Μια νέα θεωρία για ένα σύμπαν φράκταλ δημιουργεί κρίση στην κοσμολογία

Άρθρο, Μάιος 2007

Μήπως η κλασσική κοσμολογία είναι σε κίνδυνο; Μια ανακοίνωση μιας ομάδας ιταλών επιστημόνων με επικεφαλής τον φυσικό Luciano Pietronero του πανεπιστημίου La Sapienza της Ρώμης, ισχυρίζεται ότι το σύμπαν δεν είναι ομαλό και ότι ακολουθεί φράκταλ γεωμετρία .

Η πρώτη χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης, μια αόρατη ουσία που γεμίζει όλο το σύμπαν, δίνει την αφορμή στον Pietronero του Ινστιτούτου Σύνθετων Συστημάτων να υποθέσει ότι η κατανομή της ύλης στους γαλαξίες δεν είναι συνεχής αλλά ακολουθεί μια φράκταλ γεωμετρία. Οι κλασικές θεωρίες της κοσμολογίας, που  προέρχονται άμεσα από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, υποστηρίζει ότι το σύμπαν είναι "ομαλό", δηλαδή ότι η κατανομή της ύλης είναι σε γενικές γραμμές ομοιόμορφη και ακολουθεί ένα μοτίβο που δημιουργήθηκε πριν 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια. Έκτοτε το μοτίβο αυτό μεγεθύνθηκε σε απίστευτες διαστάσεις λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Σήμερα το μοτίβο αυτό αρχίζει σιγά-σιγά να αποκωδικοποιείται με την ανάλυση των χαρτών του ουρανού, όμως η έρευνα αυτή μπορεί να  ανατρέψει το Καθιερωμένο Μοντέλο της Κοσμολογίας.

Η θεωρία για την ομοιογενή κατανομή της ύλης αποτυπώνεται και στην αρχή της κοσμολογικής σταθεράς του Αϊνστάιν, την οποία ο τελευταίος εξέφρασε με σκοπό να περιγραφεί ολόκληρη η γεωμετρία του σύμπαντος με τη βοήθεια της γενικής σχετικότητας.

Ο Pietronero υποστηρίζει ότι το θεωρητικό συμπέρασμα για την ομαλότητα του σύμπαντος δεν φαίνεται να είναι σωστό όταν το παρατηρούμε. Συγκεκριμένα, παρατηρούμε ασυνέχεια στην κατανομή της ύλης στους γαλαξίες και μάλιστα η κατανομή αυτή ακολουθεί πάντα το ίδιο μοτίβο, είτε παρατηρούμε μεγάλες είτε μικρές κλίμακες. Αυτή όμως η ιδιότητα είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα των φράκταλ δομών και όπως υποστηρίζει ο Pietronero η φράκταλ γεωμετρία εξηγεί πολύ καλύτερα αυτά τα φαινόμενα.

Στο σύμπαν υπάρχουν περιοχές που είναι κυριολεκτικά γεμάτες από γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών ή ακόμα και υπερσμήνη γαλαξιών που εκτείνονται σε αποστάσεις 100 εκατομμυρίων φωτός. Τα τελευταία φαίνονται να ακολουθούν μοτίβα φράκταλ.

Ανατροπή του Καθιερωμένου Μοντέλου

Αν βέβαια το σύμπαν είναι φράκταλ τότε δημιουργείται κρίση στην κοσμολογία γιατί όλες οι παρατηρήσεις εξαρτώνται από την άποψη ότι το σύμπαν είναι ομοιογενές, λέει ο αστρονόμος David Hogg του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης που αντιτίθεται στην ιδέα ενός σύμπαντος φράκταλ.

Σύμφωνα με τον Hogg η θεωρία φράκταλ δημιουργεί πιο πολλά προβλήματα και δεν επιλύει κανένα, αρχίζοντας από το γεγονός ότι θα πρέπει να ξανασκεφτούμε όλους τους θεμελιώδεις νόμους της κοσμολογίας. Μπορεί λέει στις μικρές κλίμακες να μην επικρατεί ομοιογένεια αλλά στις μεγάλες ναι υπάρχει.

"Δεν πρόκειται να συμφωνήσω με αυτήν την διατύπωση", αντιλέγει ο Pietronero. "Δεν πρότεινα ποτέ ένα εναλλακτικό μοντέλο. Συνεχίζουμε τις μελέτες μας καθώς καταφθάνουν νέα στοιχεία, και εάν κάποιος νόμος πρέπει να ακυρωθεί τότε ας ακυρωθεί".

