چه فاکتورهایی اندازه جهان قابل مشاهده را تعیین می کند؟


در ستون محبوب "Ask Ethan" (به قلم اخترفیزیکدان معروف، ایتان سیگل در وبلاگ Starts With A Bang)، این موضوع یکی از جذاب‌ترین مباحثی است که او بارها به آن پرداخته است.
پاسخ کوتاه به این سؤال این است:

اندازه جهان قابل مشاهده (Observable Universe) حاصل رقابت و تعادل میان دو فاکتور اصلی است: «سرعت نور» و «نرخ انبساط بافت فضا-زمان از زمان بیگ‌بنگ تا به امروز».
اگر فرض کنیم فضا ایستا (بدون تغییر) بود، از آنجا که عمر جهان ۱۳.۸ میلیارد سال است، ما فقط می‌توانستیم تا فاصله ۱۳.۸ میلیارد سال نوری را ببینیم. اما از آنجا که فضا در حال انبساط است، فوتونی که در اولین لحظات بیگ‌بنگ به سمت ما حرکت کرده، اکنون از منبع خود بسیار دورتر شده است. در نتیجه، شعاع جهان قابل مشاهده امروزه حدود ۴۶.۱ میلیارد سال نوری (و قطر آن حدود ۹۲ تا ۹۳ میلیارد سال نوری) است.

ایتان سیگل توضیح می‌دهد که ۳ فاکتور کلیدی و دقیق، این اندازه نهایی را تعیین می‌کنند:

۱. عمر دقیق جهان از زمان بیگ‌بنگ (t)
نقطه آغازین محاسبات، زمان سپری شده از بیگ‌بنگ گرم (Hot Big Bang) است. بر اساس آخرین داده‌های ماهواره پلانک، این عدد دقیقاً ۱۳.۸ میلیارد سال است. این فاکتور مشخص می‌کند که نور چقدر «زمان» داشته تا در کیهان سفر کند.

۲. سرعت نور در خلاء (c)
سرعت نور، حد مجاز سرعت برای حرکت هرگونه اطلاعات یا ذرات بدون جرم در فضا است. این سرعت ثابت فیزیکی تعیین می‌کند که نور در یک فضا-زمانِ مشخص، در هر ثانیه چقدر مسافت را می‌تواند طی کند.

۳. محتویات انرژی جهان و تاریخچه نرخ انبساط
این مهم‌ترین و پیچیده‌ترین بخش است. بر اساس نسبیت عام انیشتین، سرعت انبساط جهان در طول زمان ثابت نبوده، بلکه به نوع ماده و انرژی موجود در آن بستگی داشته است. جهان ما در طول تاریخ خود ۳ دوره اصلی را پشت سر گذاشته که هرکدام اثر متفاوتی روی سرعت انبساط و در نتیجه مخروط نوری ما داشته‌اند:
• دوران سلطه تابش (Radiation-dominated): در چند صد هزار سال اول، فوتون‌ها و ذرات پرانرژی حاکم بودند که باعث انبساط با یک ریتم مشخص می‌شدند.

• دوران سلطه ماده (Matter-dominated): برای میلیاردها سال بعدی، ماده تاریک و ماده معمولی (باریونی) حاکم شدند. جاذبه ماده سعی در کند کردن روند انبساط داشت.
• دوران سلطه انرژی تاریک (Dark Energy-dominated): در چند میلیارد سال اخیر، انرژی تاریک (ثابت کیهانی) حاکم شده و انبساط جهان را شتاب‌دار کرده است.

وقتی فیزیکدانان تمام این اشکال انرژی (حدود ۶۸٪ انرژی تاریک، ۲۷٪ ماده تاریک، ۵٪ ماده معمولی و درصد ناچیزی تابش) را در معادلات میدان انیشتین (معادله فریدمان) قرار می‌دهند و آن را روی زمان ۱۳.۸ میلیارد سال انتگرال می‌گیرند، به عدد دقیق ۴۶.۱ میلیارد سال نوری برای افق ذره‌ای (Particle Horizon) یا همان مرز جهان قابل مشاهده می‌رسند.

خلاصه به زبان ایتان سیگل:
«اندازه جهان قابل مشاهده یک ویژگی ذاتی و ثابت نیست، بلکه محصولی از سن جهان و ترکیب کیهانی آن است. اگر جهان ما حاوی ماده بیشتر و انرژی تاریک کمتری بود، امروزه جهان قابل مشاهده کوچک‌تر می‌بود. و اگر در آینده زمان بیشتری بگذرد، نورِ مناطق دورتری به ما خواهد رسید و این مرز بزرگ‌تر خواهد شد (هرچند به دلیل انرژی تاریک، تعداد کهکشان‌هایی که می‌توانیم به آن‌ها دسترسی داشته باشیم دستخوش محدودیت می‌شود).»

🏋️‍♂️ @einstein_chimige 🧠