Φυσικοί επιτίθενται στο κοσμολογικό μοντέλο

Από σελίδα του PhysicsWeb, 6 Φεβρουαρίου 2004

Πολλοί αστρονόμοι θεωρούν ότι το σύμπαν κυριαρχείται από τη ψυχρή "σκοτεινή ύλη" και τη "σκοτεινή ενέργεια" - μια άποψη που έχει επιβεβαιωθεί από τις πρόσφατες μετρήσεις στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Τώρα, όμως, μια ομάδα αστροφυσικών στη Βρετανία βρήκε ότι αυτή η ακτινοβολία - η μικροκυματική 'ηχώ' της Μεγάλης Έκρηξης - μπορεί στην πραγματικότητα να έχει τροποποιηθεί ή να έχει 'αλλοιωθεί', καθώς διερχόταν μέσω των σμηνών των γαλαξιών για να φθάσει στη Γη. Το αποτέλεσμα αυτού του γεγονότος θα μπορούσε να υπονομεύσει τα προηγούμενα στοιχεία και για την σκοτεινή ύλη και για την ενέργεια (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 347 L67)

Το κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων (CMB) μας δίνει μια εικόνα του σύμπαντος όταν αυτό είχε ηλικία μόνο 380.000 χρόνων. Την εποχή εκείνη, το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά και έτσι κατάφεραν τα άτομα να σχηματιστούν, που σημαίνει ότι δεν υπήρχαν πλέον ελεύθερα ηλεκτρόνια για να σκεδάσουν τα φωτόνια που παρήχθησαν στο σύμπαν τις πρώτες του στιγμές. Οποιεσδήποτε μεταβολές ή ανισοτροπία στη θερμοκρασία της ακτινοβολίας υποβάθρου επομένως, απεικονίζουν τις μεταβολές στην πυκνότητα στις διάφορες περιοχές του σύμπαντος εκείνη την εποχή.

Οι θερμοκρασιακές αυτές διακυμάνσεις μπορούν να εκφραστούν ως άθροισμα σφαιρικών αρμονικών, και οι αστροφυσικοί σχεδιάζουν ένα διάγραμμα της σχετικής έντασης αυτών των αρμονικών ως συνάρτηση της γωνίας. Το ύψος και η θέση των κορυφών σ' αυτό το διάγραμμα που λέγεται "φάσμα ισχύος" σχετίζονται με βασικές αστροφυσικές ιδιότητες του σύμπαντος.

Θερμοκρασιακές μεταβολές της CMB σε όλο τον ουρανό (a). Όταν οι ερευνητές αναλύου περιοχές αυτού του χάρτη χρησιμοποιούν κατάλληλα φίλτρα για να δείξουν πως μεταβάλλεται η θερμοκρασία της ακτινοβολίας στις διάφορες κλίμακες. Οι μεταβολές είναι μόλις παρατηρήσιμες στις τεράστιες κλίμακες που αντιστοιχούν σε περιοχές που εκτείνονται κατά 30^ο στον ουρανό (c), και στις μικρές κλίμακες με έκταση ενός δεκάτου της μοίρας (e). Οι θερμοκρασιακές διαφορές είναι όμως τελείως ευδιάκριτες για περιοχές με έκταση μιας περίπου μοίρας (d). η πρώτη κορυφή στο φάσμα αποκαλύπτει τις συμπιέσεις και αραιώσεις που προκλήθηκαν από το θεμελιώδες κύμα στο αρχικό σύμπαν. Οι άλλες κορυφές είναι αποτέλεσμα των αρμονικών.

Τα δεδομένα του πρώτου χρόνου λειτουργίας του δορυφόρου Ανιχνευτή Μικροκυματικής Ανισοτροπίας Wilkinson, της NASA (WMAP) που αποκαλύφθηκαν τον Φεβρουάριο του 2003, υποστηρίζουν το τωρινό δημοφιλές μοντέλο του σύμπαντος. Το μοντέλο αυτό προβλέπει ότι το σύμπαν είναι ένα μίγμα από 5% συνήθη ύλη, 25% μη ανιχνεύσιμη σκοτεινή ύλη, και 70% σκοτεινή ενέργεια - η φύση της οποίας είναι άγνωστη.

Τώρα ο Tom Shanks και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο του Durham εκτέλεσαν μια νέα ανάλυση των δεδομένων του WMAP κοιτάζοντας σε θέσεις του ουρανού όπου αφθονούν τα γαλαξιακά σμήνη. Βρήκαν ότι οι θέσεις αυτών των σμηνών γενικά συνέπιπταν με τις θέσεις χαμηλών θερμοκρασιών στα δεδομένα μικροκυματικής ακτινοβολίας. 

Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι θερμά αέρια εντός των γαλαξιακών σμηνών είχαν σκεδάσει τα μικροκύματα της κοσμικής ακτινοβολίας και παραμόρφωναν έτσι το φάσμα της. Το φαινόμενο αυτό που λέγεται φαινόμενο Sunyaev-Zeldovich μπορεί να ελαττώσει τη θερμοκρασία του υποβάθρου μικροκυμάτων και οι φυσικοί του προγράμματος WMAP έχουν και οι ίδιοι ήδη αναφέρει ένα παρόμοιο φαινόμενο που παρατηρήθηκε κοντά στα κέντρα των γαλαξιακών σμηνών. 

Ο Shanks και οι συνεργάτες του τώρα πιστεύουν ότι η παραμόρφωση αυτή θα μπορούσε να εκτείνεται μέχρι κλίμακες 1⁰ στον ουρανό - μια περιοχή πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που έχει παρατηρηθεί το φαινόμενο Sunyaev-Zeldovich τώρα. Αυτό θα σήμαινε ότι η πρώτη και υψηλότερη κορυφή στο φάσμα ισχύος θα μπορούσε να επηρεαστεί. Έως τώρα το φαινόμενο Sunyaev-Zeldovich είχε παρατηρηθεί μόνο για πολύ μικρότερες γωνίες. "Επειδή η πρώτη κορυφή είναι εκείνη που φαίνεται να υποστηρίζει το μοντέλο του σύμπαντος με την ψυχρή σκοτεινή ύλη, κάθε πρόβλημα σ' αυτήν θα μπορούσε τελικά να εξασθενίσει την ένδειξη για ένα σύμπαν που περιέχει σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια" λέει ο Shanks. 

Η ομάδα τώρα σχεδιάζει να ερευνήσει για το φαινόμενο αυτό σε πιο απομακρυσμένα γαλαξιακά σμήνη χρησιμοποιώντας κι άλλα δεδομένα από τον WMAP και τον Planck Surveyor, ένα δορυφόρο που σχεδιάζεται να τεθεί σε τροχιά μέσα στην τρέχουσα δεκαετία.