اندازه گیری دمای انفجار بزرگ(مهبانگ)

در دوران نوجوانی و حتی در دهه بیست سالگی من، یک جوک تابستانی مرتبا تکرار میشد: امروز مطمئناً گرم بود. چقدر گرم بود؟ «آنقدر گرم بود که . . . در حالی که اندازه گیری دمای سطح زمین آسان و ساده است، در واقع اندازه گیری دمای جهان، به ویژه دمای گذشته آن، بسیار چالش برانگیز است

علیرغم چالش‌های موجود، ستاره‌شناسان به شدت علاقه‌مند به اندازه‌گیری دمای کیهان در طول تاریخ هستند، زیرا این اندازه‌گیری‌ها بازدهی عظیمی را هم از نظرعلمی و هم از نظر الهیات به ارمغان می‌آورند. آن‌ها قطعی‌ترین، مستقیم‌ترین و بدون ابهام‌ترین آزمونها را برای مدل ایجاد انفجار بزرگ پیش‌بینی‌شده توسط کتاب مقدس ارائه می‌کنند.¹

دمای تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی امروزی
در سال 1964، ستاره شناسان آزمایشگاه بل، آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون، اولین اندازه گیری دمای تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMBR) را انجام دادند.² آنها رابرت دیک، جیمز پیبلز، پی جی رول و دیوید ویلکینسون که به تازگی ساخت یک رادیومتر به منظور آشکارسازی این تابش را به پایان رسانده بودند را نیز به جمع خود فراخواندند. پنزیاس و ویلسون به طور کامل به اهمیت اکتشاف خود پی نبردند، بنابراین برای توضیح تشعشعات پس‌زمینه اضافی که کشف کرده بودند با دیک تماس گرفتند. دیک به آنها توضیح داد که آنها تشعشعات طولانی مدتی که از رویداد خلق بیگ بنگ باقی مانده بود را کشف کرده اند. ³ کشف پنزیاس و ویلسون اولین مدرک مستقیمی بود که نشان می داد جهان واقعاً از یک رویداد مهبانگ پدید آمده است، کشفی که جایزه نوبل فیزیک را برای آنها به ارمغان آورد.

اندازه گیری دمای منتشر شده توسط پنزیاس و ویلسون 1.0^o ± 3.5 K بود، یعنی 1.0 ± 3.5 درجه سانتی گراد بالای صفر مطلق. از سال 1964، اختر شناسان دمای باقی مانده از انفجار بزرگ را با دقت فزاینده ای اندازه گیری کردند. بهترین اندازه گیری معاصر 0.00057 ± 2.72548 K است. ⁴

دمای CMBR گذشته
در مدل خلقت کیهانی مهبانگ، جهان در رویداد خلقت بی نهایت کوچک و تقریباً بی نهایت داغ است. همانطور که جهان از رویداد آفرینش کیهانی منبسط می شود، به شیوه ای بسیار قابل پیش بینی سرد می شود. با توجه به مدل انفجار بزرگ، دمای گذشته CMBR دمای فعلی آن ضربدر(1 + r ) خواهد بود، جایی که r انتقال به سرخ است که دمای CMBR در آن اندازه‌گیری می‌شود. انتقال به سرخ زمانی رخ می دهد که انبساط کیهانی طول موج های نور ساطع شده از یک جسم نجومی را گسترش دهد. هر چه سرعت یک جسم نجومی که در نتیجه انبساط جهان از ما دور می شود بیشتر باشد، خطوط طیفی آن جسم بیشتر به سمت انتهای قرمز طیف جابه جا می شود. جابجایی یک جسم نجومی به طیف سرخ ارتباط مستقیمی با زمان نگاه کردن به آن دارد، یعنی اینکه اخترشناسان چقدرمیتوانند نور ساطع شده از جسم نجومی را مشاهده کنند.

در طیف‌های محیط بین‌ستاره‌ای در کهکشان‌ها و اَختروَش‌ها، خطوط طیفی خاصی قرار دارند که قدرت خطوط آنها به دمای CMBR بستگی دارد. با اندازه‌گیری این نقاط قوت و تعیین جابه‌جایی خطوط طیفی انتقال به سرخ، اخترشناسان می‌توانند تعیین کنند اندازه‌گیری‌هایشان چقدر با دمای پیش‌بینی‌شده گذشته مهبانگ مطابقت دارد. دقیقاً همین اندازه‌گیری‌ها هستند که قطعی‌ترین و بدون ابهام‌ترین آزمون مدل ایجاد انفجار بزرگ را به دست می‌دهند.

