Οι αστρονόμοι με τη βοήθεια των δεδομένων που πήραν πρόσφατα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, λένε ότι ανακάλυψαν μια απόκλιση μεταξύ των δύο βασικών τεχνικών για τη μέτρηση του ρυθμού επέκτασης του σύμπαντος. Η πρόσφατη μελέτη που μέτρησε ξανά τη σταθερά H του Hubble, 74 km/sec/Megaparsec, και μείωσε έτσι την αβεβαιότητα, ενισχύει όμως την υπόθεση ότι ίσως χρειαστούν νέες θεωρίες για να εξηγήσουν τις δυνάμεις που έχουν διαμορφώσει τον Κόσμο.
Αυτή η εικόνα δείχνει τα τρία βασικά βήματα που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να υπολογίσουν πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν με την πάροδο του χρόνου, μια τιμή που ονομάζεται σταθερά Hubble. Όλα τα βήματα περιλαμβάνουν την οικοδόμηση μιας ισχυρής “κοσμικής κλίμακας αποστάσεων”, ξεκινώντας με τη μέτρηση των ακριβών αποστάσεων των Κηφείδων σε κοντινούς μας γαλαξίες (Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου) και μετά μετακινούμενοι σε γαλαξίες ολοένα και μακρύτερα (που περιέχουν σουπερνόβα τύπου Ia και μεταβλητά αντικείμενα – κηφείδες). Αυτή η «κλίμακα» είναι μια σειρά μετρήσεων διαφορετικών ειδών αστρονομικών αντικειμένων με εγγενή φωτεινότητα που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι ερευνητές για τον υπολογισμό των αποστάσεων.
Το σύμπαν μεγαλώνει κάθε στιγμή και επομένως ο χώρος μεταξύ των γαλαξιών εκτείνεται, όπως και η ζύμη που ανεβαίνει στο φούρνο. Αλλά πόσο γρήγορα επεκτείνεται το σύμπαν; Καθώς το Hubble και άλλα τηλεσκόπια προσπαθούν να απαντήσουν σε αυτή την ερώτηση, έχουν καταλήξει σε μια ενδιαφέρουσα διαφορά ανάμεσα σε αυτό που οι επιστήμονες προβλέπουν και αυτό που παρατηρούν.
Έτσι οι μετρήσεις του Hubble υποδεικνύουν ένα ταχύτερο ρυθμό διαστολής στο σύγχρονο σύμπαν από το αναμενόμενο, με βάση το πώς εμφανίστηκε το σύμπαν πριν από πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτές οι τελευταίες μετρήσεις του πρώιμου σύμπαντος προέρχονται από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA). Αυτή η διαφορά ανάμεσα στις μετρήσεις του Hubble και του Planck, έχει εντοπιστεί σε επιστημονικές δημοσιεύσεις τα τελευταία χρόνια, αλλά δεν είναι σαφές αν οι διαφορές οφείλονται στις τεχνικές της μέτρησης ή αν η διαφορά μπορεί να οφείλεται σε ατυχείς μετρήσεις.
Η μέτρηση της διαστολής με το Planck έδωσαν ένα ρυθμό επέκτασης περίπου 67,7 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec – που σημαίνει ότι ένας γαλαξίας που είναι 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, απομακρύνεται άλλα 67,7 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο.
Τα πιο πρόσφατα δεδομένα του Hubble μειώνουν την πιθανότητα ότι η διαφορά να είναι μόνο 1 στις 100.000. Αυτό είναι ένα σημαντικό κέρδος από μια προηγούμενη εκτίμηση, λιγότερο από ένα χρόνο πριν, που είχαμε τότε πιθανότητα 1 στις 3.000.
Αυτές οι νέες πιο ακριβείς μετρήσεις του Hubble μέχρι σήμερα, ενισχύουν την ιδέα ότι μπορεί να χρειαστεί μια νέα φυσική για να εξηγήσουμε την αναντιστοιχία.
