Κοσμολογική Διαφωνία για την Διαστολή του Σύμπαντος
Πόσο γρήγορα διαστέλλεται το Σύμπαν σήμερα; Τα τελευταία 5 περίπου χρόνια, δύο ερευνητικές ομάδες, δίνουν διαφορετικές απαντήσεις για την τιμή της σταθεράς Hubble που καθορίζει τον ρυθμό διαστολής του, και κατά συνέπεια το χρονικό διάστημα που πέρασε από την απαρχή του. Καθώς οι πιθανότητες σφάλματος στις μετρήσεις των δύο ομάδων μειώνονται διαρκώς, η διαφωνία αυτή καταδεικνύει όλο και περισσότερο ότι εξακολουθούμε να αγνοούμε σημαντικά στοιχεία που επηρεάζουν την εξέλιξη του Σύμπαντος, γεγονός που υποδεικνύει ότι ίσως να απαιτηθεί «νέα φυσική» για την επίλυσή της[1].
Η επιστημονική διαμάχη για τον ρυθμό της κοσμικής διαστολής υπήρξε έντονος ήδη από το 1929, όταν ο Αμερικανός αστρονόμος Edwin Hubble (1889–1953) απέδειξε πρώτος ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και ότι κατά συνέπεια είχε μία αρχή. Τα αποτελέσματα της έρευνάς του συνοψίζονται στον νόμο που έκτοτε φέρει το όνομά του, σύμφωνα με τον οποίο οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους. Η σταθερά αναλογίας σε αυτόν τον νόμο είναι η σταθερά Hubble (ακριβέστερα η παράμετρος Hubble γιατί μεταβάλλεται με τον χρόνο. Η τιμή της σταθεράς Hubble στην σημερινή εποχή συμβολίζεται με το H0). Σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν, δηλαδή, όσο μακρύτερα βρίσκεται ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνεται, και η σταθερά Hubble μας λέει πόσο γρήγορα. Η απομάκρυνση αυτή, ωστόσο, είναι αποτέλεσμα του διαστελλόμενου χώρου και όχι της ταχύτητας με την οποία οι ίδιοι γαλαξίες κινούνται μέσα στον χώρο. Δεδομένου, μάλιστα, ότι η ταχύτητα διαστολής του Σύμπαντος εξαρτάται από το περιεχόμενό του σε ύλη και ενέργεια, ενώ καθορίζει και την ηλικία του, η ακριβής μέτρηση του H0 είναι εξαιρετικής σημασίας για την επιστήμη της κοσμολογίας. Υπολογίζοντας, επομένως, την σταθερά Hubble σε διαφορετικές «εποχές», οι αστρονόμοι μπορούν να ανασυνθέσουν μία εικόνα της κοσμικής εξέλιξης, αλλά και να εκτιμήσουν την πιθανή τελική του μοίρα.
Η πρώτη ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Adam Riess (που τιμήθηκε από κοινού με τους Saul Perlmutter και Brian Schmidt το 2011 με το Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας), υπολόγισε τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος, μετρώντας τις αποστάσεις και τις ταχύτητες με τις οποίες απομακρύνονται διαφορετικοί γαλαξίες στο τοπικό μας Σύμπαν. Η ταχύτητα με την οποία απομακρύνεται ένας γαλαξίας εξαιτίας της διαστολής του Σύμπαντος είναι σχετικά εύκολο να υπολογιστεί, παρατηρώντας την μετατόπισή του προς το ερυθρό, δηλαδή το «ξεχείλωμα» της ακτινοβολίας του σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ο υπολογισμός της απόστασής του, ωστόσο, είναι αρκετά πιο δύσκολος.
