از آن‌جا که ابزار و ادوات کنونی به اخترشناسان امکان این‌ که به زمان تولد جهان بازگردند را نمی‌دهند، بیشتر آن‌چه ما در مورد نظریه مه‌بانگ می‌دانیم نتیجه‌ی فرضیات و مدل‌های ریاضیاتی هستند.

نظریه مه‌بانگ یا بیگ بنگ توضیحی پیشتاز برای چگونگی آغاز جهان است. این نظریه را در ساده ترین حالت می‌توان این طور توصیف کرد: جهانی که ما می‌شناسیم از یک تکینگی کوچک آغاز شده است و در عرض ۱۳.۸ میلیارد سال گذشته انبساط یافته و حالت امروزی کیهان را به خود گرفته است.

مه‌بانگ

از آن‌جا که ابزار و ادوات کنونی به اخترشناسان امکان این‌ که به زمان تولد جهان بازگردند را نمی‌دهند، بیشتر آن‌چه ما در مورد نظریه مه‌بانگ می‌دانیم نتیجه‌ی فرضیات و مدل‌های ریاضیاتی هستند. با این حال، ستاره‌ شناسان می‌توانند «پژواک» انبساط را از طریق پدیده‌ای به نام تابش زمینه کیهانی ببینند.

عبارت «نظریه مه‌بانگ» قدمتی ده‌ها ساله در بین اخترفیزیکدانان دارد اما محبوبیت عمومی آن از سال ۲۰۰۷ که برنامه کمدی با همین نام از شبکه CBS پخش شد، ترویج پیدا کرد. برنامه مورد نظر داستان زندگی شخصی و کاری چند محقق (شامل یک اخترفیزیکدان) را دنبال می‌کند.

در لحظه اول تشکیل جهان، انبساط کیهانی با سرعتی بیشتر از سرعت نور رخ داده است. این ایده هیچ خللی در نظریه محدودیت سرعت انیشتین وارد نمی‌کند چرا که انیشتین بیان می‌دارد سرعت نور، بیشترین حد سرعت هر چیزی است که در کیهان حرکت می‌کند و این مورد شامل انبساط خود کیهان نمی‌تواند باشد.

لحظه اول و تولد نور

بر اساس تحقیقات ناسا، در لحظه اول آغاز جهان، دمای محیطی در حدود ۱۰ میلیارد درجه فارنهایت (۵.۵ میلیارد درجه سلسیوس) بوده است. کیهان شامل مجموعه‌ای از ذرات بنیادین مانند نوترون‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌ها بوده است. همان طور که جهان سرد می‌شد، این عناصر دچار تلاشی یا ترکیب شدند.

سوپ اولیه غیر قابل رویت بوده است، زیرا نور قادر به عبور از درون آن نبوده است. ناسا در این رابطه اظهار داشته است:

الکترون‌های آزاد ممکن است سبب پراکندگی نور (فوتون‌ها) شده باشند؛ همانند پراکندگی نور خورشید در ابرها که توسط قطرات آب رخ می‌دهد.

اما با گذشت زمان، الکترون‌های آزاد با هسته جمع شدند و اتم‌های خنثی را به وجود آوردند. این رخداد به نور اجازه داد تا در زمانی در حدود ۳۸۰۰۰۰ سال بعد از مه‌بانگ شروع به درخشش کند.

نور اولیه که گاهی پس‌تاب مه‌بانگ نیز خوانده می‌شود با بیان صحیح تر، همان تابش زمینه کیهانی (CMB) است. این پدیده برای اولین بار در سال ۱۹۴۸ توسط رالف آلفر و دیگر دانشمندان پیش‌بینی شد، اما یافتنش، آن هم به طور تصادفی، ۲۰ سال دیگر زمان می‌طلبید.

در ۱۹۶۵ آرنو پنزیاس و رابرت ویلسون، از آزمایشگاه تلفن بل در مورای هیل در حال ساخت گیرنده‌ای رادیویی بودند که مشاهده کردند دمای گیرنده بیشتر از حد انتظارشان بالا می‌رود. ابتدا آن‌ها گمان کردند این به هم ریختگی به خاطر کبوترها و مدفوع آن‌ها است. اما حتی پس از پاک کردن گیرنده و کشتن کبوترهایی که می‌خواستند گیرنده را آشیانه خود کنند، همچنان این اتفاق رخ می‌داد.

