سوال ببرد.

بر اساس مدل استاندارد کیهان شناسی (نظریه ای که درک ما از جهان بر آن استوار است)، ماده باید کمابیش به طور مساوی در سرتاسر فضا توزیع شود. وقتی دانشمندان، جهان را در مقیاس‌های بسیار بزرگ می‌بینند، نباید بی‌نظمی قابل توجهی وجود داشته باشد. همه چیز باید از هر جهت یکسان به نظر برسد.

با این حال، این قوس غول پیکر تنها نمونه در نوع خود نیست. این ساختارهای غول پیکر، دانشمندان را وادار می‌کند که نظریه خود را در مورد چگونگی تکامل کیهان، مورد ارزیابی مجدد قرار دهند.

زمانی که لوپز دوره کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه مرکزی لنکشایر در بریتانیا می گذراند، سرپرست او استفاده از روش جدیدی برای تجزیه و تحلیل ساختارهای بزرگتر در جهان را به او پیشنهاد کرد. او از اختروش‌ها(کهکشان‌های دوردستی که میزان نور خارق‌العاده‌ای از خود ساطع می‌کنند) برای جستجوی نشانه‌هایی از منیزیم یونیزه شده استفاده کرد، نشانه‌ای مطمئن از ابرهای گازی که یک کهکشان را احاطه کرده‌اند. وقتی نور از این منیزیم یونیزه شده عبور می‌کند، فرکانس‌های خاصی جذب می‌شوند و نور منحصربه‌فردی را که ستاره‌شناسان می‌توانند تشخیص دهند، باقی می‌گذارد.

لوپز می‌گوید: «من به خوشه‌های کهکشانی شناخته‌ شده نگاه کردم و سپس تصور کردم که این مناطق در تست منیزیم II (طراحی و تهیه الکترود انتخابی منیزیم II بر اساس لیگاندمصنوعی جدید و روش بهینه‌سازی آن) چطور بنظر می‌رسند. یکی از خوشه‌هایی که به آن نگاه می‌کردم بسیار کوچک بود، اما وقتی آن را در منیزیم II ترسیم کردم، این نوار متراکم جذب منیزیم، در سرتاسر میدان دید وجود داشت. بدین ترتیب من موفق به کشف آن شده بودم. این یک اتفاق خوشحال کننده بود و بسیار خوش شانس بودم که «من» آن را پیدا کرده‌ام."

کشف این "اتفاق خوشایند" توسط لوپز شگفت‌انگیز بود. هنگامی که به صورت فلکی گاوران نگاه می‌کنیم، به نظر می‌رسد که خوشه‌ای متشکل از 45 تا 50 ابر گازی که هر کدام حداقل با یک کهکشان مرتبط هستند، در قوسی به وسعت 3.3 میلیارد سال نوری قرار گرفته‌اند.از آنجا که عرض جهان قابل مشاهده برای ما 9.4 میلیارد سال نوری است، کشف این اندازه بسیار قابل توجه است.

طبق مقاله لوپز، بسیار بعید به نظر می آید(احتمالا فقط 0.0003 درصد) که چنین ساختار بزرگی به طور تصادفی بوجود آمده باشد. این نشانگر آن است که شکل گرفتن چنین ساختار طبیعی در کیهان، به دلیل خاصی است که ما در حال حاضر آن را در نظر نمی‌گیریم. یافته‌های او مستقیماً مدل استاندارد کیهان شناسی(بهترین توضیحی که ما برای چگونگی شروع و تکامل جهان داریم) را به چالش می‌کشد.

این حقیقت، که به عنوان اصل کیهان‌شناسی شناخته می‌شود، بیان می‌کند که در مقیاس بزرگ، جهان باید بدون توجه به موقعیت یا جهتی که به آن نگاه می‌کنید،در همه جا تقریباً یکسان به نظر برسد. در اصل نباید سازه های غول پیکر وجود داشته باشند، بلکه فضا باید صاف و یکنواخت باشد. این دیدگاه برای محققان راحت‌تر است، زیرا به آنان این امکان را می‌دهد که تنها بر اساس مشاهداتشان از گوشه‌ای از کل جهان، در مورد تمامی کیهان نتیجه‌گیری کنند. با این حال، این فرضیه منطقی به نظر می‌رسد، زیرا پس از بیگ بنگ، جهان به سمت بیرون انبساط پیدا کرد و به طور همزمان، مواد حاصل از انفجار را به هر طرف پرتاب کرد.

