مقایسهای ساده اما گویا میگوید همانطور که موجهای اقیانوس سواحل را تراش میدهند، موجهای فضا-زمان نیز ممکن است در نخستین لحظات کیهان مسیر تکامل آن را رقم زده و توزیع ماده را تعیین کرده باشند. گروهی از پژوهشگران پیشنهاد میکنند که امواج گرانشی—به جای میدان یا ذرهٔ فرضی موسوم به اینفلاتون—میتوانستهاند عامل اصلی تورم کیهان و ایجاد نوسانات چگالی در پلاسمای اولیه باشند.
زمینهٔ علمی و مسالهٔ مطرح
مدلهای رایج کیهانشناسی برای توضیح دورهٔ بسیار سریع انبساطِ پس از انفجار بزرگ (تورم کیهانی) معمولاً به یک میدان اسکالر یا ذرهٔ نظری به نام اینفلاتون تکیه دارند. اینفلاتون بر پایهٔ نظریهها به شفاف شدن همگونی قابلمشاهدهٔ کیهان و ایجاد اختلالات چگالی که بعدها به ستارگان، کهکشانها و سیاهچالهها تبدیل شدند، کمک میکند. با این حال تاکنون شواهد مستقلی برای وجود اینفلاتون یافت نشده است و برخی مشاهدات جدید، مانند کشف تعداد قابلتوجهی کهکشانهای بزرگ در اعصار دور توسط تلسکوپ جیمز وب (JWST)، پرسشهایی دربارهٔ سازگاری کامل مدلهای مرسوم ایجاد کرده است.
دکتر رائول خیمنز از دانشگاه بارسلونا، نویسندهٔ ارشد مقالهٔ مورد بحث، میگوید: «برای دههها تلاش کردهایم لحظات اولیهٔ کیهان را با مدلهایی توضیح دهیم که بر پایهٔ عناصری بنا شدهاند که هرگز آنها را مشاهده نکردهایم. جذابیت این پیشنهاد در سادگی و قابلآزمایش بودن آن است؛ ما عناصر فرضی جدیدی اضافه نمیکنیم، بلکه نشان میدهیم که نیروی گرانش و مکانیک کوانتومی ممکن است برای توضیح پیدایش ساختارهای کیهانی کافی باشند.»
مدل پیشنهادی: فضای دِ سیتر و نوسانات تانسوری
پژوهشگران با استفاده از یک مدل ساده شده اما سازگار با نسبیت عام و مشاهدات کنونی انبساط کیهان — که در اصطلاح «فضای دِ سیتر» نامیده میشود — بررسی کردند که چگونه نوسانات کوانتومی در خودِ فضا-زمان میتوانند امواج گرانشی تولید کنند. این نوسانات تانسوری (tensor perturbations) نوعی آشفتگی در میدان گرانشی هستند که به صورت موج در فضا-زمان منتشر میشوند.
امواج گرانشی امروز هم در عالم حضور دارند؛ امواجی که ما اکنون با آشکارسازهایی مانند LIGO و Virgo از برخورد و ادغام سیاهچالهها و ستارگان نوترونی رصد کردهایم. علاوه بر این منابع پرانرژی، انتظار میرود یک «پرتوی پسزمینه» از امواج گرانشی کوانتومی نیز در مقیاس کیهانی وجود داشته باشد که شدت آن برای آشکارسازی مستقیم فعلی ما بسیار پایین است ولی اثراتش بر چگالی پلاسمای اولیه میتواند قابلتوجه باشد.
یافتهها و معنای آنها
نتیجهٔ محاسبات تیم نشان میدهد امواج گرانشی تولیدشده توسط نوسانات تانسوری در فضای دِ سیتر قادرند بهتنهایی تغییرات چگالی لازم در پلاسمای اولیه را ایجاد کنند و همزمان محرک انبساط سریع کیهان باشند. این تغییرات چگالی به تدریج نقاطی را پدید میآورند که تحت فشار گرانش فروریختند و بذرهای نخستینِ ستارگان، کهکشانها و سیاهچالهها را شکل دادند.
اگر این مکانیسم تایید شود، نیاز به فرض وجود یک میدان اسکالر کمابیش نامشخص (اینفلاتون) برای آغاز تورم کاهش مییابد و تورم کیهانی میتواند نتیجهٔ تعامل گرانش با نوسانات کوانتومی فضا-زمان باشد؛ راهحلِ سادهای که به جای افزودن ذرات فرضی، بر مفاهیم شناختهشدهٔ فیزیک تکیه میکند.
محدودیتها و گامهای بعدی
محققان تأکید میکنند که این ایده هنوز به آزمایش و شواهد بیشتری نیاز دارد. سنجش پسزمینهٔ امواج گرانشی اولیه نیازمند نسل بعدی آشکارسازها و تحلیل دقیقتر دادههای کیهانی است. مقایسهٔ پیشبینیهای این مدل با نقشههای تابش زمینهٔ کیهانی (CMB)، مشاهدات کهکشانهای دور و نتایج تلسکوپهای فضایی مانند JWST از جمله روشهای آزمونپذیری آن خواهد بود.
تکنولوژیها و مشاهدات مرتبط
آشکارسازی کامل یا رد این فرضیه وابسته به پیشرفت در چند جبههٔ آزمایشی است:
- آشکارسازهای موج گرانشی زمینی مانند LIGO/Virgo و بهویژه نسلهای بعدی با حساسیت بالاتر.
- رصدخانههای موج گرانشی فضایی مانند LISA که میتوانند فرکانسهای پایینتر را پوشش دهند.
- طرحهای زمانبندی پالسارها (pulsar timing arrays) که به دنبال «همهمهٔ» پسزمینهٔ گرانشی در مقیاسهای بزرگ هستند.
- رصدهای طیفسنجی و تصویربرداری کهکشانهای اولیه توسط JWST و تلسکوپهای آینده برای سنجش توزیع ماده اولیه.
این مجموعهٔ ابزارها امکان مقایسهٔ مشاهدات با پیشبینیهای نظریهٔ مبتنی بر امواج گرانشی را فراهم میکند.
نتیجه گیری
پیشنهاد تازه مبنی بر نقش محوری امواج گرانشی در تورم و ایجاد ساختارهای نخستین، راهی جذاب برای بازنگری در منشاء کیهان ارائه میدهد. اگرچه هنوز نیاز به تأیید تجربی وجود دارد، این رویکرد نشان میدهد که ترکیب گرانش کلاسیک و نوسانات کوانتومی میتواند توضیحی سادهتر و کمتر وابسته به عناصر فرضی برای شکلگیری عالم فراهم آورد. پیشرفت در آشکارسازی امواج گرانشی و مشاهدات کیهانی آینده تعیینکنندهٔ سرنوشت این ایده خواهد بود.