سياهچاله چيست؟

در چند جمله كوتاه ميتوان گفت، سياهچاله ناحيه اي از فضاست كه مقدار بسيار زيادي جرم در آن تمركز يافته و هيچ شيئي نمي تواند از ميدان جاذبه آن خارج شود.از آنجا كه بهترين تيوري جاذبه در حال حاضر تيوري نسبيت عام انيشتن است،در مورد سياهچاله و جزيياتش بايد طبق اين تيوري تحقيق و نتيجه گيري كنيم. ابتدا از مفهوم جاذبه و شرايط ساده تر آغاز مي كنيم. 

فرض كنيد روي سطح يك سياره ايستاده ايد. يك سنگ را به سمت بالا پرتاب مي كنيد. با فرض اينكه آن را خيلي خيلي محكم پرتاب نكرده باشيد براي مدتي به سمت بالا حركت مي كند و نهايتا شتاب جاذبه باعث مي شود به پايين سقوط كند. اما اگر سنگ را به اندازه ي لازم محكم پرتاب كرده باشيد مي توانيد آن را به كل از جاذبه سياره خارج كنيد و سنگ بالا رفتن را تا ابد ادامه خواهد داد. سرعتي كه لازم است تا يك شيي را از حاذبه سياره خارج كند سرعت فرار يا سرعت گريز نام دارد. همانطور كه انتظار مي رود سرعت فرار به جرم سياره بستگي دارد. اگر سياره اي جرم زيادي داشته باشد كشش جاذبه آن زياد خواهد بود و نتيجتا سرعت فرار آن بيشتر خواهد شد. سياره سبكتر سرعت فرار كمتري خواهد داشت. همچنين سرعت فرار به فاصله از مركز سياره نيز بستگي دارد. هر چه به مركز سياره نزديك تر شويم سرعت فرار نيز بيشتر مي شود. 

سرعت فرار زمين Km/s 11.2 يا m/h 25000 است. در حالي كه سرعت فرار در ماه فقط Km/s 2.4 يا m/h 5300 است. 

حال يك جرم بسيار زياد را كه در يك ناحيه با شعاع بسيار كوچك تمركز يافته تصور كنيد. سرعت فرار چنين ناحيه اي از سرعت نور بيشتر خواهد بود و چون هيچ شييي نمي تواند سريعتر از نور سير كند پس هيچ شييي نمي تواند از ميدان جاذبه چنين ناحيه اي خارج شود ، حتي يك دسته پرتو نور. 

ايده تفكر در مورد جرمي چنان چگال كه حتي نور نيز نتواند از آن خارج شود متعلق به لاپلاس در قرن هجدهم است. تقريبا بلافاصله پس از بيان نظريه نسبيت عام توسط انيشتين ، كارل شوارتز شيلد يك راه حل رياضي براي معادلات تيوري اين اجرام كشف كرد و سال ها بعد اشخاصي چون اپنيمر و ولكف واشنايدر در دهه 1930 به طور جدي درباره امكان وجود چنين نواحي در عالم به تحقيق پرداختند. اين پژوهشگران نشان دادند، هنگامي كه محتويات سوخت يك ستاره پرجرم به پايان مي رسد، نمي تواند در مقابل جاذبه دروني خود مقاومت كند و به صورت يك سياهچاله در خود فرو مي ريزد. 

در نسبيت عام جاذبه از عوامل انحراف فضاي 4 بعدي است. اشياء بسيار پرجرم باعث انحرافات محورهاي زمان و فضا مي شوند در حدي كه قوانين هندسي اعتبار خود را از دست مي دهند و به كار نمي آيند. اين انحراف در اطراف يك سياهچاله بسيار چشمگير است و باعث مي شود كه سياهچاله ها خصوصيات عجيبي داشته باشند. هر سياهچاله چيزي به نام افق حادثه ( event horizon ) دارد، كه سطحي كروي است و مرز سياهچاله را مشخص مي كند. شما مي توانيد وارد اين افق شويد اما نمي توانيد از آن رهايي يابيد. در حقيقت وقتي وارد افق شديد محكوم به نزديك و نزديك تر شدن به مركز سياهچاله هستيد. 

درباره افق مي توان اين تصور را داشت كه افق جايي است كه در آن سرعت گريز برابر با سرعت نور است. در خارج از افق سرعت گريز كمتر از سرعت نور است. بنا بر اين در صورتي كه راكت هاي شما به اندازه كافي انرژي داشته باشند مي توانيد از افق دور شويد اما وقتي وارد افق شديد راهي براي خروج نداريد. افق خصوصيات هندسي عجيبي دارد، براي يك ناظر كه فاصله زيادي از سياهچاله دارد، افق جاي خوبي به نظر مي رسد كه كروي و ساكن است. اما در صورتيكه به سياهچاله نزديك شويد متوجه خواهيد شد افق با سرعت بسيار زياد و يا در حقيقت با سرعت نور به سمت بيرون در حركت است. چون افق با سرعت نور به سمت بيرون گسترش مي يابد، پس براي خروج از افق بايد سرعتي بيش از سرعت نور داشته باشيم. و چون مي دانيم كه نمي توانيم با سرعتي بيش از سرعت نور سير كنيم پس هيچ گاه نخواهيم توانست از سياهچاله فرار كنيم. 