Προκειμένου να υπολογίσουν κοσμικές αποστάσεις, οι αστρονόμοι «κτίζουν» σκαλοπάτια σε μία κοσμική σκάλα αποστάσεων όπου το κάθε σκαλοπάτι χρησιμοποιείται για να βαθμονομήσει (καλιμπράρει) το επόμενο (σε επόμενο άρθρο θα αναφερθούμε εκτενέστερα στον τρόπο με τον οποίο οι αστρονόμοι υπολογίζουν αποστάσεις στο Σύμπαν). Το πρώτο σημαντικό βήμα, είναι ο υπολογισμός των αποστάσεων γειτονικών μας άστρων με την βοήθεια της παράλλαξης, δηλαδή την φαινομενική μετατόπιση της θέσης ενός άστρου στον ουρανό, όταν το παρατηρούμε από αντιδιαμετρικά σημεία της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο. Επόμενα σκαλοπάτια «χτίζονται» με την βοήθεια διαφορετικών ουράνιων αντικειμένων, τα οποία έχουν γνωστή εγγενή φωτεινότητα (δηλ. δηλαδή εκπέμπουν γνωστή ολική φωτεινή ενέργεια ανά μονάδα χρόνου σε όλα τα μήκη κύματος). Αυτά τα αντικείμενα ονομάζονται πρότυπα κεριά και είναι εξαιρετικής σημασίας για τον υπολογισμό αστρονομικών αποστάσεων. Ένα τέτοιο πρότυπο κερί, με την βοήθεια του οποίου «χτίζουμε» ένα σημαντικό σκαλοπάτι στην κοσμική σκάλα αποστάσεων, είναι και οι Κηφείδες. Οι Κηφείδες είναι ένα είδος περιοδικά παλλόμενων άστρων, η περίοδος ταλάντωσης των οποίων εξαρτάται από την πραγματική τους φωτεινότητα. Μετρώντας, κατά συνέπεια, την περίοδο ταλάντωσης ενός Κηφείδα, μπορούμε να υπολογίσουμε την πραγματική του φωτεινότητα. Γνωρίζοντας, επιπλέον, ότι η ένταση της ακτινοβολίας ενός ουράνιου σώματος μειώνεται ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης που μας χωρίζει από αυτό, εάν υπολογίσουμε με ειδικά όργανα την φαινόμενη φωτεινότητα ενός Κηφείδα, δηλαδή το πόσο φωτεινός φαίνεται από την Γη, μπορούμε να υπολογίζουμε την απόστασή του (για τον υπολογισμό ακόμη μεγαλύτερων αποστάσεων χρησιμοποιούνται λαμπρότερα πρότυπα κεριά, όπως οι εκρήξεις υπερκαινοφανών άστρων τύπου Ia).
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα των διαστημικών τηλεσκοπίων Hubble της NASA και Gaia της ESA, η ομάδα του Reiss ανακοίνωσε τον Ιούλιο του 2018 ότι η σταθερά Hubble σήμερα ισούται 73.45 km/s/Mpc[2]. Τελευταίες, μάλιστα, αναλύσεις της ομάδας του Reiss, που ανακοινώθηκαν τον Μάρτιο του 2019, οι οποίες βασίστηκαν στον ακριβέστερο έως τώρα υπολογισμό της απόστασης του Μεγάλου Νέφους του Μαγγελάνου, ενός γειτονικού μας μικρού γαλαξία, βελτίωσαν ακόμη περισσότερο τις σχετικές μετρήσεις, μείωσαν τα περιθώρια σφάλματος από το 2,4% στο 1,9% και κατέληξαν ότι η τιμή του H0είναι 74.03 ± 1.42 km/s/Mpc.
Τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων, ωστόσο, διαφέρουν σημαντικά από εκείνα στα οποία κατέληξε μία άλλη ερευνητική ομάδα, η οποία ανέλυσε τα δεδομένα του του τηλεσκοπίου Planck. Από το 2009 μέχρι το 2013, το τηλεσκόπιο αυτό συνέλεξε εξαιρετικής ακρίβειας δεδομένα για την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (ΚΑΥ), την αρχέγονη ακτινοβολία του υπέρθερμου και υπέρπυκνου βρεφικού Σύμπαντος, αναζητώντας εκεί στοιχεία για την ιστορία της διαστολής του.
Τι ακριβώς είναι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου; Για εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, η θερμοκρασία και η πυκνότητα του βρεφικού Σύμπαντος παρέμεναν απαγορευτικά υψηλές για τον σχηματισμό ουδέτερων ατόμων. Η ύλη, δηλαδή, ήταν ιονισμένη και αποτελούνταν από ελεύθερα ηλεκτρόνια και ελαφρείς ατομικούς πυρήνες, κυρίως υδρογόνου και ηλίου. Καθόλη την διάρκεια αυτής της περιόδου, το Σύμπαν ήταν αδιαφανές, διότι τα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συγκρούονταν διαρκώς με τα ηλεκτρόνια και δεν μπορούσαν να διαφύγουν ελεύθερα στο Διάστημα. Ωστόσο, 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία του Σύμπαντος μειώθηκε αρκετά, γεγονός που επέτρεψε στους ατομικούς πυρήνες να ενωθούν με τα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας ουδέτερα άτομα. Καθώς, όμως, η «ομίχλη» των ηλεκτρονίων διαλύθηκε, τα φωτόνια κατόρθωσαν να διαφύγουν στο Διάστημα, καθιστώντας για πρώτη φορά το Σύμπαν διαφανές στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Έκτοτε, το Σύμπαν συνέχισε να διαστέλλεται και το αρχέγονο αυτό φως, που απελευθερώθηκε 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, έχανε ενέργεια, ενώ το μήκος κύματος των φωτονίων του «ξεχείλωνε» διαρκώς, φτάνοντας σήμερα να αντιστοιχεί στα μικροκύματα. Αυτά τα φωτόνια αποτελούν το πλέον αρχέγονο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε στο Σύμπαν και απαρτίζουν την ΚΑΥ.
