Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Ιδέες για το τι θα μπορούσε να επιταχύνει την κοσμική διαστολή του σύμπαντος

Written by Δ.Μ.

Η απόκλιση μεταξύ του πόσο γρήγορα το σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται και του πόσο γρήγορα αναμέναμε να διαστέλλεται είναι μία από τις πιο επίμονες ανωμαλίες της κοσμολογίας. Οι κοσμολόγοι βασίζουν την προσδοκία τους για τον ρυθμό διαστολής – έναν ρυθμό γνωστό ως σταθερά του Hubble Ho – στις μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που εκπέμφθηκε λίγο μετά το Big Bang (380.000 χρόνια). Αυτή η ακτινοβολία αποκαλύπτει τα ακριβή συστατικά του πρώιμου σύμπαντος .

Share

Η απόκλιση μεταξύ του πόσο γρήγορα το σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται και του πόσο γρήγορα αναμέναμε να διαστέλλεται είναι μία από τις πιο επίμονες ανωμαλίες της κοσμολογίας.  Οι κοσμολόγοι βασίζουν την προσδοκία τους για τον ρυθμό διαστολής – έναν ρυθμό γνωστό ως σταθερά του Hubble Ho –  στις μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που εκπέμφθηκε λίγο μετά το Big Bang (380.000 χρόνια). Αυτή η ακτινοβολία αποκαλύπτει τα ακριβή  συστατικά του πρώιμου σύμπαντος .

Timeline of the universe, assuming a cosmological constantΧρονολόγιο σύμπαντος υποθέτοντας μια κοσμολογική σταθερά λ ή σκοτεινή ενέργεια

Οι κοσμολόγοι συνδέουν τα συστατικά στο μοντέλο της κοσμικής εξέλιξής και προωθούν το μοντέλο χρονικά προς το μέλλον για να δουν πόσο γρήγορα ο χώρος πρέπει να διαστέλλεται σήμερα.  Έτσι η σταθερά Ho=67.4±0.5~km s−1Mpc−1 με βάση τις παρατηρήσεις του δορυφόρου Planck, υποθέτοντας όμως την θεωρία Λ-CDM (Cold Dark Matter)

Ωστόσο, η πρόβλεψη αυτή είναι πιο αργή από τις πραγματικές παρατηρήσεις. Έτσι, όταν οι κοσμολόγοι παρατηρούν αστρονομικά αντικείμενα, όπως παλλόμενα αστέρια και σουπερνόβες τύπου Ιa, βλέπουν ένα σύμπαν που επεκτείνεται γρηγορότερα, με μεγαλύτερη σταθερά Hubble,  όπως Hο=73.5±1.4~km s−1Mpc−1.

Η ασυμφωνία, γνωστή ως τάση Hubble, συνεχίζεται ακόμη και αν όλες οι μετρήσεις υπολογίζονται με συνεχώς μεγαλύτερη ακρίβεια. Μερικοί αστροφυσικοί συνεχίζουν να συζητούν εάν η τάση Hubble μπορεί να είναι κάτι περισσότερο από ένα σφάλμα μέτρησης . Αλλά αν η απόκλιση είναι πραγματική, αυτό σημαίνει ότι κάτι λείπει από το μοντέλο του σύμπαντος των κοσμολόγων.

Πρόσφατα, οι θεωρητικοί ήταν απασχολημένοι με τη ύπαρξη υποθετικών νέων κοσμικών συστατικών που, όταν προστεθούν στο καθιερωμένο μοντέλο, θα ανέβαζαν τον αναμενόμενο ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, κάνοντάς το να ταιριάζει με τις παρατηρήσεις.

«Η ανακάλυψη ανωμαλιών είναι ο θεμελιώδης τρόπος με τον οποίο η επιστήμη σημειώνει πρόοδο», δήλωσε ο Avi Loeb , κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και ένας από τους δεκάδες ερευνητές που έχουν προτείνει λύσεις στην ασυμφωνία ή τάση του Χαμπλ.

Παρακάτω θα αναφέρουμε μερικές από τις κορυφαίες ιδέες για αυτό που θα μπορούσε να επιταχύνει την κοσμική διαστολή.

Σκοτεινή ύλη που αποσυντίθεται

Το πρότυπο μοντέλο της κοσμολογίας ενσωματώνει όλες τις γνωστές μορφές ύλης και ακτινοβολίας και τις αλληλεπιδράσεις τους. Περιλαμβάνει επίσης τις αόρατες ουσίες που είναι γνωστές ως σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη, οι οποίες μαζί αποτελούν περίπου το 96% του Κόσμου. Επειδή πολύ λίγα είναι γνωστά για αυτά τα σκοτεινά συστατικά, είναι ίσως το προφανές μέρος για να αρχίσετε να τροποποιείται το πρότυπο μοντέλο.

