بزرگترین رازهای بی‌پاسخ فضا چیست؟

به گزارش ایسنا، در دهه گذشته، ستاره‌شناسان بیشتر از همیشه با گرفتن تصاویری از سیاه‌چاله‌ها و رصد کیهان به اطلاعات و شناخت جدیدی رسیده‌اند. با این حال هنوز شکاف‌های عظیمی در دانش ما درباره کیهان وجود دارد و حتی ممکن است هرگز نتوانیم برخی از بزرگترین اسرار جهان را رمزگشایی کنیم.

در این گزارش به بیان تعدادی از بزرگترین پرسش‌های بی‌پاسخ علم در مورد کیهان می‌پردازیم.

ستاره‌شناسان زندگی خود را وقف درک جهان هستی می‌کنند. حوزه اخترشناسی و اخترفیزیک با شتابی سریع در حال پیشرفت است و پیشرفت‌های اخیر مانند اولین تصویر از یک سیاه‌چاله و مشاهدات بی‌سابقه کیهان باستانی را ارائه کرده است.

با این حال، جهان به قدری وسیع است که ما در واقع تازه به سطح آنچه که واقعا در آن وجود دارد، رسیده‌ایم. تخمین زده می‌شود که ۱۰۰ میلیارد ستاره تنها در کهکشان راه شیری وجود دارند و تعداد ستاره‌های موجود در جهان قابل مشاهده بیشتر از تعداد دانه‌های شن روی زمین است. در این میان تعدادی از بزرگترین اسرار کیهان وجود دارند که در حال حاضر پاسخی برای آنها نداریم.

بیگانگان کجا هستند؟

پارادوکس یا تناقض فرمی(Fermi Paradox) که توسط فیزیکدان انریکو فرمی بیان شده است، این پرسش را مطرح می‌کند که بیگانگان کجا هستند؟

تناقض فرمی یا پارادوکس فرمی به عدم مشاهده تمدن‌های فرازمینی در کیهان اشاره دارد، در حالی که تخمین‌هایی مانند معادله دریک پیش‌بینی می‌کنند باید بتوان تعداد زیادی از این تمدن‌های هوشمند فرازمینی را در پهنه کهکشان یافت. این پارادوکس را انریکو فرمی پس از گفتگویی دوستانه که با مایکل اچ هارت داشت، مطرح کرد و به نام او مشهور شد. موارد زیر نکات پایه‌ای بحثی هستند که بین آنها شکل گرفت:

میلیاردها ستاره شبیه به خورشید در کهکشان وجود دارند که بسیاری از آنها میلیاردها سال از زمین پیرتر هستند.

با احتمال بالا، برخی از این ستارگان سیاراتی نظیر زمین خواهند داشت و چنانچه زمین را یک نمونه در نظر بگیریم، برخی از سیارات ممکن است زندگی هوشمند پدیدار کنند.

برخی از این تمدن‌ها ممکن است به سفرهای میان‌ستاره‌ای دست یافته باشند.

حتی با سرعت پایین سفر میان‌ستاره‌ای که در حال حاضر متصور هستیم، کهکشان راه شیری را می‌توان به‌طور کامل در حدود یک میلیون سال طی نمود.

با این نگرش، بیگانگان فرازمینی می‌بایست تاکنون زمین را ملاقات کرده باشند. فِرمی در گفتگویی غیررسمی بیان کرد که هیچ مدرک این چنینی وجود ندارد که باعث شد بپرسد «بیگانگان کجا هستند؟» تلاش‌های بسیاری برای توضیح تناقض فِرمی انجام شده ‌است که اساساً یا اشاره می‌کنند که زندگی فرازمینی هوشمند به شدت نایاب است یا دلایلی را برای برقرار نکردن تماس یا ملاقات نکردن زمین توسط چنین تمدن‌هایی پیشنهاد می‌کنند.

بشریت تاکنون هیچ نشانه‌ فناورانه را که از یک گونه‌ بیگانه باهوش سرچشمه گرفته باشد، شناسایی نکرده است. این در حالی است که اگر به وسعت و روند تکامل کهکشان راه شیری فکر کنیم، این موضوع عجیب به نظر می‌رسد.

