Το σύμπαν είναι μεγαλύτερο από όσο πιστεύαμε

Πηγή: Πανεπιστήμιο Ohio, 6 Αυγούστου 2006

Ένας αστρονόμος του πολιτειακού πανεπιστημίου του Οχάιο μαζί με τους συνάδελφους του έχουν βρει ότι ο γαλαξίας Τριγωνικός ή M33 όπως είναι γνωστός, είναι στην πραγματικότητα περίπου 15% πιο μακριά από το Γαλαξία μας από όσο προηγουμένως μετρούσαμε.

Η ανακάλυψη αυτή υπονοεί ότι η σταθερά του Hubble H₀, στην οποία στηρίζονται οι αστρονόμοι για να υπολογιστεί ένας πλήθος παραγόντων -- συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους και της ηλικίας του σύμπαντος -- θα μπορούσε να είναι  επίσης σημαντικά λαθεμένη.

Κι αυτό σημαίνει ότι το σύμπαν θα μπορούσε να είναι 15% μεγαλύτερο και 15% παλαιότερο από οποιονδήποτε προηγούμενο υπολογισμό. Έτσι πρέπει η ηλικία του να είναι μεγαλύτερη κατά 2.1 δισ. χρόνια ή 15.8 δισ. ετών.

Οι αστρονόμοι κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα όταν εφηύραν μια νέα μέθοδο για τις διαγαλαξιακές αποστάσεις, που είναι ακριβέστερη και πολύ απλούστερη από τις καθιερωμένες μεθόδους. Ο Kris Stanek, καθηγητής της αστρονομίας στην πολιτεία του Οχάιου, περιγράφει τους υπολογισμούς καθώς και τη μέθοδο σε μια ανακοίνωση του στο Αστροφυσικό Περιοδικό.

Το 1929, ο Edwin Hubble διατύπωσε τον κοσμολογικό νόμο της απόστασης που ορίζει τη σταθερά του Hubble H₀. Οι επιστήμονες έχουν διαφωνήσει για την ακριβή τιμή της σταθεράς για πολλά χρόνια, αλλά η σημερινή τιμή της έχει γίνει αποδεκτή από τους αστρονόμους της δεκαετίας του '50. Αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει άλλες κοσμολογικές παραμέτρους από τότε, αλλά η σταθερά του Hubble και οι σχετικές μέθοδοί της για την απόσταση δεν έχουν αλλάξει.

"Η σταθερά του Hubble ήταν μια παράμετρος που ξέραμε αρκετά καλά, και τώρα έχει μείνει πίσω. Τώρα ξέρουμε μερικά πράγματα αρκετά καλύτερα από τότε που μάθαμε τη σταθερά του Hubble", λέει ο Stanek. Πριν δέκα χρόνια, ακόμη και δεν ξέραμε ότι υπήρχε η σκοτεινή ενέργεια. Τώρα ξέρουμε πόση σκοτεινή ενέργεια υπάρχει -- καλύτερα από όσο ξέρουμε τη σταθερά του Hubble, η οποία είναι εδώ για σχεδόν 80 χρόνια".

Ακόμα, ο Stanek λέει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του δεν άρχισαν αυτήν την εργασία προκειμένου να αλλάξουν την τιμή της σταθεράς του Hubble. Το μόνο που θέλησαν ήταν να βρουν έναν απλούστερο τρόπο για να υπολογιστούν οι αποστάσεις.

Για να υπολογίσουν την απόσταση από τη Γη έως ένα μακρινό γαλαξία με τη βοήθεια της σταθεράς του Hubble, οι αστρονόμοι πρέπει να δουλέψουν με αρκετά σύνθετα βήματα των σχετικών εξισώσεων, και να ενσωματώσουν τις αποστάσεις πιο κοντινών αντικειμένων, όπως το Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου.

"Σε κάθε βήμα συσσωρεύονται λάθη", αναφέρει ο Stanek. "Θελήσαμε να κάνουμε μια ανεξάρτητη μέτρηση της απόστασης -- σε ένα μόνο βήμα που θα βοηθήσει μια μέρα τη μέτρηση της σκοτεινής ενέργειας και άλλων πραγμάτων."

Η νέα μέθοδος κράτησε για να αναπτυχθεί 10 χρόνια. Μελέτησαν το γαλαξία M33 στα οπτικά και υπέρυθρα μήκη κύματος, ελέγχοντας και επανελέγχοντας τις μετρήσεις που έχουν ληφθεί με κανονικό τρόπο σαν δεδομένο. Για το λόγο αυτό χρησιμοποίησαν τηλεσκόπια όλων των μεγεθών, από τα αρκετά μικρά τηλεσκόπια του 1 μέτρου έως τα μεγαλύτερα στον κόσμο -- τα τηλεσκόπια των 10 μέτρων στο παρατηρητήριο Keck στη Χαβάη.

"Έπρεπε να φτάσουμε στα όρια της τεχνολογίας για να κάνουμε αυτήν την εργασία, αλλά η βασική ιδέα είναι πολύ απλή", είπε.

Οι επιστήμονες μελέτησαν δύο από τα φωτεινότερα αστέρια του M33, που είναι μέρη ενός δυαδικού συστήματος, κάτι που σημαίνει ότι τα αστέρια είναι σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο. Όπως φαίνονται από τη Γη, το ένα αστέρι σκιάζει το άλλο κάθε πέντε ημέρες.

