دریچه بعدی به سوی جهان ما، چیست؟

در سال ۱۷۸۱ یک آهنگساز انگلیسی تکنولوژیست و ستاره‌شناس به نام ویلیام هرشل متوجه یک شئ در آسمان شد که مانند بقیه ستاره‌ها حرکت نمی‌کرد. و تشخیص هرشل مبنی بر اینکه یک چیزی متفاوت است، یک چیزی درست به نظر نمی‌رسد، منجر به کشف یک سیاره شد، سیاره اورانوس، نامی که نسل‌های بیشماری از کودکان را سرگرم کرده است، و سیاره‌ای که یک شبه اندازه منظومه شمسی شناخته شده ما رادو برابر کرد. همین ماه پیش، ناسا کشف ۵۱۷ سیاره جدید را در مدار ستاره‌های نزدیک اعلام کرد، تقریباً یک شبه تعداد سیاره‌هایی که در کهکشانمان می‌شناسیم دو برابر می‌شود. بنابراین نجوم به طور مداوم توسط این ظرفیت جمع‌آوری اطلاعاتمتحول می‌شود، و با داد‌ه‌هایی که هر سال تقریباًدو برابر می‌شوند، ظرف دو دهه آینده، حتی ممکن است برای اولین بار در تاریخ به نقطه‌ای برسیم که بیشتر کهکشان‌ها در جهان را کشف کرده‌ایم.
اما با ورود ما به این دوره‌یداده‌های بزرگ، آنچه در حال فهمش هستیم ایناست که بین اینکه داده‌های بیشتر، بهتر باشند و اینکه داده‌های بیشتر، متفاوت باشندتفاوت وجود دارد، این تفاوت می‌تواند سوالاتی که می‌پرسیمرا تغییر دهد، و این تفاوت درباره میزان داده‌ایکه جمع‌آوری می‌کنیم نیست، راجع به ان است که آیا آنها می‌توانند... دریچه‌های جدیدی به دنیای ما باز کنند یا نه؟ آیا می‌توانند دیدگاه ما را نسبت بهآسمان تغییر دهند؟ دریچه بعدی به سوی جهان ما چیست؟ فصل نوین در نجوم چه خواهد بود؟ من به شما تعدادی از ابزارها وفناوری‌ها را نشان می‌دهم که در دهه آینده آنها را توسعه خواهیم داد، و اینکه چگونه این فناوری‌ها، به همراه استفاده هوشمندانه از داده‌ها، شاید بار دیگر نجوم را از طریق گشودن دریچه‌ای به جهانمان متحول کنند، دریچه زمان!
چرا زمان؟ خب، چون کهزمان مربوط به سرچشمه‌هاست، و مربوط به تحول است. منشأهای منظومه خورشیدی ما، چگونه منظومه خورشیدی ما متولد شد، و آیا این منظومه به نحو خاصی غیرعادی است؟ درباره تحول جهانِ ما. چرا جهان همواره در حال انبساط است؟ و مفهموم رمزآلود "انرژیِ تاریک" که این انبساط را پیش می‌راند چیست؟
اما ابتدا تمایل دارم که به شما نشان دهمچگونه فناوری نحوه نگاه ما به آسمان را تغییر خواهد داد. تصور کنید اگر در کوه‌های شمال شیلی نشسته بودید و به سمت غرب به طرف اقیانوس آرام چند ساعتی پیش از غروب، نگاه می‌کردید. این چشم‌اندازیست از آسمان که شما می‌دیدید، و این چشم‌انداز زیباست، با کهکشان راه شیری که از افق سرک می‌کشد. اما این تصویر ثابتی از جهان ماست، و از جنبه‌های گوناگون این همان طرز فکر ما درباره جهان است همیشگی و بی تغییر. اما جهان به هیچ وجه ایستا نیست. همواره در مقیاسی از ثانیه تا مقیاسی چند میلیارد سال تغییر می‌کند. کهکشان‌ها به هم می‌آمیزند،با هم برخورد