Εξετάζοντας τις Δομές Μεγάλης Κλίμακας του Σύμπαντος

Πηγή: Universe Today, 11 Μαρτίου 2005

Χάρις στα στοιχεία που συλλέχθηκαν από το δορυφόρο WMAP της NASA το 2001 και το 2002, συν τη σκληρή εργασία των αστροφυσικών, ξέρουμε τώρα ότι το Σύμπαν είναι 13,7 δισεκατομμυρίων ετών - συν ή πλην μερικά εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Και χάρις στον τρόπο που τα απόμακρα σμήνη των γαλαξιών αλληλεπίδρασαν με τη Μικροκυματική Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMBR), περίπου, πριν 7 δισεκατομμύρια χρόνια, θα μπορούμε σύντομα βρούμε τι συνέβαινε στο απώτατο παρελθόν, καθώς και για τις ανωμαλίες στο σχήμα του σύμπαντος όπως αυτό είναι σήμερα.

Σύμφωνα με τον αστροφυσικό Naoki Seto του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας, "οι μεγάλες γωνιώδεις διακυμάνσεις της CMBR περιέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τις πολύ μεγάλες χωρικής κλίμακας διακυμάνσεις, αλλά αυτές 'μολύνονται' επίσης από τη (και λιγότερο ενδιαφέρουσα) μικρή χωρικής κλίμακας δύναμη. Επομένως, εάν μπορέσουμε να αφαιρέσουμε την επίδραση της μικρής κλίμακας, μπορούμε να πάρουμε μια καθαρότερη εικόνα των ενδεχομένως ανώμαλων χαρακτηριστικών γνωρισμάτων του σύμπαντος."

Τα στοιχεία όμως από το δορυφόρο WMAP δεν είναι και τόσο χρήσιμα όπως έρχονται, γιατί περιέχουν και μικρές άχρηστες λεπτομέρειες. Αν και αποκαλύπτουν μικρές σχετικά διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην ακτινοβολία CMBR πάνω στον ουρανό, αυτές οι διακυμάνσεις συνδέονται συνήθως με τη σκέδαση της ακτινοβολίας CMBR από την "κοντινή" ύλη. Κατά συνέπεια "μολύνονται" από την επεκτατική επίδραση της σκοτεινής ενέργειας η οποία σχετίζεται με γαλαξίες, που βρίσκονται σε αποστάσεις αρκετών δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Από αστρονομική άποψη, οι διακυμάνσεις της CMBR προκαλούνται από επιδράσεις σε μικρή απόσταση από μας. Τελικά ο στόχος είναι να φανεί η "μεγάλη εικόνα" ολόκληρου του Σύμπαντος. Όλο το θέμα είναι τελικά ζήτημα κλίμακας.

Και τι θα μάθουμε τελικά για το Σύμπαν αν βασιστούμε σε τέτοιες παραλλαγές μεγάλης κλίμακας; "Μπορούμε να μελετήσουμε ενδιαφέρουσες συμπεριφορές του πληθωρισμού που μπορούσε να παράγει σπέρματα μικρών διαταραχών της κοσμικής δομής, όπως είναι οι γαλαξίες", λέει ο Naoki.

Αρχικά, μια περίεργη μορφή ενέργειας εξουσίαζε το σύμπαν (κατά τη διάρκεια της φάσης του υπερβολικού πληθωρισμού). Σε αυτήν την περίοδο η ελκτική επίδραση της ύλης δεν ήταν σημαντική και η συμπαντική σφαίρα επεκτάθηκε απίστευτα γρήγορα. Αργότερα καθώς η ύλη άρχισε να εξουσιάζει το σύμπαν, η βαρύτητα έβαλε φρένο στα γεγονότα, η διαστολή του σύμπαντος επιβραδύνθηκε και η σφαίρα θα μπορούσε να σταματήσει να διαστέλλεται. Αλλά μετά από την επιβράδυνση αυτή, μια άλλη κοσμική μηχανή - η μυστήρια σκοτεινή ενέργεια - άρχισε να εξουσιάζει το σύμπαν. Η ελκτική δύναμη της βαρύτητας υπερνικήθηκε και το Σύμπαν συνέχισε την επέκταση του, αλλά με ένα πιο ήρεμο ρυθμό. Στη σημερινή εποχή μας, οι μελέτες του φωτός των απόμακρων σουπερνοβών έχουν δείξει ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται και πάλι. Ζούμε σε μια εποχή του καθολικού πληθωρισμού και οι ερωτήσεις για τον πληθωρισμό, μαζί με τη δυνατότητα της σκοτεινής ενέργειας, η οποία τον οδηγεί, μπορούν να απαντηθούν καλύτερα αν μελετήσουμε τους προηγούμενους κύκλους της πιο αργής διαστολής.