«Η τιμή της σταθεράς του Hubble μεταξύ πρώιμου και του σημερινού σύμπαντος μπορεί να είναι η πιο συναρπαστική εξέλιξη της κοσμολογίας εδώ και δεκαετίες», δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής και ο βραβευμένος με Νόμπελ Adam Riess τ. “Αυτή η αναντιστοιχία έχει ακόμα μεγαλώσει και έχει πλέον φθάσει σε ένα σημείο το οποίο είναι πραγματικά αδύνατο να απορριφθεί ως τυχαία μέτρηση. Αυτή η ανομοιομορφία δεν θα μπορούσε να συμβεί εύλογα μόνο τυχαία”.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια “κοσμική κλίμακα απόστασης” για να καθορίσουν πόσο μακριά είναι τα πράγματα στο σύμπαν. Αυτή η μέθοδος εξαρτάται από την ακριβή μέτρηση των αποστάσεων σε κοντινούς γαλαξίες και στη συνέχεια τη μετάβαση προς τους πιο μακρινούς γαλαξίες και ακόμα πιο μακριά, χρησιμοποιώντας κάποια αστέρια (κηφείδες ή σουπερνόβα) ως δείκτες της απόστασης. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν αυτές τις τιμές, μαζί με άλλες μετρήσεις του φωτός των γαλαξιών που αναμιγνύονται καθώς αυτό διέρχεται από ένα σύμπαν που εκτείνεται, για να υπολογίσει πόσο γρήγορα ο Κόσμος εξελίσσεται με το χρόνο, μια τιμή γνωστή ως σταθερά του Hubble. Ο Riess και η ομάδα του βρίσκονται σε αναζήτηση από το 2005 για να βελτιώσουν αυτές τις μετρήσεις απόστασης με το Hubble και να τελειοποιήσουν τη σταθερά του Hubble.
Σε αυτή τη νέα μελέτη, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το Hubble για να παρατηρήσουν 70 παλλόμενα αστέρια – τους μεταβλητούςς Κηφείδες στο Μεγάλο Μαγγελανικό Νέφος. Οι παρατηρήσειςαυτές βοήθησαν τους αστρονόμους να “ανοικοδομήσουν” την κλίμακα απόστασης βελτιώνοντας τη σύγκριση μεταξύ αυτών των Κηφειδών και των πιο απομακρυσμένων Κηφειδών, που βρίσκονται στους γαλαξίες που φιλοξενούν σουπερνόβα Ia. Η ομάδα λοιπόν του Riess μείωσε την αβεβαιότητα στη σταθερή τιμή του Hubble στο 1,9% από προηγούμενη εκτίμηση 2,2%.
Καθώς οι μετρήσεις της ομάδας έγιναν ακριβέστερες, ο υπολογισμός της σταθεράς Hubble έρχεται και πάλι σε αντίθεση με την αναμενόμενη τιμή που όμως προέκυψε από τις παρατηρήσεις της επέκτασης του πρώιμου σύμπαντος, που έγιναν από τον δορυφόρο Planck της ESA, ο οποίος χαρτογραφεί το Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο, ένα λείψανο του Big Bang 380.000 χρόνια μετά από αυτό.
Οι μετρήσεις τους έχουν ελεγχθεί διεξοδικά, οπότε οι αστρονόμοι δεν μπορούν σήμερα να απορρίψουν το χάσμα μεταξύ των δύο αποτελεσμάτων (μεταξύ των Κηφειδών από το Hubble και του Planck) λόγω του σφάλματος σε οποιαδήποτε μεμονωμένη μέτρηση ή μέθοδο. Και οι δύο τιμές έχουν δοκιμαστεί με πολλούς τρόπους.