در ویرایش چهارم کتابمیعنی خالق و کیهان، من شکلی را ارائه می‌دهم (که در ذیل بازتولید شده است) که منحنی خنک‌کننده دمای پیش‌بینی‌شده CMBR کیهان را نشان می‌دهد که با اندازه‌گیری‌های واقعی اخترشناسان از دمای گذشته CMBR تطابق دارد. این نمودار تناسب بسیار نزدیکی را بین اندازه‌گیری‌های دمای واقعی CMBR و دمای CMBR گذشته پیش‌بینی‌شده توسط مدل ایجاد انفجار بزرگ نشان می‌دهد.

محاسبات وسط منحنی در شکل، مربوط به 7 میلیارد سال پیش و دقیق ترین اندازه گیری دما در زمان عمیق است.⁵ نوار خطا در این اندازه گیری کمتر از ضخامت خطی است که منحنی خنک کننده پیش بینی شده را نشان می دهد و این اندازه گیری درست روی منحنی خنک کننده پیش بینی شده قرار می گیرد. به گواه هفت اخترشناس برجسته که مطالعه مفصلی در مورد سرد شدن دمای CMBR منتشر کرده اند، “هیچ انحراف قابل توجهی از وابستگی انتقال به سرخ دمای CMB پیش بینی شده در مدل استاندارد یافت نشده است.” ⁶

اندازه گیری دمای CMBR در نزدیکی رویداد خلقت کیهانی
بررسی این نمودار نشان می‌دهد که هیچ اندازه‌گیری دمای CMBR برای زمان‌های نگاه به عقب بیشتر از 10.3 میلیارد سال در دسترس نیست. یعنی هیچ اندازه گیری دمای CMBR برای 3.5 میلیارد سال اول تاریخ کیهان وجود ندارد.

تا همین اواخر، هیچ تلسکوپی به اندازه کافی برای اندازه گیری دمای CMBR در محیط بین ستاره ای کهکشان هایی با فاصله بیش از 10.3 میلیارد سال نوری قدرتمند نبود. همانطور که دو مطالعه زیر نشان می دهند در حال حاضر چندین تلسکوپ دارای چنین توانایی و قابلیتی میباشند.

در تیراژ نوامبر 2020 Astronomy Letters، تیمی متشکل از 5 ستاره شناس برجسته، اندازه گیری های خود را از دمای CMBR در محیط بین ستاره ای 15 کهکشان مختلف منتشر کردند که محدوده انتقال به سرخ بین 1.7 تا 3.3 ⁷ را در بر می گیرد یعنی 9.89-11.82 میلیارد سال یا 1.97-3.90 میلیارد سال پس از رویداد خلقت کیهانی. برای تعیین دمای فعلی برای هر کهکشان از فرمول T_CMBR = T₀(1 + z) استفاده کردند که در آن T_CMBR دمای CMBR در محیط بین ستاره‌ای کهکشان و T₀ دمای CMBR امروزی است. سپس آنها 15 مقدار₀ T0 تعیین شده را میانگین گرفتند و آن میانگین را با بهترین اندازه گیری کنونی 0.00057 ± 2.72548 K مقایسه کردند.₀ سپس آنها 15 مقدار T0 تعیین شده را میانگین گرفتند و آن میانگین را با بهترین اندازه گیری کنونی 0.00057 ± 2.72548 K مقایسه کردند. میانگین مقدار T0 بر اساس 15 کهکشان 0.009 ± 2.719 K بود. این اندازه گیری مستقل از دمای CMBR در حال حاضر با اندازه گیری مستقیم دمای CMBR عصر حاضر مطابقت دارد. این دستاورد به عنوان تأییدی قدرتمند از مدل ایجاد انفجار بزرگ در دوره ای از تاریخ کیهانی است که قبلاً مورد بررسی قرار نگرفته بود.