می‌کنند... با سرعت صدها هزار مایل بر ساعت. ستاره‌ها متولد می‌شوند، می‌میرند، و مانند این تصاویر غیرمعمول، منفجر می‌شوند. در واقع، اگر برگردیم به آسمان آرام بر فراز شیلی، و بگذاریم زمان پیش رود تا ببینیم که آسمان در سال بعد چگونهتغییر می‌کند، انبساط‌هایی را که می‌بینید اَبَر نو اَختر ها هستند، بقایای واپسینِستاره‌ی در حال مرگ که منفجر می‌شود، می‌درخشد وسپس از نظر محو می‌شود. هر یک از این ابر نو اختر ها پنج میلیارد بار از خورشید ما درخشان‌ترند، بنابراین از فاصله دور می‌توانیم آنها راببینیم ولی برای زمانی کوتاه. ده ابر نو اختر در هر ثانیه در جهان ما منفجر می‌شوند اگر می‌توانستیم صدای آن را بشنویم، صدای آن مثل ترکیدن یک کیسهپاپ کرن بود. حالا اگر ابر نو اختر ها را محو کنیم، فقط روشنایی آسمان تغییر نمی‌کند. آسمان ما در حرکت مداوم است. این دسته متراکم از اشیا کهدر آسمان در جریان می‌بینید سیارک‌ها هستند که به دور خورشید می‌گردند، و این تغییرات و حرکت‌ها و این پویشِ سیستم هست که به ما توانایی ساختن مدلیاز جهان‌مان می‌دهد و اینکه آینده‌اش را پیش‌بینی کنیم وگذشته‌اش را توضیح دهیم.
تلسکوپ‌هایی که در دههگذشته استفاده کرده‌ایم برای ثبت داده‌ها در این مقیاسطراحی نشده‌اند. تلسکوپ فضایی هابل: در ۲۵ سال گذشته بخشی از تصاویر با بیشترین جزئیات را از جهان دوردست تولید کرده است، اما اگر تلاش کنید از هابل برای خلق تصویری از جهان استفاده کنید۱۳میلیون تصویر جداگانه احتیاج است، ۱۲۰ سال برای فقط یک بار انجام دادن این کار.
پس، این ما را به سمت فناوری‌های جدیدمی‌برد و تلسکوپ‌های جدید، تلسکوپ‌هایی که بتوانند بسیار دور بروند تا به جهان دوردست نگاه کنند و همزمان تلسکوپ‌هایی که بتوانند گستره‌یوسیعی از آسمان را ببینند تا آسمان را به سریع‌ترینحالت ممکن ثبت کنند. تلسکوپ‌هایی مانندLarge Synoptic Survey Telescope یا LSST، احتمالا یکی از بی‌حال‌ترین اسم‌ها برای یکی از جذاب‌ترین آزمایش‌ها در تاریخ ستاره‌شناسی، اگر واقعیتش رو می‌خواهید هیچ‌ وقت نباید به یک دانشمند یا مهندساجازه بدهید چیزی را نام گذاری کند، حتی بچه‌هاتون را. ما در حال ساخت LSST هستیم. انتظار داریم که در آخر این دههثبت داده را شروع کنیم. به شما نشان می‌دهم که چگونه انتظار داریم این تلسکوپ چشم‌انداز ما رااز جهان تغییر دهد، زیرا یک تصویر LSST برابر با ۳٫۰۰۰ تصویر تلسکوپ فضایی هابل است، هر تصویر سه و نیم درجه از آسمان را نشان می‌دهد، که هفت برابر عرض ماه کامل است. چگونه می‌توانید چنین تصویریدر این اندازه بگیرید؟ خب! شما بزرگترین دوربین دیجیتالِ تاریخرا می‌سازید، با استفاده از همان فناوری دوربین‌هایموجود در تلفن همراهتان یا دوربین‌هایی که می‌توانید در خیابانHigh Street بخرید، ولی با عرض ۱/۶۷ متر به اندازه یک فولکس واگن قورباغه‌ای، که هر عکس حاصل از آن ۳ میلیارد پیکسل دارد. اگر بخواهید تصویری در وضوح واقعی، فقط یک تصویر از LSST،را ببینید ۱٫۵۰۰ تلویزیون HD نیاز است. این دوربین از آسمان عکس می‌گیرد، هر ۲۰ ثانیه یک تصویر ثبت می‌کند، مدام در حال بررسی آسمان است بنابراین هر سه شب ما تصویری کاملا جدید از آسمان شیلی خواهیم داشت. در طول ماموریت این تلسکوپ، ۴۰میلیارد ستاره و کهکشان را کشف خواهد کرد، و این اولین بار خواهد بود که ما اجرام بیشتری در آسمان به نسبت تعداد انسان‌های روی زمین کشف کرده‌ایم حالا، می‌توانیم در این زمینه با استفاده از ترابایت و پتابایت و میلیاردها شی صحبت کنیم، ولی یکی از راه‌های درک این میزان داده که از این دوربین حاصل می‌شود این است که: تمام سخنرانی‌های TEDکه تا کنون ضبط شده‌اند را همزمان، ۲۴ ساعت شبانه روز هفت روز هفته و برای ۱۰ سال پخش کنید. و پردازش این همه داده یعنی جستجو در همه این سخنرانی‌ها برای پیدا کردن همه ایده‌های جدیدو همه مفاهیم جدید نگاه کردن به هر بخش ویدیو تا ببینیم هر فِریم چگونه با بعدی تفاوت دارد. این کار در حال تغییر دادنشیوه‌های علم است، در حال تغییر دادن روش‌های ستاره شناسی، به سمتی که نرم‌افزارها و الگوریتم‌ها باید در این داده‌ها کاوش کنند، و نرم‌افزار همان قدر برای علم حیاتی است که تلسکوپ‌ها و دوربین‌هایی که ساخته‌ایم.
هزاران کشف از این پروژه نتیجه خواهند شد، اما من فقط درباره دو مورد از نظرات در مورد منشا و تکاملصحبت خواهم‌ کرد که شاید با دسترسی به داده‌هایی در این مقیاس، متحول خواهند شد.
در پنج سال گذشته، ناسا بیش از ۱٫۰۰۰ منظومه سیاره‌ای به دورِ ستارگان مجاور کشف کرده، ولی این منظومه‌هایی که کشف می‌کنیم خیلی شبیه منظومه خورشیدی خودمان نیستند، و یکی از سوالاتی که با آن مواجهیم این است که آیا ما به اندازه کافی دقیقکاوش نکرده‌ایم یا چیزی منحصر به فرد یا غیر عادی درباره نحوه شکل گیری منظومه خورشیدی ماوجود دارد؟ و اگر بخواهیم به این سوال جواب دهیم، باید تاریخچه منظومه خورشیدی‌مان را با جزئیات بدانیم، و این جزئیات هستند که اهمیت زیادی دارند. خب! حالا اگر دوباره به آسمان نگاه کنیم، به سیارک‌ها که در آسمان در جریان بودند، این سیارک‌ها مثل گرد و غباریدر منظومه خورشیدی ما هستند. مکان سیارک‌ها مثل اثرانگشت‌هایی از زمان‌های گذشته هستند، زمانی که مدارهای نپتون و مشتری خیلی به خورشید نزدیکتر بودند، و همزمان که این سیاره‌های عظیمدر منظومه ما جابجا شدند، سیارک‌ها را به دنبال خود پراکنده کردند. بنابراین مطالعه سیارک‌ها مثل کالبد شکافی است، کالبد شکافی بر روی منظومه خورشیدی ما، اما برای انجام این کار به فاصله گرفتناحتیاج داریم، این فاصله را ما از حرکت‌ها کسب می‌کنیم، و این حرکت‌ها را به دلیل دسترسی به زماندرک می‌کنیم.