«Αυτό έχετε στη διάθεσή σας για να αλλάξετε τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος», δήλωσε ο Avi Loeb.

Το Καθιερωμένο ή Πρότυπο μοντέλο προϋποθέτει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αργά κινούμενα σωματίδια που δεν αλληλεπιδρούν με το φως. Τι γίνεται όμως αν υποθέσουμε, επίσης, ότι η σκοτεινή ύλη δεν αποτελείται από μία μόνο ουσία; Δεδομένου ότι υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη ορατών σωματιδίων – κουάρκ, ηλεκτρόνια και ούτω καθεξής – μπορεί να υπάρχουν και πολλά σκοτεινά σωματίδια.

Σε μια δημοσίευση το περασμένο καλοκαίρι στο Physical Review D , ο Loeb και δύο συνεργάτες του θεώρησαν μια μορφή σκοτεινής ύλης που αποσυντίθεται σε ένα ελαφρύτερο σωματίδιο και ένα άμαζο σωματίδιο γνωστό ως σκοτεινό φωτόνιο. Καθώς όλο και περισσότερη σκοτεινή ύλη εξασθενούσε με την πάροδο του χρόνου, λογικά, η βαρυτική έλξη της θα είχε μειωθεί, και έτσι η επέκταση του σύμπαντος θα είχε επιταχυνθεί, αμβλύνοντας την τάση Χαμπλ.

Αλλά κάνοντας μικρές αλλαγές σαν αυτό στο Καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο μπορεί να έχει τελικά ανεπιθύμητα αποτελέσματα. «Είναι πολύ εύκολο να καταλήξουμε σε κάθε είδους μικρές τροποποιήσεις», δήλωσε ο Marc Kamionkowski , θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins – αλλά είναι δύσκολο να το κάνουμε, είπε, χωρίς να καταστρέψουμε την τέλεια εφαρμογή του μοντέλου με πληθώρα άλλων αστρονομικών παρατηρήσεων.

Μεταβάλλοντας τον ρυθμό διάσπασης και την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που χάνεται σε κάθε διάσπαση, ο Loeb και οι συνάδελφοί του επέλεξαν ένα μοντέλο αποσυντιθέμενης σκοτεινής ύλης που λένε ότι συμφωνεί με άλλες αστρονομικές παρατηρήσεις. «Εάν προσθέσετε αυτό το συστατικό στο πρότυπο μοντέλο της κοσμολογίας, όλα ταιριάζουν», λέει ο Loeb.

Ωστόσο, παραμένει δυσαρεστημένος με την ιδέα της αποσυντιθέμενης σκοτεινής ύλης, εν μέρει επειδή εισάγει δύο νέες αβέβαιες ποσότητες στις εξισώσεις.

“Σε αυτήν την περίπτωση, προσθέτετε δύο ελεύθερες παραμέτρους για να επιλύσετε μια απόκλιση – και δεν ανησυχώ γι ‘αυτό”, είπε, συγκρίνοντας την αποσύνθεση της σκοτεινής ύλης με τους επίκυκλους που εισήχθησαν επίτηδες στο μοντέλο του σύμπαντος του Πτολεμαίου, για να έχουμε τη Γη ως κέντρο.  «Θα προτιμούσα να εξηγήσω δύο διαφορές από μία παράμετρο.»

Ασταθής σκοτεινή ενέργεια

Μετά την έκπληξη που ήρθε όταν ανακαλύφθηκε το 1998 ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται, οι κοσμολόγοι έχουν συμπεριλάβει μια απωστική σκοτεινή ενέργεια στο μοντέλο της κοσμικής εξέλιξης. Αλλά η φύση της παραμένει ένα μυστήριο. Η απλούστερη πιθανότητα είναι ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η «κοσμολογική σταθερά» λ – η ενέργεια του ίδιου του χώρου, με σταθερή πυκνότητα παντού. Αλλά τι γίνεται αν η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν δεν είναι τελικά σταθερή;

101415_Randall_Lisa_003.jpgΗ Lisa Randall, φυσικός σωματιδίων και κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, έχει προτείνει ιδέες για το τι θα μπορούσε να επιταχύνει την κοσμική διαστολή.

Μια επιπλέον δόση σκοτεινής ενέργειας στο πρώιμο σύμπαν, που ονομάζεται πρώιμη σκοτεινή ενέργεια , θα μπορούσε να συνδυάσει τις δύο συγκρουόμενες τιμές της σταθεράς του Χαμπλ. Η προς τα έξω πίεση αυτής της πρώιμης σκοτεινής ενέργειας θα επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος. «Το δύσκολο μέρος είναι ότι η [πρώιμη σκοτεινή ενέργεια] δεν μπορεί πραγματικά να κολλήσει. Πρέπει να φύγει γρήγορα », είπε η Λίζα Ράνταλ , φυσική σωματιδίων και κοσμολόγος στο Χάρβαρντ.

Η Randall και οι συνεργάτες της επινόησαν αυτό που αποκαλούν λύσεις «rock ‘n’ roll» για την τάση Χαμπλ σε μία δημοσίευση που υποβλήθηκε στο περιοδικό της Φυσικής Υψηλής Ενέργειας . Κάθε μία από αυτές τις προσθήκες στο καθιερωμένο μοντέλο έχει διαφορετική μαθηματική μορφή – σε ορισμένες, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας ταλαντώνεται ή rocks όπως λέει, ενώ σε άλλες κυλά (rolls ) από μια υψηλή τιμή στο μηδέν. Αλλά σε όλες τις περιπτώσεις, η πρώιμη σκοτεινή ενέργεια πρέπει να εξαφανιστεί μετά από μερικές εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια, σε μια εποχή γνωστή ως ανασυνδυασμός.

«Η ιστορία του σύμπαντος από την εποχή του  ανασυνδυασμού είναι αρκετά σύμφωνη με το καθιερωμένο μοντέλο», δήλωσε ο Kamionkowski, ο οποίος συνέγραψε μια εργασία για την πρώιμη σκοτεινή ενέργεια που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Lettersτον τον περασμένο Ιούνιο. “Έτσι, κάθε επιχείρηση “μαϊμού” που κάνουμε στον πρώιμο κόσμο πρέπει να εξαφανιστεί.”

Παράλληλα με την πρώιμη σκοτεινή ενέργεια, οι θεωρητικοί έχουν προτείνει άλλες εξωτικές μορφές σκοτεινής ενέργειας – όπως η πεμπτουσία και η φανταστική σκοτεινή ενέργεια – που επίσης αλλάζουν καθώς το σύμπαν γερνά. Ενώ αυτές οι επεκτάσεις στο τυπικό μοντέλο μειώνουν την τάση του Χαμπλ, θεωρούνται από πολλούς κοσμολόγους ως προσαρμοζόμενες  (fine-tuned) μαθηματικές προσθήκες που δεν έχουν σαφή αιτιολόγηση.

Αλλά ο Kamionkowski λέει ότι οι νέες μορφές σκοτεινής ενέργειας εμφανίζονται λιγότερο επινοημένες όταν εξετάζονται παράλληλα με άλλες περιόδους διαστολής στην ιστορία του σύμπαντος. Για παράδειγμα, οι περισσότεροι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι ο χώρος επεκτάθηκε εκθετικά στην αρχή του Big Bang κατά τη διάρκεια μιας περιόδου που είναι γνωστή ως πληθωρισμός, η οποία καθοδηγείται από ένα διαφορετικό είδος σκοτεινής ενέργειας από εκείνη που υπάρχει σήμερα. Τέτοιες περίοδοι που κυριαρχούνται από σκοτεινή ενέργεια πιστεύεται ότι «συμβαίνουν περιστασιακά σε όλη την ιστορία του σύμπαντος», δήλωσε ο Kamionkowski.

Τροποποιημένη βαρύτητα

Στο τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας, όλες οι γνωστές μορφές ύλης και ακτινοβολίας, καθώς και η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, τροφοδοτούνται με τη θεωρία βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και οι εξισώσεις του Αϊνστάιν δείχνουν πώς διαστέλλεται ο χώρος. Αυτό σημαίνει ότι, εκτός από την αλλαγή ή την προσθήκη κοσμικών συστατικών στο μοντέλο, υπάρχει και ένας άλλος τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί μπορούν να τον συνδυάσουν με τον παρατηρούμενο ρυθμό της κοσμικής επέκτασης: «Μπορείτε έτσι να φανταστείτε ότι οι εξισώσεις του Αϊνστάιν δεν είναι σωστές», είπε ο Loeb.

Το εκπληκτικό είναι ότι ακόμη και με αυτές τις προσθήκες ad hoc, είναι ακόμα πολύ δύσκολο να αντιμετωπιστεί η ασυμφωνία.

Λίζα Ράνταλ

Ο William Barker , διδακτορικός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, έψαχνε για μια θεωρία «τροποποιημένης βαρύτητας» το περασμένο καλοκαίρι όταν σκόνταψε σε έναν τρόπο να λύσει την τάση του Χαμπλ. Ο Barker βρήκε ένα μοντέλο τροποποιημένης βαρύτητας που «ήταν ικανό να συμπεριφέρεται σαν να υπήρχε επιπλέον ακτινοβολία στο πρώιμο σύμπαν», είπε. η πίεση της ακτινοβολίας θα είχε αυξήσει την κοσμική ταχύτητα διαστολής.

Όμως, σε ένα προσχέδιο που υποβλήθηκε στο Physical Review D τον Μάρτιο, ο Barker και τρεις συν-συγγραφείς αναγνωρίζουν ότι απαιτείται πολύ περισσότερη ανάλυση για να δούμε αν το μοντέλο μπορεί να περιγράψει όχι μόνο πώς επεκτείνεται το σύμπαν, αλλά και το πώς εξελίχθηκαν δομές όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη.

Με τα σύγχρονα τηλεσκόπια που προσφέρουν μια πληθώρα εντυπωσιακά ακριβών δεδομένων για τέτοιες δομές, η επινόηση μιας θεωρίας που να αιριάζει με όλες τις παρατηρήσεις δεν είναι καθόλου επίτευγμα. «Πολλές από τις θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας δεν είναι πλήρεις θεωρίες και όταν προσπαθείτε να κάνετε έναν λεπτομερή υπολογισμό με εξελιγμένα σύνολα δεδομένων… είναι δύσκολο να το κάνετε με έναν ισχυρό τρόπο», δήλωσε ο Kamionkowski.

Περίμενε και θα δεις

«Όλοι γνωρίζουμε ότι είναι ad hoc (επί τούτο ή για κάποιο σκοπό)», δήλωσε η Randall για τις προτάσεις μέχρι στιγμής. “Το εκπληκτικό είναι ότι ακόμη και με αυτές τις ad hoc προσθήκες, είναι ακόμα πολύ δύσκολο να αντιμετωπιστεί η ασυμφωνία.”

Ακόμη και με την επιπλέον ελευθερία, τα περισσότερα από τα μη τυποποιημένα μοντέλα μειώνουν μόνο την τάση του Hubble αντί να την εξαλείφουν. Προβλέπουν έναν ταχύτερο ρυθμό κοσμικής επέκτασης από το τυπικό μοντέλο, αλλά εξακολουθεί να μην είναι αρκετά γρήγορο για να ταιριάζει με τις παρατηρήσεις των σουπερνόβα και άλλων αστρονομικών αντικειμένων.

Τα επόμενα χρόνια, το τηλεσκόπιο Euclid (που θα είναι ένα διαστημικό τηλεσκόπιο στο ορατό φάσμα έως το εγγύς υπέρυθρο που σχεδιάζεται να πετάξει το 2022 από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος. Ο στόχος της αποστολής Euclid είναι η καλύτερη κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης με ακριβή μέτρηση της επιτάχυνσης του σύμπαντος) και άλλα θα χαρτογραφήσουν σχολαστικά πώς η βαρύτητα και η σκοτεινή ενέργεια έχουν διαμορφώσει την κοσμική εξέλιξη. Εν τω μεταξύ, τα κύματα βαρύτητας που εκπέμπονται από τα αστέρια νετρονίων που συγκρούονται προσφέρουν έναν νέο τρόπο μέτρησης της σταθεράς του Χαμπλ . Τα νέα δεδομένα θα αποκλείσουν μερικές από αυτές τις νέες λύσεις για την τάση του Χαμπλ, αλλά ενδέχεται να εμφανιστούν νέες ρωγμές στο πρότυπο μοντέλο.

Προς το παρόν, πολλοί κοσμολόγοι διστάζουν να περιπλέξουν το μοντέλο όταν διαφορετικά λειτουργεί τόσο καλά. «Υπάρχει μια αίσθηση αναμονής και βλέπουμε, εκτός εάν κάποιος έχει μια πολύ καλή ιδέα», δήλωσε η Randall.

Πρόσθεσε ότι ακόμη και αν η τάση του Χαμπλ αποδειχθεί ότι δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια συσσώρευση σφαλμάτων, αυτή η αναζήτηση νέας φυσικής μπορεί να μην είναι μάταιη.

«Τα ενδιαφέροντα αποτελέσματα περιστασιακά προέρχονται από πράγματα που εξαφανίζονται τελικά», είπε ο Randall. «Σας αναγκάζει να σκεφτείτε: Τι ξέρουμε; Και πόσο μπορούμε να αλλάξουμε τα πράγματα; “

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share