آیا سن جهان در همه جا ۱۳٫۸ میلیارد سال است؟

زومیت: همه می‌دانیم که از عمر جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌گذرد؛ اما آیا ناظران در کهکشان‌های دیگر نیز سن جهان را همین‌قدر می‌بینند؟

از دیدگاه ما در کیهان، می‌توانیم به هر جهتی که بخواهیم نگاه کنیم و تا جایی که ابزارهایمان اجازه می‌دهند، اجرام را نه آن‌گونه که امروز هستند، بلکه آن‌گونه که در گذشته بوده‌اند ببینیم. تمام نوری که از هر نقطه‌ی جهان جمع‌آوری می‌کنیم، تنها پس از پیمودن فاصله‌ی عظیم میان ما به‌عنوان ناظر و منبع گسیل‌کننده، به چشم‌ها و ابزارهایمان می‌رسد.

بیا بازی ببین

برای ستارگان درون کهکشان خودمان، این فاصله‌ها در حد چند سال نوری سنجیده می‌شوند و برای دورترین ستاره‌های راه شیری به ده‌ها هزار سال نوری می‌رسند. برای کهکشان‌های دیگر، این فاصله از صدها هزار تا میلیاردها سال نوری متغیر است و برای تابشِ به‌جامانده از خود بیگ‌بنگ، این فاصله به ۴۶٫۱ میلیارد سال نوری می‌رسد؛ دورترین چیزی که در حال حاضر می‌توانیم ببینیم.

دلیل اینکه نمی‌توانیم دورتر را ببینیم این نیست که جهان در نقطه‌ای از فضا پایان می‌یابد، بلکه این است که جهان ما با وجود انبساط مداوم، سنی محدود دارد؛ سنی که با آغاز بیگ‌بنگ داغ تعیین می‌شود. به همین دلیل، از دیدگاه ما جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال عمر دارد و هرچه دورتر را نگاه کنیم، به زمان‌های دورتر در گذشته می‌نگریم. بااین‌حال، اگر در هر نقطه‌ی دیگری از جهان قرار داشتیم، راه شیری جوان‌تر به نظر می‌رسید و آن مکان را نیز در جهانی با سن ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌دیدیم. دست‌کم شهود ما چنین می‌گوید. اما آیا واقعاً همین‌طور است؟

همیشه می‌گوییم جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال عمر دارد. این جمله انگار بدین معناست که تمام نقاط جهان روی یک ساعت مشترک قرار دارند، درحالی‌که می‌دانیم چنین نیست. پس چارچوب مرجعی که در آن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال سن دارد، دقیقاً چیست؟

ما فقط یک دیدگاه برای مشاهده‌ی جهان داریم که آن هم دیدگاه خودمان است. در همین چارچوب مرجع است که جهان را ۱۳٫۸ میلیارد ساله می‌بینیم؛‌ اما در ادامه با زومیت همراه باشید تا نگاهی بیندازیم به اینکه هر ناظر، بسته به موقعیت خود، چه تصویری از جهان مشاهده می‌کند.

برای شروع، ببینیم خودِ ما دقیقاً چه چیزی را مشاهده می‌کنیم و چرا جهان را با سنی برابر با ۱۳٫۸ میلیارد سال می‌بینیم. وقتی به اجرام دوردست جهان نگاه می‌کنیم، چه ستارگان، کهکشان‌ها و دیگر رویدادهای کیهانی در فاصله‌های گوناگون، چه تابش باقی‌مانده از بیگ‌بنگ که امروزه آن را به‌صورت تابش زمینه کیهانی مشاهده می‌کنیم و چه الگوی رشد ساختارهای مختلف در شبکه کیهانی، مانند احتمال یافتن دو کهکشان با فاصله‌ای مشخص از یکدیگر، تمامشان به ما امکان می‌دهند تصویری از تاریخ کیهانی خود ترسیم کنیم.

