تلاش چند دهه نجوم برای درک توپولوژی کیهانی

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اگر برخی از جنبه‌های توپولوژی کیهانی درست باشد، این ایده که سفینه‌های فضایی ممکن است صدها هزار سال نوری در سراسر کیهان سفر کنند بدون اینکه هرگز به همان گردنه فضازمان بازگردند می‌تواند مشکل‌ساز باشد.

این به این دلیل است که برخی از جنبه‌های توپولوژی کیهانی (شکل جهانی و اتصال کیهان ما) می‌تواند یک جهان حلقه بسته را دیکته کند - حداقل در بزرگترین مقیاس. این بدان معناست که در برخی موارد، اگر یک سفینه فضایی به اندازه کافی در یک جهت حرکت کند، به طور فرضی، می تواند به نقطه شروع خود بازگردد.

اندرو جافه، استاد کیهان‌شناسی و اخترفیزیک در امپریال کالج لندن، از طریق ایمیل به من گفت: «در برخی موارد، یک مسیر فیزیکی و مستقیم وجود دارد که می‌تواند شما را به جایی که شروع کرده‌اید بازگرداند، اما نه به زمانی که شروع کرده‌اید». او می‌گوید: «اگر شما را به زمان و نقطه مکانی اصلی بازگرداند، چیزی به نام «منحنی خط زمانی بسته» خواهید داشت که به عنوان ماشین زمان نیز شناخته می‌شود.

پارادایم فعلی این است که ما در کیهانی مسطح زندگی می کنیم که از همه جهات بی نهایت است. اما توپولوژی جهانی ممکن است در نهایت بخشی یا تمام آن اصل را باطل کند.

اما توپولوژی با وجود و ویژگی‌های احتمالی حلقه‌های بسته غیرقابل انقباض مشخص می‌شود - نویسندگان مقاله‌ای در سال 2026 در مجله Nature Astronomy خاطرنشان می‌کنند که اگر بتوانید به اندازه کافی در مسیری در طول حلقه سفر کنید، به نقطه شروع خود باز می‌گردید.

هدف اخترفیزیکدانانی مانند Jaffe شناسایی نشانه های چنین توپولوژی از طریق مشاهدات کیهانی در مقیاس بزرگ است.

نویسندگان می نویسند که توپولوژی کیهانی نشانه های ظریفی را روی پس زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) و توزیع سه بعدی ماده حک می کند و به طور بالقوه یکنواختی را در بزرگترین مقیاس ها می شکند.

CMB اولین نور کیهانی است که در حال حاضر قابل مشاهده است. این نوری را نشان می دهد که آخرین بار حدود 380000 سال پس از انفجار بزرگ با ماده تعامل داشته است.

کیهان شناسان CMB را از دهه 1960 مشاهده کرده اند، اما تنها از اوایل دهه 2000 حساسیت کافی برای تشخیص الگوهایی که آنها را قادر به دیدن توپولوژی می کند، داشته اند.

Jaffe، نویسنده کتاب سال 2025 "جهان تصادفی: چگونه مدل ها و احتمالات به ما کمک می کنند تا کیهان را درک کنیم"، به من گفت: "عصر مدرن توپولوژی کیهانی در اواخر دهه 1990 شروع شد، زمانی که متوجه شدیم می توانیم از الگوها در CMB برای جستجوی توپولوژی استفاده کنیم." او می‌گوید: «پیش‌رفت‌های بزرگی با داده‌های ماهواره WMAP در اواسط دهه ۲۰۰۰ و سپس با داده‌های با کیفیت بالاتر در دهه ۲۰۱۰ صورت گرفت.

اما در چند سال اخیر، Jaffe و همکارانش گروهی به نام COMPACT (همکاری برای مشاهدات، مدل‌ها و پیش‌بینی‌های ناهنجاری‌ها و توپولوژی کیهانی) ایجاد کرده‌اند که اکنون شامل حدود 20 دانشمند بین‌المللی است که به فکر کردن در مورد این مشکل توپولوژیکی هستند.

Jaffe می‌گوید: «کار ما با COMPACT شروع به قرار دادن این نتایج در تئوری کامل ریاضی و جزئیات توپولوژی‌های احتمالی که می‌توانند جهان ما را توصیف کنند، شده است.

یک نقشه سه بعدی واقعی از کیهان قابل مشاهده، فراتر از مطالعه ناهنجاری‌ها در سطح پس‌زمینه مایکروویو کیهانی، راهی طولانی در شناسایی توپولوژی کیهانی خواهد داشت. به عبارت دیگر، گاز، کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را که اخترشناسان می‌توانند با بهترین تلسکوپ‌ها رصد کنند، ترسیم می‌کند.

Jaffe می‌گوید: «نقشه سه‌بعدی مناسب از آن ماده، اطلاعات بیشتری در مورد توپولوژی جهان به ما می‌دهد - احتمالا تمام اطلاعاتی که می‌توانستیم داشته باشیم.»

هدف این است که سعی کنیم آن الگوهای تکرار شونده را با نگاه کردن تا حد امکان به جهان هستی ببینیم.

Jaffe می‌گوید: «وجود چنین «هویت‌هایی» به این معنی است که دو ناحیه از آسمان که به نظر دور از هم هستند ممکن است در واقع به هم نزدیک باشند. او می‌گوید: «در ساده‌ترین حالت، این الگوهای تکراری به ما می‌دهد: برای CMB، ممکن است به این معنا باشد که دایره‌ای در یک طرف آسمان وجود دارد که دقیقا همان الگوی دایره‌ای دورتر از آن است.

Jaffe از تشبیه یک چنبره سه بعدی استفاده می کند، یک شکل هندسی سه بعدی که شبیه یک حلقه یا یک دونات است.

Jaffe می‌گوید: «دایره‌ای را تصور کنید که دور «لوله» یک دونات می‌چرخد که می‌تواند لوله را برش دهد. او می گوید: «وجود مسیرهایی مانند این نشان دهنده نوع توپولوژی مورد نظر ما است.

حتی ممکن است نشانه هایی از توپولوژی در خوشه های کهکشانی وجود داشته باشد که همدیگر را از نیمه راه کیهان منعکس می کنند. اما مشاهده چنین پدیده هایی دشوار خواهد بود.

جافه می گوید: «زیرا می دانیم که مقیاس توپولوژی، اگر چیزی شبیه چنبره باشد، باید آنقدر بزرگ باشد که نتوانیم آن دوقلوها را مشاهده کنیم. او می‌گوید: «آن‌ها از یکدیگر و از ما خیلی دور هستند تا هر دو را به یکباره ببینند.

و حتی اگر در نهایت بتوانیم کیهان را در چنین مقیاس های بزرگی مشاهده کنیم، این نوع پدیده توپولوژیکی ممکن است برای همیشه از دسترس ما خارج شود.

نویسندگان می نویسند که ما همچنین ممکن است خوش شانس باشیم و شواهد توپولوژی کیهانی ممکن است در داده های موجود باشد. آنها خاطرنشان می کنند که ممکن است طی سال های آینده در کمپین هایی برای مشاهده CMB و نقشه برداری از توزیع و سرعت کهکشان ها و سایر ردیاب های ساختارهای بزرگ جمع آوری شود.

Jaffe می‌گوید: «ما باید اندازه کیهان را بدانیم: اگر خیلی بزرگ باشد - بسیار بزرگ‌تر از فاصله کره CMB - ما نمی‌توانیم آن را تشخیص دهیم.

کریگ جی. کپی و همکاران، توپولوژی جهان، نجوم طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41550-026-02930-6

اطلاعات مجله: Nature Astronomy , arXiv

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →