من این ایده را داشتم که جهان ممکن است 13.8 میلیارد سال قبل متولد شده باشد، ولی از همان ابتدا یک جهان بی‌نهایت گسترده بوده و در حال انبساط بوده است. در چنین شرایطی، نور ستاره‌ها و کهکشان‌ها به دلیل انبساط کیهان و رسیدن به سرعت نور در افق‌ها «منجمد» شده و مجموع این تابش‌ها می‌تواند پدیده‌ای به نام تابش پس‌زمینهٔ ریزموج کیهانی (CMB) را برای ما ایجاد کند. در ادامه این ایده و چالش‌های علمی مرتبط با آن بررسی می‌کنیم.

تابش پس‌زمینهٔ ریزموج کیهانی یا همان CMB یکی از قوی‌ترین شواهد برای مدل استاندارد کیهان‌شناسی است. این تابش ضعیف و یکنواخت با دمای تقریبی 2.7 کلوین سراسر آسمان را پر کرده است. در مدل پذیرفته‌شده، این تابش باقی‌ماندهٔ دوران بسیار آغازین جهان است؛ زمانی که حدود 380 هزار سال پس از مهبانگ، ماده و تابش از یکدیگر جدا شدند.

ایدهٔ اولیه: تابش بی نهایت ستاره در افق

تصور کنید کیهان بی‌نهایت بزرگ باشد و به هرجهتی در آسمان نگاه بکنیم بینهایت ستاره (از نزدیک تا بینهایت دور) وجود داشته باشند. به دلیل انبساط کیهان، ستارگان دوردست به سرعت نور یا حتی بیشتر از ما دور می‌شوند و در «افق» کیهان منجمد می‌مانند. ایدهٔ اولیه من این بود که نور این ستارگان (چه نزدیک و چه دور) در مجموع به شکل یک تابش ضعیف و یکنواخت ظاهر شود و همان چیزی باشد که ما امروز به نام CMB می‌بینیم.

ایرادهای این ایده:

1. طیف نوری: تابش CMB یک منحنی پلانک تقریباً کامل است. یعنی شکل آن دقیقاً شبیه تابش جسم سیاه است. در حالی که نور ترکیبی ستارگان، از خطوط طیفی و انرژی‌های مختلف است. جمع این نورها هرگز نمی‌تواند چنین دقتی در تطابق با منحنی پلانک داشته باشد.
2. یگانگی و یکنواختی: ستارگان و کهکشان‌ها خوشه‌بندی دارند و توزیعشان ناهمگن است. اگر CMB از نور ستاره‌ها ساخته می‌شد، این ناهمگنی به وضوح در نقشهٔ آسمان دیده می‌شد. اما اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که ناهمسانگردی CMB فقط در حد یک صدهزارم است.
3. بودجهٔ انرژی: چگالی انرژی CMB از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:
   u = a T⁴ که در آن a ثابت تابش و T دما است. برای دمای 2.7 کلوین، مقدار u ≈ 4.2×10⁻¹⁴ J/m³ به دست می‌آید. در مقایسه، نور ستارگان موجود در جهان چندین برابر کمتر از این مقدار است و به تنهایی نمی‌تواند این سطح از انرژی را تأمین کند.
4. ویژگی‌های ظریف: نقشه‌های دقیق CMB نشان‌دهندهٔ «قله‌های آکوستیک» هستند که حاصل نوسانات ماده و تابش در پلاسمای آغازین‌اند. نور ستاره‌ها هیچ مکانیسمی برای ایجاد چنین ساختاری ندارد.

ایدهٔ دوم: تاریخچهٔ متفاوت تابش ستاره‌ها

برای رفع مشکل بودجهٔ انرژی، این ایده را مطرح کردم که فرض بگیریم که ستارگان در طول 13.8 میلیارد سال گذشته دقیقاً مانند امروز عمل نکرده‌اند. مثلا ستارگان اولیه و کهکشان‌های نخستین بسیار پرنورتر از ستارگان کنونی بوده‌اند و طیف تابشی متفاوتی داشته‌اند. اگر چنین باشد، می‌توان با یک «انتگرال‌گیری تاریخی» از کل تابش ستاره‌ها، انرژی پس‌زمینه‌ای به دست آورد که به CMB نزدیک باشد.