بیایید در این موضوع دقیق شویم. کهکشان راه شیری تقریباً ۱۳ میلیارد سال قدمت دارد. زمین با چهار میلیارد سال سن، یک سیاره جوان در راه شیری است. تقریباً ۴۰۰ میلیارد ستاره در کهکشان راه شیری وجود دارد و حدود ۲۰ میلیارد از آنها ستارگانی شبیه به خورشید خود ما هستند. بر اساس برآوردها، حدود یک پنجم از این ستاره‌ها سیاره‌ای به اندازه زمین دارند که در منطقه قابل سکونت آنها قرار دارد.

بنابراین اگر تنها در ۰.۱ درصد از این سیارات که در مناطق قابل سکونت زندگی ستاره‌شان قرار دارند، حیات شکل گرفته باشد، یک میلیون سیاره میزبان حیات تنها در کهکشان ما وجود دارد و از آنجایی که زمین یک سیاره جوان است، اغلب آنها احتمالا دارای تمدن‌های پیشرفته‌ای هستند که باید فناوری مورد نیاز برای کشف کیهان را توسعه داده باشند. پس به پرسش اول باز می‌گردیم: آنها کجا هستند؟

 قبل از مه‌بانگ چه اتفاقی افتاده است؟

راه دیگری برای بیان این پرسش این است که چرا به جای این که هیچ چیز وجود نداشته باشد، این همه چیز در جهان وجود دارد؟ این پرسشی است که بشریت قرن‌هاست که با آن مواجه است.

امروزه دانشمندان چندین نظریه دارند، از جمله نظریه ریسمان که این فرضیه را مطرح می‌کند که جهان ما یکی از جریان‌های بی‌پایانی است که پا به عرصه وجود گذاشته‌اند.

یک اخترفیزیکدان مشهور به نام نیل دگراس تایسون(Neil deGrasse Tyson) در قسمتی از پادکست «Startalk» این پرسش را پیش روی استیون هاوکینگ مطرح کرد. هاوکینگ توضیح داد که معتقد است قبل از انفجار بزرگ «هیچ چیز» وجود نداشته است.

اما مسائل بیشتری وجود دارد. هاوکینگ اظهار داشت که معتقد است جهان هیچ مرزی ندارد و پیوستار(مجموعه‌های بی‌نهایت) فضازمان مانند یک جسم کروی یک سطح بسته‌ بدون پایان است و دقیقاً مانند روی زمین، شما نمی‌توانید بیشتر از قطب جنوب به جنوب سفر کنید.

هاوکینگ توضیح داد: می‌توان زمانی معمولی و واقعی را از قطب جنوب شروع کرد که نقطه‌ای هموار از فضازمان است که در آن قوانین عادی فیزیک برقرار است. هیچ چیزی در جنوبِ قطب جنوب وجود ندارد، بنابراین قبل از انفجار بزرگ هیچ چیزی وجود نداشته است.

«انرژی تاریک» چیست؟

در دهه ۱۹۲۰، رصدهای یک ستاره‌شناس به نام «ادوین هابل»(Edwin Hubble) نشان داد که جهان در حال انبساط است. بعدها دانشمندان انتظار داشتند که دریابند این روند به دلیل اثرات گرانش است که در حال کند شدن است. با این حال مطالعات در سال ۱۹۹۸ نشان دادند که این انبساط و گسترش در واقع نه تنها کند نشده بلکه شتاب نیز گرفته است و نیروی نامرئی ایجاد کننده این شتاب «انرژی تاریک» نام گرفت.

در کیهان‌شناسی، انرژی تاریک(Dark energy) شکل ناشناخته‌ای از انرژی است که همه فضا را به صورت فرضی در بر می‌گیرد و بر سرعت انبساط جهان می‌افزاید. طبق بررسی دانشمندان، انرژی تاریک مقبول‌ترین فرضیه برای توضیح دادن مشاهدات اخیر است که می‌گویند جهان با آهنگ رو به افزایشی(با شتاب ثابت) منبسط می‌شود.

در مدل استاندارد کیهان‌شناسی بنابر هم‌ارزی جرم و انرژی، جهان شامل حدود ۲۶٫۸ درصد ماده تاریک، ۶۸٫۳ درصد انرژی تاریک(در مجموع ۹۵٫۱ درصد) و ۴٫۹ درصد ماده معمولی است. باز هم بر اساس اصل هم‌ارزی جرم و انرژی، چگالی انرژی تاریک بسیار کم است.