اگر اين مطالب بسيار عجيب به نظر مي رسند، نگران نباشيد، واقعا عجيب هستند. افق از جهتي ثابت و از جهتي نا پايستار است. اين مطلب تا حدي شبيه به داستان آليس در سرزمين عجايب است. او بايد تا جايي كه مي توانست سريع حركت مي كرد تا مي توانست در يك جا بماند. 

در درون افق فضا در حدي منحرف مي شود كه مختصات طول و زمان جايشان عوض مي شود به اين معني كه مختص نشان دهنده فاصله از مركز سياهچاله كه r نام دارد، يك مختص زماني و t يك مختص فضايي مي شود. نتيجه اين جابجايي اين است كه نمي شود از كوچك شدن لحظه به لحظه r جلوگيري كرد، مشابه شرايط معمولي كه از رسيدن به آينده گريزي نيست (يعني به طور معمول t در حال افزايش است) در نهايت بايد به مركز جايي كه r = 0 است برسيم. ممكن است فكر كنيد با روشن كردن راكت ها مي توان از افق خارج شد، اما اين كار نيز بيهوده است. از هر ماده اي كه استفاده كنيد، نمي توانيد از آينده خود گريزي داشته باشيد. پس از وارد شدن به افق، تلاش براي دور شدن از مركز سياهچاله درست مثل تلاش براي نرسيدن به پنجشنبه آينده است. 

نام سياهچاله را براي اولين بار جان آرچيبالد ويلر پيشنهاد داد كه نام مناسبي به نظر مي رسيد، چون از نام هاي پيشنهادي قبل از خودش جذاب تر بود. پيش از ويلر از اين نواحي با عنوان ستاره هاي منجمد ياد مي شد. در ادامه توضيح خواهم داد كه چرا اين نام را به آن ها داده بودند. 

سياهچاله چه اندازه اي دارد؟ 

اندازه هر چيز دو جنبه دارد. در اولين جنبه مي گوييم اين جسم چه ميزان جرم دارد و در جنبه ديگر آن را از نظر حجم بررسي مي كنيم. ابتدا درباره جرم سياهچاله بحث مي كنيم. 

براي ميزان جرم يك سياهچاله محدوديتي وجود ندارد. هر مقدار جرمي درصورتي كه به اندازه كافي چگال باشد مي تواند سياهچاله تشكيل دهد. حدس مي زنيم كه سياهچاله هاي موجود از مرگ ستارگان پرجرم تشكيل يافته اند، بنا بر اين بايد به همان اندازه جرم داشته باشند. به عنوان نمونه جرم يك سياهچاله در حدود 10 برابر جرم خورشيد است، يعني جرمي معادل 10 به توان 31 كيلوگرم. 

هر چه جرم سياهچاله بيشتر باشد فضاي بيشتر اشغال خواهد كرد. در حقيقت شعاع شوارتز شيلد (شعاع افق) و جرم نسبت مستقيم دارند. اگر سياهچاله اي 10 برابر يك سياهچاله ديگر جرم داشته باش، شعاعش نيز 10 برابر ديگري خواهد بود. شعاع سياهچاله اي هم جرم خورشيد 3 كيلومتر است. بنا بر اين، اگر سياهچاله اي 10 برابر خورشيد جرم داشته باشد شعاعش 30 كيلومتر خواهد بود و سياهچاله اي كه در مركز يك كهكشان با جرم يك مليون برابر خورشيد 3 ميلون كيلومتر شعاع خواهد داشت. ممكن است اين مقدار شعاع زياد به نظر برسد ولي با استانداردهاي نجومي خيلي هم عجيب نيست. به عنوان مثال شعاع خورشيد 700000 كيلومتر است و يك سياهچاله بسيار بسيار سنگين شعاعي فقط در حدود 4 برابر خورشيد دارد. 

در صورت سقوط در سياهچاله چه بلاي به سرم مي آيد؟ 

فرض مي كنيم در داخل يك فضا پيما به سمت يك سياهچاله با جرم يك مليون برابر خورشيد در مركز كهكشان راه شيري در حال حركت هستيد. (بحث هاي زيادي در مورد وجود سياهچاله در مركز كهكشان راه شيري وجود دارد. اما فرض مي كنيم حداقل براي چند ثانيه اين سياهچاله موجود باشد.) از فاصله دور راكت ها را خاموش كرده ايد و به سمت سياهچاله سرازير مي شويد. چه اتفاقي خواهد افتاد؟ 

در ابتدا هيچ جاذبه اي را حس نخواهيد كرد چون در حال سقوط آزاد هستيد، همه قسمتهاي بدنتان به يك صورت كشيده خواهند شد و احساس بي وزني خواهيد كرد (اين دقيقا همان چيزي است كه در مدار زمين براي فضا نوردان اتفاق مي افتد. با اين حال نه فضا نورد و نه شاتل هيچ نيروي جاذبه اي را حس نمي كنند.) همين طور كه به مركز سياهچاله نزديك و نزديك تر مي شويد نيروهاي جاذبه جزر و مدي را بيشتر حس خواهيد كرد. فرض كنيد پاهايتان نسبت به سرتان در فاصله كمتري از مركز سياهچاله قرار گرفته باشد. نيروي جاذبه با نزديك شدن به مركز سياهچاله بيشتر مي شود، بنا بر اين در پاهايتان نيروي جاذبه را بيشتر حس خواهيد كرد. و حس خواهيد كرد كشيده شده ايد ( اين نيرو نيروي جزر و مدي نام دارد چون دقيقا مانند نيرويي عمل مي كند كه باعث جزر و مد در سطح زمين مي شود). اين نيروها با نزديك شدن به مركز بيشتر و بيشتر خواهد شد تا جايي كه شما را پاره پاره كند. 