در همان زمان، تیمی تحقیقاتی در دانشگاه پرینستون (به رهبری رابرت دیک) که سعی در یافتن مدارکی دال بر وجود CMB داشتند؛ دریافتند که پنزیاس و ویلسون به طور اتفاقی به این تابش دست یافته‌اند. هر دو تیم مقاله شان را در مجله اخترفیزیک در سال ۱۹۶۵ چاپ کردند.

شناسایی سن جهان

تابش زمینه کیهانی در بسیاری از ماموریت‌ها مشاهده شده است. یکی از شناخته شده ترین موارد ماموریت‌های این‌چنینی مربوط می‌شود به ماهواره کاوشگر تابش زمینه کیهانی ناسا (COBE) که آسمان را در دهه ۱۹۹۰ رصد می‌کرد.

ماموریت‌های متعدد دیگری قدم در مسیر COBE قرار دادند مانند: آزمایشات بومرنگ BOOMERanG (مشاهدات میلیمتریک پرتوهای فراکهکشانی و ژئوفیزیک از طریق بالون)، کاوشگر آنیزوتروپی میکروویو ویلکینسون ناسا (WMAP) و ماهواره پلانک آژانس فضایی اروپا.

رصدهای ماهواره پلانک در سال ۲۰۱۳ منتشر شد، این اطلاعات با جزییات بسیار خوبی تابش کیهانی را تصویر کرده و مشخص ساختند جهان از آن چه قبلا تصور می‌شد (۱۳.۷ میلیارد سال) سن بیشتری دارد (۱۳.۸۲ میلیارد سال).

اما از طرفی نقشه‌های حاصل موارد مبهم جدیدی را ایجاد کردند، مانند این که چرا نیمکره جنوبی کمی قرمزتر (گرم‌تر) از نیمکره شمالی است؟ در حالی که نظریه مه‌بانگ بیان می‌دارد که تابش زمینه کیهانی باید تقریبا مشابه باشد و اهمیتی ندارد از کجا بدان نگریسته شود.

همچنین آزمایشات بر روی تابش زمینه کیهانی سرنخ‌هایی به دانشمندان در مورد ترکیب جهان داده است. محققان گمان می‌کنند بیشتر کیهان از ماده و انرژی‌ای ساخته شده است که با ابزار مرسوم و کنونی قابل شناسایی نیست و عبارات ماده تاریک و انرژی تاریک نیز از همین‌جا منشا گرفته‌اند. تنها ۵ درصد از جهان از موادی مانند سیارات، ستاره‌ها و کهکشان‌ها تشکیل شده است.

کیهان نه تنها انبساط پیدا می‌کند بلکه به موازات آن، سریع‌تر نیز می‌شود. این مساله بدین معنا است که زمانی می‌رسد که دیگر هیچ کسی قادر به دنبال کردن و رصد دیگر کهکشان‌ها، از زمین یا نقاط دیگری در کهکشان خودمان، نخواهد بود.

مجادلات بر سر امواج گرانشی

از هنگامی که اخترشناسان قادر به تماشای آغاز جهان شدند، آنان همچنین به جستجوی مدارکی دال بر انبساط سریع کیهان پرداختند. بر طبق نظریات در لحظه اول تشکیل جهان، انبساط کیهانی با سرعتی بیشتر از سرعت نور رخ داده است. که البته این ایده هیچ خللی در نظریه محدودیت سرعت انیشتین وارد نمی‌کند چرا که انیشتین بیان می‌دارد سرعت نور، بیشترین حد سرعت هر چیزی است که در کیهان حرکت می‌کند و این مورد شامل انبساط خود کیهان نمی‌تواند باشد.

در سال ۲۰۱۴، اختر شناسان اعلام کردند توانسته‌اند به شواهدی از تابش زمینه کیهانی مربوط به حالت B که نوعی قطبش در نتیحه انبساط جهان و تولید امواج گرانشی است، دست یابند. تیم محققین این مدارک را به وسیله‌ی تلسکوپی در قطب جنوب به نام «تصویر‌برداری زمینه ی قطبش فراکهکشانی کیهان» (BICEP2) تهیه کردند.

جان کوواچ محقق ارشد مرکز اخترفیزیک هاروارد اسمیتسونین در مارچ ۲۰۱۴ اعلام کرد:

ما بسیار مطمئنیم سیگنالی که دیده‌ایم واقعی است و در آسمان وجود دارد.

در ماه ژوئن، همان تیم تحقیقاتی اعلام کرد یافته‌هایشان ممکن است به واسطه قرارگیری غبار کهکشانی در مسیر میدان دیدشان تغییر کرده باشند.