چنین تصویری، نکات بسیار عمیقی درباره‌ی وجود ما و واقعیت جهان در زمان حال آشکار می‌کند. این اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند جهان از چه چیزهایی ساخته شده است (انواع مختلف انرژی و نسبت آن‌ها)، چگونه در طول زمان منبسط شده است (سرعت انبساط کنونی و روند تغییر آن)، بیشترین فاصله‌ای که می‌توانیم در فضا ببینیم چقدر است و چه مدت از آغاز بیگ‌بنگ داغ گذشته است. وقتی این اندازه‌گیری‌ها را در اختیار داشته باشیم، کافی است معادلات اینشتین را برای جهانی که در مقیاس‌های بزرگ همسان‌گرد (در تمام جهت‌ها یکسان)، همگن (در همه‌ی مکان‌ها یکسان) و در حال انبساط است به کار ببریم؛ در این صورت، پاسخ‌های منحصربه‌فردی برای ترکیب جهان، تاریخچه‌ی انبساط، سن و اندازه‌ی آن به دست می‌آید.

این همان کیهان‌شناسی فیزیکی استاندارد است؛ چارچوبی که نخستین بار در سال ۱۹۲۲ توسط الکساندر فریدمن ارائه شد و معادلات او هنوز هم بنیان درک مدرن ما از جهان را تشکیل می‌دهند. هر سه روش یادشده، چه به‌صورت جداگانه و چه در کنار هم، تصویری کاملاً سازگار از جهان امروز ارائه می‌کنند:

جهان با نرخی حدود ۷۰ کیلومتر بر ثانیه به‌ازای هر مگاپارسک در حال انبساط است (با وجود اختلاف‌های جزئی ناشی از تنش هابل).

جهان عمدتاً از انرژی تاریک (حدود ۷۰ درصد) و سپس ماده تاریک (حدود ۲۵ درصد) تشکیل شده است. ماده‌ی معمولی ۴٫۹ درصد، نوترینوها و فوتون‌ها حدود ۰٫۱ درصد را تشکیل می‌دهند و تقریباً هیچ مؤلفه‌ی دیگری وجود ندارد؛ نه نشانی از خمیدگی فضایی، نه ریسمان‌های کیهانی، نه دیواره‌های دامنه و نه منابع عجیب دیگر انرژی.

دورترین نوری که امروز می‌توانیم ببینیم (نوری که تازه اکنون به ما رسیده و درست در آغاز بیگ‌بنگ داغ گسیل شده بود)،‌ در فاصله‌ی ۴۶٫۱ میلیارد سال نوری قرار دارد.

و سن جهان، یعنی زمانی که از آغاز بیگ‌بنگ داغ سپری شده، ۱۳٫۸ میلیارد سال است.

این همان تصویر استاندارد ما از جهان است؛ تصویری که تقریباً از ۲۸ سال گذشته، یعنی از زمان کشف انرژی تاریک، با ما بوده است. هرچند در این مدت پارامترها را با دقت بیشتری اندازه‌گیری کرده‌ایم و عدم‌قطعیت‌ها را کاهش داده‌ایم، دلیل خوبی وجود دارد که چرا این تصویر از سال ۱۹۹۸ تاکنون تغییر چشمگیری نکرده است. همان‌طور که آدام ریس، برنده‌ی جایزه‌ی نوبل و یکی از کاشفان انرژی تاریک، در مصاحبه‌ای گفت:

در تمام تاریخ بشر، فقط یک‌بار این فرصت پیش می‌آید که بتوانیم واقعاً بخش عمده‌ای از جهان را کشف کنیم.

بااین‌حال، هر نتیجه‌گیری بر پایه‌ی فرض‌هایی انجام می‌شود و سن ۱۳٫۸ میلیارد سالی جهان نیز به چند فرض کلیدی متکی است که معمولاً به آن‌ها اشاره نمی‌شود:

نخست، فرض می‌کنیم جهان در مقیاس‌های بزرگ واقعاً همسان‌گرد و همگن است و قوانین نسبیت عام اینشتین بر آن حاکم‌اند. این فرض با مشاهدات ما سازگار است و بسیار مطمئن به نظر می‌رسد، اما برای تکمیل بحث، ذکر آن ضروری است.

سوم، فرض می‌کنیم تمام انتقال به سرخ‌هایی که نسبت به خودمان مشاهده می‌کنیم، صددرصد ناشی از انبساط کیهانی هستند و نه حرکت محلی ما در فضا یا حرکت محلی اجرام دوردست.

