کیهان‌شناسان پاسخ می‌دهند: جهان چقدر بزرگ است؟

جهان چقدر بزرگ است؟ این یکی از سوالات بنیادی اخترشناسی به حساب می‌آید. با نگاه به دورترین نقطه قابل مشاهده از زمین (و در واقع کهن‌ترین نقطه، با در نظر گرفتن سرعت نور) می‌توانیم قطری را برای کیهان تخمین بزنیم.

به لطف تکنولوژی‌هایی که روز به روز تکامل می‌یابند، اخترشناسان قادرند تا لحظاتی پس از انفجار بزرگ به عقب نگاه کنند. از این جمله شاید اینطور به نظر برسد که تمام کیهان زیر نظر ماست. اما اندازه کیهان به چیزهای دیگری نیز بستگی دارد، از جمله شکل و انبساط آن.

در نتیجه، با این که می‌توانیم تخمین‌هایی از اندازه کیهان داشته باشیم، دانشمندان نمی‌توانند عددی را برای آن اعلام کنند.

جهان قابل مشاهده

در سال ۲۰۱۳، ماموریت پلانک متعلق به آژانس فضایی اروپا دقیق‌ترین و جزیی‌ترین نقشه از نورهای کهن کیهان را منتشر کرد. این نقشه نشان می‌داد که جهان ۱۳/۸ میلیارد سال عمر دارد. ماموریت پلانک سن کیهان را با مطالعه تابش زمینه کیهانی محاسبه کرده بود.

«چارلز لارنس» (Charles Lawrence)، یکی از دانشمندان این پروژه از آزمایشگاه پیشران جت ناسا در پاسادنای کالیفرنیا، می‌گوید: «تابش زمینه کیهانی مسافری است که از زمان‌های بسیار دور به ما می‌رسد. این تابش کل تاریخ کیهان را برای ما تعریف می‌کند.»

به خاطر ارتباط بین مسافت و سرعت نور، دانشمندان در واقع می‌توانند به ناحیه‌ای از فضا که ۱۳/۸ میلیارد سال نوری از ما دورتر است، نگاه کنند. درست مثل یک کشتی در وسط اقیانوس، اخترشناسان می‌توانند تلسکوپ خود را بچرخانند و در هر جهت تا شعاع ۱۳/۸ میلیارد سال نوری را تماشا کنند. این زمین را در کره‌ای به شعاع ۱۳/۸ میلیارد سال نوری قرار می‌دهد که به آن جهان قابل مشاهده می‌گوییم. عبارت «قابل مشاهده» کلید این مفهوم است؛ این کره چیزی که دانشمندان می‌توانند ببینند را در بر می‌گیرد، نه چیزی که واقعا وجود دارد.

اما با این که این کره در ظاهر حدود ۲۸ میلیارد سال نوری قطر دارد، در حقیقت بسیار بزرگتر از این‌هاست. دانشمندان می‌دانند که کیهان در حال انبساط است. در نتیجه، همزمان که دانشمندان نقطه‌ای را در فاصله ۱۳/۸ میلیارد سال نوری و متعلق به زمان انفجار بزرگ می‌بینند، باید این را نیز در نظر گرفت که کیهان از ابتدای عمر خود به طور دائم در حال انبساط بوده است. طبق نوشته «ایتان سیگل» (Ethan Siegel) در فوربس، اگر این انبساط در طول عمر جهان با یک نرخ ثابت رخ داده باشد، همان نقطه در حال حاضر ۴۶ میلیارد سال نوری از ما فاصله خواهد داشت. در این صورت قطر جهان قابل مشاهده به ۹۲ میلیارد سال نوری می‌رسد.

این که کره‌ای را در کیهان بگذاریم که زمین در مرکز آن باشد، مثل این است که انسان‌ها را در مرکز جهان بدانیم. با این حال مثل همان کشتی در اقیانوس، ما نمی‌توانیم مکان خود را در گستره کیهان بدانیم. این که ساحل را نمی‌بینیم، به این معنی نیست که در مرکز اقیانوس قرار داریم؛ همچنین چون لبه کیهان را نمی‌بینیم، به این معنی نیست که در مرکز آن هستیم.