در شماره 3 فوریه 2022 مجله Nature، یک تیم هشت نفره از ستاره شناسان به اندازه گیری دمای CMBR در محیط بین ستاره ای یک کهکشان با انتقال به سرخ 6.34⁸ دست یافتند یعنی تنها 0.89 میلیارد سال پس از رویداد خلقت کیهانی. در این انتقال به سرخ، دمای CMBR بر اساس مدل ایجاد انفجار بزرگ 20.005 K است. اندازه گیری دمای CMBR کهکشان نیزکه در انتقال به سرخ 6.34 انجام شده است 6.9 ± 23.3 K بدست آمد که باز هم، اندازه گیری و محاسبات با مقدار پیش بینی شده توسط مدل ایجاد انفجار بزرگ مطابقت دارد.

بررسی شکل و نتایج حاصل از مطالعات منتشر شده در سال‌های 2020 و 2022 نشان می‌دهد که اندازه‌گیری‌ها با منحنی خنک‌کننده پیش‌بینی‌شده از مدل ایجاد انفجار بزرگ تا حدی مطابقت دارند که به طور مداوم بسیار بهتر از آن چیزی است که از نوارهای ضرایب خطای منتشر شده انتظار می‌رود. بنابراین، این احتمال وجود دارد که ملاک قرار دادن نوارهای خطا بیش از حد محافظه کارانه باشند.

در ادامه
این دو مطالعه اولین مطالعاتی بودند که مدل ایجاد انفجار بزرگ را در دوره های مربوط به شکل گیری کهکشان های اولیه آزمایش کردند. اکنون، تلسکوپ فضایی جیمز وب که آماده شروع رصدهای نجومی جدی است، برای اندازه‌گیری دقیق دمای CMBR در چنین کهکشانی‌هایی بسیار مناسب است. به زودی می‌توانیم منتظر آزمایش‌های با دقت بالا برای خنک‌سازی دمای CMBR پیش‌بینی‌شده توسط مدل ایجاد انفجار بزرگ باشیم.

مفاهیم الهیاتی
در حالی که آزمایش‌های قطعی‌تری از مدل ایجاد مهبانگ در راه است، در حال حاضر مدل ایجاد بیگ بنگ به طور کامل سربلند بوده و هر آزمون قابل تصوری که می‌توان در برابر آن قرار داد را پشت سر گذاشته است. دیگر هیچ مبنای عقلانی برای شک وجود ندارد که جهان از یک رویداد ایجاد انفجار بزرگ پدید آمده است، درست همانطور که ده ها قسمت مختلف کتاب مقدس بیش از دو هزار سال قبل پیش بینی کرده بود. تنها یک توضیح منطقی برای اینکه چگونه کتاب مقدس دارای چنین قدرت پیش بینی شگفت انگیزی است وجود دارد و این کلام باید از کسی که جهان را آفریده الهام گرفته شده باشد.

پینوشت

1. Hugh Ross with John Rea, “Big Bang—The Bible Taught It First!,” Reasons to Believe (July 1, 2000); Hugh Ross, “Does the Bible Teach Big Bang Cosmology?,” Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, August 26, 2019.
2. Arno A. Penzias and Robert W. Wilson, “A Measurement of Excess Antenna Temper­ature at 4080 Mc/s,” Astrophysical Journal 142 (July 1965): 419–421, doi:10.1086/148307.
3. Robert H. Dicke et al., “Cosmic Black-Body Radiation,” Astrophysical Journal 142 (July 1965): 414–419, doi:10.1086/148306.
4. D. J. Fixsen, “The Temperature of the Cosmic Microwave Background,” Astrophysical Journal 707, no. 2 (December 20, 2009): 916–920, doi:10.1088/0004-636X/707/2/916.
5. S. Muller et al., “A Precise and Accurate Determination of the Cosmic Microwave Background Temperature at z = 0.89,” Astronomy & Astrophysics 551 (March 4, 2013): id. A109, doi:10.1051/0004-6361/201220613.
6. I. de Martino et al., “Measuring the Redshift Dependence of the Cosmic Microwave Background Monopole Temperature with Planck Data,” Astrophysical Journal 757, no. 2 (September 12, 2012): id. 144, p. 1, doi:10.1088/0004-637X/757/2/144.
7. V. V. Klimenko et al., “Estimation of the Cosmic Microwave Background Temperature from Atomic CI and Molecular CO Lines in the Interstellar Medium of Early Galaxies,” Astronomy Letters 46 (November 2020): 715–725, doi:10.1134/s1063773720110031.
8. Dominik A. Riechers et al., “Microwave Background Temperature at a Redshift of 6.34 from H₂O Absorption,” Nature 602 (February 3, 2022): 58–62, doi:10.1038/s41586-021-04294-5.