مطالعات اخیر در رابطه با تصحیحات کوانتومی بر اختلالات تابش زمینه‌ی کیهانی

0 0 0 0

توسط امین نصیری‌راد , 3 جولای 2023

تابش زمینه‌ی کیهانی^۱ تابشی است که از زوایای مختلف در کیهان به ما می‌رسد و منشأ شکل‌گیری آن به دوران آغازین کیهان باز می‌گردد. این تابش در سال ۱۹۶۴ به صورت تصادفی توسط دو مهندس به نام‌های پنزیاس^۲ و ویلسون^۳ که در حال کار بر روی یک آنتن رادیویی بودند، کشف شد.

برای این‌که درک بهتری از این تابش که در همه جا حضور دارد، داشته باشید صفحات برفکی تلویزیون‌های قدیمی را به خاطر آورید. این تلویزیون‌ها صرف نظر از این‌که آنتن تلویزیون در کجا نصب شده باشد، نویز رادیویی زمینه که شامل امواج رادیویی از منابع مختلف هست را به ما به صورت برفک نشان می‌دهند. تابش زمینه‌ی کیهانی هم یک موج زمینه است که در همه جا حضور دارد. جالب است بدانید که یکی از انواع نویزهایی که می‌تواند سبب برفک تلویزیون‌ شود همین تابش زمینه‌ی کیهانی است.

از ویژگی‌های این تابش آن است که طیف آن مانند تابش جسم سیاه است و شدت آن در یک طول موج مشخص، در همه‌ی زوایا، بیشینه است (طول موج بیشینه). از قانون جابه‌جایی وین^۴ و مکانیک کوانتومی می‌دانیم که طول موج بیشینه‌ی تابشِ یک جسم سیاه، با دمای آن رابطه‌ی عکس دارد و هر چه دمای جسم سیاه بیش‌تر باشد، طول موج بیشینه‌ی آن کوتاه‌تر است. دمای متناظر با طول موج بیشینه‌ی تابش زمینه‌ی کیهانی ۲/۷ کلوین است. شکل ۱ تصویری از این تابش که توسط ماهواره‌ی پلانک گرفته شده‌است را نشان می‌دهد.

سوالی که ممکن است به ذهن خطور کند آنست که نقاط مختلفی که تابش کیهانی از آن‌ها دریافت می‌شود و هم اکنون در ارتباط علّی با یک‌دیگر نیستند، چگونه فرصت کرده‌اند که با یک‌دیگر هم‌دما شوند؟ این سوال در کیهان‌شناسی با نام مساله‌ی افق^۵ شناخته می‌شود. تورم^۶ کیهانی یکی از مدل‌های موفق در توضیح این سوال است و شرایطی را ایجاد می کند تا نقاط مختلفی که امروز خارج از افق علّی یک‌دیگر هستند، در زمانی در داخل افق علّی یک‌دیگر بوده باشند (درباره‌ی نظریه‌ی تورم این‌جا بیش‌تر بخوانید). در این مدل، یک میدان با نام اینفلاتون^۷ باعث انبساط سریع کیهان در زمان‌های اولیه می‌شود و سبب حل مساله‌ی افق می‌گردد.

لازم به ذکر است که علی رغم این‌که دمای بیشینه‌ی تابش زمینه‌ی کیهانی در همه‌ی زوایا ۲/۷ کلوین است اما این دما در نقاط مختلف دارای افت و خیزهای بسیار کوچکی است. این افت و خیزها را می‌توان تحت کمیتی بدون بعد به نام طیف توان^۸ مطالعه کرد. طیف توان غیر صفر ناشی از اختلالات کوانتومی میدان اینفلاتون در دوران اولیه‌ی کیهان است و از مرتبه‌ی ۹-^۱۰ می‌باشد که عدد بسیار کوچکی است. مدل‌های تورمی که برای توضیح تحول کیهان اولیه ارایه می‌شوند می‌بایست به این مقدار طیف توان احترام بگذارند. این مقدار از طیف توان برای مقیاس‌های بزرگ است هرچند در مقیاس‌های کوچک‌تر این مقدار می‌تواند کاملا متفاوت باشد. در واقع مقدار طیف توان در مقیاس های کوچک هم اکنون قید مشخص رصدی ندارد.

همان‌طور که ذکر شد طیف توان، معیاری از افت و خیزهای کوانتومی است. این افت و خیزهای کوانتومی می‌توانند منجر به تغییر انرژی میدان تورمی شوند. چنان‌چه میزان افت و خیزهای انرژی در ناحیه‌ای از فضا از حدی فراتر رود، می‌توان انتظار داشت آن بخش از فضا به یک سیاه‌چاله فروریزش کند که به تشکیل سیاهچاله‌ی اولیه^۹ می‌انجامد. بنابراین یک روش قیدگذاری روی مدل‌های تورمی بر پایه‌ی تشکیل سیاه‌چاله‌های اولیه و رصد آن‌ها است. مدل‌های تورمی که می‌توانند از طریق رشد طیف توان در مقیاس‌های کوچک منجر به تشکیل سیاه‌چاله شوند، مدل‌های مهمی در کیهان‌شناسی تورمی می‌باشند. یکی از انواع این مدل‌ها مدلی است که در آن قسمتی از پتانسیل میدان اینفلاتون تقریبا تخت می‌شود. در این مدل و در این بخش طیف توان می‌تواند به سرعت رشد کند که بنابر آن‌چه که گفته شد امکان تشکیل سیاه‌چاله افزایش می‌یابد. به این مدل تورم فوق غلتش آرام^۱۰ گفته می‌شود.

همان طور که گفته شد افت و خیزهای میدان تورمی منشأ کوانتومی دارند. برای محاسبه‌ی آمار و میانگین این افت و خیزها می‌توان از نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی استفاده کرد. نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی به ما این اجازه را می‌دهد تا تصحیحات کوانتومی وارد شده به افت و خیزها را تا مرتبه‌ی دل‌خواه محاسبه کنیم. تعداد زیادی از مقالات اخیر ادعا کرده‌اند که تصحیح افت و خیزهای تابش زمینه کیهانی در مقیاس‌های بزرگ با استفاده از مدل‌هایی که منجر به تشکیل سیاه‌چاله می‌شوند می‌تواند قابل توجه باشد و به عبارتی مقیاس‌های کوچک بر روی مقیاس‌های بزرگ تاثیر داشته باشند که این موضوع می‌تواند منجر به رد این مدل‌ها یا محدود کردن فضای پارامتری آن‌ها شود. علی رغم آن که تعدادی از مقالات اخیر این مساله را تایید می‌کنند، تعدادی دیگر نیز این مساله را تکذیب می‌کنند. بنابراین می‌بایست با نگاه دقیق‌تر و موشکافانه‌تری این مطالعات را بررسی کرد. چنان‌چه مطالعات اخیر تایید شوند، مدل‌هایی که منجر به تولید سیاه‌چاله‌ی اولیه می‌شوند، بسیار محدود می‌شوند که این خود می‌تواند قید مهمی بر روی مدل های تورمی باشد.