براي يك سياهچاله خيلي بزرگ شبيه به آن كه شما در آن سقوط مي كنيد، نيروهاي جزر و مدي تا شعاع 600000 كيلومتري مركز قابل توجه نيستند. البته اين مطلب پس از ورود به افق اعتبار مي يابد. اگر در حال سقوط به يك سياهچاله كوچكتر هم جرم خورشيد بوديد، نيروهاي جزر و مدي از فاصله 6000 كيلومتري مركز شما را تحت تاثير قرار مي داد و شما خيلي زود تر از آنكه وارد افق شويد تكه پاره مي شديد (و اين موضوع علت اين است كه شما را در حال سقوط به يك سياهچاله بزرگ تصور كرديم تا بتوانيد حداقل تا وارد شدن به سياهچاله زنده باشيد). در حين سقوط چه چيزهايي مي بينيد؟ شما در حين سقوط چيز خاص و عجيبي را مشاهده نخواهيد كرد. تصوير اشيا درو ممكن است به شكل هاي عجيب و نا مربوط در آمده باشند، چون جاذبه سياهچاله نور را نيز منحرف مي كند. به ويژه وقتي وارد افق مي شويد هيچ اتفاق خاصي نخواهد افتاد. حتي پس از وارد شدن به افق نيز خواهيد توانست چيزهايي را كه بيرون هستند ببينيد. چون نوري كه از اشيا بيروني ساطع مي شود مي تواند وارد افق شود و به شما برسد. اما در بيرون از افق كسي قادر به ديدن شما نيست چون نور نمي تواند از افق خارج شود. 

كل اين اتفاقات چقدر طول مي كشد؟ البته اين مطلب بستگي به اين دارد كه از چه فاصله سقوط به داخل سياهچاله را شروع كرده باشيد. فرض مي كنيم اين عمليات از جايي شروع شود كه فاصله شما از مركز 10 برابر شعاع سياهچاله باشد. براي سياهچاله اي با جرم يك ميليون برابر خورشيد 8 دقيقه طول مي كشد تا به افق برسيد، پس از آن 7 دقيقه ديگر در پيش داريد تا به ناحيه منحصر به فردي برسيد. البته اين زمان ها تقريبي است و به عنوان مثال در يك سياهچاله كوچكتر زمان مرگ نزديك تر خواهد بود. پس از پشت سرگذاشتن افق در 7 دقيقه باقيمانده از عمر ممكن است وحشت زده بشويد و شروع كنيد به روشن كردن راكت ها اما اين تلاش بيهوده است. 

از يك فاصله مطمئن از سقوط در سياهچاله چه چيز مشاهده مي شود؟ 

چيزي كه از دور ديده مي ود با واقعيت كمي تفاوت دارد. همچنان كه شما به افق نزديك تر مي شويد ناظر حركت شما را آهسته و آهسته تر مي بيند. او هيچ گاه رسيدن شما را به افق نخواهد ديد. 

سياهچاله اي را در نظر بگيريد كه از فرو ريختن يك ستاره شكل گرفته است. در حالي كه ماده تشكيل دهنده سياهچاله فرو مي ريزد، ناظر آن را كوچك و كوچك تر مي بيند، همچنين او نزديك شدن شما را مي بيند اما نمي تواند رسيدن به افق را ببيند و اين علت نام گذاري اوليه آنها يعني ستاره هاي منجمد است. چون به نظر مي رسد آن ها در فاصله اي به اندازه كمي بيشتر از شعاع شوارتز شيلد يخ زده اند. 

چرا اينگونه به نظر مي رسد؟ مهمترين مطلبي كه در اين مورد عنوان شده يك خطاي نوري است. در حقيقت شكل گرفتن يك سياهچاله يا رسيدن شما به افق زمان نامحدودي نمي برد. وقتي شما به افق نزديك و نزديك تر مي شويد، نوري كه از شما ساطع مي شود به زمان بيشتري نياز دارد تا به ناظر برسد در واقع نوري كه بدن شما در هنگام گذر از افق ناظر ديگر تصويري از شما نمي بيند و حس مي كند رسيدن به افق چه زمان نامحدودي وقت مي برد. 

از زاويه ديگري نيز مي شود به اين مسئله نگاه كرد. زمان در نزديكي افق بسيار آرامتر از فضاهاي دورتر سپري مي شود. فرض كنيد فضاپيماي شما براي خروج از افق در حركت است و براي چندين ثانيه آنجا توقف مي كند (با مصرف مقداري زيادي سوخت براي جلوگيري از سقوط به داخل). سپس شما به سمت ناظري مي رويد و به او ملحق مي شويد. متوجه مي شويد در طي اين ايام او سني بيش از شما دارد، در حقيقت زمان براي شما بسيار آهسته تر (كند تر) سپري شده است تا براي او. 

به نظر شما كدام يك از اين دو نظريه فريب نور يا كندي زمان درست است؟ جواب بستگي به مختصاتي داردكه طبق آن به بررسي سياهچاله ها بپردازيد. طبق مختصات معمول كه مختصات شوارتز شيلد نام دارد، زماني افق را پشت سر مي گذاريد كه مختصات t (زمان) بي نهايت است. طبق اين مختصات گذر از افق زمان بي نهايت لازم دارد. اما علت اين مطلب اين است كه مختصات شوارتز شيلد تصوير تحريف شده اي از آنچه در اطراف افق مي گذرد به ما مي دهد. در حقيقت درست در افق مختصات كاملا تحريف شده و تغيير يافته اند. در صورتي كه مختصات واحدي را در نزديكي افق انتخاب نكرده ايد متوجه مي شويد كه در هنگام گذر از افق زمان واقعا محدود است. ولي زماني كه ناظر شما را مشاهده مي كند نامحدود است. تشعشات نياز به زمان بي نهايت و نامحدودي دارند تا به چشم ناظر برسند. پس شما مي توانيد از هر دو نوع مختصات استفاده كنيد، در عمل هر دوي آنها درست هستند. فقط دو بيان متفاوت از يك مطلب ارئه مي دهند. درعمل شما از چشم ناظر پنهان خواهيد ماند قبل از اينكه زمان بي نهايت سپري شود. براي يك جسم نوري كه از طرف سياهچاله تابش مي شود به طرف سرخي و طول موجهاي بيشتر مي رود. 

بنا براين در صورتي كه شما نور مرئي با طول موجهاي ثابتي ساطع كنيد، ناظر آن را با طول موج بيشتري دريافت خواهد كرد. با نزديك تر شدن شما به افق اين طول موجها افزايش مي يابند. كه درنهايت به تابش هاي نامرئي، مادون فرمز و امواج راديويي خواهند رسيد. در بعضي نقاط طول موجها به قدري زياد خواهند بود كه ناظر نخواهد توانست آن ها را مشاهده كند. از گذشته به خاطر داريد كه نور در دسته هايي به نام فوتون ساطع مي شود. تصور كنيد در حين گذر از افق فوتون هايي ساطع كنيد. قبل از گذشتن از افق آخرين فوتون ها را ساطع خواهيد كرد، اين فوتون ها در زمان محدودي به چشم ناظر خواهند رسيد - به عنوان مثال براي چنان سياهچاله پر جرمي چيزي در حدود 1 ساعت.. و پس از آن ناظر ديگر قادر به ديدن شما نخواهد بود (فوتون هايي كه پس از گذر از افق ساطع مي شوند هيچ گاه به ناظر نمي رسند)... 

þ هر احمقی می تواند چیزها را بزرگتر، پیچیده تر و خشن تر کند؛ برای حرکت در جهت عکس، به کمی نبوغ و مقدار زیادی جرات نیاز است.      آلبرت انشتین

 

روش حل مسئله   در يك شركت بزرگ ژاپني كه توليد وسايل آرايشي را برعهده داشت ، يك  مورد به ياد ماندني اتفاق افتاد: شكايتي از سوي يكي مشتريان به كمپاني رسيد . او  اظهار کرده بود  كه  هنگام  خريد  يك بسته صابون  متوجه شده كه قوطي آن خالي است  . بلافاصله  با تاكيد و پيگيريهاي مديريت ارشد  كارخانه  اين مشكل  بررسي ،  و دستور صادر شد كه خط بسته بندي اصلاح گردد و قسمت فني  و مهندسي نيز تدابير لازم را جهت پيشگيري از تكرار چنين مسئله اي اتخاذ نمايد  .  مهندسين نيز دست به كار شده و در نهایت راه حل پيشنهادي خود را چنين ارائه دادند : پايش( مونيتورينگ ) خط بسته بندي با اشعه ايكس. بزودي سيستم مذكور خريداري شده و با تلاش شبانه روزي گروه مهندسين ،‌ دستگاه توليد اشعه ايكس ومانيتورهائي با رزولوشن بالا نصب شده  و خط مذکور تجهيز گرديد  . سپس دو نفر اپراتور نيز جهت كنترل دائمي پشت آن دستگاهها به كار گمارده شدند  تا از عبور احتمالي قوطي هاي خالي جلوگيري نمايند.   نكته جالب توجه در اين بود كه درست همزمان با اين ماجرا ، مشكلي مشابه  نيز در يكي از كارگاههاي كوچك توليدي پيش آمده بود اما آنجا  يك كارمند معمولي و غير متخصص آنرا به شيوه اي بسيار ساده تر و كم خرج تر حل كرد :   تعبيه يك دستگاه پنكه در مسير خط  بسته بندي تا قوطی خالی را به خارج پرتاب کند !!!

 م امروزي بشر به آن جایی رسيده كه قادر باشد در مورد جهان هستي توضيحاتي را ارائه كند . ستاره هاي بيشماري را كه در آسمان شب مي بينيد تنها سه هزار ستاره از سیصد میلیارد ستاره در كهكشان راه شيريند . در جهان چيزي حدود صد میلیارد كهكشان وجود دارد .بشريت همواره با اين سئوال مواجه بوده است كه : آيا اين جهان از ابتدا بدين صورت بوده يا اين كه همه چيز از جايي و به طور ناگهاني به وجود آمده است ؟ كشف اين مطلب كه جهان در حال انبساط است موجب شگفتي بسيار در اوايل قرن گذشته شد. بر اساس اين يافته فيزيكدان ها حدس زدند كه جهان مي باستي در گذشته و از اندازه بسيار كوچك متولد شده باشد . اين مطلب كه جهان آغازي دارد همچنين هيبت ابعاد و خلق آن ، انسان را با اين سئوال روبرو ساخت كه جهان چگونه آغاز شده است . اكنون بس از رصد ها و تفكرهاي بسيار به پاسخي رسيده ايم كه بيگ بنگ نام گرفته است .

 بيگ بنگ چیست ؟

 بر اساس نظریه بيگ بنگ جهان از انفجار حجم بسیار کوچک - ابعادی کوچکتر از حفره های روی پوست - ، با دما و چگالی بسیار زیاد آغاز شده است .بر اساس این نظریه شکل گیری  فضا همانند کش آوردن سطح   یک بادکنک است – مواد، دردرون و سطح بيروني فضای در حال انبساط می یاشند، همانند ذرات غبار روی  شطح یک بادکنک-  این انفجار همانند انفجار ماده در یک فضای خالی نیست بلکه خود  فضا به همراه این انفجار متولد شده است و ماده را همچنان که منبسط میشود به همراه خود حمل می کند . فیزیکدان ها حتی بر این عقيده هستند که زمان نيز با بيگ بنگ آغاز شده است . امروزه ، اکثر دانشمند ها نظریه يگ بنگ را قبول دارند . شواهد موجود به قدر کافی محکم بودند که در سال 1951 دفتر کلیسای کاتولیک اعلام کرد نظریه بيگ بنگ با کتب مقدس مطابقت دارد .

تا اوایل قرن 19 مردم می پنداشتند که جهان پايدار و ثابت است . در سال 1915 با نظریه نسبیت عام اینشتین که به ماهیت فضا ، زمان و جاذبه  می پردازد حالت های  محتمل دیگری نیز ارائه شد . با ارائه نظریه نسبیت ساحتار فضا قادر بود که منبسط یا منقبض شود . در سال 1917 ستاره شناسی به نام ویلم دسیتر با به کار گیری نسبیت در مورد جهان نشان داد که جهان قادر است منبسط شود . (Willem de Sitter)

 در سال 1922 ریاضیدانی به اسم الکساندر فريدمن (Aleksandr  Friedmann) با استفاده از روش های ساده تر به همین نتیجه رسید .  نتیجه بدست آمده توسط  جرج لمایتر (Georges Lemaitre) کیهان شناس در سال 1927 نیز همین بود . این گام ، تحولی بزرگ در مورد دیدگاه پذیرفته شده جهان-ثابت بود . جرج لمایتر بر اين عقيده بود  که با سفر به کذشته كيهان ، ماده جهان می بایستی در ابعادی کوچک جمع شود و در آنجا انفجاري  رخ داده باشد . اگرچه این احتمال حالت شگفت آور جدیدی برای جهان در نظر می گرفت ولی مبتنی بر رصد های وقت نبود .

چرا بر این تفکریم که  بيگ بنگ  اتفاق افتاده است ؟

 نتایج 3 رصد مهم طی قرن گذشته به ستاره شناسان کمک کرد تا اطمینان حاصل کنند که جهان با بيگ بنگ آغاز شده است . اولین آنها این است که جهان در حال انبساط است – بدین معنی که فضای ميان کهکشان ها در حال بزرگ و بزرگتر شدن است -  این مشاهده منجر به این حدس شد که قبل ازانبساط همه چیز در جایی کنار هم قرار داشته است . دوم اینکه این نظریه به خوبی قادر به توضیح فراواني هلیم و دتریم ( ایزوتوب هیدروژن ) در جهان است . دما و چگالی و محیط منبسط شونده جهان اولیه شرایط  خوبی برای تولید این هسته ها با فراوانی که امروز شاهد آن هستیم می باشد . دلیل سوم اینکه ستاره شان موفق به رصد تابش پس زمینه کیهانی  – نابش بس از انفجار اولیه - از هر سمت کیهان  شده اند .  تابش پس زمینه کیهانی دلیل قاطعی بر تایید آغازی اين چنين – با يك انفجار-  برای جهان است . آفای استفان هاوكينگ در این مورد می گوید : این اکتشاف بی نظیر ، اکتشاف قرن است .  

 انبساط جهان

 همزمان با اين ايده كه جهان در حال انبساط است ، ستاره  شناسي يه اسم  وستو سليفر (Vesto Slipher) متذكر شد كه تعداد كهكشان هايي كه از ما دور مي شوند بيشتر از آنهايي هستند كه به ما نزديك مي شوند .ستاره شناسان با استفاده از نور دريافتي از يك كهكشان قادرند دريابند كه يك كهكشان به ما نزديك يا از ما دور مي شود . اگر طيف نوري كهكشان به سمت طول موج كوتاه تر اتقال يابد - انتقال به آبي – كهكشان در حال نزديك شدن به ماست ، مثال معروف اين مطلب تغيير طول موج صداي يك آمبولانس در حال نزديك شدن به ما است . اگر طيف نوري كهكشان به سمت طول موج بلند تر انتقال يابد - انتقال به سرخ – كهكشان در حال دور شدن از ماست ، همان طور كه طول موج صداي يك آمبولانس كه در حال دور شدن از ما است افزايش مي يابد . ميزان اتقال به سرخ يا آبي بستگي به سرعت دور شدن يا نزديك شدن كهكشان دارد . بنابراين وستو سليفر مشاهده كرد كه بيشتر كهكشان ها داراي انتقال به سرخ هستند تا اتقال به آبي .

 درسال 1929 ، ادوين هابل (Edwin Hubble) كشف كرد كهكشان هايي كه در فاصله ي بيشتري از ما قرار دارند با سرعت بيشتري از ما دور مي شوند ، اين سرعت متناسب با فاصله است . به عبارت ديگر كهكشان هايي كه در فاصله دورتري نسبت به ما هستند داراي اتقال به سرخ بيشتري نيز مي باشند . كهكشان هاي دور دست فاصله اي در ابعاد ميليون و ميليارد سال نوري با ما دارند و اين به اين معناست كه ما به گذشته اي در ابعاد ميليون يا ميليارد سال نوري نگاه مي كنيم . در حين سفر نور كهكشان ها به سمت ما طيف نور ازطول موج هاي كوتا هتر به سمت طول موج هاي بلند تر - انتقال به سرخ – اتقال مي يابد . اين انتقال به سرخ در اثر انبساط ساختار فضا است. اگر طول موج دو برابر شود ، جهان مي بايد با ضريب 2 منبسط شود. بنابراين كشف هابل اين بود كه عامل انبساط به نحوي با مسير طي شده توسط نور در ارتباط است ، معادل با اينكه شما به چه ميزان به گذشته نگاه مي كنيد . اين مطلب بيان گر اين است كه هر چه در زمان به  عقب و عقب تر برگرديم جهان كوچك و كوچكتر است . با سفر به گذشته ي يك جهان منبسط شونده خواهيم ديد كه فاصله ي ميان كهكشان ها در حال كاهش و چگالي جهان در حال افزايش است .

 اين روند تا جايي ادامه  پيدا مي كند كه تمامي ماده جهان در حجمي بسيار كوچك متراكم مي شود ، كه نتيجه اين روند چگالي باور نكردني جهان اوليه - لحظه بيگ بنگ – است . با تقسيم فاصله ي كهكشان بر سرعت ذاتي آن قادر به تخمين طول عمر جهان خواهيم بود . با اين روش مي توانيم  تخمين بزنيم كه در چه زماني فاصله ي ما تا ديگر كهكشان ها صفر بوده است . محاسبات نشان مي دهند كه بيگ بنگ در حدود 10 تا 15 ميليون سال قبل - 3 برابر عمر زمين – اتفاق افتاده است .

 يكي از راه هاي تست كردن اين تخمين اين است كه به ذنبال كهن ترين جسم در كيهان باشيم اين جسم مي بايد سني در حدود 10 تا 15 ميليارد سال داشته باشد نه بيشتر . روش ديگر بررسي فعاليت هاي راديو اكتيوي ايزوتپ هاي اورانيوم است . مي دانيم كه كهن ترين ايزوتوپ هاي تشكيل شده توسط فعاليت هاي هسته اي ابر –نو اخترها 10 ميليارد سال سن دارند . با استفاده از مدل هاي امروزي تحول ستاره اي مي دانيم كه كهن ترين ستارهاي موجود در كهكشان را شيري در حدود 10 ميليارد سال سن دارند . سنين به دست آمده با تخمين -هاي ما مطابقت دارند

 فراواني هليم و دتريم در كيهان

 با توجه به اين كه در ابتداي كيهان دما بسيار زياد بوده است مي تواند دليل خوبي برتائيد  اين مطلب باشد كه هليم و دتريم پيش از تشكيل هر ستاره اي در جهان بوجود آمده اند  .  اين عناصر در همجوشي هاي هسته اي توليد مي شوند. همجوشي يك پروتون با يك نترون منجر به توليد دتريم - هيدروژن سنگين - مي شود . اين فرايند تنها در دماهاي بسياربالا مثل دماي هسته ي ستاره ها امكان پذير است . در سال 1946 ، جورج گاموو  (George Gamow) يكي ازدانشجويان فريدمن  پيشنهاد داد كه همجوشي هسته اي مي بايست در كيهان اوليه زماني كه دما بسيار بالا بود اتفاق افتاده باشد . اين فرآيند سنتز هسته اي نام دارد ، كه منجر به توليد هليم و دتريم (همچنن مقداري ليتيم و بريليوم) از درياي انبوه پروتون ها و نترون هاي پر انرژي كيهان اوليه  شده است .در اوايل دهه ي 1960 طيف سنجي ستاره هاي محلي نشان داد كه هليم 20 تا 30 در صد از جرم ستاره ها را تشكيل مي دهد . و بقيه جرم ستاره را غالبا ازهيدروژن تشكيل شده است . تنها دو منبع در جهان حاضر فادر به توليد هليم هستند كه يكي ستاره هاي آسمانند و ديگري بمب هاي اتمي . هر دو اين ها با استفاده از همجوشي هسته اي و در آميختن هسته هاي هيدروژن ، هليم توليد مي كنند كه انرژي فراواني نيز از اين فرايند توليد مي شود .ستاره شناسان بر اين اعتقادنند كه اگر تمامي هليم موجود در جهان توسط ستاره ها توليد شده است درنتيجه روشنايي آسمان بايد بيشتر از حال حاضر باشد . بنابراين هليوم موجود مي بايد قبل از ستاره ها توليد شده باشد .