هر یک از این فرض‌ها شایسته‌ی بررسی دقیق‌تر هستند. به‌عنوان مثال، فرض آخر در سال‌های اخیر به‌لطف نتایج اولیه‌ی ابزار طیف‌سنجی انرژی تاریک (DESI) مورد تردید قرار گرفته است. بااین‌حال، فعلاً فرض کنیم همگی آن‌ها (و سایر فرض‌های زیربنایی) درست هستند. حتی در این صورت، آنچه هنگام نگاه‌کردن به سراسر جهان می‌بینیم، نکته‌ی جالبی درباره‌ی «سن» اجرامی که مشاهده می‌کنیم آشکار می‌کند.

ما فقط «اکنون» را مشاهده می‌کنیم که در آن زندگی می‌کنیم؛ اکنونی که در آن سن جهان ۱۳٫۸ میلیارد سال است. اگر زودتر به وجود آمده بودیم، چه در گذشته‌ی زمین و چه در نقطه‌ای دیگر از جهان، روی سیاره‌ای که پیش از منظومه‌ی شمسی شکل گرفته بود، جهان را در زمانی می‌دیدیم که جوان‌تر، کوچک‌تر، چگال‌تر و داغ‌تر بود؛ زیرا در آن صورت، زمان کمتری از آغاز بیگ‌بنگ داغ سپری شده بود. در نتیجه، انبساط تجمعی جهان کمتر، حجم فضا کمتر افزایش یافته (یا به عبارت دیگر، «فضای جدید» کمتری ایجاد شده) و نور در مسیر حرکت خود دچار انتقال به سرخ کمتری شده بود؛ بنابراین طول موج آن نیز کمتر کشیده شده بود.

هر ناظر، در هر جایی که باشد، «سن» جهان را براساس مدت زمانی که از آغاز بیگ‌بنگ داغ برای او گذشته است، اندازه‌گیری می‌کند. او می‌تواند با مشاهده‌ی اجرام و سیگنال‌های اطراف خود، از نزدیک‌ترین تا دورترین نقاط جهان، نرخ انبساط، تاریخچه‌ی تحول انبساط، ترکیب جهان، اندازه‌ی جهان مشاهده‌پذیر و در نهایت سن جهان را استنباط کند. برای ما این سن ۱۳٫۸ میلیارد سال است، اما کسی که زودتر از ما به وجود آمده بود، جهان را جوان‌تر می‌دید و کسی که در آینده‌ی کیهانی زندگی کند، جهانی پیرتر را مشاهده خواهد کرد؛ هرچند آن زمان هنوز برای ما فرا نرسیده است.

بااین‌حال، هرچه دورتر را نگاه کنید، هر جرمی که می‌بینید، نسبت به خودتان جوان‌تر به نظر می‌رسد. برای اجرام نزدیکی که از نظر گرانشی به ما متصل هستند و همراه با انبساط کیهان از ما دور نمی‌شوند، این اختلاف فقط به اندازه‌ی زمان سفر نور است. برای نمونه:

ابرغول سرخ ابط‌الجوزا که حدود ۶۴۰ سال نوری از ما فاصله دارد، ممکن است تاکنون منفجر شده و به ابرنواختر تبدیل شده باشد، اما اگر چنین شده باشد، نور آن انفجار هنوز در راه است و به ما نرسیده است.

بااین‌حال،‌ اگر جهان ما در مقیاس‌های بزرگ همسان‌گرد و همگن نبود، ممکن بود مناطقی وجود داشته باشند که «گذر زمان» را به شکلی کاملاً متفاوت از آنچه ما تجربه کرده‌ایم، پشت سر گذاشته باشند. اگر در بخشی از فضا، چگالی ماده در مقیاس‌های کیهانی بسیار بیشتر از میانگین جهان بود، اتساع زمانی گرانشی در آن ناحیه می‌توانست بسیار چشمگیر باشد. در چنین شرایطی، زمان برای ناظران آن منطقه کندتر می‌گذشت و در نتیجه جهان برای آن‌ها کمتر «پیر» می‌شد. بنابراین، اگر ما در ناحیه‌ای با چگالی معمولی زندگی می‌کردیم، ممکن بود ناظری که در منطقه‌ای بسیار پرچگال قرار دارد، از زمان بیگ‌بنگ تاکنون به‌جای ۱۳٫۸ میلیارد سال، چند میلیارد سال کمتر را تجربه کرده باشد.