Η χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης

Μεταξύ των νέων στοιχείων στα οποία αναφέρεται ο ιταλός φυσικός είναι επίσης και η πρώτη χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης σε ένα τμήμα του σύμπαντος σε κλίμακες από 23 έως 200 εκατομμύρια έτη φωτός, που φτιάχτηκε από τον Richard Massey του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας. Το συμπέρασμα του Massey είναι ότι και αυτή η "μυστήρια ουσία" επίσης φαίνεται να κατανέμεται με την ίδια ασυνέχεια αυτής της γνωστής ορατής ύλης. Αυτό μάλιστα που εξέπληξε τον Massey είναι τα κενά. Τεράστιες εκτάσεις του διαστήματος είναι άδειες. Η σκοτεινή ύλη σχηματίζει ένα δαιδαλώδες δίκτυο νημάτων και στρωμάτων γύρω από αυτά τα κενά. Όλη δε η φωτεινή ύλη βρίσκεται μέσα στις πυκνότερες περιοχές της σκοτεινής ύλης. Όπως ισχυρίζεται ο Richard Massey οι μετρήσεις αυτές μας δίνουν την απευθείας εικόνα της σκοτεινής ύλης έστω κι αν δεν έχουν επεξεργαστεί αρκετά.   

Ο Hogg από την άλλη υποστηρίζει ότι οι μετρήσεις της σκοτεινής ύλης δεν είναι τόσο ακριβείς όσο οι μετρήσεις της κατανομής των γαλαξιών γι αυτό και δεν γνωρίζουμε αρκετά γι αυτήν.

"Αυτό το αποτέλεσμα θα φαινόταν ότι μου δίνει δίκιο - υποστηρίζει ο Pietronero - αλλά θα περιμένω περισσότερα στοιχεία προτού δώσω τις οριστικές προτάσεις. Η θέση μου είναι απλά ότι οι στατιστικές αναλύσεις των δεδομένων που κάνουν οι αστροφυσικοί για να αποδείξουν την ομαλότητα του σύμπαντος δεν είναι σωστές, γιατί προϋποθέτουν ότι η ύλη είναι ομοιογενώς κατανεμημένη.

Επιβεβαίωση

Για να δουν αν οι ισχυρισμοί του ιταλού στατιστικού φυσικού Pietronero είναι σωστοί, οι αμερικάνοι επιστήμονες της ομάδας του David Hogg εφάρμοσαν τις στατιστικές μεθόδους του Pietronero σε ένα δείγμα 55.000 φωτεινών κόκκινων γαλαξιών που είχαν χαρτογραφηθεί από την Ψηφιακή Έρευνα του Ουρανού Sloan. Διαπίστωσαν έτσι ότι οι γαλαξίες πράγματι σχηματίζουν ένα μοτίβο φράκταλ, κοιτάζοντας όμως σε όλο και μεγαλύτερες κλίμακες το μοτίβο έμοιαζε να διαλύεται και να ομοιογενοποιείται μόλις ξεπερνούσαν τα 200 εκατομμύρια έτη φωτός - κλίμακα πολύ μεγαλύτερη από ό,τι περίμεναν οι περισσότεροι κοσμολόγοι.

Ο Pietronero διαφωνεί και με αυτή τη διαπίστωση. Θεωρεί ότι αν οι αστρονόμοι μπορούσαν να κοιτάξουν σε ακόμη μεγαλύτερες κλίμακες θα έβλεπαν ακόμη περισσότερα σμήνη γαλαξιών. Αυτός και οι συνεργάτες του υποπτεύονται ότι η φαινομενική ομοιογένεια στα 200 εκατομμύρια έτη φωτός δεν είναι πραγματική αλλά μια ψευδαίσθηση δημιουργούμενη από στατιστικές επενέργειες οι οποίες οφείλονται στο περιορισμένο εύρος της Χαρτογράφησης Sloan.

Ακόμη όμως και αν θεωρήσουμε ότι η ομάδα Pietronero κάνει λάθος και ότι τα αποτελέσματα της ομάδας του David Hogg -όπως εμμένει ο επικεφαλής της - είναι σωστά, το πρόβλημα παραμένει τεράστιο για την κοσμολογία. Το γεγονός ότι τα μοτίβα φράκταλ εμφανίζονται σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες από αυτές, που ανέμεναν οι επιστήμονες σημαίνει ότι θα πρέπει να υπάρχουν πολύ μεγαλύτερες δομές - δομές πολύ μεγαλύτερες και από τα υπερσμήνη των γαλαξιών. Η ομάδα των φράκταλ υποστηρίζει ότι το σημερινό κοσμολογικό μοντέλο δεν μπορεί να ερμηνεύσει την ύπαρξη τέτοιων γαλαξιακών γιγάντων.

"Αν κοιτάξετε όλα τα στοιχεία από τους γαλαξίες θα δείτε τεράστια αντικείμενα που εκτείνονται σε εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός¨, λέει ο Pietronero. "Αυτό είναι τεράστιο πρόβλημα. Η ιστορία θα πρέπει να αλλάξει ριζικά".

