Η ιστορία της επιστήμης θα καταγράψει ότι η αναζήτηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος ήταν το μεγάλο Άγιο Δισκοπότηρο της κοσμολογίας του 20ου αιώνα. Χωρίς κανένα παρατηρησιακό στοιχείο για το αν το διάστημα διαστέλλεται, συστέλλεται ή παραμένει σταθερό, δεν θα είχαμε ιδέα για το αν το σύμπαν διαστέλλεται ή συστέλλεται. Επιπλέον, δεν θα είχαμε ιδέα ούτε για την ηλικία του – ή στην πραγματικότητα αν το σύμπαν ήταν αιώνιο.
Η πρώτη πράξη αυτής της αποκάλυψης ήρθε όταν, πριν από έναν αιώνα, ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ ανακάλυψε μυριάδες γαλαξίες έξω από τον Γαλαξία μας. Και εκείνοι οι γαλαξίες δεν έμεναν ακίνητοι. Το Hubble διαπίστωσε ότι όσο πιο μακριά είναι ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς. Αυτό θα μπορούσε να ερμηνευθεί ως μία ομοιόμορφη επέκταση (διαστολή) του χώρου. Ο αστρονόμος Χαμπλ είπε μάλιστα ότι μελέτησε τους γαλαξίες απλώς ως «δείκτες του διαστήματος». Ωστόσο, ποτέ δεν πείστηκε πλήρως για την ιδέα ενός ομοιόμορφα διαστελλόμενου σύμπαντος. Υποψιάστηκε ότι οι μετρήσεις του μπορεί να αποδεικνύουν κάτι άλλο πιο περίεργο που συμβαίνει στο σύμπαν. Κάτι που δεν γνωρίζουμε.
Για χρόνια μετά την αρχική ανακάλυψη του αστρονόμου Hubble, οι αστρονόμοι έχουν κοπιάσει για να βρουν τον πραγματικό ρυθμό διαστολής, που θα μας έδινε μια πραγματική ηλικία για το σύμπαν. Αυτό απαιτούσε την κατασκευή μιας σειράς κοσμικών αποστάσεων, βαθμονομημένων από πηγές (κεριά) – σαν τα σουπερνόβα τύπου Ιa – στις οποίες οι αστρονόμοι έχουν μια λογική εμπιστοσύνη στην εγγενή τους φωτεινότητα. Οι φωτεινότεροι υπερκαινοφανείς και ως εκ τούτου οι πιο απομακρυσμένοι δείκτες είναι οι σουπερνόβα τύπου Ia.
Όταν εκτοξεύτηκε λοιπόν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble το 1990, ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος ήταν τόσο αβέβαιος που η ηλικία του μπορεί να ήταν από 8 δισεκατομμύρια ή μέχρι και 20 δισεκατομμύρια χρόνια.
Μετά από 30 χρόνια σχολαστικής εργασίας χρησιμοποιώντας την εξαιρετική δύναμη παρατήρησης του τηλεσκοπίου Hubble, πολυάριθμες ομάδες αστρονόμων έχουν περιορίσει τον ρυθμό διαστολής με ακρίβεια μόλις πάνω από 1%. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλέψει ότι το σύμπαν θα διπλασιαστεί σε μέγεθος σε 10 δισεκατομμύρια χρόνια από τώρα.
Η μέτρηση είναι περίπου οκτώ φορές πιο ακριβής από την αναμενόμενη ικανότητα του Hubble. Αλλά ταυτόχρονα έγινε και κάτι άλλο, εκτός από το να τελειοποιήσουμε απλώς έναν αριθμό (τον ρυθμό διαστολής). Στο μεσοδιάστημα ανακαλύφθηκε το μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας που αναγκάζει το σύμπαν να διασταλεί. Και για να “παλαβώσουμε” ακόμη περισσότερο, ο σημερινός ρυθμός διαστολής είναι διαφορετικός από ό,τι αναμενόταν, όταν το σύμπαν εμφανίστηκε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Νομίζετε ότι αυτό θα απογοήτευε τους αστρονόμους, αλλά αντίθετα ανοίγει την πόρτα στην ανακάλυψη μιας νέας φυσικής και στην αντιμετώπιση απρόβλεπτων ερωτημάτων σχετικά με τις υποκείμενες λειτουργίες του σύμπαντος. Και, τέλος, υπενθυμίζοντάς μας ότι έχουμε πολλά ακόμα να μάθουμε ανάμεσα στα αστέρια.
