آیا جهان بدون ماده تاریک وجود دارد؟
یک مدل جدید کیهان‌شناسی مدعی است می‌توان برخی از پدیده‌هایی را که تاکنون به ماده تاریک و انرژی تاریک نسبت داده می‌شدند، بدون نیاز به وجود این دو مؤلفه توضیح داد. این مدل با بازتولید منحنی چرخش ۱۷۵ کهکشان و ارائه توضیحی متفاوت برای شکل‌گیری کهکشان‌های اولیه، یکی از فرضیه‌های بنیادین کیهان‌شناسی مدرن را به چالش کشیده است.
به گزارش سیناپرس، پژوهشی جدید از دانشگاه اتاوا نشان می‌دهد یک مدل جایگزین کیهان‌شناسی می‌تواند رفتار چرخشی ۱۷۵ کهکشان را بدون فرض وجود ماده تاریک توضیح دهد؛ یافته‌ای که در صورت تأیید با بررسی‌های مستقل، می‌تواند نگاه دانشمندان به ساختار و تحول جهان را تغییر دهد.
در مدل استاندارد کیهان‌شناسی، برای توضیح نحوه چرخش کهکشان‌ها از ماده تاریک استفاده می‌شود؛ ماده‌ای نامرئی که حضور آن از طریق اثرات گرانشی استنباط شده است. با این حال، پژوهشگران دانشگاه اتاوا در مطالعه‌ای که در نشریه Monthly Notices of the Royal Astronomical Society منتشر شده، مدعی شده‌اند مدل جایگزینی با عنوان «ثابت‌های کوپل‌شونده هم‌تغییر به‌علاوه نور خسته» (CCC+TL) می‌تواند منحنی چرخش تمام ۱۷۵ کهکشان ثبت‌شده در پایگاه داده SPARC را بدون نیاز به ماده تاریک بازتولید کند.
منحنی چرخش کهکشان نشان می‌دهد سرعت حرکت اجرام در مدارهای مختلف، با افزایش فاصله از مرکز کهکشان چگونه تغییر می‌کند. این داده‌ها یکی از ابزارهای مهم اخترشناسان برای بررسی و آزمودن نظریه‌های مربوط به گرانش هستند.
این پژوهش بخشی از مجموعه بررسی‌هایی است که در سالهای ۲۰۲۵ و ۲۰۲۶ از سوی راجندرا گوپتا، استاد مدعو گروه فیزیک دانشگاه اتاوا، و نیکولائوس ساماراس، پژوهشگر پسادکتری، انجام شده است.
مدل جدید چگونه ماده تاریک را کنار می‌گذارد؟
مدل استاندارد کیهان‌شناسی با نام ΛCDM شناخته می‌شود که مخفف «ماده تاریک سرد لامبدا» است. در این مدل، حرف Λ به ثابت کیهان‌شناسی اشاره دارد که با انرژی تاریک و انبساط شتاب‌دار جهان مرتبط است. واژه «سرد» نیز به این معناست که ماده تاریک با سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور حرکت می‌کند.
دانشمندان دهه‌هاست در جست‌وجوی شواهد مستقیم از ماده تاریک و انرژی تاریک هستند، اما تاکنون هیچ‌یک از این دو به‌طور مستقیم شناسایی نشده‌اند.
در مقابل، مدل CCC+TL بر این فرض استوار است که کمیت‌های بنیادی حاکم بر نیروها و برهم‌کنش‌های ذرات، در طول زمان به‌صورت هماهنگ تغییر می‌کنند. این مدل همچنین فرضیه‌ای با عنوان «نور خسته» را در بر می‌گیرد که بر اساس آن، نور هنگام طی کردن مسیر در فضا انرژی از دست می‌دهد.
بر اساس این چارچوب، تغییر ثابت‌های بنیادی طبیعت می‌تواند برخی اثراتی را ایجاد کند که در مدل استاندارد به ماده تاریک و انرژی تاریک نسبت داده می‌شوند.
آزمودن این مدل صرفاً با تغییر پارامترهای نرم‌افزارهای رایج کیهان‌شناسی امکان‌پذیر نبود؛ زیرا CCC+TL معادلات اینشتین و فریدمن را که به‌ترتیب گرانش و انبساط جهان را توصیف می‌کنند، تغییر می‌دهد. به همین دلیل، گوپتا و ساماراس برای هر یک از آزمون‌ها، معادلات و کدهای رایانه‌ای متناسب با چارچوب نظری خود را توسعه دادند.
پژوهشگران علاوه بر بررسی کهکشان‌های منفرد، خوشه کهکشانی «گلوله» (Bullet Cluster) را نیز مطالعه کردند. در این ساختار کیهانی، اثر گرانشی اضافی پیش‌بینی‌شده در مدل CCC+TL با موقعیت کهکشان‌ها مطابقت دارد، نه با گاز داغ منتشرکننده پرتو ایکس.
پژوهشگران این نتیجه را یک اثبات اولیه برای امکان‌پذیری مدل خود می‌دانند، هرچند تأکید دارند که بررسی‌های بیشتری برای تأیید آن لازم است.
راجندرا گوپتا در توضیح این دیدگاه می‌گوید: مشاهداتی که تاکنون به ماده تاریک و انرژی تاریک نسبت داده شده‌اند، احتمالاً منشأ دیگری دارند و می‌توان آن‌ها را با تغییر هماهنگ ثابت‌های بنیادی طبیعت توضیح داد.
