جهان چگونه بدون نقض قوانین فیزیک، سریع‌تر از نور منبسط می‌شود؟

وقتی به آسمان شب نگاه می‌کنیم، در واقع به گذشته سفر می‌کنیم. نوری که از کهکشانی دور به تلسکوپ ما می‌رسد، میلیاردها سال پیش سفر خود را آغاز کرده است. اما این سوال پیش می‌آید: اگر نور با سرعت محدودی حرکت می‌کند، چگونه می‌توانیم کهکشان‌هایی را ببینیم که بیش از ۱۳٫۷ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند؟ پاسخ در پدیده‌ی کیهانی شگفت‌انگیزی نهفته است: انبساط خودِ فضا.

درک فاصله در جهان در حال انبساط، کار ساده‌ای نیست. تصور کنید نوری از یک کهکشان دور به سمت ما می‌آید. در طول این سفر میلیاردها ساله، خودِ فضا نیز در حال بزرگ‌تر شدن است. بنابراین، فاصله‌ای که نور طی کرده، با فاصله‌ی فعلی آن کهکشان تفاوت دارد. کهکشان در زمان انتشار نور، بسیار نزدیک‌تر به ما بوده است.

برای مثال، نوری که امروز از یک کهکشان بسیار دور به ما می‌رسد، ممکن است ۱۳ میلیارد سال پیش سفر خود را آغاز کرده باشد. در آن زمان، آن کهکشان شاید فقط چند میلیارد سال نوری با ما فاصله داشته است. اما در طی این ۱۳ میلیارد سال، فضا آن‌قدر منبسط شده که اکنون همان کهکشان در فاصله‌ای بیش از ۴۰ میلیارد سال نوری از ما قرار دارد. به همین دلیل، برای محاسبه‌ی فاصله‌ی واقعی، اخترشناسان از مدل‌های کیهان‌شناختی مانند مدل استاندارد LCDM (شامل ماده و انرژی تاریک) استفاده می‌کنند که میزان انبساط فضا را در طول زمان محاسبه می‌کند.

حداکثر فاصله‌ای که ما می‌توانیم ببینیم، یعنی افق ذره‌ای، حدود ۴۵ میلیارد سال نوری است. این عدد بسیار بزرگتر از ۱۳٫۷ میلیارد سال (عمر جهان) است. این یعنی نور کهکشان‌هایی که امروز در لبه‌ی جهان قابل مشاهده هستند، سفری بیش از ۱۳ میلیارد ساله را پشت سر گذاشته‌اند، اما در این مدت، خودِ فضا آن‌قدر منبسط شده که اکنون در فاصله‌ای بسیار دورتر قرار گرفته‌اند.

این پدیده به این معناست که کهکشان‌های بسیار دور، با سرعتی بیشتر از نور از ما دور می‌شوند. اما این موضوع قانون اینشتین را نقض نمی‌کند، زیرا محدودیت سرعت نور فقط برای حرکت اجرام در فضا صدق می‌کند، نه برای انبساط خودِ فضا. به عبارت ساده‌تر، این خودِ فضا است که در حال بزرگ‌تر شدن است و کهکشان‌ها را با خود می‌برد، نه اینکه خود کهکشان‌ها با سرعت نور در فضا حرکت کنند.

در کیهان‌شناسی، ما با دو نوع «افق» روبرو هستیم که درک ما از جهان قابل مشاهده را محدود می‌کنند:

افق ذره‌ای (یا افق کیهان‌شناختی): مرز قابل مشاهده‌ی کنونی ماست. کهکشان‌هایی که در این محدوده قرار دارند، نوری از خود ساطع کرده‌اند که در طول تاریخ عمر جهان به ما رسیده است. این افق در حال حاضر حدود ۴۵ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد. به عبارت دیگر، ما نمی‌توانیم هیچ رویدادی را ببینیم که فراتر از این مرز رخ داده باشد، زیرا نور آن به ما نرسیده است. با گذشت زمان و پیرتر شدن جهان، این افق نیز بزرگ‌تر می‌شود و کهکشان‌های جدیدی وارد محدوده‌ی دید ما می‌شوند.

افق رویداد کیهانی: مرزی است که فراتر از آن، نوری که امروز ساطع می‌شود، هرگز به ما نخواهد رسید. دلیل آن، انبساط شتاب‌دار جهان است که توسط انرژی تاریک ایجاد می‌شود. این افق در حدود ۱۷ میلیارد سال نوری قرار دارد. کهکشان‌های فراتر از این نقطه، برای همیشه از دید ما پنهان خواهند ماند، حتی اگر تا ابد منتظر بمانیم. به عبارت دیگر، این کهکشان‌ها با سرعتی بیشتر از نور از ما دور می‌شوند و نورشان هرگز به ما نمی‌رسد.

تفاوت کلیدی: افق ذره‌ای به ما می‌گوید چه چیزی را می‌توانیم ببینیم، در حالی که افق رویداد کیهانی به ما می‌گوید چه چیزی را هرگز نخواهیم توانست ببینیم، حتی اگر تا ابد منتظر بمانیم.

چگونه می‌توانیم سرعت دورشدن کهکشان‌ها را اندازه‌گیری کنیم؟ پاسخ در پدیده‌ی انتقال‌به‌سرخ نهفته است. وقتی نور از منبعی در حال حرکت به سمت ما می‌آید، اگر منبع از ما دور شود، طول‌موج نور آن کشیده می‌شود و به سمت انتهای قرمز طیف الکترومغناطیسی جابه‌جا می‌شود. این دقیقاً همان روشی بود که ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ با استفاده از آن، انبساط جهان را کشف کرد. هرچه کهکشانی دورتر باشد، انتقال‌به‌سرخ آن بیشتر است واین یعنی با سرعت بیشتری از ما دور می‌شود.

نقطه‌ی عطف، جایی که اجرام با سرعتی بیشتر از نور از ما دور می‌شوند، دقیقاً در فاصله‌ی هابل، یعنی ۱۳٫۷۷ میلیارد سال نوری قرار دارد. کهکشان‌های فراتر از این فاصله، با سرعتی بیشتر از نور از ما دور می‌شوند، اما ما هنوز می‌توانیم آن‌ها را ببینیم، زیرا نوری که به ما می‌رسد، میلیاردها سال پیش سفر خود را آغاز کرده است، زمانی که آن کهکشان‌ها بسیار نزدیک‌تر بوده‌اند.

پیش‌بینی می‌شود که در حدود ۱۰۰ میلیارد سال آینده، تمام کهکشان‌های خارج از گروه محلی (گروهی از کهکشان‌ها که کهکشان راه‌شیری و آندرومدا در آن قرار دارند) برای همیشه از آسمان شب ناپدید شوند. این به آن معناست که ناظران کیهانی در آن دوران، جهانی بسیار خلوت‌تر و تاریک‌تر را مشاهده خواهند کرد، جایی که تنها کهکشان‌های باقی‌مانده در گروه محلی قابل مشاهده هستند. این چشم‌انداز، نشان‌دهنده‌ی سرنوشت نهایی جهان ما و محدودیت‌های ذاتیِ مشاهده‌ی کیهان است.