اما یک مشکل دیگر وجود دارد. طبق مدل استاندارد، سازه‌هایی مانند قوس غول پیکر، زمان کافی برای شکل گیری نداشته‌اند.

سوبیر سرکار، اختر فیزیکدان دانشگاه آکسفورد، می‌گوید: «ایده فعلی برای چگونگی شکل‌گیری ساختارها در جهان از طریق فرآیندی به نام ناپایداری گرانشی می‌آید.»

حدود یک میلیون سال پس از بیگ بنگ، زمانی که کیهان در حال انبساط بود، نوسانات کوچک در چگالی، منجر به جمع شدن ذرات ماده در کنار هم شد. در طی میلیاردها سال، این کشش گرانشی(جاذبه)، در نهایت باعث شد که این توده ها، ستاره ها و کهکشان ها را تشکیل دهند. با این حال، برای این فرآیند محدودیتی در اندازه، وجود دارد. هر چیزی که بزرگتر از 1.2 میلیارد سال نوری وسعت داشته باشد زمان کافی برای شکل گیری را نخواهد داشت.

به گفته سوبیر سرکار: «برای تشکیل ساختارها، باید ذرات، به یکدیگر نزدیک شوند تا فروپاشی گرانشی رخ دهد». "این ذرات باید از بیرون ساختار حرکت کنند و به داخل برسند. بنابراین، اگر ساختار شما 500 میلیون سال نوری وسعت داشته باشد، 500 میلیون سال طول می کشد تا نور از یک طرف آن به طرف دیگر حرکت کند. اما، بحث ما در مورد ذرات است. زیرا آنها بسیار آهسته‌تر از نور حرکت می‌کنند، بنابراین میلیاردها سال طول می‌کشد تا ساختاری به این اندازه و حجم تشکیل شود، و جهانی که ما می‌شناسیم تنها حدود 14 میلیارد سال قدمت دارد."

البته قوس غول پیکر کشف شده توسط لوپز، تنها سازه بزرگ کشف شده توسط ستاره شناسان نیست.

"دیوار بزرگ" (یا دیوار بزرگ CfA2) از دیگر کهکشان‌هایی است که در سال 1989 توسط مارگارت گلر و جان هوکرا کشف شد. طول این دیوار تقریباً 500 میلیون سال نوری، عرض آن 300 میلیون سال نوری و ضخامت آن 15 میلیون سال نوری است.

حتی بزرگتر ازآن، دیوار بزرگ اسلون است. این ساختار کیهانی، دیوار غول پیکری است که از کهکشان‌ها تشکیل شده است و در سال 2003 توسط جی ریچارد گوت سوم و ماریو جوریک و همکارانشان در دانشگاه پرینستون کشف شد. طول این دیوار نزدیک به 1.5 میلیارد سال نوری است.

در دهه گذشته، کشف این غول‌پیکرها شتاب بیشتری گرفته است. در سال 2014، دانشمندان ابرخوشه لانیاکیا Laniakea را کشف کردند، مجموعه ای از کهکشان ها که کهکشان راه شیری خودمان در آن قرار دارد.لانیاکیا 520 میلیون سال نوری وسعت دارد و جرم آن تقریباً 100 میلیون میلیارد برابر جرم خورشید است. همچنین در سال 2016 دیوار بزرگ باس BOSS با مجموعه‌ای از کهکشان‌هایی بیش از یک میلیارد سال نوری کشف شد. دیوار بزرگ باس از 830 کهکشان مجزا تشکیل شده است که گرانش(جاذبه) آنها را به سمت چهار ابرخوشه کشیده است. کهکشان ها توسط رشته های بلند گاز داغ به هم متصل شده اند. در سال 2020 دیوار قطب جنوب که 1.4 میلیارد سال نوری وسعت دارد نیز به این فهرست اضافه شد.