فرمول کلی برای چگالی انرژی ناشی از تابش منبع‌های کیهانی چنین است:

u = ∫ [ ε(z) / (1+z)² H(z) ] dz

در این رابطه، ε(z) توان تابشی کل ستاره‌ها و کهکشان‌ها در زمان (یا همان ردشیفت z) است و H(z) نرخ انبساط جهان. این فرمول نشان می‌دهد که اگر تاریخچهٔ تابش ستاره‌ها را طوری در نظر بگیریم که بسیار پرقدرت‌تر از آنچه امروز می‌بینیم باشد، شاید بتوان انرژی کل را به اندازهٔ CMB بالا برد.

چالش‌های باقی‌مانده

• حتی اگر انرژی کافی تولید شود، طیف آن همچنان مانند نور ستاره‌ها خواهد بود نه یک جسم سیاه کامل.
• ایزوتروپی (یکنواختی) در سطح 10^⁻5 قابل دستیابی نیست مگر اینکه یک مکانیسم قوی برای همسان‌سازی تابش وجود داشته باشد.
• داده‌های رصدی کنونی نشان می‌دهند که جمع کل نور ستاره‌ها (پس از در نظر گرفتن قرمزگرایی) بسیار کمتر از آن چیزی است که CMB دارد.

شرایط غیرممکن برای تحقق دقیق ایده

اگر بخواهیم دقیقاً همان طیف و یکنواختی CMB از تابش ستاره‌ها حاصل شود، باید چند شرط بسیار سخت‌گیرانه برقرار باشد:

1. تنظیم دقیق طیف: خطوط جذبی و دمای ستاره‌ها باید طوری توزیع شوند که پس از جمع شدن و ردشیفت، یک جسم سیاه کامل با دمای 2.725 کلوین ایجاد شود. کوچک‌ترین انحراف در طیف هر ستاره باعث می‌شود نتیجه از منحنی پلانک خارج شود.
2. شدت انرژی دقیق: تابش کل ستاره‌ها باید به شکلی کنترل شود که هم با چگالی انرژی CMB مطابقت داشته باشد و هم بیش از حد روشن نشود. این یعنی نرخ تشکیل ستاره‌ها و درخشندگی‌شان باید با دقت غیرعادی تنظیم شود.
3. یکنواختی فضایی (ایزوتروپی): توزیع ستاره‌ها در سراسر عالم باید بی‌نهایت یکنواخت باشد، بدون هیچ خوشه‌بندی یا ناهمگنی، تا ناهمسانگردی در سطح ۱۰⁻⁵ حفظ شود. این در جهان واقعی ممکن نیست.
4. تاریخچهٔ دقیق تحول ستاره‌ای: شکل‌گیری و مرگ ستاره‌ها باید طوری برنامه‌ریزی شود که تمام شرایط فوق در طول 13.8 میلیارد سال برقرار باشد. حتی کوچک‌ترین تغییر در نرخ تشکیل ستاره یا توزیع جرم ستاره‌ها باعث بر هم خوردن تطابق با CMB می‌شود.

جمع‌بندی

اگرچه ایدهٔ ارتباط دادن تابش پس‌زمینه به مجموع تابش بی‌نهایت ستاره، خلاقانه و جذاب است و ریشه در پرسش‌های قدیمی مانند پارادوکس اولبر دارد، شواهد رصدی دقیق نشان می‌دهند که CMB منشأیی کاملاً متفاوت دارد: بقایای دوران آغازین کیهان. تحقق این سناریو نیازمند شرایطی غیرواقعی و فوق‌العاده دقیق است که عملاً امکان‌پذیر نیست. با این حال، بررسی چنین ایده‌هایی ذهن را به سوی احتمالات تازه می‌برد و کمک می‌کند مرزهای دانش بهتر درک شوند.