این مفهوم چه نکته‌ای برای ما دارد؟ خب، اگر به سیارک‌های زرد رنگِ کوچک که در عرض پرده به سرعت حرکت می‌کنند، اینها سیارک‌هایی هستند که بسیار سریعحرکت می‌کنند، چون کمترین فاصله را با ما، با زمین، دارند. اینها سیارک‌هایی هستند که شاید روزی سفینه فضایی به آنها بفرستیم تا برای مواد معدنی حفاری کنند، اما اینها سیارک‌هایی هم هستندکه ممکن است روزی با زمین برخورد کنند. مثل اتفاق ۶۰ میلیون سال پیش که با انقراض دایناسورها همراه بود، یا درست در آغاز قرن پیش که یک سیارک تقریبا ۲۵۸٫۰۰۰ هکتار از جنگل‌هایسیبری را نابود کرد. یا همین سال گذشته که یکیش بر فرازروسیه آتش گرفت و انرژی‌ای معادل یک بمب هسته‌ایکوچک آزاد کرد. بنابراین مطالعه سرنخ‌های منظومه خورشیدی ما تنها درباره گذشته به ما نمی‌گوید، می‌تواند زمان آینده را نیز پیش بینی کند،از جمله آینده ما.
وقتی که فاصله بگیریم، سیارک‌ها را در محیط طبیعی خودشانمی‌بینیم، در مداری به دور خورشید. هر نقطه‌ای که در این تصویرسازیمی‌بینید یک سیارک واقعی است. مدارش از روی حرکتش در آسمان محاسبه شده. رنگ‌ها ترکیبات این سیارک‌هارا نشان می‌دهند، خشک‌ها و سنگلاخ ها در وسط، پرآب‌ها و ابتدایی‌-گونه‌ها متمایل به لبه. سیارک‌های پر آب که ممکن است هسته‌ی اقیانوس‌ها و دریاهایی که روی زمین می‌بینیم را در زمان بمباران کردن زمین در گذشتهنشانده باشند. از آنجا که LSST توانایی خواهد داشتکه دور برود و نه فقط اینکه گستره‌ی زیادی از آسمانرا ببیند، ما خواهیم توانست این سیارک‌ها را از وَرای بخش داخلی منظومه خورشیدی‌مانببینیم، تا سیارک‌هایی که دورتر از مدار نپتونو مریخ هستند (را ببینیم)، تا دنباله دارها و سیارک‌هایی که شاید در فاصله یک سال نوری از خورشید ماقرار دارند (را ببینیم). همچنان که جزئیات این تصویر را بیشتر می‌کنیم، افزایشی بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر، می‌توانیم به پرسش‌هایی نظیر آیا شاهدی بر وجود سیاراتی خارجاز مدار نپتون وجود دارد؟ پاسخ دهیم (یا اینکه) سیارک‌هایی که به زمینبرخورد می‌کنند را خیلی پیشتر از اینکه به خطر تبدیل شوند بیابیم، یا بفهمیم که آیا خورشید ما به تنهایی شکل گرفته یادر خوشه‌ی ستاره ها شکل گرفته، و شاید همین ستاره‌های هم خانواده‌ی خورشیدهستند که شکل گیری منظومه خورشیدی ما راتحت تاثیر قرار داده‌اند و شاید این دلیلی باشد بر اینکه چرا منظومه‌هایخورشیدی مثل مالِ ما اینقدر کمیاب هستند.
حالا برگردیم به فاصله و تغییرات در جهان ما فاصله معادل زمان است، و همچنین تغییرات در آسمان. به یک قدم دورتر که نگاه می‌کنید، یا هر یک قدم که شی فاصله دارد، شما به یک میلیاردم ثانیه آن طرف ترنگاه می‌کنید و این ایده یا مفهوم نگاه کردن بهعقب در زمان نظریه‌های ما در مورد جهان را دگرگونکرده‌اند، نه یک بار بلکه چندین بار.