Το Planck κατέγραψε τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις στην θερμοκρασία της ΚΑΥ (οι οποίες αντιστοιχούν σε εξίσου μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης εκείνη την εποχή), οι οποίες εμπεριέχουν σημαντικές πληροφορίες για μια σειρά από βασικές κοσμολογικές παραμέτρους στο βρεφικό Σύμπαν, όπως την ποσότητα της ορατής και της σκοτεινής ύλης κ.ά.. Εξάγοντας από τις παρατηρήσεις του Planck αυτές τις παραμέτρους, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν στην συνέχεια το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας (ΚΠΚ), που συνοψίζει τις γνώσεις μας για το περιεχόμενο του Σύμπαντος σε ύλη και ενέργεια, καθώς και για την εξέλιξή του στον χρόνο, προκειμένου να προσδιορίσουν την κατοπινή του εξέλιξη, υπολογίζοντας εντέλει τον ρυθμό της διαστολής του σήμερα. Με την μέθοδο αυτή, υπολογίστηκε ότι σήμερα η σταθερά Hubble ισούται με 67 km/s/Mpc, που σημαίνει ότι ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος σήμερα είναι βραδύτερος απ’ αυτόν που υπολογίστηκε με την μέθοδο της κοσμικής σκάλας αποστάσεων.
Ποια από τις δύο ομάδες έχει δίκιο; Δεδομένου ότι η πιθανότητα σφάλματος στην συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, είτε από την μία είτε και από τις δύο ομάδες, μοιάζει όλο και πιο απίθανη, αρκετοί κοσμολόγοι πιθανολογούν ότι ίσως εντέλει να είναι σωστές και οι δύο αναλύσεις. Ίσως δηλαδή, το βρεφικό Σύμπαν που μελετά το Planck και το πολύ πιο ηλικιωμένο Σύμπαν που μελετά το Hubble να είναι όντως ασύμφωνα μεταξύ τους, επειδή πολύ απλά εξακολουθούμε να αγνοούμε σημαντικά στοιχεία που επηρεάζουν την συμπαντική εξέλιξη. Με άλλα λόγια, η διαφωνία αυτή στις μετρήσεις των δύο ομάδων μπορεί και να υποδηλώνει ότι το ΚΠΚ είναι ελλιπές, γεγονός που καταδεικνύει ότι ίσως και να υπάρχει «νέα φυσική» που επηρεάζει την εξέλιξη του Σύμπαντος. Πιθανές ερμηνείες για αυτή την μεγάλη διαφωνία περιλαμβάνουν μία χρονικά μεταβαλλόμενη σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή ύλη η οποία αλληλεπιδρά πιο ισχυρά με την συνηθισμένη ύλη και την ακτινοβολία απ’ όσο θεωρούσαμε προηγουμένως, ή ακόμη και την ύπαρξη ενός νέου είδους νετρίνων, τα οποία αλληλεπιδρούν μόνο διαμέσου της βαρύτητας.
Η πρόσφατη ανακάλυψη της σύγκρουσης δύο αστέρων νετρονίων με την βοήθεια βαρυτικών κυμάτων και η επακόλουθη μελέτη του φαινομένου με την πιο συμβατική χρήση τηλεσκοπίων που ανιχνεύουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, προσφέρει μια νέα και ανεξάρτητη μέθοδο υπολογισμού της σταθεράς Hubble. Για έχουν, ωστόσο, μικρά περιθώρια σφάλματος τα αποτελέσματα αυτής της μεθόδου απαιτείται η ανίχνευση τουλάχιστον 50 συγκρούσεων μεταξύ αστέρων νετρονίων.
[1] Στην φωτογραφία διακρίνεται ο σπειροειδής γαλαξίας NGC 4258, όπως τον απεικόνισε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble. Μελέτες αυτού του γαλαξία και πολλών άλλων καταδεικνύουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται ταχύτερα απ’ όσο προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας (φωτογρ. NASA, ESA, Hubble Heritage Team).
[2] Η σταθερά Hubble υπολογίζεται σε μονάδες km/s/Mpc, δηλαδή χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπάρσεκ (Mpc), όπου το 1 Mpc ισούται με περίπου 3,3 εκατ. έτη φωτός. Αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας σε απόσταση 1 Mpc θα απομακρύνεται με ταχύτητα 73,45 km/s, ένας άλλος σε απόσταση 2 Mpc θα απομακρύνεται με διπλάσια ταχύτητα κ.ο.κ..
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου