Ο χάρτης του Γαλαξία υπαινίσσεται ένα φράκταλ σύμπαν

Πηγή: NewScientist, 25 Ιουνίου 2008

Μήπως η ύλη στο σύμπαν είναι οργανωμένη με ένα φράκταλ μοτίβο; Μια νέα μελέτη από σχεδόν ένα εκατομμύριο γαλαξίες δείχνει ότι έτσι είναι - αν και δεν υπάρχουν καλά αποδεκτές θεωρίες για να εξηγήσουν γιατί θα πρέπει να ήταν έτσι.

Οι κοσμολόγοι προσπαθώντας να ανασυνθέσουν την ιστορία ολόκληρου του Σύμπαντος έχουν λίγες πολύτιμες ενδείξεις με τις οποίες επιτρέπεται να εργαστούν. Μία βασική ιδέα είναι ότι η κατανομή της ύλης σε όλο τον χώρο, έχει σμιλευτεί για σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια από τις ανταγωνιστικές δυνάμεις της βαρύτητας και της κοσμικής διαστολής (σκοτεινή ενέργεια). Έτσι, εάν υπάρχει ένα σχεδιάγραμμα , ένα μοτίβο, στον ουρανό, αυτό έχει κωδικοποιημένα τα μυστικά του σύμπαντος.

Σαν μια παρτίδα που διακυβεύεται, η κατανομή της ύλης έχει καταστεί πηγή μιας παθιασμένης συζήτησης μεταξύ εκείνων που λένε ότι η κατανομή είναι ομαλή και ομοιογενής, και εκείνων που λένε ότι είναι ιεραρχικά δομημένη και συσπειρωμένη, σαν ένα φράκταλ.

Σχεδόν όλοι οι φυσικοί συμφωνούν ότι σε σχετικά μικρές κλίμακες η κατανομή είναι σαν φράκταλ: εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια συγκεντρώνονται μαζί για να σχηματίσουν γαλαξίες, οι γαλαξίες κάνουν σμήνη και τα σμήνη σε υπερσμήνη.

Το σημείο της διαφωνίας τους, ωστόσο, είναι τι γίνεται σε ακόμη μεγαλύτερες κλίμακες. Σύμφωνα με τους περισσότερους φυσικούς, αυτή η συσπείρωση της ύλης - σαν την ρώσικη κούκλα  - φθάνει σε ένα τέλος και το σύμπαν, στις μεγάλες κλίμακες, γίνεται ομοιογενές.

Ωστόσο, μια μικρή ομάδα από φυσικούς, συμπεριλαμβανομένων του Francesco Sylos Labini στο Κέντρο Enrico Fermi της Ρώμης, και του Luciano Pietronero του Πανεπιστημίου της Ρώμης, υποστηρίζουν ότι τα στοιχεία δείχνουν το αντίθετο: το Σύμπαν συνεχίζει να μοιάζει φράκταλ, όσο μακριά μπορούν τα τηλεσκόπια μας να δουν.

Τα καλύτερα δεδομένα για την εξέταση της κατανομής των γαλαξιών προέρχεται από την έρευνα Sloan Digital Sky Survey (SDSS), που έχει κατασκευάσει το μεγαλύτερο 3D χάρτη του σύμπαντος. Όταν ολοκληρωθεί, θα χαρτογραφήσει τις θέσεις περίπου ενός εκατομμυρίου γαλαξιών και κβάζαρ.

Όταν τα δεδομένα της SDSS κυκλοφόρησαν το 2004, οι φυσικοί David Hogg του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης και ο Daniel Eisenstein του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, δημοσίευσαν μια ανάλυση των 55.000 φωτεινών κόκκινων γαλαξιών δηλώνοντας ότι το μοτίβο φράκταλ εξομαλύνεται σε κλίμακες πάνω από 200 εκατομμύρια έτη φωτός.