در منظومه شمسی تقریباً فقط ۶ تن انرژی تاریک درون شعاع مدار پلوتون یافت می‌شود. با این حال، انرژی تاریک بیشتر جرم و انرژی جهان را تشکیل می‌دهد، زیرا به ‌طور یکنواخت در فضا پخش شده ‌است.

دو شکل برای انرژی تاریک ارائه شده ‌است. یکی ثابت کیهان‌شناسی که یک چگالی انرژی ثابت است که به ‌طور همگن جهان را پر می‌کند و دیگری میدان‌های اسکالر که کمیت‌هایی دینامیکی را تعریف می‌کند که چگالی انرژی آنها می‌تواند در فضازمان تغییر کند. بخش‌هایی از میدان‌های اسکالر که در فضا ثابت هستند هم معمولاً در ثابت کیهان‌شناسی شمرده می‌شوند.

همانطور که اشاره شد، محاسبات بعداً نشان دادند که تقریباً ۷۰ درصد جهان از انرژی تاریک تشکیل شده است و با این حال، ما هنوز نمی‌دانیم که آن چیست.

انرژی تاریک برای تلسکوپ‌ها کاملاً نامرئی است و نور مرئی یا هر شکل دیگری از تشعشعات الکترومغناطیسی را ساطع یا جذب نمی‌کند و ما فقط به دلیل تأثیر گرانشی آن بر حرکات خوشه‌های کهکشانی و ستارگان منفرد می‌دانیم که وجود دارد.

اگرچه مطالعه چیزی که اساساً برای چشم و تلسکوپ ما نامرئی است، بسیار دشوار است، اما برخی از دانشمندان معتقدند که از ذرات زیراتمی تشکیل شده است که اساساً با ذراتی که ماده‌ای را ایجاد می‌کنند و ما می‌توانیم آنها را در دنیای اطرافمان ببینیم، متفاوت است.

این انرژی غیر از تشابه اسمی با ماده تاریک، به آن مرتبط نیز هست، چرا که ماده تاریک گرانش جهان را افزایش می‌دهد و انرژی تاریک با این نیرو مقابله می‌کند.

«ماده تاریک» چیست؟

مانند انرژی تاریک، ما فقط می‌دانیم که ماده تاریک به دلیل تأثیر گرانش خود بر ستاره‌ها و کهکشان‌ها وجود دارد و با این حال، تخمین زده می‌شود که حدود ۲۵ درصد از جهان را تشکیل می‌دهد. این بدان معناست که ماده تاریک و انرژی تاریک با هم حدود ۹۵ درصد از همه جهان هستی را تشکیل می‌دهند.

ماده تاریک(Dark Matter) گونه‌ای از ماده است که فرضیه وجود آن در اخترشناسی و کیهان‌شناسی ارائه شده ‌است تا پدیده‌هایی را توضیح دهد که به نظر می‌رسد ناشی از وجود میزان خاصی از جرم باشند که از جرم موجود مشاهده‌ شده در جهان بیشتر است.

ماده تاریک به ‌طور مستقیم با استفاده از تلسکوپ قابل مشاهده نیست و بدین سبب «تاریک» نامیده می‌شود که ظاهراً هیچ کنشی با میدان الکترومغناطیسی ندارد، به این معنی که تشعشعات الکترومغناطیسی مانند نور از خود منتشر نمی‌کند، بازتاب نمی‌دهد و جذب نیز نمی‌کند. بنابراین قابل دیدن نیست.

به بیان دیگر، ماده تاریک ماده‌ای است که واکنشی نسبت به نور نشان نمی‌دهد. در عوض، وجود ویژگی‌های ماده تاریک را می‌توان به شکل غیرمستقیم و از طریق تأثیرات گرانش بر روی ماده مرئی، تابش و ساختار بزرگ مقیاس جهان نتیجه گرفت. طبق داده‌های تیم مأموریت پلانک در سال ۲۰۱۳ و بر پایه مدل استاندارد کیهان‌شناسی، ماده تاریک ۲۶٫۸ درصد از کل ماده موجود در هستی را تشکیل می‌دهد.