Ολοκληρώνοντας έναν μαραθώνιο ερευνών, σχεδόν, 30 ετών, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble έχει βαθμονομήσει περισσότερους από 40 τέτους δείκτες του χώρου και του χρόνου για να βοηθήσει τους επιστήμονες να μετρήσουν με ακρίβεια τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος – μια αναζήτηση που έφτασε τώρα ανατρέποντας τα δεδομένα.
Η αναζήτηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1920 με μετρήσεις από τους αστρονόμους Edwin P. Hubble και Georges Lemaître, οδήγησε το 1998 στην ανακάλυψη της «σκοτεινής ενέργειας», μιας μυστηριώδους απωστικής δύναμης που επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος. Τα τελευταία χρόνια, χάρη σε δεδομένα από το Hubble και άλλα τηλεσκόπια, οι αστρονόμοι βρήκαν και μια άλλη ανατροπή: μια απόκλιση μεταξύ του ρυθμού διαστολής όπως μετρήθηκε στο τοπικό σύμπαν σε σύγκριση με ανεξάρτητες παρατηρήσεις αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, που προβλέπουν διαφορετική τιμή διαστολής.
Η αιτία αυτής της ασυμφωνίας παραμένει μυστήριο. Αλλά τα δεδομένα του Hubble, που περιλαμβάνουν μια ποικιλία κοσμικών αντικειμένων που χρησιμεύουν ως δείκτες απόστασης, υποστηρίζουν την ιδέα ότι κάτι περίεργο συμβαίνει, πιθανώς να περιλαμβάνει ολοκαίνουργια φυσική.
Ο βραβευμένος με Νόμπελ Adam Riess του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, ηγείται μιας επιστημονικής συνεργασίας που διερευνά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, την SHOES. “Για αυτό το λόγο κατασκευάστηκε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, χρησιμοποιώντας τις καλύτερες τεχνικές που γνωρίζουμε για να το κάνουμε. Αυτό είναι πιθανότατα το μεγάλο έργο του Hubble”, είπε ο Riess. .
Η εργασία της ομάδας του Riess, που θα δημοσιευθεί στο Astrophysical Journal αναφέρει την ολοκλήρωση της μεγαλύτερης και πιθανής τελευταίας σημαντικής ενημέρωσης για τη σταθερά του Hubble H0. Τα νέα αποτελέσματα υπερδιπλασιάζουν το προηγούμενο δείγμα δεικτών κοσμικής απόστασης. Η ομάδα του ανέλυσε επίσης όλα τα προηγούμενα δεδομένα, με το σύνολο των δεδομένων να περιλαμβάνει πλέον πάνω από 1.000 τροχιές του Hubble.
Όταν η NASA σχεδίασε το μεγάλο διαστημικό τηλεσκόπιο τη δεκαετία του 1970, μία από τις βασικές δικαιολογίες για το κόστος και την εξαιρετική τεχνική προσπάθεια ήταν να μπορέσει να μελετήσει τους μεταβλητούς Κηφείδες, αστέρια που λάμπουν και εξασθενούν περιοδικά, που φαίνονται μέσα στον Γαλαξία μας αλλά και στους εξωτερικούς γαλαξίες. Οι Κηφείδες ήταν από καιρό το καλύτερο μοντέλο για να υπολογίσουμε κοντινές κοσμικές αποστάσεις, από τότε που ανακαλύφθηκε η χρησιμότητά τους από την αστρονόμο Henrietta Swan Leavitt το 1912. Για να υπολογίσουν όμως πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τα εκρηκτικά αστέρια που ονομάζονται σουπερνόβα τύπου Ia.
Συνδυασμένα, αυτά τα αντικείμενα έχτισαν μια «κλίμακα κοσμικών αποστάσεων» σε όλο το σύμπαν και είναι απαραίτητα για τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος, που ονομάζεται σταθερά Hubble. Αυτή η τιμή της σταθεράς Hubble είναι κρίσιμη για την εκτίμηση της ηλικίας του σύμπαντος και παρέχει ένα βασικό τεστ για την κατανόησή μας για το σύμπαν.