اولین بار سال ۱۹۲۹ بود، وقتی که ستاره‌شناسی به نام ادوین هابل نشان داد که عالَم در حال انبساط است، که منجر به نظریه انفجار بزرگ شد. و مشاهداتش خیلی ساده بودند: فقط ۲۴ کهکشان و یک تصویر که با دست کشیده شده بود. ولی این ایده که هر چه یک کهکشان دورتر باشد، با سرعت بیشتری از ما دور می‌شود، کافی بود که کیهان شناسی نوین به وجود آید.
دومین تحول ۷۰ سال بعد رخ داد، زمانی که دو گروه از ستاره شناساننشان دادند که جهان فقط در حال انبساط نیست، بلکه در حال شتاب گرفتن هم هست. شگفتی‌ای مانند اینکه توپی را به هواپرتاب کنید و متوجه شوید که هر چه بالاتر می‌رود با سرعت بیشتری دور می‌شود. و آنها این را با اندازه‌گیری شدت روشناییِ ابَر نو اخترها و اینکه روشنایی ابَر نو اخترها با فاصله گرفتن از ما کمتر می‌شودثابت کردند. این مشاهدات پیچیدگی بیشتری داشتند. به فناوری‌های و تلسکوپ‌های جدید احتیاج داشتند چون که ابَر نو اخترها درکهکشان‌هایی بودند که دوهزار بار دورتر از آنهایی بودند که هابل از آنها استفاده کرده بود. و سه سال زمان برد تا ۴۲ ابَر نو اختریافتند، به دلیل اینکه ابَر نو اخترها درون یک کهکشان، هر ۱۰۰ سال یک بارمنفجر می‌شوند. سه سال برای یافتن ۴۲ ابَر نو اختر با جستجو در ده‌ها هزار کهکشان! و وقتی که داده‌هایشان را جمع آوری کردند، این چیزی است که یافته‌اند. ممکن است این خیلی جالب نباشد، ولی تحول در فیزیک به این شکل است، یک خط که روشنایی ابَر نو اخترهایی با فاصله ۱۱ میلیارد سال نوریرا پیش بینی می‌کند و یک دسته از نقطه‌ها که با این خطاصلا تطابق ندارند.
تغییرات کوچک به نتایج بزرگی تولید می‌کنند. تغییرات کوچک به ما اجازه کشف‌هایبزرگ می‌دهند، مانند سیاره‌ای که توسط هرشل کشف شد. تغییرات کوچک دانسته‌های ما را درباره جهان زیر و رو می‌کنند. بنابراین ۴۲ ابَر نو اختر که کمی کم نورترهستند به معنی این است که کمی دورتر هستند، که لزومش این است که جهان نه تنهادر حال انبساط است بلکه این انبساط باید تند شونده باشد، که عنصری از جهان ما را نمایان می‌کند که ما آن را انرژی تاریک می‌نامیم، جزئی که این انبساط را به پیش می‌راند و ۶۸ درصد کل انرژی جهان ما را تشکیل می‌دهد.
پس تحول بعدی احتمالا چیست؟ انرژی تاریک چیست و چرا وجود دارد؟ هر یک از این خطوط مدل مختلفی را درباره اینکه انرژی تاریک احتمالاچیست، نشان می‌دهد، و این نشان دهنده خصوصیات انرژی تاریک است. همگی با ۴۲ نقطه تطابق دارند ولی نظریه‌هایی که پشت این خطوط هستند، بسیار متفاوت هستند. بعضی افراد به انرژی تاریکی اعتقاد دارند که با زمان تغییر می‌کند، و یا اینکه خصوصیات انرژی تاریک بسته به اینکه به کدام نقطه آسماننگاه می‌کنید متفاوت است. تعدادی دیگر تغییراتی بر روی فیزیک در سطوح کوچک‌تر از اتم‌هاانجام می‌دهند. یا اینکه به مقیاس‌های بزرگ نگاه می‌کنند و نحوه کارکرد نسبیت عام و گرانش راتغییر می‌دهند یا اینکه می‌گویند جهان ما فقط یکی ازبسیارها است، بخشی از این چند-جهان رمزآلود. ولی همه این نظریه‌ها و ایده‌ها، فوق العاده و باید گفت کمی دیوانه‌وار، همگی به ۴۲ نقطه‌ی ما تطابق دارند.