 برپايه تئوري سنتز هسته اي مدل بيگ بنگ فيزيكدان ها در اواسط دهه ي 1960 تخمين زدند كه در حدود يك چهام جرم كيهان در ابتدا به هليم تبديل شده است ، در حالي كه باقيمانده جرم به هيدروژن تبديل شده. اين مقدار با اندازه  گيري هاي اوليه 20 تا 30 درصد فراواني هليم ، كه امروزه مشاهده مي كنيم - كه توسط بيگ بنگ ، قبل از اينكه در ستاره اي توليد شود، توليد شده است -  سازگار است . در اوايل دهه ي 1970 با مطالعه طيف ديگر كهكشان ها مشخص شد كه اكثريت هليم مشاهده شده  قبل از شكل گيري ستاره اي در كيهان وجود داشته است .

  مقدار اكسيژن موجود در ستاره ميزان سنتز هسته اي ستاره را نشان مي دهد زيرا اين ستاره ها هستند كه توسط همجوشي هسته اي هيدروژن عناصر سنگين تري مثل : اكسيژن ، نيتروژن ، كربن و هليوم را توليد مي كنند . اگر همانند اكسيژن تمامي هليوم موجود در كيهان توسط ستاره ها توليد شده باشد انتظار نمي رود در كهكشان هايي كه اكسيژن ندارند هليوم يافت شود زيرا كهكشان ها قبل از شكل گيري عناصرسنگين در ستاره ها شكل گرفته اند . براي شكل گيري يك كهكشان مقدار اوليه هليوم  مورد نياز در حدود 24 درصد است و اين مطلب تاييدي بر وجود تئوري سنتز هسته اي بيگ بنگ است . به اين معنا كه بايد در جهان اوليه هليوم توليد شده باشد . نتايج رصدي از اين تئوري - كه در جهان اوليه يك چهارم جرم كيهان توسط سنتز هسته اي به هليوم تبديل شده است - دفاع مي كنند .

  شاهد ديگري براي تاييد سنتز هسته اي در كيهان اوليه دتريوم مي باشد . دتريم بر خلاف هليوم هرگز در مركز ستاره ها توليد نمي شود .دتريم توليد شده در ستاره ها در دماي بالا و فشار زياد بلا فاصله يا تجزيه مي شود- در دمايي بالاتر از يك ميليون درجه كلوين دتريم به يك پروتون و يك نترون تجزيه مي شود- و يا اينكه به هليوم تبديل مي شود  . ستاره شناسان در اوايل دهه 1970 پي بردنند كه عاملي نا مشخص در كيهان حاضر منجر به توليد دتريم مي شود . مطالعات انجام گرفته در سال 1973 بر روي طيف جذبي ستاره هاي نزديك  شان داد كه ماده ي ميان ستاره اي حاوي مقدار كمي دتريوم مي باشد . و از آنجا كه ستاره ها قادر به توليد دتريوم نمي باشد ، در نتيجه دتريوم موجود مي بايستي درابتداي شكل گيري كهكشان ها يا حتي قبل از آن توليد شده باشد . با وجود  اينكه در كيهان اوليه دما به شدت بالا بوده است ولي به دليل انبساط عالم چگالي و فشار به سرعت كاهش يافته طي اين مدت دتريوم توليد شده فرصتي براي تجزيه پيدا نكرده است . بر اين اساس فراواني هليوم و دتريوم موجود در جهان شاهد ديگري است بر آغازي با دماي بالا، براي كيهان كه اين انفجار نيرومند با مدل بيگ بنگ سازگاري دارد .

 تابش پس زمينه ي كيهاني  

 دليل سوم و نهايي براي مدل بيگ بنگ تابش پس زمينه ي كيهاني است . در سال 1948 آقاي گاموو پيش بيني كرد كه  تابش حاصل از سنتز هسته اي كيهان اوليه هنوز فابل آشكار سازي است . او دماي لازم براي تشكيل هليوم در كيهان اوليه را محاسبه كرد و بر اساس آن دماي تابش هاي به جا مانده از آن فرآيند را  در جهان امروز حدود 5 درجه ي كلوين تخمين زد . اغلب فيزيكدان هاي تئوري و حتي خود او بر اين باور بودند كه اين دما براي رديابي بسيار ضعيف است.