“Δεν είναι μόνο δύο πειράματα που διαφωνούν,” εξήγησε ο Riess. «Μετράμε κάτι θεμελιωδώς διαφορετικό: το ένα είναι μια μέτρηση του πόσο γρήγορα το σύμπαν επεκτείνεται σήμερα, όπως το βλέπουμε, ενώ το άλλο είναι μια πρόβλεψη που βασίζεται στη φυσική του πρώιμου σύμπαντος (Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο) και σε μετρήσεις του πόσο γρήγορα θα έπρεπε να επεκτείνεται .Αν αυτές οι τιμές δεν συμφωνούν, γίνεται πολύ πιθανή η έλλειψη κάποιου άγνωστου στο κοσμολογικό μοντέλο που συνδέει τις δύο εποχές. “
Η νέα εκτίμηση της σταθεράς Hubble είναι 74 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και ανά Megaparsec. Αυτό σημαίνει ότι για κάθε 3,3 εκατομμύρια έτη φωτός που είναι ένας γαλαξίας από εμάς, φαίνεται να απομακρύνεται από μας 74 χιλιόμετρα / δευτερόλεπτο, ως αποτέλεσμα της επέκτασης του σύμπαντος. Ο αριθμός αυτός δείχνει ότι το σύμπαν επεκτείνεται με ρυθμό 9% γρηγορότερο από την πρόβλεψη των 67 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο και ανά megaparsec, που προέρχεται από τις παρατηρήσεις του Planck για το πρώιμο σύμπαν, σε συνδυασμό με την παρούσα κατανόηση του σύμπαντος.
Τι θα μπορούσε να εξηγήσει αυτή την ασυμφωνία;
Μια εξήγηση για την αναντιστοιχία συνεπάγεται μια απροσδόκητη εμφάνιση σκοτεινής ενέργειας στο νεαρό σύμπαν, το οποίο θεωρείται ότι περιέχει σήμερα το 70% του περιεχομένου του σύμπαντος. Προτεινόμενη από τους αστρονόμους του Johns Hopkins, η θεωρία ονομάζεται “πρώιμη σκοτεινή ενέργεια” και υποδηλώνει ότι το σύμπαν εξελίχθηκε σαν παιχνίδι τριών πράξεων.
Οι αστρονόμοι έχουν ήδη υποθέσει ότι η σκοτεινή ενέργεια υπήρχε κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξηγ και ώθησε την ύλη σε όλο το χώρο, ξεκινώντας την αρχική επέκταση. Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί επίσης να είναι ο λόγος για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος σήμερα. Η νέα θεωρία υποδηλώνει ότι υπήρξε ένα τρίτο επεισόδιο σκοτεινής ενέργειας πολύ λίγο μετά το Big Bang, το οποίο επέκτεινε το σύμπαν ταχύτερα από ό, τι είχαν προβλέψει οι αστρονόμοι. Η ύπαρξη αυτής της “πρώιμης σκοτεινής ενέργειας” θα μπορούσε να εξηγήσει την διαφορά μεταξύ των δύο σταθερών τιμών του Hubble, δήλωσε ο Riess.
Μια άλλη ιδέα είναι ότι το σύμπαν περιέχει ένα νέο υποατομικό σωματίδιο που ταξιδεύει κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτά τα σύντομα σωματίδια ονομάζονται συλλογικά “σκοτεινή ακτινοβολία” και περιλαμβάνουν προηγουμένως γνωστά σωματίδια όπως τα νετρίνα, τα οποία δημιουργούνται σε πυρηνικές αντιδράσεις και ραδιενεργές διασπάσεις.
Ακόμη μια άλλη ελκυστική πιθανότητα για την παρατηρούμενη διαφορά είναι ότι η σκοτεινή ύλη (μια αόρατη μορφή ύλης που δεν αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια) αλληλεπιδρά ισχυρότερα με την κανονική ύλη ή την ακτινοβολία από ό, τι είχε προηγουμένως υποτεθεί.
Αλλά η αληθινή εξήγηση είναι ακόμα ένα μυστήριο.
Ο Riess δεν έχει απάντηση σε αυτό το πρόβλημα, αλλά η ομάδα του θα συνεχίσει να χρησιμοποιεί το Hubble για να μειώσει τις αβεβαιότητες στη σταθερά Hubble. Στόχος τους είναι να μειώσουν την αβεβαιότητα στο 1% από το 1,9%, γεγονός που θα βοηθήσει τους αστρονόμους να εντοπίσουν την αιτία της ασυμφωνίας.