Όταν το Σύμπαν γεννιόταν...

Η ιστορία στην οποία αναφέρεται λέει περίπου τα εξής: Στις μικροσκοπικές αυξομειώσεις του πρώιμου σύμπαντος η ύλη άρχισε να συγκεντρώνεται σε πυκνότερες περιοχές πυροδοτώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση βαρυτικής κατάρρευσης, η οποία παρήγαγε τις μεγάλης κλίμακας δομές που βλέπουμε σήμερα. Η βαρύτητα λειτούργησε από κάτω προς τα επάνω, πρώτα κατασκευάζοντας τους γαλαξίες, στη συνέχεια συγκεντρώνοντας τους γαλαξίες σε σμήνη, ύστερα τα σμήνη σε υπερσμήνη και ούτω καθ' εξής. Όσο όμως η ύλη συγκεντρωνόταν το Σύμπαν διαστελλόταν. Το αποτέλεσμα ήταν μια μάχη της βαρύτητας εναντίον της διαστολής.

Σύμφωνα με τον κ. Pietronero ο χρόνος από τη γέννηση του Σύμπαντος - πριν από 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια - δεν επαρκεί για να επιτρέψει στη βαρύτητα να σχηματίσει δομές μεγαλύτερες των περίπου 30 εκατομμυρίων ετών φωτός: η διαστολή θα εμπόδιζε κάθε μεγαλύτερο σχηματισμό.

"Η ύπαρξη πολύ μεγαλύτερων δομών υπονοεί μια κρίση της παρούσας άποψης για τον σχηματισμό των δομών", λέει.

Φωτεινή και σκοτεινή ύλη

Η παρούσα άποψη είναι το λεγόμενο «μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης», σύμφωνα με το οποίο οι λαμπρές μάζες άστρων και γαλαξιών αποτελούν μόνο την κορυφή του κοσμικού παγόβουνου. Η φωτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 15% του συνόλου της ύλης του Σύμπαντος - το υπόλοιπο 85% είναι μυστηριώδης σκοτεινή ύλη.

Ο Hogg και η ομάδα του υποστηρίζουν ότι οι νέες παρατηρήσεις δεν έρχονται σε αντίθεση με την κρατούσα άποψη, όπως ισχυρίζεται ο Pietronero, και θεωρούν ότι το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης εξηγεί σχεδόν επακριβώς τα δεδομένα της Χαρτογράφησης Sloan. Για να ισχύσουν οι ισχυρισμοί τους χρειάζεται ωστόσο να συμπεριλάβουν στις εξισώσεις τους έναν αριθμό ο οποίος αποκαλείται παράμετρος απόκλισης. Ο αριθμός αυτός αντανακλά τη διαφορά ανάμεσα στην κατανομή της ύλης στις ηλεκτρονικές προσομοιώσεις του μοντέλου της ψυχρής σκοτεινής ύλης και στην εμφανή κατανομή της φωτεινής όλης στις χαρτογραφήσεις.

Η κοινή ύλη δημιουργεί συγκεντρώσεις εξαιτίας των συγκρούσεων που συντελούνται μεταξύ των σωματιδίων, η σκοτεινή ύλη όμως θεωρείται ότι δεν συμπεριφέρεται κατά τον ίδιο τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί η κατανομή της στο Διάστημα να είναι περισσότερο ομοιογενής από την κατανομή της κοινής ύλης. Οι κοσμολόγοι θεωρούν ότι η κατανομή της ύλης που μπορούμε να δούμε - όπως για παράδειγμα των γαλαξιών - δεν αποτελεί πιστή αντανάκλαση της κατανομής όλης της ύλης που υπάρχει στο Σύμπαν και ότι η δομή του σύμπαντος είναι πολύ πιο ομοιογενής από ό,τι φαίνεται επειδή η σκοτεινή ύλη κυριαρχεί.

Στην Χαρτογράφηση Sloan η απόκλιση είναι 2: οι ορατοί γαλαξίες δημιουργούν συγκεντρώσεις δυο φορές πυκνότερες από ό,τι η προβλεπόμενη συνολική κατανομή της ύλης στο Σύμπαν.

