Το Σύμπαν ζυγίστηκε και βρέθηκε "ελλειποβαρές"

Από σελίδα του Αγγλο-Αυστραλιανού Παρατηρητηρίου 8-Μαρτίου-2001

Μόνο το 35% του περιεχομένου του Σύμπαντος είναι στη μορφή της ύλης, σύμφωνα με ευρήματα που δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature, από αστρονόμους του Αγγλο-Αυστραλιανού Παρατηρητηρίου της Αυστραλίας. Το υπόλοιπο πιστεύεται πως είναι σε μορφή 'σκοτεινής ενέργειας'. Αυτή η μέτρηση της ύλης, η πιό ακριβής μέχρι τώρα, βασίστηκε σε δεδομένα 141.000 γαλαξιών. Αυτό επιβεβαιώνει άλλες μελέτες που δείχνουν πως το Σύμπαν θα διαστέλεται  συνεχώς επειδή υπάρχει πολύ λίγη μάζα για να επιτρέψει στην βαρύτητα να αντισταθεί στην διαστολή και έτσι να επιβραδυνθεί. Εκτιμούν, μάλιστα, ότι η μέση πυκνότητα της ύλης του σύμπαντος φαίνεται να είναι εξαιρετικά μικρή: μόλις ένα άτομο σε ένα κυβικό μέτρο χώρου.

Η ομάδα αυτή, συνέλεξε επίσης τις καλύτερες μέχρι τώρα αποδείξεις πως οι μεγάλες δομές του Σύμπαντος, τα γιγαντιαία σμήνη γαλαξιών,   εξελίχθησαν κατά τη διάρκεια του χρόνου,   καταρρέοντας κάτω από την επιρροή της βαρύτητας. "Αυτό μας επιτρέπει να ζυγίσουμε το Σύμπαν" τόνισε ο επικεφαλής της ομάδας, καθηγητής  John Peacock του Royal Observatory στο Edinburgh.

Η ομάδα έχει χαρτογραφήσει τώρα περισσότερους από 150.000 και θα φθάσει στο στόχο της για  250.000 γαλαξίες μέχρι το τέλος του έτους, και το νούμερο αυτό, τους καθιστά δέκα φορές περισσότερους από τις προηγούμενες έρευνες.

"Η πυκνότητα της ύλης του κόσμου είναι εξαιρετικά χαμηλή," είπε ο Δρ Matthew Colless του Αυστραλιανού Εθνικό Πανεπιστήμιο, ένας από τους ηγέτες της ομάδας των ερευνών. "Κατά μέσον όρο φαίνεται να υπάρχει ένα άτομο ανά κυβικό μέτρο του διαστήματος."

Το σημαντικότερο συστατικό του Σύμπαντος θεωρείται κάποιο είδος "σκοτεινής ενέργειας", η οποία είναι αυτή που ωθεί το Σύμπαν να χωρίσει."  Η έρευνα αυτή, που λέγεται 2dF, παρουσιάζει σαφώς ότι το ενενήντα τοις εκατό των γαλαξιών κατανέμονται στις επιφάνειες μεγάλων "φυσαλίδων" στο διάστημα, με το υπόλοιπο να περιέχεται σε πυκνές συστάδες.

"Χρησιμοποιούμε τους γαλαξίες σαν ένα ανιχνευτή της μάζας στο Σύμπαν," εξήγησε το μέλος των ομάδων ερευνών, Καθηγητής Richard Ellis του Caltech.  "Από την συνολική ύλη στον κόσμο, η περισσότερη είναι υπό την μορφή "σκοτεινής ύλης", η οποία δεν εκπέμπει καμιά ακτινοβολία, " είπε.

Δεδομένου ότι το Σύμπαν επεκτείνεται, οι γαλαξίες υποχωρούν από μας. Η ταχύτητα απομάκρυνσης ενός γαλαξία είναι ανάλογη με την απόστασή του από μας, έτσι οι ταχύτητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν  για να καθορίσουν τις θέσεις των γαλαξιών στο διάστημα.

Η ομάδα 2dF χρησιμοποίησε τον χάρτη τους, της κατανομής των γαλαξιών, για  να μετρήσει τη συνολική πυκνότητα του σύμπαντος - δηλαδή ποιο ποσοστό του περιεχομένου του Σύμπαντος είναι πραγματική ύλη - με δύο τρόπους.

Στην πρώτη μέθοδο, οι αστρονόμοι σύγκριναν την μετρημένη συγκέντρωση των γαλαξιών στα υπερ-σμήνη με το μέγεθος των μικρών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB), οι οποίες μετρούν τις διακυμάνσεις της πυκνότητας στο πρώϊμο Σύμπαν. Το ποσό της αύξησης στη δομή που απαιτείται για  να ταιριάξει με την συγκέντρωση, απαιτεί σήμερα το Σύμπαν να έχε μια "επίπεδη" γεωμετρία (χωρίς χωρική κυρτότητα), με περίπου το 35% της ενέργειάς του, υπό την μορφή ύλης και περίπου το 65% υπό μορφή "ενέργειας του κενού", που είναι επίσης γνωστή ως σκοτεινή ενέργεια".

Οι αστρονόμοι μέτρησαν επίσης την πυκνότητα της μάζας εξετάζοντας πώς κινούνται οι γαλαξίες κάτω από την επιρροή της βαρύτητας.  Όπως και η ταχύτητα απομάκρυνσης του, ο οποιοσδήποτε γαλαξίας έχει μια ταχύτητα, που την έχει αποκτήσει με την πτώση του, προς άλλες συγκεντρώσεις της μάζας - ορατών γαλαξιών  ή / και σκοτεινής ύλης. Το κλειδί ήταν να αποκτηθεί η μετατόπιση τους προς το ερυθρό. Επειδή το σύμπαν επεκτείνεται (διαστέλεται), το φαινόμενο Doppler αναγκάζει το φως από τα απόμακρα αντικείμενα, να αλλάξει συχνότητα και να μετατοπιστεί προς την πλευρά του κόκκινου χρώματος του φάσματος. Όσο μεγαλύτερη ερυθρή μετατόπιση, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του αντικειμένου.

Βρίσκοντας λοιπόν αυτή την ταχύτητα των γαλαξιών και χρησιμοποιώντας τον παρακάτω τύπο: M=U²R/G, μπορούμε να μετρήσουμε τη μάζα του γαλαξία. Οπου m: η μάζα του, U: η γραμμική ταχύτητα του, R: η ακτίνα της τροχιάς του και G: η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας.

Αυτές οι πρόσθετες ταχύτητες διαστρεβλώνουν τη δομή του χάρτη των ερευνών των γαλαξιών, προς στην εξωτερική κατεύθυνση από τη γη - δηλαδή κατά μήκος της γραμμής που μας συνδέει με τους γαλαξίες.

Μια στατιστική ανάλυση αυτών των κινήσεων των γαλαξιών, δείχνει ότι στις μικρές κλίμακες οι γαλαξίες τυπικά περιφέρονται ο ένας προς τον άλλον, πολύ γρήγορα σε πυκνές ομάδες και συστάδες, αλλά που σε μεγαλύτερες κλίμακες, όλοι οι γαλαξίες πέφτουν μέσα προς τις συγκεντρώσεις της ύλης. Το μέγεθος αυτής της πτώσης  συσχετίζεται άμεσα με το ποσό της ύλης στον κόσμο. Αυτή η μέθοδος δίνει επίσης έναν αριθμό για την πυκνότητα της ύλης, που συμφωνεί καλά με το Τυποποιημένο Κοσμολογικό Πρότυπο. Παρέχει επίσης την πρώτη λεπτομερή επιβεβαίωση του βαρυτικού παραδείγματος αστάθειας για το σχηματισμό μιας μεγάλης κλίμακας δομής.

Τα ευρήματα δημοσιεύονται με τίτλο,  "Μια μέτρηση της κοσμολογικής πυκνότητας της ύλης" στο Nature, Volume 410 Number 6825 Page 169 - 173 (2001).