اختر-فیزیک‌دانان فرضیه ماده تاریک را مطرح نمودند تا اختلاف میان جرم محاسبه‌ شده برای اجرام غول‌پیکر آسمانی توسط دو روش استفاده از تأثیرات گرانشی آنها یا استفاده از مواد درخشان درون آن‌ها(ستارگان، گاز، غبار) را توضیح دهند.

این فرضیه نخستین بار توسط یان اورت در سال ۱۹۳۲ برای توضیح سرعت‌های مداری ستارگان در کهکشان راه شیری و توسط فریتس زوئیکی در سال ۱۹۳۳ برای توضیح شواهد مربوط به «جرم گمشده» در سرعت‌های مداری کهکشان‌ها در خوشه‌های کهکشانی مطرح گردید. در پی آن بسیاری از مشاهدات دیگر نیز مطرح شد که دلالت بر وجود ماده تاریک در جهان داشتند.

کیهان‌شناسان توافق نظر دارند که ماده تاریک عمدتا از نوعی ذره زیراتمی ناشناخته تشکیل شده ‌است. جستجو برای یافتن این ذره با استفاده از وسایل گوناگون یکی از تلاش‌های اصلی فیزیک ذرات بنیادی است.

اگرچه وجود ماده تاریک به ‌طور عمومی توسط جامعه علمی مورد پذیرش قرار گرفته ‌است، اما نظریه‌های جایگزینی نیز برای گرانش ارائه شده‌اند. مثلاً می‌توان به دینامیک نیوتونی اصلاح‌شده(MOND) یا گرانش تانسور-بردار-نرده‌ای(TeVeS) اشاره نمود که سعی در توضیح این مشاهدات غیرمعمول بدون نیاز به معرفی جرم اضافی دارند.

تا به امروز، هیچ آزمایشی بر روی زمین هیچ مدرک مشخصی برای ماده تاریک کشف نکرده است. با این حال، در آینده، رصدخانه‌های فضایی مانند تلسکوپ فضایی اقلیدس(Euclid) و تلسکوپ فضایی رومی نانسی گریس(Nancy Grace Roman) می‌توانند ماده تاریک و انرژی تاریک را برای ما هویدا کنند.

تلسکوپ فضایی اقلیدس نقشه‌ای سه بعدی از کیهان، شامل یک سوم آسمان شب و تقریباً دو میلیارد کهکشان را ترسیم خواهد کرد. این نقشه تا حدود ۱۰ میلیارد سال نوری از زمین امتداد خواهد داشت و امید است که بینش جدیدی در مورد تکامل جهان ۱۳.۸ میلیارد ساله و نقش ماده تاریک و انرژی تاریک به ما ارائه دهد.

ماه چگونه شکل گرفته است؟

کره ماه مسئول جزر و مد اقیانوس‌ها روی زمین است و احتمالاً نقش زیادی در تکامل حیات روی زمین داشته است، اما ما هنوز دقیقا نمی‌دانیم که چگونه به وجود آمده است.

تخمین زده می‌شود که ماه صد میلیون سال پس از شروع شکل‌گیری منظومه شمسی شکل گرفته است و چندین نظریه در مورد منشاء آن وجود دارد، اگرچه هیچ یک از آنها تا به امروز ثابت نشده‌اند.

یک نظریه بیان می‌کند که ممکن است میلیاردها سال پیش، زمین توسط جرمی به اندازه سیاره مریخ به نام تیا(Theia) برخورد کرده باشد. در یک مطالعه اخیر، شبیه‌سازی‌هایی که جرم، مدار و ترکیب ماه را در نظر گرفتند، نشان دادند که چنین برخوردی می‌تواند منجر به تشکیل ماه در عرض چند ساعت شود.

آیا حیات از زمین به وجود آمده است؟

ممکن است این زمین نباشد که حیات را روی این سیاره ایجاد کرده است. در سال‌های اخیر مطالعات متعددی نشان داده‌اند که سیارک‌ها و شهاب‌سنگ‌ها ممکن است چندین عصر قبل، مواد مورد نیاز برای تشکیل حیات را از جاهای دیگر به سیاره زمین آورده باشند.

