نقشه‌برداری از خلاهای جهان: چگونه خلاهای کیهانی به کشف اسرار ماده تاریک کمک می‌کنند
ترکیب کلی جرم-انرژی جهان می‌تواند به سه دسته تقسیم شود: ماده تاریک، ماده معمولی و انرژی تاریک. ماده معمولی شامل تمام ساختارهایی است که در جهان می‌بینیم، مانند سیاه‌چاله‌ها، ستارگان و کهکشان‌ها. اما، این تنها حدود 5 درصد از ترکیب کلی جرم-انرژی جهان را تشکیل می‌دهد، در حالی که ماده تاریک حدود 27 درصد و انرژی تاریک حدود 68 درصد را تشکیل می‌دهند.
ماده معمولی 5 درصد شامل صدها میلیارد کهکشان در جهان است، اما شاید شما را شگفت زده کند که مناطقی با تعداد کمی تا بدون کهکشان وجود دارد. این مناطق که به عنوان خلاهای کیهانی شناخته می‌شوند، فضاهای وسیعی بین بزرگترین ساختارهای جهان (خوشه‌های کهکشانی) هستند. خلاهای کیهانی به طور کامل خالی نیستند و به جای آن مانند فضاهای منفی عمل می‌کنند.
این مناطق تراکم کمتری از ماده معمولی در مقایسه با خوشه‌های کهکشانی دارند، به طوری که به دانشمندان اجازه می‌دهند سوالات بنیادین‌تری مانند چگونگی تاثیر ماده تاریک بر جاذبه یا اثرات گسترش انرژی تاریک را بررسی کنند.
در این مقاله، به جزئیات خلاهای کیهانی، چگونگی شناسایی آنها و اهمیت آنها در کیهان‌شناسی امروز خواهیم پرداخت.
خلاهای کیهانی چیستند؟
مطالعه‌ی خلاهای کیهانی به دهه ۱۹۷۰ بازمی‌گردد وقتی که دانشمندان آنها را در توزیع کهکشان‌ها در اطراف خوشه‌های ابیل شناسایی کردند. این خلاها مناطق کم‌تراکم هستند که از 10 تا 100 مگاپارسک در قطر (یا 30 تا 300 میلیون سال نوری) گسترش می‌یابند.
کهکشان‌ها به طور معمول در داخل خلاها یافت نمی‌شوند به خاطر تراکم کم ماده در این مناطق. نیروی جاذبه کمتر باعث می‌شود که کهکشان‌ها مثل خوشه‌های کهکشانی به هم نچسپند. علاوه بر تشکیل کمتری یا بدون هیچ کهکشانی، خلاهای کیهانی همچنین شامل ماده تاریک هستند و مانند بقیه جاهای جهان، ماده تاریک بر جرم غالب است.
بر اساس تحقیقات، خلاهای کیهانی اعتقاد دارند از نوسانات صوتی باریونی (BAO) در جهان اولیه شکل گرفته‌اند وقتی که ماده به شکلی که امروزه آن را می‌شناسیم هنوز تشکیل نشده بود. ذرات زیراتمی در یک سوپ اولیه داغ و متراکم وجود داشت.
اختلالات یا نوسانات در این سوپ اولیه نوساناتی ایجاد کردند که به بیرون منتشر شدند و مناطق با تراکم بالا و کم ماده به وجود آوردند.
به عنوان یک ساختار بزرگ مقیاس در جهان تشکیل شد، جاذبه شروع به تجمع ماده در مناطق با تراکم بالاتر کرد و مناطق با تراکم کم ماده را پراکنده کرد که در نهایت به خلا تبدیل شدند. همانطور که جهان منبسط شد، خلاها نیز با جمع‌آوری بیشتر و بیشتر ماده در مناطق متراکم گسترش یافتند.
امروزه نوسانات صوتی باریونی می‌تواند در نظرسنجی‌های کهکشانی مانند نظرسنجی دیجیتالی آسمان سلون (SDSS) مشاهده شود. این نظرسنجی‌ها الگوهایی در توزیع کهکشان‌ها را نشان می‌دهند در اندازه‌گیری فاصله بین کهکشان‌ها و فضاهای خالی بین آنها، وجود خلاهای کیهانی را تأیید می‌کنند.
شبکه کیهانی
جهان می‌تواند به صورت یک شبکه کیهانی غول‌پیکر مشاهده شود، با سه مولفه اصلی که می‌توانند برای شناسایی مناطق فردی کیهان کمک کنند.