Ο Naoki και η Elena Pierpaoli του Caltech ελπίζουν να εξαλείψουν τα αποτελέσματα της σκοτεινής ενέργειας μελετώντας την πόλωση της μικροκυματικής ακτινοβολίας που φθάνει στο ηλιακό σύστημά μας από την κατεύθυνση των παλαιότερων σμηνών των γαλαξιών. Μια δυνατότητα που υπάρχει είναι να χρησιμοποιηθεί ο μελλοντικός διάδοχος  του διαστημοπλοίου WMAP,   με πολύ υψηλή ανάλυση για να συλλέξει την μικροκυματική ακτινοβολία από περιοχές, όπου η ακτινοβολία CMBR σκεδάστηκε κάποτε από τα μακρινά νέφη των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο διάστημα. Επειδή η σκέδαση των ηλεκτρονίων εμφανίζεται φυσικά εκεί όπου υπάρχει ύλη, ιδανικοί υποψήφιοι για να βρούμε τη μικροκυματική ακτινοβολία είναι τα σμήνη των γαλαξιών. Το πρόβλημα είναι ότι τέτοια σμήνη πρέπει να είναι αρκετά μακριά για να μας δώσουν την εικόνα της σκέδασης, όπως ήταν πολύ καιρό πριν. Με το να εστιάσουμε σε σμήνη γαλαξιών, επτά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, θα μπορούσαμε να δούμε την CMBR όπως αυτή εμφανίστηκε από τα σμήνη όταν το Σύμπαν ήταν στο μισό της σημερινής ηλικίας του. Έτσι, η σκοτεινή ενέργεια δεν θα ήταν τόσο ισχυρή όπως παρουσιάζεται τώρα.

Η εικόνα που θα παίρναμε τότε θα μπορούσε να μας δώσει σημαντικές ενδείξεις σχετικά με τις ιδέες που βγαίνουν από την ομάδα του προγράμματος WMAP. Υπάρχει μια πιθανότητα, στις πολύ μεγαλύτερες κλίμακες, το Σύμπαν να είναι αρκετά διαφορετικό από αυτό που πιστεύουμε σήμερα. "Πολύ χοντρικά", λέει ο Naoki, "αναμέναμε ότι δεν θα υπήρχε κανένα χαρακτηριστικό μήκος για το σύμπαν της μεγάλης κλίμακας. Αυτό περιλαμβάνει το χωρικό φάσμα των διακυμάνσεων και το σχήμα του σύμπαντος".

Κι άλλοι ερευνητές έχουν αποφασίσει να χρησιμοποιήσουν τα σμήνη των γαλαξιών για να εξετάσουν δομές μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν. Αλλά αυτοί οι ερευνητές δεν ήταν πεπεισμένοι ότι αυτή η προσέγγιση θα λειτουργούσε. Ο Naoki και η Έλενα βρήκαν δύο σημαντικούς παράγοντες που δεν είχαν τονιστεί στις πρώτες μελέτες. Κατ' αρχάς, συνέδεσαν τις ασαφείς διακυμάνσεις μικρής κλίμακας στην ανισοτροπία της CMBR με την επίδραση της σκοτεινής ενέργειας, που ως γνωστό σχετίζεται με τη σημερινή φάση της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος. Δεύτερον, καθόρισαν ότι αυτή η ασάφεια θα μπορούσε να ελαχιστοποιηθεί αν γινόταν εκμετάλλευση των αποτελεσμάτων της σκέδασης, όπως δημιουργήθηκαν από τα σμήνη των γαλαξιών κάπου 7 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αυτές οι δύο ιδέες μαζί θα μπορούσαν να βοηθήσουν ώστε να δούμε της μεγαλύτερης κλίμακας συμπαντικές δομές.

Δυστυχώς δεν είναι δυνατό με τον δορυφόρο WMAP να επιτευχθεί ο βαθμός ανάλυσης που απαιτείται για να παρουσιαστούν οι δομές μεγαλύτερης κλίμακας που κρύβονται στα αρχικά στοιχεία. Για αυτόν τον λόγο, μπορεί να περάσουν αρκετά χρόνια προτού συλλεχθούν οι πληροφορίες που απαιτούνται από τους Naoki, την Έλενα και άλλους αστροφυσικούς.

Το επόμενο διαστημόπλοιο που σχεδιάζεται να πετάξει γι αυτό το σκοπό είναι το Planck της ESA το 2007. Παρά την μεγάλη ευαισθησία και την ανάλυση του Planck, τα σήματα που απαιτούνται είναι τόσο ασθενή που θα είναι δύσκολο να αποβληθούν άλλα ξένα σήματα, από αυτά που προέρχονται από τα απόμακρα σμήνη των γαλαξιών. Εντούτοις, μελλοντικά επίγεια όργανα, όπως είναι τα ACT, APEX-SZm, και SPT, μπορούν να δώσουν το άνοιγμα που απαιτείται για να αναλύσουμε περιοχές γωνίας 1 λεπτού,  οι οποίες αντιστοιχούν σε δομές της μεγαλύτερης κλίμακας του σύμπαντος. Το τηλεσκόπιο Atacama των Cornell-Caltech (CCAT) - ένα όργανο μεγέθους 25 μέτρων που θα συλλαμβάνει κύματα της τάξεως των χιλιοστών, βρίσκεται αυτήν την περίοδο σε μελέτη σκοπιμότητας - θα μπορούσε να είναι τόσο ευαίσθητο γι αυτά τα αποτελέσματα. Το CCAT αναμένεται να συλλέξει τα πρώτα φωτόνια στις αρχές της επόμενης δεκαετίας. Ένα τέτοιο όργανο πρέπει να είναι σε θέση να αναλύσει σήματα που προέρχονται από πηγές γωνιακής απόστασης 0,5 του λεπτού ή το 1/60 της διαμέτρου του φεγγαριού.

Και οποία ειρωνεία! Για να χαρτογραφήσουμε τις μεγαλύτερης κλίμακας δομές των παρελθόντων 7 δισεκατομμυρίων ετών θα πρέπει να είμαστε ακόμα σε θέση να δούμε μερικές λεπτομέρειες στην μικροκυματική ακτινοβολία, που σήμερα τις θεωρούμε άχρηστες.