سال گذشته دانشمندان دو واحد از پنج واحد اطلاعاتی DNA و RNA را که هنوز در نمونه‌های شهاب‌سنگ‌ها شناسایی نشده بودند، کشف کردند. پیامدهای حاصل از این مطالعات بسیار زیاد هستند، زیرا این نمونه‌ها اکنون نشان می‌دهند که تمام بخش‌های ژنتیکی مورد نیاز برای تشکیل DNA در شهاب‌سنگ‌ها وجود دارند، به این معنی که اولین آجرهای سازنده حیات ممکن است توسط سنگ‌های فضایی به زمین منتقل شده باشند.

ماموریت‌های نمونه سیارکی مانند هایابوسا-۱(Hayabusa-۱) متعلق به آژانس فضایی ژاپن(JAXA) که نمونه‌ای را در سال ۲۰۱۰ از سیارک «۲۵۱۴۳ Itokawa» جمع‌آوری کرد و به زمین آورد تا وجود آب و مواد آلی را بر روی سنگ‌های فضایی اثبات کند.

انفجار رادیویی سریع چیست؟

انفجارهای رادیویی سریع(FRB) تشعشع‌های شدید و درخشانی از نور هستند که از کیهان دور تشخیص داده می‌شوند. آنها برای اولین بار در سال ۲۰۰۷ کشف شدند. آنها از کل کهکشان‌ها درخشان‌تر هستند و می‌توانند همان مقدار انرژی را که خورشید ما در سه روز تولید می‌کند، تولید کنند.

در نجوم رادیویی، انفجار رادیویی سریع(FRB) یک پالس رادیویی گذرا با طولی متغیر از کسری از میلی‌ثانیه برای یک انفجار رادیویی فوق سریع تا ۳ ثانیه است که توسط فرآیندهای اخترفیزیکی پرانرژی که هنوز درک نشده‌اند، ایجاد می‌شود.

اخترشناسان تخمین می‌زنند که یک انفجار رادیویی سریع متوسط در عرض یک میلی‌ثانیه همان قدر انرژی آزاد می‌کند که خورشید طی ۳ روز ساطع می‌کند.

در حالی که انفجار رادیویی سریع در منبع خود بسیار پرانرژی است، اما قدرت سیگنالی که به زمین می‌رسد هزار برابر کمتر از سیگنال یک تلفن همراه است که از ماه به زمین فرستاده شود.

اگرچه انفجارهای رادیویی سریع فوق العاده درخشان هستند، اما تشخیص آنها دشوار است، زیرا فقط چند میلی‌ثانیه دوام می‌آورند. دانشمندان می‌گویند که ممکن است روزانه ۱۰ هزار انفجار رادیویی سریع از آسمان زمین قابل مشاهده باشد، اما اکثر آنها شناسایی نمی‌شوند و مغفول می‌مانند.

ما نمی‌دانیم که آنها از کجا نشأت می‌گیرند، اگرچه از نامزدهایی مانند مگنتارها(مغنااخترها)، ستاره‌های نوترونی در حال فروپاشی و کهکشان‌های در حال برخورد نام برده می‌شود. در موارد نادر، برخی از انفجارهای رادیویی سریع، سیگنال‌هایی تکراری ارسال می‌کنند که توجه موسسه جستجوی هوش فرازمینی(SETI) را نیز به خود جلب کرده است.

حباب فِرمی چیست؟

حباب‌های فرمی(Fermi bubbles) دو ساختار عظیم هستند که در مرکز کهکشان راه شیری کشف شده‌اند و تقریباً ۲۰ هزار سال نوری در بالا و پایین صفحه کهکشانی امتداد دارند.

آنها اولین بار در سال ۲۰۱۰ کشف شدند و از پرتوهای گاما و ایکس با انرژی فوق‌العاده بالا تشکیل شده‌اند که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند.

برخی از دانشمندان پیشنهاد می‌کنند که این امواج ممکن است امواج ضربه‌ای باشند که از ستارگانی بیرون می‌آیند که توسط کمان اِی*(A*) که سیاه‌چاله‌ای در مرکز کهکشان راه شیری است، در حال گسسته شدن هستند.

میدان مغناطیسی ماه

یکی از بزرگترین اسرار ماه که منبع الهام داستان‌های علمی تخیلی از جمله «۲۰۰۱: یک ادیسه فضایی» بوده است، این معماست که حول این واقعیت می‌چرخد که فقط بخش‌هایی از پوسته ماه دارای میدان مغناطیسی هستند.