بنابراین چطور می‌توانیم امید داشته باشیم که در دهه آینده معنی این را بفهمیم؟ فرض کنید که من به شما یک جفت تاس بدهم، و از شما بخواهم که ببینید که تاس‌ها عادلانه ساخته شده‌اند یا دستکاری شده‌اند. یک بار تاس ریختن اطلاعات کمیبه شما می‌دهم، اما هر چه بیشتر تاس بریزید هر چه اطلاعات بیشتری بدست آورید مطمئن تر می‌شوید، نه فقط در مورد اینکه آیا عادلانهساخته شده‌اند یا نه، بلکه چگونگی و میزان دستکاری راهم می‌فهمید. ۳ سال طول کشید تا ۴۲ ابَر نو اختررا یافتیم چون که تلسکوپی که ساخته بودیم فقط پهنه کوچکی از آسمان را رصد می‌کرد. با استفاده از LSST ما هر سه شب چشم انداز جدیدی از آسمان شیلی خواهیم داشت. در اولین شب فعالیت خود ۱۰ برابرِ ابَر نو اخترهایی که در یافتن انرژی تاریک استفاده شدند را خواهد یافت. این عدد در چهار ماه اول به ۱٫۰۰۰ خواهد رسید. یک و نیم میلیون ابَر نو اختر در انتهایرصد این تلسکوپ. هر ابَر نو اختر مانند یکبار تاس ریختن است، هر ابَر نو اختر امتحان می‌کند که کدامنظریه‌ها درباره انرژی تاریک تطابق دارند و کدام‌ها تطابق ندارند. پس، از ترکیب کردن داده‌های اینابَر نو اخترها با دیگر اندازه‌های کیهان شناسی می‌توانیم ایده‌های متناقض در مورد انرژی تاریک را کنار بگذاریم که امیدواریم تا انتهای این رصد در سال۲۰۳۰ بتوانیم انتظار ظهور تدریجی نظریه‌ای درباره جهان‌مان داشته باشیم، نظریه‌ای بنیادین برای فیزیکِ جهانِ ما.
از بسیاری جهات سوالاتی که ارائه کردم در واقعیت ساده‌ترین سوالات هستند. شاید پاسخ‌ها را ندانیم ولی حداقل می‌دانیم که چطور سوال راطرح کنیم. اما اگر نگاه ما به ده‌ها هزار کهکشان ۴۲ ابَر نو اختر را یافت که فهم ما از جهان را دگرگون کرد وقتی که بر روی میلیارد‌ها کهکشان کار کنیم چند بار ۴۲ نقطه خواهیم یافت که با انتظارات ما مطابقت ندارند؟ همانند سیاره‌ای که توسط هرشل کشف شد یا انرژی تاریک یا مکانیک کوانتومی و یا نسبیت عام، تمام نظریه‌هایی که به دلیل منطبق نبودن داده‌ها با انتظارات مابوجود آمدند. چیزی که درباره دهه بعدیِ داده‌ها در نجوم، هیجان انگیز است این است که ما حتی نمی‌دانیم چند جواب منتظر ما هستند جواب‌هایی درباره ریشه‌های ما و تکامل‌مان. چند پاسخ وجود دارند که ما حتی سوال‌هاشان را نمی‌دانیم؟
متشکرم
(تشویق حضار)