Παρ' ότι ο Sylos Labini και άλλοι συνεργάτες τού Pietronero κατηγορούν την παράμετρο απόκλισης ως βολικό κατασκεύασμα, οι περισσότεροι κοσμολόγοι τη θεωρούν δικαιολογημένη και συμπεραίνουν ότι οι γαλαξίες συγκεντρώνονται σε περιοχές του Διαστήματος οι οποίες είναι ασφυκτικά γεμάτες από πλεονάζουσα σκοτεινή ύλη. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο η σκοτεινή ύλη βρίσκεται παντού, αλλά οι γαλαξίες λάμπουν μόνο στις λίγες περιοχές όπου η σκοτεινή ύλη είναι πυκνότερη. Η σκοτεινή ύλη υπάρχει επίσης στα κενά όπου δεν υπάρχει φως, εκεί όμως είναι αραιά κατανεμημένη. Με άλλα λόγια, παρ' ότι οι φωτεινοί γαλαξίες φαίνεται να σχηματίζουν πυκνές συγκεντρώσεις, η υποκείμενη σκοτεινή ύλη είναι πολύ πιο ομοιογενής, γεγονός το οποίο υποστηρίζει τη θεωρία της ομοιογένειας.

"Αν το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης είναι σωστό, τότε θα πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη στα κενά" λέει ο Hogg.

Το θεμελιώδες ερώτημα είναι λοιπόν: Ποια είναι η πραγματική κατανομή της σκοτεινής ύλης; Είναι η σκοτεινή ύλη ομοιογενής ή φράκταλ; Συγκεντρώνεται σε γαλαξίες ή απλώνεται, αόρατη, στα μεγάλα κενά; Αν τα κενά είναι γεμάτα σκοτεινή ύλη, τότε η φαινομενική φράκταλ κατανομή της φωτεινής ύλης είναι άνευ σημασίας. Αν όμως τα κενά είναι πραγματικά κενά, τότε η θεωρία της φράκταλ κατανομής χρήζει περαιτέρω εξέτασης.

Κινδυνεύει η κοσμολογία;

"Το Σύμπαν δεν είναι φράκταλ", επιμένει ο Hogg, "και αν ήταν φράκταλ θα δημιουργούσε ακόμη περισσότερα προβλήματα από αυτά που αντιμετωπίζουμε αυτή τη στιγμή". Ένα Σύμπαν δομημένο σε πρότυπα φράκταλ θα τίναζε στον αέρα όλη τη γνωστή κοσμολογία. Οι κοσμολογικές εξισώσεις του Αϊνστάιν θα ήταν οι πρώτες που θα έπρεπε να απορριφθούν, με αμέσως επόμενες στη σειρά τη Μεγάλη Έκρηξη και τη διαστολή του Σύμπαντος.

Η ομάδα του Hogg θεωρεί ότι ώσπου βρεθεί μια θεωρία η οποία να εξηγεί γιατί η συγκέντρωση των γαλαξιών γίνεται σε πρότυπα φράκταλ δεν υπάρχει λόγος να βλέπουμε το ζήτημα σοβαρά. "Η άποψη μου είναι ότι δεν υπάρχει λόγος ούτε καν να σκεφτόμαστε μια φράκταλ δομή του Σύμπαντος ώσπου να αναπτυχθεί ένα φυσικό φράκταλ μοντέλο", τονίζει. "Αν δεν έχουμε ένα μοντέλο για να το δοκιμάσουμε, είναι σαν να κυνηγάμε ανεμόμυλους".

0 Pietronero, από την πλευρά του, παραμένει εξίσου ακλόνητος. "Είναι γεγονός", επιμένει. "Δεν είναι θεωρία". Λέει ότι τον ενδιαφέρει μόνο αυτό που βλέπει και αυτό που δείχνουν τα στοιχεία και υποστηρίζει ότι οι γαλαξίες είναι φράκταλ ανεξάρτητα από το αν αυτό μπορεί να εξηγηθεί ή όχι.

Όπως φαίνεται, υπάρχει ένα μοντέλο το οποίο θα μπορούσε να εξηγήσει ένα Σύμπαν φράκταλ. Η θεωρία ανήκει σε έναν ελάχιστα γνωστό γάλλο αστροφυσικό, τον Laurent Nottale του CNRS, και λέγεται «σχετικότητα κλίμακας» (Scale Relativity). Σύμφωνα με αυτή η κατανομή του Σύμπαντος είναι φράκταλ επειδή ο ίδιος ο χωροχρόνος είναι φράκταλ. Η θεωρία του Nottale βρίσκεται αυτή τη στιγμή στο περιθώριο, αν όμως αποδειχθεί ότι το Σύμπαν είναι πραγματικά φράκταλ, πιθανότατα θα βρεθεί στο προσκήνιο. Όλα είναι ανοιχτά και για την επίλυση τους χρειάζονται μόνο περισσότερα στοιχεία, τα οποία και αναμένονται στο εγγύς μέλλον. Προς το παρόν το σχήμα του κόσμου παραμένει ένα μυστήριο κρυμμένο στη λάμψη των αστεριών.

Πηγή: Ιταλικό Πρακτορείο Ειδήσεων, NewScientist, ΒΗΜΑ

Home