سن جهان

در کیهان‌شناسی فیزیکی، سن جهان هستی میزان زمان سپری شده پس از مهبانگ (یا انفجار بزرگ) است که گمان می‌رود لحظهٔ آغاز پیدایش جهان است. بنابر دقیقترین اندازه‌گیری انجام شده توسط ماهواره پلانک، سن جهان بر پایه مدل لامبدا-سی دی ام در حدود ۰٫۰۳۷±۱۳٫۷۹۸ میلیارد سال ((۱۳٫۷۹۸±۰٫۰۳۷)×۱۰^۹ سال یا (۴٫۳۵۴±۰٫۰۱۲)×۱۰^۱۷ ثانیه) برآورد شده‌است.[1][2] میزان عدم قطعیت این عدد ۳۷ میلیون سال (۰٫۰۳۷ میلیارد سال) است که با تطبیق نتایج چندین پروژهٔ تحقیقاتی علمی از جمله اندازه‌گیری‌های تابش زمینه کیهانی توسط ماهواره پلانک و کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون و موردهای دیگر تعیین شده‌است. با استفاده از اندازه‌گیری تابش زمینهٔ کیهانی می‌توان زمان سرد شدن این تابش از لحظهٔ مهبانگ تا کنون، و[2] با اندازه‌گیری نرخ انبساط جهان و برونیابی به عقب در زمان می‌توان سن جهان را محاسبه کرد.

توضیح

مدل تطبیقی لامبدا-سی‌دی‌ام تکامل جهان از وضعیت بسیار داغ، متراکم و یکنواخت اولیه تا وضعیت کنونی آن در بازه‌ای به طول ۱۳٫۸ میلیارد سال را توصیف می‌کند.[3] این مدل از لحاظ نظری به خوبی فهمیده شده و مشاهدات نجومی دقیقی مانند دبلیومپ نیز آن را تأیید می‌کنند. اما نظریات مربوط به سرآغاز و پیدایش حالت اولیه در حد گمانه‌زنی باقی‌مانده‌اند. اگر با استفاده از مدل لامبدا-سی‌دی‌ام به سوی گذشته برون‌یابی کنیم در لحظهٔ اولیه جهان به یک نقطهٔ تکینگی می‌رسیم. اگرچه از لحاظ نظری جهان ممکن است تاریخی طولانی‌تر از این داشته باشد، اتحادیه بین‌المللی اخترشناسی[4] از واژهٔ «سن جهان» برای به اشاره به مدت زمان انبساط لامبدا-سی‌دی‌ام یا به عبارت دیگر زمان سپری شده پس از مه‌بانگ در جهان قابل مشاهده، استفاده می‌کند.

پارامترهای کیهانی

سن کنونی جهان را می‌توان با اندازه‌گیری ثابت هابل و برون‌یابی به عقب در زمان و با داشتن مقادیر مشاهده‌شده برای پارامترهای چگالی (Ω) محاسبه نمود. پیش از کشف انرژی تاریک اینگونه پنداشته می‌شد که جهان تنها در تسلط ماده است و در نتیجه Ω روی نمودار همان Ω_m در نظر گرفته می‌شد. توجه کنید که جهان شتاب‌دار بیشترین سن را دارد، در حالیکه جهان منتهی به مه‌رمب کمترین سن را داراست.

مقدار فاکتور اصلاح سن، F، به صورت تابعی از دو پارامتر کیهان‌شناسی نمایش داده‌شده‌است: چگالی نسبی کنونی ماده Ω_m و چگالی ثابت کیهانی Ω_Λ. دقیقترین مقادیر برای این پارامترها با مربع کوچکی روی نمودار در قسمت چپ-بالای شکل، و مقادیرشان برای جهان در تسلط ماده توسط ستاره‌ای در قسمت پایین-راست شکل مشخص گردیده‌است .

مسئلهٔ تعیین سن جهان ارتباط تنگاتنگی با مسئلهٔ تعیین اندازه‌های پارامترهای کیهانشناسی دارد. امروزه اغلب این کار از طریق مدل لامبدا-سی‌دی‌ام انجام می‌پذیرد که در آن چنین پنداشته می‌شود که جهان از ماده باریونی (ماده معمولی)، ماده تاریک، تابش (شامل فوتون‌ها و نوترینو‌ها) و یک ثابت کیهان‌شناسی تشکیل می‌شود. سهم جزئی هر یک از اینها در چگالی انرژی کل جهان با پارامترهای چگالی Ω_m، Ω_r، و Ω_Λ نمایش داده می‌شود. برای توصیف مدل کامل لامبدا-سی‌دی‌ام به چند پارامتر دیگر نیز نیاز است اما برای محاسبهٔ سن جهان این پارامترها به همراه پارامتر هابل $H_{0}$ اهمیت بیشتری دارند.

با دردست‌داشتن اندازه‌های دقیق این پارامترها می‌توان با استفاده از معادلات فریدمان سن جهان را محاسبه نمود. این معادله نرخ تغییرات فاکتور مقیاس a(t را با محتوای مادهٔ جهان مرتبط می‌سازد. با معکوس کردن این رابطه می‌توان نرخ تغییرات زمان بر حسب تغییرات فاکتور مقیاس را محاسبه نمود و با انتگرال‌گیری از آن سن جهان را محاسبه نمود. از این راه سن t₀ جهان از طریق عبارتی به شکل زیر به دست می‌آید،

t_{0}={\frac {1}{H_{0}}}F(\Omega _{r},\Omega _{m},\Omega _{\Lambda },\dots )

که در آن $H_{0}$ پارامتر هابل است و تابع F تنها به سهم جزئی اجزای تشکیل دهندهٔ محتوای انرژی جهان بستگی دارد. نخستین برداشتی که ممکن است از این رابطه به ذهن برسد این است که سن جهان تا حدود زیادی توسط پارامتر هابل تعیین می‌شود و محتوای ماده و انرژی جهان اندکی مقدار آن را اصلاح می‌کند، بنابراین با استفاده از پارامتر هابل می‌توان با تقریب سن جهان را تخمین زد. سن جهان تقریباً با معکوس پارامتر هابل (که زمان هابل نیز نامیده می‌شود) برابر است. مقدار $H_{0}$ برابر با ۶۸ km/s/Mpc است و در نتیجه سن تقریبی جهان از این راه در حدود $1/H_{0}$ = ۱۴٫۴ میلیارد سال تخمین زده می‌شود.[5]

برای به‌دست‌آوردن مقدار دقیقتر سن جهان باید فاکتوراصلاح F محاسبه شود. این کار به‌طور عمومی از طریق روش‌های عددی انجام می‌پذیرد و نتیجهٔ آن برای محدوده‌ای از اندازه‌های پاراکترهای کیهان‌شناسی در شکل نشان داده شده‌است. برای اندازه‌های پلانک (Ω_m, Ω_Λ) = (۰٫۳۰۸۶، ۰٫۶۹۱۴) که با مربع کوچکی در قسمت بالای سمت چپ مشخص گردیده، مقدار F برابر ۰٫۹۵۶ است. برای یک جهان تخت بدون ثابت کیهانی که روی نمودار با یک ستاره کوچک در گوشهٔ پایین راست نشان داده شده، F = ^۲⁄_۳. یعنی برای یک مقدار ثابت پارامتر هابل، جهان تخت بدون ثابت کیهانی سن کمتری دارد. برای محاسبهٔ این مقادیر Ω_r ثابت در نظر گرفته شده‌است و این تقریباً معادل است با اینکه دمای تابش زمینه کیهانی را ثابت فرض کنیم.

علاوه بر ماهواره پلانک، از کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون (دبلیومپ) نیز در تعیین سن دقیق جهان مورد استفاده قرار گرفته‌است. اندازه‌گیری‌های تابش زمینه کیهانی برای تعیین محدودهٔ مقدار محتوای مادی Ω_m[6] و همچنین پارامتر خمش Ω_k[7] بسیار سودمند است، هرچند که حساسیت چندانی به‌طور مستقیم به پارامتر ثابت کیهانی Ω_Λ نشان نمی‌دهد.[7] دلیل این امر تا حدودی این است که ثابت کیهانی تنها در انتقال به سرخ‌های پایین اهمیت می‌یابد. دقیقترین محاسبات پارامتر هابل H₀ از رصدگری ابرنواخترهای نوع Ia به‌دست می‌آید. از ترکیب نتایج این اندازه‌گیری‌ها دقیقترین رقم پذیرفته‌شده برای سن جهان به‌دست می‌آید که پیشتر عنوان شد.

در صورت ثابت بودن دیگر پارامترها، ثابت کیهانی سن جهان را بیشتر می‌کند. این مسئله از این رو اهمیت دارد که تا پیش از اینکه ثابت کیهانی مورد پذیرش همگانی قرار گیرد، مدل مه‌بانگ در توضیح اینکه چرا سن خوشه‌های کروی در کهکشان راه شیری بیشتر از سن جهان به نظرمی‌رسد، ناتوان بود. سن جهان در آن زمان با استفاده از پارامتر هابل و بر پایه این پندار که جهان تنها از ماده تشکیل شده، محاسبه شده بود.[8][9] معرفی ثابت کیهانی باعث می‌شود که سن محاسبه شده برای جهان بیشتر از سن خوشه‌های کروی گردد و همچنین ویژگی‌های دیگری را نیز توضیح می‌دهد که مدل‌های صرفاً مادی از توضیح آن ناتوانند.[10]

دبلیومپ

بر پایهٔ انتشار داده‌های ۹ سالهٔ پروژه کاوشگر ناهمسانگردی ریزموجی ویلکینسون (دبلیومپ) ناسا در سال ۲۰۱۲، سن جهان در حدود (۱۳٫۷۷۲±۰٫۰۵۹)×۱۰^۹ سال تخمین زده شد (۱۳٫۷۷۲ میلیارد سال با خطای بعلاوه یا منهای ۵۹ میلیون سال).[2] هرچند که این رقم برای سن جهان بر پایهٔ این پندار محاسبه شده‌است که مدل‌هایی که پروژه بر آنها بنا شده، درست هستند. سایر روش‌ها برای تخمین سن جهان ممکن است نتایج متفاوتی تولید کنند.[11]

ماهواره پلانک

در سال ۲۰۱۳، ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا سن جهان را ۱۳٫۸۲ میلیارد سال تخمین زد.[12][13][14][15] این رقم کمی از رقم اندازه‌گیری شده دبلیومپ بیشتر است اما به همان میزان (تقریباً ۱٪) عدم قطعیت دارد. با ترکیب داده‌های پلانک با داده‌های سایر ماموریت‌های فضایی بهترین تخمین ترکیبی از سن جهان «(۱۳٫۷۹۸±۰٫۰۳۷)×۱۰^۹ سال» می‌باشد.[1]

پارامترهای کیهان‌شناسی از نتایج ۲۰۱۳ پلانک[1][16]
پارامتر	نماد	پلانک بهترین تقریب	پلانک ۶۸٪ حد	پلانک+همگرایی بهترین تقریب	پلانک+همگرایی ۶۸٪ حد	پلانک+دبلیومپ بهترین تقریب	پلانک+دبلیومپ 68% limits	پلانک+دبلیومپ +های‌ال بهترین تقریب	پلان+دبلیومپ +های‌ال ۶۸٪ حد	پلانک+همگرایی +دبلیومپ+highL بهترین تقریب	پلانک+همگرایی +دبلیومپ+های‌ال ۶۸٪ حد	پلانک+دبلیومپ +های‌ال+BAO بهترین تقریب	پلانک+دبلیومپ +های‌ال+نوسانات آکوستیک باریون ۶۸٪ حد
سن جهان (Ga)	$t_{0}$	۱۳٫۸۱۹	۱۳٫۸۱۳±۰٫۰۵۸	۱۳٫۷۸۴	۱۳٫۷۹۶±۰٫۰۵۸	۱۳٫۸۲۴۲	۱۳٫۸۱۷±۰٫۰۴۸	۱۳٫۷۱۸۰	۱۳٫۸۱۳±۰٫۰۴۷	۱۳٫۷۹۱۴	۱۳٫۷۹۴±۰٫۰۴۴	۱۳٫۷۹۶۵	۱۳٫۷۹۸±۰٫۰۳۷
ثابت هابل (^km⁄_Mpc·s)	$H_{0}$	۶۷٫۱۱	۶۷٫۴±۱٫۴	۶۸٫۱۴	۶۷٫۹±۱٫۵	۶۷٫۰۴	۶۷٫۳±۱٫۲	۶۷٫۱۵	۶۷٫۳±۱٫۲	۶۷٫۹۴	۶۷٫۹±۱٫۰	۶۷٫۷۷	۶۷٫۸۰±۰٫۷۷

منابع

Planck Collaboration (2013). "Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results". arXiv:1303.5062 [astro-ph.CO].
Bennett, C.L. (2013). "Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results". arXiv:1212.5225 [astro-ph.CO]. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
"Cosmic Detectives". سازمان فضایی اروپا. 2 April 2013. Retrieved 2013-04-15.
Chang, K. (9 March 2008). "Gauging Age of Universe Becomes More Precise". The New York Times.
Liddle, A. R. (2003). An Introduction to Modern Cosmology (2nd ed.). Wiley. p. 57. ISBN 0-470-84835-9.
Hu, W. "Animation: Matter Content Sensitivity. The matter-radiation ratio is raised while keeping all other parameters fixed". دانشگاه شیکاگو. Archived from the original on 23 February 2008. Retrieved 2008-02-23.
Hu, W. "Animation: Angular diameter distance scaling with curvature and lambda". دانشگاه شیکاگو. Archived from the original on 23 February 2008. Retrieved 2008-02-23.
"Globular Star Clusters". SEDS. 1 July 2011. Archived from the original on 24 February 2008. Retrieved 2013-07-19.
Iskander, E. (11 January 2006). "Independent age estimates". دانشگاه بریتیش کلمبیا. Archived from the original on 6 March 2008. Retrieved 2008-02-23.
خطای لوآ در پودمان:Citation/CS1/en/Utilities در خط 105: Called with an undefined error condition.
de Bernardis, F.; Melchiorri, A.; Verde, L.; Jimenez, R. (2008). "The Cosmic Neutrino Background and the Age of the Universe". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2008 (3): 20. arXiv:0707.4170. Bibcode:2008JCAP...03..020D. doi:10.1088/1475-7516/2008/03/020.
Staff (21 March 2013). "Planck Reveals An Almost Perfect Universe". سازمان فضایی اروپا. Retrieved 2013-03-21.
Clavin, W.; Harrington, J. D. (21 March 2013). "Planck Mission Brings Universe Into Sharp Focus". NASA. Retrieved 2013-03-21.
Overbye, D. (21 March 2013). "An Infant Universe, Born Before We Knew". نیویورک تایمز. Retrieved 2013-03-21.
Boyle, A. (21 March 2013). "Planck probe's cosmic 'baby picture' revises universe's vital statistics". NBC News. Archived from the original on 23 March 2013. Retrieved 2013-03-21.
Planck collaboration (2013). "Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters". arXiv:1303.5076 [astro-ph.CO].

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[planck_overview-1] Planck Collaboration (2013). "Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results". arXiv:1303.5062 [astro-ph.CO].

[arxiv-20121220-2] Bennett, C.L. (2013). "Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results". arXiv:1212.5225 [astro-ph.CO]. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)

[3] "Cosmic Detectives". سازمان فضایی اروپا. 2 April 2013. Retrieved 2013-04-15.

[4] Chang, K. (9 March 2008). "Gauging Age of Universe Becomes More Precise". The New York Times.

[5] Liddle, A. R. (2003). An Introduction to Modern Cosmology (2nd ed.). Wiley. p. 57. ISBN 0-470-84835-9.

[6] Hu, W. "Animation: Matter Content Sensitivity. The matter-radiation ratio is raised while keeping all other parameters fixed". دانشگاه شیکاگو. Archived from the original on 23 February 2008. Retrieved 2008-02-23.

[anim3-7] Hu, W. "Animation: Angular diameter distance scaling with curvature and lambda". دانشگاه شیکاگو. Archived from the original on 23 February 2008. Retrieved 2008-02-23.

[8] "Globular Star Clusters". SEDS. 1 July 2011. Archived from the original on 24 February 2008. Retrieved 2013-07-19.

[9] Iskander, E. (11 January 2006). "Independent age estimates". دانشگاه بریتیش کلمبیا. Archived from the original on 6 March 2008. Retrieved 2008-02-23.

[10] خطای لوآ در پودمان:Citation/CS1/en/Utilities در خط 105: Called with an undefined error condition.

[11] Bernardis, F.; Melchiorri, A.; Verde, L.; Jimenez, R. (2008). "The Cosmic Neutrino Background and the Age of the Universe". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2008 (3): 20. arXiv:0707.4170. Bibcode:2008JCAP...03..020D. doi:10.1088/1475-7516/2008/03/020.

[ESA-20130321-12] Staff (21 March 2013). "Planck Reveals An Almost Perfect Universe". سازمان فضایی اروپا. Retrieved 2013-03-21.

[NASA-20130321-13] Clavin, W.; Harrington, J. D. (21 March 2013). "Planck Mission Brings Universe Into Sharp Focus". NASA. Retrieved 2013-03-21.

[NYT-20130321-14] Overbye, D. (21 March 2013). "An Infant Universe, Born Before We Knew". نیویورک تایمز. Retrieved 2013-03-21.

[NBC-20130321-15] Boyle, A. (21 March 2013). "Planck probe's cosmic 'baby picture' revises universe's vital statistics". NBC News. Archived from the original on 23 March 2013. Retrieved 2013-03-21.

[planck_cosmological_parameters-16] Planck collaboration (2013). "Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters". arXiv:1303.5076 [astro-ph.CO].