در حالی که ما دلیل دقیق این پدیده را نمی‌دانیم، برخی از دانشمندان گفته‌اند که ممکن است به دلیل برخورد سیارکی باشد که مواد مغناطیسی را در برخی نقاط سطح ماه پراکنده کرده است.

در داستان علمی تخیلی «۲۰۰۱: یک ادیسه فضایی» نویسنده آن آرتور سی کلارک(Arthur C. Clarke) سرانجام دانشمندان کشف می‌کنند که میدان‌های مغناطیسی پراکنده ماه توسط یک سنگ اسرارآمیز زیر سطح ماه ایجاد شده است.

چرا تپ‌اخترها به طور مداوم چشمک می‌زنند؟

تَپ‌اخترها ستارگان نوترونی هستند که با سرعت بسیار زیاد می‌چرخند. آنها همچنین پرتویی از تابش الکترومغناطیسی را در فواصل زمانی آن‌قدر منظم ساطع می‌کنند که با دقت یک ساعت اتمی رقابت می‌کند. این امر آنها را به ابزاری ارزشمند برای ستاره‌شناسان و اخترفیزیکدانانی تبدیل کرده است که از آنها برای اندازه‌گیری فواصل در فضا استفاده می‌کنند.

تپ‌اخترها (Pulsar) ستاره‌های نوترونی چرخانی هستند که با سرعت بسیار زیادی دَوَران می‌کنند و پالس‌های مداومی از انرژی تابشی به همراه خطوط میدان مغناطیسی قوی از خود منتشر می‌کنند. برخی از تپ‌اخترها نیز پرتوهای ایکس تابش می‌کنند.

ستاره‌های نوترونی در حقیقت بقایای هسته ستاره منفجر شده‌ای هستند که حجم کوچک و چگالی بسیار بالایی دارد. برای نمونه تپ‌اختری به قطر ۲۰ کیلومتر، ۱٫۵ برابر جرم خورشید را در خود جای داده‌ است.

تپ‌اخترها هنگام تولد دمایی در حدود چند میلیون درجه سلسیوس دارند و بلافاصله شروع به سرد شدن می‌کنند. نحوه و سرعت سرد شدن آنها نیز به مواد تشکیل‌ دهنده و چگالی آنها بستگی دارد.

اولین تپ‌اختر در سال ۱۹۶۷ کشف شد، اما دانشمندان هنوز متوجه نشده‌اند که چه چیزی باعث تپش این ستاره‌ها می‌شود.

با این حال در سال ۲۰۰۸ ستاره‌شناسان مشاهده کردند که یک تپ‌اختر خاص ناگهان به مدت ۵۸۰ روز متوقف شد. آنها در طول مشاهدات خود متوجه شدند که این به نوعی به جریان‌های مغناطیسی مربوط می‌شود که چرخش ستارگان را کاهش می‌دهد، اگرچه آنها نمی‌دانند این جریان‌ها از کجا می‌آیند.

آیا جهان ما یکی از چندین جهان است؟

نظریه ریسمان معتقد است که ذرات زیراتمی، بلوک‌های اساسی سازنده ماده نیستند، بلکه در عوض، همه چیز از رشته‌های فوق ‌العاده ریز تشکیل شده است که ارتعاشات آنها اثراتی را ایجاد می‌کند که ما آنها را به عنوان اتم، الکترون و کوارک تفسیر می‌کنیم.

چنین چیزی اساساً امکان وجود تعداد بالقوه و نامتناهی از ابعاد را فراهم می‌کند که نشان می‌دهد جهان ما تنها یکی از بسیاری از ابعاد است.

اگر نظریه ریسمان اثبات شود، به دانشمندان این امکان را می‌دهد که قوانین نظریه نسبیت و مکانیک کوانتومی را یکپارچه کنند و همچنین به این پرسش پاسخ می‌دهد که چه چیزی قبل از مه‌بانگ رخ داده است.

مشکل این است که نظریه ریسمان برای اولین بار در دهه ۱۹۶۰ مطرح شد، اما دانشمندان تاکنون نتوانسته‌اند هیچ مدرک مشخصی برای اثبات آن ارائه دهند.