جهان قدیمی‌تر؛ فرصتی بیشتر برای شکل‌گیری کهکشان‌ها
یکی دیگر از پیامدهای مهم این مدل، تغییر برآورد سن جهان است. بر اساس مدل CCC+TL، جهان حدود ۲۶.۷ میلیارد سال قدمت دارد؛ یعنی تقریباً دو برابر سن ۱۳.۸ میلیارد سالهای که مدل استاندارد کیهان‌شناسی برای آن در نظر می‌گیرد.این تفاوت می‌تواند به یکی از پرسش‌های مهم اخترشناسی درباره کشف کهکشان‌های بزرگ و تکامل‌یافته در مراحل بسیار ابتدایی تاریخ جهان پاسخ دهد.
مشاهدات تلسکوپ فضایی جیمز وب نشان داده‌اند برخی کهکشان‌ها در زمانی شکل گرفته‌اند که بر اساس مدل استاندارد، جهان هنوز بسیار جوان بوده است. این موضوع پرسش‌هایی درباره چگونگی شکل‌گیری و رشد سریع چنین ساختارهایی ایجاد کرده است.
یکی از معیارهای تعیین سن و فاصله اجرام کیهانی، انتقال به سرخ است؛ پدیده‌ای که در آن طول موج نور دریافتی از اجرام دوردست، در اثر انبساط جهان به سمت طول موج‌های بلندتر و بخش قرمز طیف جابه‌جا می‌شود.بر اساس محاسبات پژوهشگران، در حالی که مدل استاندارد سن جهان را در برخی مشاهدات مربوط به طلوع کیهانی حدود ۳۰۰ میلیون سال برآورد می‌کند، مدل CCC+TL برای همان میزان انتقال به سرخ، سنی حدود ۴.۶ میلیارد سال در نظر می‌گیرد.
این اختلاف زمانی، فرصت بسیار بیشتری برای شکل‌گیری و تکامل کهکشان‌ها فراهم می‌کند. در محاسبات منتشرشده در نشریه Galaxies نیز اندازه و جرم کهکشان‌های اولیه در این مدل حدود ۱۲ برابر بیشتر از مقادیر پیش‌بینی‌شده در مدل استاندارد برآورد شده است.
گوپتا در این‌باره می‌گوید: «کهکشان‌هایی که در مدل استاندارد شکل‌گیری آن‌ها غیرممکن به نظر می‌رسید، در این مدل به ساختارهایی قابل پیش‌بینی تبدیل می‌شوند. ما پیش‌بینی می‌کنیم کهکشان‌ها در فاصله‌هایی بسیار دورتر از محدوده مشاهدات فعلی تلسکوپ فضایی جیمز وب نیز وجود داشته باشند.»
برنامه رصدی GLIMPSE تلسکوپ جیمز وب قصد دارد کهکشان‌هایی را در انتقال به سرخ‌های بیش از ۵۰ جست‌وجو کند. این مشاهدات می‌توانند آزمونی برای بررسی پیش‌بینی مدل جدید باشند؛ زیرا در چنین انتقال به سرخ‌هایی، مدل استاندارد زمان بسیار محدودی برای شکل‌گیری کهکشان‌های پرجرم در نظر می‌گیرد، در حالی که مدل CCC+TL با چنین محدودیتی روبه‌رو نیست.
پیش‌بینی‌های مدل جدید درباره عناصر اولیه جهان
پژوهشگران برای ارزیابی اعتبار مدل خود، آن را با شواهد مربوط به مراحل بسیار ابتدایی تاریخ کیهان نیز مقایسه کردند.نتایج نشان داد پیش‌بینی‌های این مدل درباره میزان تولید هیدروژن، هلیوم و سایر عناصر سبک در دقایق نخست پس از مهبانگ، با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد کیهان‌شناسی مطابقت دارد.همچنین، این مدل با داده‌های موسوم به «ساعت‌های کیهانی» سازگار است؛ روشی که با استفاده از سن کهکشان‌ها، سرعت انبساط جهان را در دوره‌های مختلف تاریخی تخمین می‌زند.
در مطالعه‌ای جداگانه درباره اتساع زمان در مشاهدات ابرنواخترها نیز شواهدی در حمایت از مدل CCC+TL ارائه شده است؛ هرچند این مقاله هنوز در مرحله داوری علمی قرار دارد. اتساع زمان در اینجا به کشیده شدن مقیاس زمانی مشاهده‌شده انفجار یک ستاره اشاره دارد.
گروه پژوهشی همچنین بررسی‌هایی درباره تابش زمینه ریزموج کیهانی انجام داده است؛ تابشی که از مراحل اولیه شکل‌گیری جهان به‌جا مانده و یکی از مهم‌ترین شواهد برای مطالعه تاریخ کیهان محسوب می‌شود.
گوپتا معتقد است بیشتر مدل‌های نوظهور کیهان‌شناسی تنها می‌توانند مجموعه محدودی از مشاهدات را توضیح دهند، اما یک نظریه جدید باید با پایه‌های اصلی کیهان‌شناسی و اخترفیزیک سازگار باشد.
او با اشاره به نتایج مطالعات گروه خود می‌گوید یافته‌های آن‌ها نشان می‌دهد مدل CCC+TL توانسته است با مجموعه‌ای از این شواهد سازگار باشد و حتی آزمون‌های مربوط به تابش زمینه ریزموج کیهانی را نیز در بر گیرد.گوپتا در پایان تأکید می‌کند موفقیت‌های اولیه این مدل باید اخترشناسان را به بررسی جدی‌تر آن ترغیب کند. به گفته او، درک و به‌کارگیری این چارچوب نظری دشوار است، اما می‌تواند فیزیک جهان را فراتر از محدودیت‌های مدل استاندارد ΛCDM گسترش دهد.