اندازه‌گیری جهان

دانشمندان اندازه کیهان را با روش‌های بسیار متنوعی اندازه می‌گیرند. آن‌ها می‌توانند امواج کیهان اولیه را، موسوم به نوسانات آکوستیک باریونیک، اندازه‌گیری کنند که پشت تابش زمینه کیهانی را پر می‌کنند. آن‌ها همچنین می‌توانند از شمع‌های استاندارد، مثل ابرنواخترهای نوع 1A، برای تخمین مسافت استفاده کنند. با این حال، روش‌های متفاوت تخمین مسافت می‌توانند پاسخ‌های متفاوتی نیز فراهم کنند.

این که انبساط چگونه تغییر می‌کند نیز یک معما است. با این که تخمین ۹۲ میلیارد سال نوری از ایده نرخ انبساط ثابت می‌آید، بسیاری از دانشمندان گمان می‌برند که این نرخ در حال کاهش باشد. اگر کیهان با سرعت نور منبسط می‌شد، در حال حاضر این عدد ۱۰^۲۳ یا ۱۰۰ سکستیلیون بود. یک پاسخ به این مساله، که ناسا آن را در سال ۲۰۱۹ ارائه داده، این است که وقایع مربوط به انرژی تاریک احتمالا در لحظات پس از انفجار بزرگ در انبساط کیهان دخالت داشته‌اند.

تیمی از دانشمندان در دانشگاه آکسفورد به سرپرستی «مهران واردانیان» (Mihran Vardanyan)، به جای استفاده از یکی از روش‌های اندازه‌گیری، به تحلیل آماری تمام نتایج پرداختند. آن‌ها به استفاده از «میانگین‌گیری مدل بیزی» (Bayesian Model Averaging) روی آوردند که روی احتمال درست بودن یک مدل بر اساس داده‌ها تمرکز دارد ــ به جای این پرسش که عملکرد مدل با توجه به داده‌ها چقدر خوب است. آن‌ها دریافتند که کیهان حداقل ۲۵۰ برابر بزرگتر از کیهان قابل مشاهده است، یا حداقل ۷ تریلیون سال نوری قطر دارد.

طبق گفته وبسایت MIT Technology Review «این عدد بزرگ است، اما در واقع از خیلی از مدل‌های دیگر محدودتر است.»

شکل جهان

اندازه جهان تا حد زیادی به شکل آن بستگی دارد. دانشمندان این احتمال را پیش‌بینی کرده‌اند که جهان می‌تواند مثل یک کره بسته باشد، باز باشد و مانند یک زین اسب انحنای منفی داشته باشد، یا تخت و باز باشد.

یک جهان بسته اندازه‌ای محدود دارد و قابل اندازه‌گیری است. این می‌تواند در مورد جهانی که مانند یک کره بسته است صدق کند. اما یک جهان باز طبق تعریف اندازه‌ای ندارد.

طبق گفته ناسا، دانشمندان با تنها ۰/۴ درصد حاشیه خطا (تا سال ۲۰۱۳) می‌دانند که کیهان تخت است. و این می‌تواند فهم ما را از میزان بزرگی کیهان دگرگون کند.

طبق گفته ناسا «این یعنی کیهان گستره‌ای نامحدود دارد؛ با این حال، از آنجا که کیهان سنی محدود دارد، ما تنها می‌توانیم بخشی محدود از آن را مشاهده کنیم. تنها چیزی که واقعا می‌توانیم نتیجه بگیریم این است که کیهان بسیار بزرگتر از چیزی است که مستقیما مشاهده می‌شود.»

تعیین شکل کیهان به خاطر محدودیت‌های ابزارهای مشاهده‌ای ما چالش‌های بیشتری را به مساله اضافه می‌کند. طبق نوشته وبسایت دپارتمان فیزیک دانشگاه اورگن، «کیهان به ظاهر بی‌پایان، مانند یک تالار آینه می‌تواند ما را فریب دهد. کیهان می‌تواند در حقیقت محدود باشد. توهم بی‌نهایت بودن می‌تواند ناشی از این باشد که نور احتمالا بیش از یک بار کیهان را پیموده و از هر کهکشان چند تصویر تولید کرده است.»