 به هر حال در سال 1964 دو ستاره شناس راديويي به نام هاي آرنو پنزياس (Arno Penzias) و رابرت ويلسون (Robert Wilson) مي كوشيدند تا سيگنال هاي مزاحم  پس زمينه را از سيگنال هاي دريافتي آنتن راديويي خود حذف كنند . آنها بر اين باور بودند كه عامل اين نويز مزاحم  پس زمينه فضله ي كبوتراني است كه در آنتن راديويي آنها لانه كرده اند و با پاك كردن اين فضله ها مي توانند اين نويز مزاحم را حذف كنند اما پس از يك سال آنها همچنان اين نويز مزاحم را دريافت مي كردنند ، و قادر به حذف آن نبودند . آن دو متوجه شدن كه اين نويز در تمام جهات به صورت يكسان دريافت مي شود - چه آنتن راديويي آن ها به سمت خورشيد هدفگيري شده باشد يا به سمت مركز كهكشان و يا حتي محدوده هاي خالي آسمان-  اين بدان معنا بود كه اين سيگنال مي بايستي از وراي كهكشان منشاء داشته باشد ، در غير اين صورت نمي توانست در تمام جهات آسمان به صورت يكسان دريافت شود . همگرايي شديد اين سيگنال نشان مي داد كه منبع اين سيگنال در فاصله ي دوري از ما قرار دارد به عبارت ديگر در اوايل عمر كيهان اتفاق افتاده است .همچنين منبع اين سيگنال مي بايستي  پر قدرت باشد كه در حال حاضر ما قادر به آشكار سازي آن هستيم . سرانجام فيزيكدان ها پي بردند كه اين تابش ها از انفجار اوليه كيهان منشاء  گرفته اند - همان طور كه  آقاي گاموو پيش بيني كرده بود - . اما آن ها چگونه مي توانستند مطمئن شوند كه كشف پنزياس و ويلسون همان تابش پس زمينه ي كيهاني است ؟

 اگر اين تابش حاصل بيگ بنگ باشد بايد از طيف جسم متعارفي كه جسم سياه ناميده مي شود  پيروي كند. جسم سياه جسمي است كه تمام تابش دريافتي را جذب مي كند . بر اساس مدل بيگ بنگ كيهان اوليه تجمعي فشرده شده از ذره و نور بوده است ، و دمايي بسيار بالا داشته است . در يك چنين محيطي ذره دائما با نور در برخورد بوده است ، آن را جذب مي كرده و دوباره آن را تابش مي كرده است . نور در يك چنين شرايطي داراي طيف جسم سياه مي باشد ، و اين مشخصه نور در طول سفرش در فضاي منبسط شونده ثابت مي ماند . در طيف جسم سياه هر طول موج داراي شدت خاصي است . و اين شدت در طول موج هاي مختلف تنها تابع دماي جسم است . بنابراين ستاره شناسان با اندازه گيري شدت تابش در طول موج هاي مختلف ميتوانند نتيجه يگيرند كه اين تابش با تابش جسم سياه مطابقت دارد يا خير.

 در دهه ي 1970 گروه هاي مختلفي شدت تابش را در امواج ماكرو ويو و فروسرخ اندازه گيري كردند . تمامي اين مشاهدات تاييد كرد كه تابش پس زمينه ي كيهاني يك تابش جسم سياه مي باشد و دماي آن در حدود 3 درجه ي كلوين است . در سال 1991 رصد خانه فضايي COBE  اندازه گيري دقيقي از تابش پس زمينه ي كيهاني انجام داد و نتيجه بسيار شگفت آور بود . در 43 مورد اطلاعات اندازه گيري شده همخواني كاملي با طيف جسم سياه داشتند .  اين اطلاعات چنان با طيف جسم سياه هم خواني داشتند كه نمودار طيف جسم سياه به طور كامل در پس آن ها مهو مي شد . اين مورد ، آخرين نمونه از يكسان بودن فيزيك تئوري و مشاهدات انجام  گرفته شده توسط نجوم بود . 

 بر اساس اندازه گيري هاي ماهواره COBE  دماي تابش  پس زمينه ي كيهاني مي بايستي  0.010±2.726باشد . اين مقدار اندازه گيري شده به اندازه قابل توجهي از مقدار اصلي تابش كمتر است ودليل اين امر انبساط عالم مي باشد -عالم منيسط شونده  منجر به افزايش  طول موج تابش شده  و انرژي موج را كاهش مي دهد - اين موج به اندازه سن عالم در راه بوده تا به ما برسد . امروزه ستاره شناسان مي دانند كه عالم منبسط شونده طول موج تابش پس زمينه ي كيهاني را با ضريب 1000 افزايش مي دهد . درخش پس از بيگ بنگ در زماني اتفاق افتاده است كه عالم تنها 000/500 هزار سال عمر داشته است در نتيجه تابش پس زمينه ي كيهاني قديمي ترين سوژه رصد شده تا كنون است .در حقيقت ما اتفاقات حاصل از بيگ بنگ را نظاره مي كنيم .

اگر چه بيگ بنگ به عنوان تنها تصور جهاني از جهان است . اما امروزه فيزيكدان هاي ذره اي در حال تدارك تئوري در مورد تاريخ جهان در چند ترليونيوم ثانيه پس از بيگ بنگ هستند . آنها قادرند كه نظري هاي خود را با استفاده از شتاب دهنده هاي ذرات امتحان كنند و وقايع را ( حتي با انرژي هاي بالا ) همانند جهان اوليه شبيه سازي كنند .  براي درك اينكه جهان چگونه آغاز شده است تئوري بايد تدوين شود كه شامل نظريه نسبيت عام (به دليل جاذبه باور نكردني جهان اوليه) و مكانيك كوانتومي (به دليل چگال  و فشرده بودن جهان اوليه) باشد . هدف فيزيك امروزه ارتقا بخشيدن نظريه كوانتومي جاذبه است تا جايي كه روزي ما به اين حقيقت پي ببريم كه چه چيزي در لحظه ي تولد جهان اتفاق افتاده است .