کوواچ در کنفرانسی مطبوعاتی اعلام کرد:

نتایج اصلی تغییری نکرده است؛ ما اطمینان بالایی به نتایجمان داریم. اما اطلاعات جدیدی که از ماهواره پلانک به دست آمده است نشان می‌دهد در مورد غبار، پیش‌بینی‌های قبلی بسیار کمتر از واقع بوده‌اند.

نتایج حاصل از رصدهای ماهواره پلانک در ماه سپتامبر به صورت آنلاین در اختیار قرار گرفت. در ژانویه ۲۰۱۵، محققان هر دو تیم که به صورت مشترک کار می‌کردند تایید کردند که بیشتر سیگنال دریافتی از Bicep، اگر نگوییم کل آن، تنها غبار ستاره‌ای بوده است.

انبساط سریع‌تر، تعدد کهکشانی و ترسیم آغاز

کیهان نه تنها انبساط پیدا می‌کند بلکه به موازات آن، سریع‌تر نیز می‌شود. این مساله بدین معنا است که زمانی می‌رسد که دیگر هیچ کسی قادر به دنبال کردن و رصد دیگر کهکشان‌ها، از زمین یا نقاط دیگری در کهکشان خودمان، نخواهد بود.

در مدل «چند جهانی»، جهان‌های متعدد به مانند حباب‌هایی که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. در اولین رخداد بزرگ تورم، بخش‌های متفاوتی از فضا-زمان با نرخ‌هایی متفاوت رشد کردند، که ممکن است منجر به ایجاد بخش‌های متفاوت، جهان‌های متفاوت، با احتمال بالقوه‌ی قوانین متفاوت فیزیک شده باشد.

اخترشناس دانشگاه هاروارد آوی لویب می‌گوید:

ما می‌بینیم که کهکشان‌های دوردست از ما فاصله می‌گیرند، اما سرعت آن‌ها متناسب با زمان در حال افزایش است. در نتیجه، اگر به اندازه کافی صبر کنید، نهایتا خواهید دید که کهکشانی در دوردست به سرعت نور خواهد رسید. معنای این رخداد این است که دیگر حتی نور نیز قادر نخواهد بود فاصله‌ی حاصل شده بین ما و آن کهکشان را پل بزند و ارتباطی برقرار کند. هنگامی که کهکشان مورد نظر نسبت به ما با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند، دیگر راهی برای موجودات فرازمینی در آن کهکشان وجود ندارد که بتوانند از طریق آن با ما ارتباط برقرار کنند یا سیگنالی ارسال کنند که به ما برسد.

بعضی فیزیکدانان همچنین پیشنهاد می‌دهند این جهانی که ما آن را تجربه می‌کنیم تنها یکی از تعداد بسیاری است. در مدل «چند جهانی»، جهان‌های متعدد در کنار یکدیگر وجود دارند، به مانند حباب‌هایی که در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این نظریه پیشنهاد می‌دهد که در اولین رخداد بزرگ تورم، بخش‌های متفاوتی از فضا-زمان با نرخ‌هایی متفاوت رشد کردند، که ممکن است منجر به ایجاد بخش‌های متفاوت، جهان‌های متفاوت، با احتمال بالقوه‌ی قوانین متفاوت فیزیک شده باشد.

آلن گاث فیزیکدان نظری از دانشگاه MIT در کنفرانسی مربوط به اکتشاف امواج گرانشی در مارچ ۲۰۱۴ گفت:

سخت است بتوان مدل‌هایی از انبساط ساخت که منجر به چندجهانی نشوند. غیرممکن نیست و در نتیجه من فکر میکنم هنوز به انجام تحقیقات بیشتری نیاز است. اما بیشتر مدل‌ها منتج به چندجهانی می‌شوند و مدارک موجود در تایید انبساط، ما را به این سمت هدایت میکنند که ایده چندجهانی را جدی بگیریم.

جهانی که ما می‌شناسیم چگونه شکل گرفته است؟ ممکن است در نتیجه شناخت وآگاهی ما نسبت به این مساله، این ایده حاصل شود که مه‌بانگ اولین دوره انبساطی نبوده است که جهان تجربه کرده است. بعضی دانشمندان بر این عقیده‌اند که ما در کیهانی زندگی می‌کنیم که چرخه‌های منظم انبساط و فروکش در آن صورت می‌گیرد و تنها اتفاقی که برای ما افتاده است، این است که در یکی از این فازها زندگی کنیم.