Ξεκινώντας αμέσως μετά την εκτόξευση του Hubble το 1990, το πρώτο σύνολο παρατηρήσεων των Κηφειδών αστεριών με σκοπό να βελτιώσουν την σταθερά του Hubble, πραγματοποιήθηκε από δύο ομάδες: το HST Key Project και μια άλλη από τον Allan Sandage, που χρησιμοποίησαν τους Κηφείδες ως δείκτες κοσμικών αποστάσεων για να βελτιώσουν τη μέτρηση της απόστασης μας από τους κοντινούς γαλαξίες. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι ομάδες δήλωναν “η αποστολή ολοκληρώθηκε” φτάνοντας σε ακρίβεια 10% για τη σταθερά του Hubble, 72 συν ή πλην 8 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec.
Το 2005 και ξανά το 2009, η προσθήκη ισχυρών νέων καμερών στο τηλεσκόπιο Hubble ξεκίνησε τη «2η Γενιά» της συνεχούς έρευνας του Hubble, καθώς οι ομάδες ξεκίνησαν να βελτιώσουν την τιμή με ακρίβεια μόλις 1%. Αυτό έγινε με το πρόγραμμα SHOES. Πολλές ομάδες αστρονόμων που χρησιμοποιούν το Hubble, συμπεριλαμβανομένων του SHOES, έχουν συγκλίνει τώρα σε μια τιμή της σταθεράς του Hubble 73 συν ή πλην 1 χιλιόμετρο ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec. Ενώ άλλες προσεγγίσεις έχουν καταλήξει σε τιμές κοντά στον ίδιο αριθμό.
Η ομάδα SHOES μέτρησε 42 σουπερνόβα τύπου Ia με το Hubble. Επειδή φαίνονται να εκρήγνυνται με ρυθμό περίπου μία ανά έτος, το Hubble έχει καταγράψει όσο το δυνατόν περισσότερους σουπερνόβα για τη μέτρηση της διαστολής του σύμπαντος. Ο Adam Riess είπε γι΄αυτό: “Έχουμε ένα πλήρες δείγμα όλων των σουπερνόβα που είναι προσβάσιμα στο τηλεσκόπιο Hubble που παρατηρήθηκαν τα τελευταία 40 χρόνια.”
Περίεργη Φυσική;
Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είχε προβλεφθεί ότι θα ήταν πιο αργός από αυτό που πραγματικά βλέπει το Hubble. Συνδυάζοντας το Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο του Σύμπαντος και τις μετρήσεις της αποστολής Planck της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (η οποία παρατήρησε την ακτινοβολία λείψανο – το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων 380.000 χρόνια μετά το Big Bang), οι αστρονόμοι προβλέπουν μία χαμηλότερη τιμή για τη σταθερά Hubble: 67,5 συν ή πλην 0,5 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec, σε σύγκριση με την εκτίμηση της ομάδας SHOES για 73 συν ή πλην 1 χιλιόμετρο ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec.
Δεδομένου του μεγάλου μεγέθους δείγματος του Hubble, υπάρχει μόνο μία στο εκατομμύριο πιθανότητες οι αστρονόμοι να κάνουν λάθος λόγω ενός άτυχου υπολογισμού, είπε ο Riess. Αυτό το εύρημα αλλάζει την ωραία και τακτοποιημένη εικόνα της δυναμικής εξέλιξης του σύμπαντος. Οι αστρονόμοι δεν μπορούν να εξηγήσουν την αποσύνδεση μεταξύ του ρυθμού διαστολής του τοπικού σύμπαντος (με τη μέτρηση των Κηφείδων και των σουπερνόβα Ιa) έναντι της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου του αρχέγονου σύμπαντος, αλλά η απάντηση μπορεί να περιλαμβάνει μία άλλη – πρόσθετη φυσική του σύμπαντος.
Για την αιτία των δύο διαφορετικών μετρήσεων, υποστηρίζουν οι επιστήμονες, πιθανότατα θα πρέπει να επαναξιολογήσουμε βασικούς κανόνες της φυσικής.
Τέτοια συγκεχυμένα ευρήματα έχουν κάνει τη ζωή πιο συναρπαστική για τους κοσμολόγους, όπως είναι ο Riess. Πριν από τριάντα χρόνια ξεκίνησαν να μετρούν τη σταθερά του Hubble για να υπολογίσουν το σύμπαν, αλλά τώρα έχει γίνει κάτι ακόμα πιο ενδιαφέρον. «Στην πραγματικότητα, δεν με νοιάζει ποια είναι η τιμή διαστολής συγκεκριμένα, αλλά μου αρέσει να τη χρησιμοποιώ για να μάθω για το σύμπαν», πρόσθεσε ο Riess.