این سناریوی نظری حدود یک‌ونیم سال پیش، زمانی مورد توجه قرار گرفت که دیوید ویلتشر، اخترفیزیک‌دان نیوزیلندی، بر پایه‌ی همین ایده، مدل کیهان‌شناسی تایم‌اسکیپ (Timescape) را پیشنهاد کرد؛ مدلی که جهانی بسیار ناهموار و مملو از نواحی پرچگال و کم‌چگال را توصیف می‌کند. اما داده‌هایی که تاکنون از خود جهان گردآوری کرده‌ایم، نشان می‌دهند این سناریو احتمالاً توصیف درستی از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم نیست.

از دیدگاه رصدی، می‌توانیم ستارگان، کهکشان‌ها، گاز، غبار و همچنین اثر کلی ماده را از طریق همگرایی گرانشی اندازه‌گیری کنیم و به این ترتیب، نقشه‌های سه‌بعدی از توزیع جرم جهان بسازیم. سپس با استفاده از این نقشه‌ها، چگالی جرم هر ناحیه و میزان اتساع زمانی گرانشی ناشی از آن را برآورد کنیم.

از دیدگاه نظری نیز می‌توان طیف اولیه‌ی نوسان‌های چگالی را که نظریه‌ی تورم کیهانی پیش‌بینی می‌کند (و آثار آن در تابش زمینه کیهانی و ساختار بزرگ‌مقیاس جهان مشاهده شده است)، در طول زمان تکامل داد و محاسبه کرد که جهان در مقیاس‌های مختلف تا چه اندازه پرچگال یا کم‌چگال شده است. سپس با استفاده از شبیه‌سازی‌ها می‌توان میزان اتساع زمانی گرانشی ناشی از این ناهمگنی‌ها را محاسبه کرد.

نتیجه در هر دو روش یکسان است: بیشترین اختلاف زمانی که مشاهده یا پیش‌بینی می‌شود، در حد چند قرن تا چندهزار سال است. در مقایسه با ۱۳٫۸ میلیارد سال، این اختلاف تنها در حد حدود ۰٫۰۰۰۰۱ درصد یا کمتر است. افزون بر این، مشاهدات اخیر تلسکوپ فضایی جیمز وب از اجرامی نیز که چندین بار تحت همگرایی گرانشی قرار گرفته‌اند، این نتیجه را تأیید می‌کند. هنگامی که نور از میان پرجرم‌ترین خوشه‌های کهکشانی عبور می‌کند، مسیرهای متفاوتی را می‌پیماید و اختلاف زمانی میان این مسیرها قابل اندازه‌گیری است. رکورددار این اختلاف تاکنون ابرنواختر SN Ares است که اختلاف زمانی میان تصاویر آن حدود ۶۰ سال اندازه‌گیری شده است.

بنابراین، نه اتساع زمانی گرانشی و نه حتی جهانی که اندکی «ناهموارتر» از حالت ایده‌آل باشد، اختلاف چشمگیری در گذر زمان میان نواحی مختلف ایجاد نمی‌کنند. تنها اگر بسیار به افق رویداد سیاه‌چاله نزدیک شوید، ممکن است تفاوت قابل‌توجهی در سن تجربه‌شده‌ی جهان احساس کنید؛ آن هم فقط از این جهت که برای ناظری که در آن چاه گرانشی عمیق قرار دارد، زمان با آهنگ کندتری سپری می‌شود.

اما موضوع دیگری نیز وجود دارد: حرکت کیهانی. اجرام فقط در بستر جهان در حال انبساط قرار ندارند، بلکه درون آن نیز حرکت می‌کنند. ما در فضا حرکت می‌کنیم، تمام ستارگان کهکشان ما حرکت می‌کنند و خود کهکشان‌ها، گروه‌های کهکشانی و خوشه‌های کهکشانی نیز دارای حرکت هستند. هرچند انبساط کیهانی بزرگ‌ترین اثر در مقیاس‌های عظیم است، حرکت نسبی اجرام نیز واقعیتی انکارناپذیر است.

همان‌طور که نسبیت عام اتساع زمانی گرانشی و کیهان‌شناختی را توصیف می‌کند، نسبیت خاص نیز اتساع زمانی ناشی از حرکت را در بر دارد؛ یعنی هرچه جسمی سریع‌تر در فضا حرکت کند، زمان برای آن کندتر می‌گذرد. اگر کهکشان‌ها با کسری قابل‌توجه از سرعت نور حرکت می‌کردند، ممکن بود از زمان بیگ‌بنگ تاکنون بسیار کمتر از ۱۳٫۸ میلیارد سال را تجربه کرده باشند. اما می‌دانیم که چنین نیست؛ موضوعی که با اندازه‌گیری‌های دقیق تأیید شده است.

اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهند که سرعت واقعی کهکشان‌ها نسبت به حرکت ناشی از انبساط جهان (جریان هابل) معمولاً تنها چند صد تا چندهزار کیلومتر بر ثانیه است؛ یعنی کمتر از حدود یک درصد سرعت نور. منظومه شمسی نیز نسبت به چارچوب مرجع تابش ریزموج کیهانی با سرعت ۳۶۸ کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند؛ مقداری که از ناهمسان‌گردی دوقطبی این تابش به دست آمده است.

حتی اگر فرض کنیم جرمی در سراسر تاریخ کیهان همواره با سرعتی برابر با یک درصد سرعت نور نسبت به جریان هابل حرکت کرده باشد، ساعت آن در مقایسه با ساعت ما تنها حدود ۷۰۰هزار سال عقب می‌ماند. این اختلاف، در مقایسه با عمر ۱۳٫۸ میلیارد ساله‌ی جهان، تنها ۰٫۰۰۵ درصد است و عملاً ناچیز به شمار می‌رود.

بنابراین، اگر جهان واقعاً همسان‌گرد و همگن باشد (و شواهد از این موضوع پشتیبانی می‌کنند)، اگر قوانین نسبیت عام اینشتین بر آن حاکم باشند (که شواهد همین را نشان می‌دهند)، اگر ناهمگنی‌های چگالی آن در همان حدی باشند که مشاهده می‌کنیم (نه میلیون‌ها برابر شدیدتر)، اگر اجرام با همان سرعت‌هایی حرکت کنند که اندازه‌گیری کرده‌ایم (نه صد برابر سریع‌تر)، و اگر جهان تنها از همان گونه‌های انرژی شناخته‌شده تشکیل شده باشد (و نه انواع ناشناخته و عجیب)، آنگاه پاسخ مثبت است: اجرام مختلف جهان درطول ۱۳٫۸ میلیارد سال گذشته اندکی متفاوت از ما پیر شده‌اند. اما این اختلاف‌ها تنها در حد چند دهه، چند قرن یا چند هزار سال هستند، نه صدها میلیون یا میلیاردها سال.

با وجود اینکه نمی‌توانیم جهان را مستقیماً از نقطه‌ای غیر از محل حضور خودمان مشاهده کنیم، قوانین فیزیک و مشاهدات دوردست به ما اجازه می‌دهند به‌صورت کمی محاسبه یا اندازه‌گیری کنیم که هر ناحیه از جهان چه مقدار از ناحیه‌ای دیگر «پیرتر» یا «جوان‌تر» است. تقریباً در تمام مقیاس‌ها (به‌جز شاید درست در نزدیکی افق رویداد سیاه‌چاله‌ها) مهم‌ترین عاملی که تعیین می‌کند چیزی جوان‌تر یا پیرتر به نظر برسد، سرعت نور و مدت زمانی است که نور برای پیمودن فاصله‌ها در جهانِ در حال انبساط نیاز دارد.

اگر ناظری را دقیقاً ۱۳٫۸ میلیارد سال پس از بیگ‌بنگ در هر نقطه‌ای از جهان قرار دهید، او در مقیاس‌های بزرگ همان جهانی را خواهد دید که ما امروز می‌بینیم. این نتیجه نه‌تنها شگفت‌انگیز است، بلکه نشان می‌دهد انحراف‌ها از جریان هابل تا چه اندازه کوچک‌اند و حتی سریع‌ترین کهکشان‌ها نیز نسبت به چارچوب مرجع تابش زمینه کیهانی (همان تابش باقی‌مانده از بیگ‌بنگ) با چه سرعت اندکی حرکت می‌کنند. شاید جهان در همه‌جا دقیقاً یکسان نباشد، اما وقتی صحبت از ۱۳٫۸ میلیارد سال است، اختلاف‌هایی در حد چند دهه، چند قرن یا حتی چندهزار سال، در عمل تفاوت چشمگیری رقم نمی‌زنند.