با این حال رکورددار کنونی بزرگترین این سازه ها دیوار بزرگ هرکول-کرونا بوئالیس است که در سال 2013 کشف شد و وسعت آن 10 میلیارد سال نوری است، یعنی کمی بیشتر از یک دهم اندازه دید ما از کیهان!

جان هاکیلا، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه آلاباما در هانتسویل می‌گوید: «ما اندازه این سازه را محاسبه کردیم و سپس متوجه شدیم این بزرگترین ساختار در جهان است».

هاکیلا و لوپز، هر دو تست‌های آماری بسیاری را انجام دادند تا ثابت کنند که نتایج نمی‌تواند اتفاقی باشد. برای قوس غول پیکر Giant Arc، نتایج دارای سطح اطمینان 99.9997 درصد بود. در تحقیقات علمی، استاندارد طلایی برای اهمیت آماری به عنوان 5-sigma شناخته می‌شود. اگر این احتمال برابر با ۱ در ۳.۵ میلیون باشد، به معنی تصادفی بودن نتایج است. قوس غول پیکر به 4.5 سیگما رسیده است، بنابراین هنوز این احتمال وجود دارد که این سازه آرایش تصادفی ستاره‌ها باشد.

سرکار توضیح می‌دهد: "چشم‌های ما در دیدن الگوها بسیار خوب هستند. ممکن است شما بتوانید ابرهای آسمان را به شکل حروف و تصاویر، تصور کنید، اما این تصورات گاهی ممکن است صرفا ناشی از تخیلات باشد" با این حال، من فکر نمی‌کنم این شرایط در اینجا حکمفرما باشد، به عقیده من این یک زنجیره فیزیکی واقعی از ابرخوشه‌ها است.»

اگر ساختارهای بیشتری مانند قوس غول‌پیکر و دیوار بزرگ هرکول-کرونا بوریالیس وجود داشته باشند، ستاره‌شناسان مجبور خواهند شد مدل استاندارد کیهان‌شناسی را بازنویسی کنند - یا حداقل در آن تجدید نظر کنند.

این اولین مورد پیش‌آمده نیست که این مدل باید تطبیق داده می‌شد . در سال 1933، فریتس تسوئیکی، با اندازه‌گیری جرم یک خوشه از کهکشان‌ها، دریافت که تعداد آنها کوچکتر از آن چیزی است که او انتظار داشت. جرم آنقدر کوچک بود، که در واقع کهکشان‌ها باید از هم جدا می‌شدند و از کشش گرانشی خوشه فرار می‌کردند. بنابراین، چیز دیگری باید خوشه‌های کهکشانی را کنار هم نگه دارد.

این "چیز" ماده تاریک است، ماده ای مرموز که گمان می رود 27 درصد از جهان را تشکیل می دهد. سپس در سال 1998، این مدل را تطبیق دادند که بتواند انرژی تاریک را نیز شامل شود. این اتفاق پس از آن افتاد که دو تیم مستقل از اخترشناسان، انبساط و توسعه کیهان را اندازه‌گیری کردند و دریافتند که سرعت آن در حال افزایش است.

در هر صورت، ما احتمالا طی چند سال آینده در این مورد اطمینان حاصل خواهیم کرد. بررسی میراث فضا و زمان (LSST) ، که یک بررسی برنامه‌ریزی شده 10 ساله از آسمان جنوبی است، شاید بتواند دید بی سابقه ای از کیهان را در اختیار اخترشناسان قرار دهد.

سرکار می‌گوید: «برای تغییر پارادایم نیاز به چیزهای زیادی داریم، به‌ویژه زمانی که مردم زندگی و شغل خود را روی آن سرمایه‌گذاری می‌کنند، اما در نهایت این علم است که تعیین میکند حق با چه کسی است».