Όμως οι Sylos Labini και Pietronero δεν πείσθηκαν. Πίστευαν ότι η φαινομενική εξομάλυνση ήταν μια αυταπάτη που προκαλείται από την αδυναμία των στατιστικών στοιχείων - η εξομάλυνση που φαίνεται να παρουσιάζεται στις μεγαλύτερες κλίμακες της έρευνας ήταν ικανή για τη μελέτη, όπου υπήρχαν πολύ λίγες μεγάλες περιφέρειες να είναι σε θέση να συγκρίνουν τους αξιόπιστα πυκνότητες, όπως είπαν. Μόνο ένα μεγαλύτερο χάρτη θα μπορούσε να επιλύσει τη συζήτηση.

Τελευταία, η SDSS έχει κυκλοφορήσει τον έκτο γύρο των δεδομένων, τα οποία δείχνουν τις θέσεις, περίπου, 800.000 γαλαξιών και 100.000 κβάζαρ, τα φωτεινά αντικείμενα που τροφοδοτούνται με ενέργεια από τις βίαιες υπερβαρέες μαύρες τρύπες.

Τεράστιες κλίμακες

Σύμφωνα με την τελευταία τους ανακοίνωση, που έχει υποβληθεί για δημοσίευση στο Nature Physics, οι Sylos Labini και Pietronero, μαζί με τους φυσικούς Nikolay Vasilyev και Yurij Baryshev του πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αγίας Πετρούπολης, υποστηρίζουν ότι τα νέα στοιχεία δείχνουν ότι οι γαλαξίες παρουσιάζουν καθαρά ένα φράκταλ μοτίβο μέχρι της κλίμακας περίπου των 100 εκατομμυρίων ετών φωτός.

Και λένε πως αν το σύμπαν έχει γίνει ομοιογενές σε κάποιο σημείο, θα πρέπει να είναι σε μια κλίμακα μεγαλύτερη από 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Αυτό συμβαίνει γιατί ακόμα και σε αυτήν την κλίμακα, αυτοί συνεχίζουν να παρατηρούν μεγάλες διακυμάνσεις - ένα σμήνος εδώ, ένα κενό εκεί - στην κατανομή της μάζας.

Οι περισσότεροι κοσμολόγοι ερμηνεύουν τέτοιες διακυμάνσεις σαν να μην είναι πιο σημαντικό από μικρά κύματα στην επιφάνεια της θάλασσας, αλλά ο Sylos Labini λένε ότι αυτά είναι περισσότερο σαν το τσουνάμι.

Κανένα μοντέλο

Πολλοί κοσμολόγοι βρίσκουν σφάλματα με την ανάλυσή τους, κυρίως επειδή μια κατανομή ύλης σαν φράκταλ σε τόσο μεγάλες κλίμακες, υπονομεύει το στάνταρτ μοντέλο της κοσμολογία. Σύμφωνα με την αποδεκτή ιστορία της κοσμικής εξέλιξης, απλά δεν υπήρχε αρκετός χρόνος μετά τη Μεγάλη Έκρηξη σχεδόν πριν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, για τη βαρύτητα να δημιουργήσει αυτές τις μεγάλες δομές.

Και το περισσότερο, η παραδοχή ότι η κατανομή είναι ομοιογενής επέτρεψε στους κοσμολόγους να μοντελοποιήσουν το σύμπαν χρησιμοποιώντας απλά τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν - η οποία αφορά τη διαμόρφωση του χώρου με την κατανομή της ύλης.

Η μοντελοποίηση ενός φράκταλ σύμπαν με τη γενική σχετικότητα είναι δυνατόν να γίνει στη θεωρία, αλλά στην πραγματικότητα θα ήταν άπειρα περίπλοκη. Κι αυτό θα άφηνε τους κοσμολόγους χωρίς μοντέλο εργασίας, σαν τους ακροβάτες δίχως δίχτυ.

Ακτινοβολία λείψανο

Για να υποστηρίξουν την υπόθεση της ομοιογένειας, οι κοσμολόγοι στοχεύουν στην ομαλότητα του κοσμικού υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), την ακτινοβολία λείψανο από την εποχή που το σύμπαν εκκολάπτετο. Η CMB είναι απόλυτα ομοιόμορφη έως και 1 μέρος προς 100.000, υπονοώντας ότι στις αρχές του σύμπαντος ήταν σχεδόν ομοιογενής.