Μέτρησαν ύστερα τη μάζα των άστρων, που του είπε πόσο φωτεινά αυτά τα αστέρια θα εμφανίζονταν εάν ήσαν κοντά. Αλλά τα αστέρια εμφανίζονται στην πραγματικότητα πιο αμυδρά, επειδή είναι μακριά. Η διαφορά μεταξύ της εγγενούς φωτεινότητας και της φαινόμενης φωτεινότητας τους έδειξε πόσο μακριά ήταν τα αστέρια  -- με έναν απλό υπολογισμό.

Και προς έκπληξή τους, η απόσταση ήταν 15% πιο μακριά από όσο ανέμειναν: περίπου 3 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, αντί 2,6 εκατομμύρια έτη φωτός όπως καθορίζεται από τη σταθερά του Hubble.

Εάν αυτή η νέα μέτρηση της απόστασης είναι σωστή, τότε η πραγματική τιμή της σταθεράς Hubble μπορεί να είναι 15% μικρότερη --  και ο κόσμος μπορεί να είναι 15% μεγαλύτερος αλλά 15% παλαιότερος -- από όσο προηγουμένως αναμέναμε.

"Το περιθώριο λάθους μας είναι τώρα 6%, που είναι πραγματικά αρκετά καλό", λέει ο Stanek. Μετά, μπορούν να κάνουν τον ίδιο υπολογισμό για ένα άλλο σύστημα αστεριών του M33, για να μειώσουν κι άλλο το λάθος τους, ή μπορούν να εξετάσουν τον κοντινό γαλαξία της Ανδρομέδας. Το είδος των δυαδικών συστημάτων που ψάχνουν είναι σχετικά σπάνιο, είπε ο Stanek, και γι αυτό για να πάρει όλες τις απαραίτητες μετρήσεις για να επαναληφθεί ο υπολογισμός θα διαρκούσε τουλάχιστον άλλα δύο χρόνια.

Ο Edwin Hubble χρησιμοποίησε μια σχέση για τους παλλόμενους μεταβλητούς Κηφείδες το 1924, για να μετρήσει την απόσταση έως τα σπειροειδή νεφελώματα και έδειξε για πρώτη φορά ότι ήταν εξωγαλαξιακά αντικείμενα ενώ ο Γαλαξίας μας, που έχει διάμετρο 100.000 έτη φωτός, είναι ένας ανάμεσα σε αμέτρητους γαλαξίες. Εν τω μεταξύ ο Vesto Slipher χρησιμοποιώντας τη μετατόπιση Doppler των φασματικών γραμμών σε περισσότερους από 40 γαλαξίες, μέτρησε τις ακτινικές ταχύτητες  τους και βρήκε ότι οι περισσότεροι από αυτούς, οι μακρινοί γαλαξίες, απομακρύνονταν από μας. Το φαινόμενο αυτό ονομάστηκε φυγή των γαλαξιών.

Το 1929 ο Hubble συνδύασε τις μετρήσεις που έκανε για τις αποστάσεις των γαλαξιών και εκείνες άλλων ερευνητών (που βασίστηκαν στα φωτεινότερα αστέρια μέσα στους γαλαξίες) με τις ταχύτητες απομάκρυνσης για να ανακαλύψει ότι τα δύο αυτά μεγέθη είναι ανάλογα. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του γαλαξία τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του. Έβγαλε λοιπόν μια σχέση που είναι γνωστή σαν νόμος του Hubble v=H₀d . Η διαστολή του Σύμπαντος είχε ανακαλυφθεί. Ανάλογα επίσης με τη τιμή της σταθεράς H₀ του Hubble, μπορούμε να υπολογίσουμε και την ηλικία του Σύμπαντος.

Ο εναλλακτικός τρόπος για τον υπολογισμό της ηλικίας του Κόσμου είναι να μετρηθεί με ακρίβεια η σταθερά του Hubble Ho, γιατί η σταθερά αυτή είναι ένα μέτρο του σημερινού ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Στην πράξη μας δίνει τον χρόνο που πέρασε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά η τιμή της σταθεράς αυτής εξαρτάται από την ιστορία του ρυθμού διαστολής, που εν συνέχεια εξαρτάται από την τρέχουσα πυκνότητα του σύμπαντος και από τη σύνθεση του σύμπαντος.

Εάν λοιπόν το σύμπαν είναι επίπεδο και αποτελείται κυρίως από συνηθισμένη ύλη τότε η ηλικία του είναι : 2/(3 H_o) , όπου Ho είναι η τιμή της σταθεράς του Hubble.

Αλλά εάν το σύμπαν αποτελείται κατά ένα μικρό ποσοστό από την συνηθισμένη βαρυονική ύλη, τότε ηλικία του είναι μεγαλύτερη: 1/H_o.

Κι αν το σύμπαν περιέχει μια μορφή ύλης παρόμοια με την κοσμολογική σταθερά Λ (σκοτεινή ενέργεια), τότε η ηλικία του σύμπαντος μπορεί να είναι ακόμα μεγαλύτερη.

Οι αστρονόμοι για να μετρήσουν τη σταθερά Hubble χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές. Μέχρι σήμερα, οι καλύτερες εκτιμήσεις για την σταθεράς του Hubble κυμαίνονται από 65 km/sec/Megaparsec ως 80 km/sec/Megaparsec (1 μεγαπαρσέκ ισούται με 3.26 εκατομμύρια έτη φωτός).

Η πιο πιθανή τιμή φαίνεται να είναι περίπου 72 km/sec/Megaparsec. Έτσι, οι αστρονόμοι θεωρούν ότι το πηλίκο 1/Ho (η ηλικία του σύμπαντος) είναι μεταξύ 12 και 14 δισεκατομμυρίων ετών.