Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Οι επιστήμονες δεν μπορούν να συμφωνήσουν στο ρυθμό διαστολής του σύμπαντος

Written by Δ.Μ.

Το διαστελλόμενο σύμπαν, γεμάτο γαλαξίες και η σύνθετη δομή που παρατηρούμε σήμερα, προέκυψε από μια μικρότερη, θερμότερη, πιο πυκνή, πιο ομοιόμορφη κατάσταση. Χρειάστηκαν χιλιάδες επιστήμονες που δούλευαν εδώ και εκατοντάδες χρόνια για να φτάσουμε σε αυτήν την εικόνα και παρόλα αυτά η έλλειψη συναίνεσης για το ποιός είναι ο ρυθμός διαστολή (η σταθερά του Hubble), μας λέει ότι κάτι είναι τρομακτικά λανθασμένο ή ότι έχουμε κάπου κάποιο ασαφές σφάλμα.

Share

Το διαστελλόμενο σύμπαν, γεμάτο γαλαξίες και η σύνθετη δομή που παρατηρούμε σήμερα, προέκυψε από μια μικρότερη, θερμότερη, πιο πυκνή, πιο ομοιόμορφη κατάσταση. Χρειάστηκαν χιλιάδες επιστήμονες που δούλευαν εδώ και εκατοντάδες χρόνια για να φτάσουμε σε αυτήν την εικόνα και παρόλα αυτά η έλλειψη συναίνεσης για το ποιός είναι ο ρυθμός διαστολή (η σταθερά του Hubble),  μας λέει ότι κάτι είναι τρομακτικά λανθασμένο ή ότι έχουμε κάπου κάποιο ασαφές σφάλμα.

cosmicinflation

Το Σύμπαν επεκτείνεται συνεχώς και όλοι οι επιστήμονες συμφωνούν σε αυτό. Οι παρατηρήσεις υποστηρίζουν συντριπτικά αυτό το απλό συμπέρασμα και κάθε εναλλακτική λύση απέτυχε να ταιριάζει με τις επιτυχίες της από τα τέλη της δεκαετίας του 1920. Αλλά στις επιστημονικές προσπάθειες, η επιτυχία δεν μπορεί απλώς να είναι ποιοτική. πρέπει να κατανοήσουμε, να μετρήσουμε και να ποσοτικοποιήσουμε την διαστολή του Σύμπαντος. Πρέπει να μάθουμε πόσο επεκτείνεται το Σύμπαν.

Για γενιές, οι αστρονόμοι, οι αστροφυσικοί και οι κοσμολόγοι προσπάθησαν να βελτιώσουν τις μετρήσεις μας για το ρυθμό της διαστολής: τη λεγόμενη ου Hubble Ho. Μετά από πολλές δεκαετίες συζητήσεων, το βασικό έργο του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble φάνηκε να επιλύει το ζήτημα: 72 km / s / Mpc, με αβεβαιότητα μόλις 10%. Αλλά τώρα, 17 χρόνια αργότερα, οι επιστήμονες δεν μπορούν να συμφωνήσουν. Το ένα στρατόπεδο φυσικών απαιτεί ότι το σωστό είναι ~ 67 km / s / Mpc. ενώ το άλλο αξιώνει ~ 73 km / s / Mpc, και τα σφάλματα δυστυχώς δεν επικαλύπτονται. Κάτι, ή κάποιος, είναι λάθος και δεν μπορούμε να καταλάβουμε πού.

Ο λόγος γι αυτή τη διαφορά οφείλεται επειδή έχουμε δύο κύριους τρόπους μέτρησης του ρυθμού διόγκωσης του Σύμπαντος: μέσω της κλίμακας κοσμικής απόστασης και με την εξέταση των σημάτων που προέρχονται από τις πρώτες στιγμές του Big Bang, την Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Οι δύο μέθοδοι είναι εξαιρετικά διαφορετικές.

  • Για την κλίμακα κοσμικής απόστασης – τα πρότυπα κεριά, κοιτάμε τα κοντινά, καλά κατανοητά αντικείμενα, παρατηρούμε τότε τα ίδια είδη αντικειμένων σε πιο απομακρυσμένες τοποθεσίες, στη συνέχεια συνάγουμε τις αποστάσεις τους, στη συνέχεια χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες που παρατηρούμε σε αυτές τις αποστάσεις για να προχωρήσουμε ακόμη πιο μακριά κ.λπ. Με την λεγόμενη ερυθρά μετατόπιση και τις μετρήσεις κοσμικής απόστασης, μπορούμε να ανασυνθέσουμε το ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος.
  • Για τη μέθοδο των πρώιμων σημάτων μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε είτε την ακτινοβολία που μας έρχεται από το Big Bang είτε τις αποστάσεις συσχέτισης μεταξύ απομακρυσμένων γαλαξιών (Ακουστικές ταλαντώσεις Βαρυονίου ή AΤΒ) και να δούμε πώς αυτά τα σήματα εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται. [Το μήκος αυτού του τυπικού χάρακα δίνεται από τη μέγιστη απόσταση που τα ακουστικά κύματα θα μπορούσαν να ταξιδεύουν στο αρχέγονο πλάσμα πριν το πλάσμα ψυχθεί στο σημείο όπου έγιναν τα ουδέτερα άτομα ( την εποχή του επανασυνδυασμού ) «παγώνοντας» τα στη θέση τους. Το μήκος αυτού του τυπικού χάρακα  είναι ~ 490 εκατομμύρια έτη φωτός στο σημερινό σύμπαν, και οι μετρήσεις των AΤΒ βοηθούν τους κοσμολόγους να κατανοήσουν περισσότερα για τη φύση της σκοτεινής ενέργειας (η οποία προκαλεί την επιτάχυνση της επέκτασης του σύμπαντος) περιορίζοντας τις κοσμολογικές παραμέτρους .]

Η πρώτη μέθοδος – τα πρότυπα κεριά – φαίνεται να δίνει τον υψηλότερο ρυθμό ~ 73 km / s / Mpc, ενώ η δεύτερη δίνει ~ 67 km / s / Mpc.

candles-and-rulers

Τα πρότυπα κεριά (L) και οι τυπικοί χάρακες (R) είναι δύο διαφορετικές τεχνικές που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να μετρήσουν την επέκταση του χώρου σε διάφορους χρόνους / αποστάσεις στο παρελθόν.  Η χρήση της μεθόδου κεριού δίνει 73 km / s / Mpc. Η χρήση του τυπικού χάρακα δίνει 67 km / s / Mpc. Αυτές οι τιμές είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους

Εάν κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί σωστά το Σύμπαν, τότε κάθε μέθοδος που χρησιμοποιούμε για τη μέτρησή του πρέπει να παρέχει τις ίδιες ιδιότητες και την ίδια ιστορία για τον Κόσμο που ζούμε. Είτε χρησιμοποιούμε τα ερυθρά γιγαντιαία άστρα ή τα μπλε μεταβλητά αστέρια, ή περιστρεφόμενους σπειροειδείς γαλαξίες με διακυμάνσεις φωτεινότητας, στροβιλισμένους ελλειπτικούς γαλαξίες ή υπερκαινοφανείς τύπου Ια ή συσχετισμούς γαλαξιακού υπόβαθρου ή κοσμικών μικροκυμάτων, θα πρέπει να λάβουμε μια απάντηση σύμφωνη με ένα σύμπαν που να έχει τις ίδιες ιδιότητες.

Αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Η μέθοδος κλίμακας κοσμικής απόστασης δίδει συστηματικά υψηλότερη τιμή περίπου 10% από τη μέθοδο των πρώιμων σημάτων στο Big Bang, ανεξάρτητα από το πώς μετράμε τη κλίμακα απόστασης ή ποιο πρώιμο σήμα χρησιμοποιούμε.

Στην πρώτη περίπτωση :

  • είτε μετρώντας την παράλλαξη των αστεριών στον γαλαξία μας, συμπεριλαμβανομένων κάποιων Κηφείδων,
  • είτε μετρώντας τους Κηφείδες σε κοντινούς γαλαξίες μέχρι 50-60 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, μερικούς από τους οποίους περιέχουν σουπερνόβες Τύπου Ια,
  • και έπειτα μετρώντας τους υπερκαινοφανείς τύπου Ia στις απομακρυσμένες εσοχές του διαστελλόμενου σύμπαντος.

τότε μπορούμε να υπολογίσουμε ποιός είναι ο ρυθμός διαστολής σήμερα και πώς ο ρυθμός διαστολής έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου.

Υπάρχουν πολλές πιθανές εξηγήσεις για αυτή τη διαφορά ανάμεσα στις δύο μεθόδους . Είναι πιθανό ότι το κοντινό Σύμπαν να έχει διαφορετικές ιδιότητες από ό, τι το εξαιρετικά απομακρυσμένο, πρώιμο Σύμπαν, και έτσι και οι δύο ομάδες να είναι σωστές. Είναι πιθανό η σκοτεινή ύλη ή η σκοτεινή ενέργεια (ή κάτι που τα μιμείται) να αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, οδηγώντας σε διαφορετικές μετρήσεις χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεθόδους. Είναι πιθανό ότι υπάρχει κάποια νέα φυσική ή κάτι που τραβάει το Σύμπαν μας πέρα ​​από τον κοσμικό ορίζοντα. Ή, ίσως, να υπάρχει κάποιο βασικό ελάττωμα με τα κοσμολογικά μας μοντέλα.

Υπάρχει όμως και μια πολύ πιο πιθανή λύση: το Σύμπαν να είναι απλά το ίδιο παντού και μία από τις τεχνικές μέτρησης να είναι εγγενώς λανθασμένη.

Είναι δύσκολο να εντοπιστούν πιθανά λάθη στη μέθοδο πρώιμων σημάτων, επειδή οι μετρήσεις από τα WMAP, Planck και Sloan Digital Sky Survey είναι τόσο ακριβείς. Στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, για παράδειγμα, μετρήσαμε πολύ καλά την πυκνότητα της ύλης του Σύμπαντος (περίπου 32% ± 2%) και τον φασματικό δείκτη (0.968 ± 0.010). Με αυτές τις μετρήσεις είναι πολύ δύσκολο να αποκτήσουμε μια τιμή για τη σταθερά Hubble μεγαλύτερη από, περίπου, 69 km / s / Mpc, πράγμα που είναι πραγματικά το ανώτερο όριο.

The_parallax_method_of_measuring_stellar_distances

Η μέθοδος παράλλαξης  χρησιμοποιείται από τη στιγμή που τα τηλεσκόπια βελτιώθηκαν κοντά στο 1800, και περιλαμβάνει τη σηματοδότηση της αλλαγής της θέσης ενός κοντινού αστέρα σε σχέση με τα πιο απομακρυσμένα, στο υπόβαθρο. Μπορεί να υπάρχουν λάθη και προκαταλήψεις σε αυτή τη μέθοδο λόγω της παρουσίας μαζών που δεν έχουν υπολογιστεί σωστά.

Για τη μέθοδο κλίμακας απόστασης, ωστόσο, είναι άφθονα τα πιθανά λάθη και προκαταλήψεις:

  • Οι μέθοδοι παράλλαξής μας μπορεί να είναι επηρεασμένες από τη βαρύτητα από την τοπική ηλιακή γειτονιά μας, ο καμπύλος χώρος που περιβάλλει τον Ήλιο μας θα μπορούσε να μεταβάλει συστηματικά τους προσδιορισμούς της απόστασης μας.
  • Να είναι η κατανόησή μας για τους Κηφείδες περιορισμένη, συμπεριλαμβανομένου και του γεγονότος ότι υπάρχουν δύο τύποι αυτών και ορισμένοι από αυτούς βρίσκονται σε μη παρθένα περιβάλλοντα.
  • Ενώ και οι σουπερνόβες Τύπου Ια μπορούν να προκληθούν είτε από τη συσσώρευση λευκών νάνων ή από τη σύγκρουση και τη συγχώνευση λευκών νάνων, τα περιβάλλοντα στα οποία βρίσκονται, μπορεί να εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου και ίσως να υπάρχουν περισσότερα για το μυστήριο του πώς γίνονται από ό, καταλαβαίνουμε.

Η διαφορά όμως μεταξύ αυτών των δύο διαφορετικών τρόπων μέτρησης του διαστελλόμενου Σύμπαντος μπορεί απλά να αντικατοπτρίζει την υπερβολική μας εμπιστοσύνη στο πόσο μικρά είναι τα σφάλματα μας.

Το ερώτημα για το πόσο γρήγορα επεκτείνεται το Σύμπαν είναι αυτό που έχει προκαλέσει προβλήματα στους αστρονόμους και τους αστροφυσικούς από τότε που αρχίσαμε την πρώτη μέτρηση. Είναι ένα απίστευτο επίτευγμα ότι οι πολλαπλές, ανεξάρτητες μέθοδοι παρέχουν απαντήσεις που συμφωνούν με το 10%, αλλά δεν συμφωνούν μεταξύ τους και αυτό είναι το ανησυχητικό.

Αν υπάρχει κάποιο σφάλμα στην παράλλαξη, τους Κηφείδες ή τις σουπερνόβες, ο ρυθμός διαστολής μπορεί να είναι πραγματικά ο χαμηλός: 67 km / s / Mpc. Αν αυτό ισχύει, τότε θα κατανοήσουμε το Σύμπαν όταν εντοπίσουμε το λάθος μας. Αν όμως η ομάδα της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου είναι λανθασμένη, και ο ρυθμός διαστολής θα είναι πιο κοντά στα 73 km / s / Mpc, που προφητεύει μια κρίση στη σύγχρονη κοσμολογία. Το Σύμπαν δεν μπορεί να έχει την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης και οι αρχικές διακυμάνσεις 73 km / s / Mpc  θα το υπονοούσαν.

Είτε η μια ομάδα έχει κάνει ένα άγνωστο λάθος, είτε η αντίληψή μας για το Σύμπαν χρειάζεται μια επανάσταση. Βάζω στοίχημα στο πρώτο.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share