فیلمان‌ها ساختارهای مثل نخ هستند که از ماده تاریک و کهکشان‌ها تشکیل شده‌اند و یک شبکه شبیه تار ایجاب می‌کنند. این فیلمان‌ها در 'گره‌ها' تقاطع می‌کنند که پرتراکم‌ترین مناطق ماده هستند، به طور اساسی خوشه‌های کهکشانی. بین فیلمان‌ها، ما خلا داریم، مناطق کروی از فضاهای نسبتاً خالی. آنها حباب‌های شبکه کیهانی هستند.
با هم، فیلمان‌ها، خلاها و گره‌ها ساختار بزرگ مقیاس به نام شبکه کیهانی را تشکیل می‌دهند، که یک بازنمایی بصری از چگونگی توزیع ماده و سازماندهی آن به خودی خود در طول میلیاردها سال از تکامل کیهانی است.
خلاهای کیهانی به طور متوسط حدود 15 درصد از تراکم ماده موجود در سایر مناطق جهان را دارا هستند. با این حال، به یک ناظر، خلاها به دلیل عدم تمرکز کهکشان‌ها یا اجسام درخشان تقریباً خالی به نظر می‌رسند.
همبستگی با CMB
پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) نقشه‌ای یا لحظه‌ای از جهان اولیه است زمانی که تنها 380,000 سال سن داشت. مناطق سردتر یا مناطق با دمای پایین‌تر با خلاهای کیهانی همبستگی دارند.
با تعداد کمتری از ذرات ماده معمولی، نیروی جاذبه در خلاهای کیهانی ضعیف‌تر است. همانطور که فوتون‌ها یا ذرات نور از این مناطق با جاذبه پایین عبور می‌کنند، آنها دچار انتقال به سرخ جاذبه‌ای می‌شوند، بدین معنا که طول موج نور به سمت رنگ قرمز طیف الکترومغناطیسی منتقل می‌شود. در کیهان‌شناسی، انتقال به سرخ معادل کاهش انرژی است، که به عنوان نقاط سرد در رنگ آبی در CMB دیده می‌شوند.
اهمیت خلاهای کیهانی
در کیهان‌شناسی مدرن، خلاهای کیهانی نقش قابل توجهی در روشن شدن پدیده‌های مختلف ایفا کرده‌اند.
خلاها به عنوان حباب‌های حساس به گسترش جهان عمل می‌کنند. بنابراین، مشاهده تکامل خلاها می‌تواند به اصلاح مدل‌های کیهانی مانند مدل ΛCDM کمک کند، که امروز پرکاربردترین مدل برای توضیح ماده تاریک و انرژی تاریک است.
ترکیب ماده در خلاها به درک تشکیل کهکشان‌ها در مقیاس‌های ماکرو می‌پردازد. دانشمندان مشاهده کرده‌اند که خلاها شامل کهکشان‌های انفجاری بیشتری هستند، که به کهکشان‌هایی اشاره دارند که تحت یک تعداد بالای تولد ستاره‌ها قرار می‌گیرند، در مقایسه با کهکشان‌های در خوشه‌ها. علاوه بر این، خلاها می‌توانند بینشی در مورد میدان‌های مغناطیسی بین کهکشانی ارائه دهند، که همچنین نقشی در تشکیل کهکشان‌ها ایفا می‌کنند.
تحقیقات آینده
با بیش از 6,000 خلا مشخص شده امروزه، علاقه علمی به آنها در حال افزایش است. تحقیقات در این مناطق پنهان در جهان پتتانسیل کشف بسیاری از معماهای اطراف نوترینوها، ماده تاریک و انرژی تاریک و تکامل جهان را دارد.
آینده نظرسنجی‌های آسمان و پروژه‌ها نقش کلیدی در جمع‌آوری داده‌ها درباره خلاهای کیهانی ایفا خواهند کرد. این شامل رصدخانه مبنی بر زمین ورا سی. روبین است که در سال 2025 یک مطالعه 10 ساله از ساختار کیهانی را آغاز می‌کند و تلسکوپ فضایی نانسی گریس رومن ناسا که یک نظرسنجی آسمان را در نور مادون قرمز تا سال 2028 انجام خواهد داد.
با وجود وعده‌ای که تحقیقات در مورد خلاهای کیهانی ممکن است بدهد، چندین دانشمند احتیاط می‌کنند ، نشان‌دهنده این است که خلاها ممکن است پاسخ‌هایی به هر سوال بزرگ در کیهان‌شناسی ارائه کنند. به گفته آنها، خلاهای کیهانی به جای خود می‌تواند به عنوان آزمایشگاهی برای آزمایش ایده‌های ما درباره ماده تاریک، انرژی تاریک و دیگر معماهای جهان عمل کند.