"Η τυπική εικόνα ενός ομοιογενούς σύμπαντος στις μεγάλες κλίμακες άντεξε  πολύ καλά στη δοκιμή, όταν δοκιμάστηκε με πολύ μεγάλης κλίμακας παρατηρήσεις, σαν αυτή της χαρτογράφησης της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, των ακτίνων Χ και των ραδιο-γαλαξιών", σημειώνει ο φυσικός Neil Turok του Πανεπιστημίου του Cambridge.

"Αν οι παρατηρήσεις των γαλαξιών σε οπτικές έρευνες δεν συμφωνούν, μπορεί να υπάρχουν αρκετές πιθανές εξηγήσεις, χωρίς να καταφύγουμε σε ένα εξαιρετικά ανομοιογενές, φράκταλ σύμπαν", είπε.

Οπτική ψευδαίσθηση;

Αλλά η εξαγωγή συμπερασμάτων για την κατανομή της ύλης από την CMB δεν είναι πάντα εύκολη. Οι χάρτες της CMB δείχνουν κατανομές 3D που προβάλλονται σε δισδιάστατη επιφάνεια, και είναι δυνατόν μια συμπαγής κατανομή 3D να φαίνεται ομαλή όταν προβάλλεται σε 2D. Το ίδιο ισχύει και για το υπόβαθρο ακτίνων-Χ, το οποίο εμφανίζεται ομοιογενές σε δύο διαστάσεις. Τέλος, η χρήση γαλαξιών που είναι λαμπροί σε ραδιοφωνικές συχνότητες είναι επίσης προβληματική, καθώς είναι δύσκολο να μετρηθούν με ακρίβεια οι αποστάσεις τους, αρκεί να εντοπίσουμε τις θέσεις τους στις 3 διαστάσεις

Λοιπόν, τι θα μπορούσε να παράγει ένα τέτοιο φράκταλ μοτίβο στις έρευνες των γαλαξιών όπως η Sloan;

Ορισμένες από τις συμπαγείς συγκεντρώσεις μπορεί να είναι ένα είδος οπτικής ψευδαίσθησης γνωστή ως φαινόμενο το μάτι του Ταύρου (Bull's-eye effect) λέει ο Adrian Melott του Πανεπιστημίου του Κάνσας.

Αυτό συμβαίνει γιατί οι κοντινοί γαλαξίες κινούνται ο ένας προς τον άλλο, που οφείλεται στην αμοιβαία τους βαρυτική έλξη - ακόμα και αν ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται. Αυτή η κίνηση μπορεί να ενισχύσει την φαινόμενη συγκέντρωση της ύλης σε έρευνες, όπως η Sloan, δεδομένου ότι οι έρευνες βασίζονται στις μετρήσεις των ταχυτήτων των γαλαξιών, για να καθορίσουμε την απόσταση τους από τη Γη.

Όμως σύμφωνα με την δημοσίευση του Sylos Labini και της ομάδας το φαινόμενο το μάτι του Ταύρου επιδρά μόνον σε πολύ μικρές κλίμακες, περίπου 16 εκατομμύρια έτη φωτός και κάτω, και δεν έχει καμία επίδραση στην συγκέντρωση σε μεγάλες κλίμακες.

Ο Melott διαφωνεί, λέγοντας ότι θα πρέπει να γίνει μεγέθυνση των συγκεντρώσεων σε οποιαδήποτε κλίμακα. Όμως, προσθέτει ότι το φαινόμενο μόνο "ενισχύει τις δομές που ήδη υπάρχουν".

Και τι διακυβεύεται αν το σύμπαν είναι πράγματι ένα φράκταλ στις μεγαλύτερες κλίμακες; Εκτός από μια ριζική αναθεώρηση των νόμων και την ιστορία του Σύμπαντος, οι ερευνητές έχουν να κάνουν με πιο γήινα πράγματα.

Περισσότερο από μια δεκαετία πριν, οι Sylos Labini και Pietronero έχουν βάλει ένα στοίχημα με τον φυσικό Marc Davis από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Το στοίχημα, που αναφέρεται από τον Turok, έκρινε ότι εάν η κατανομή των γαλαξιών αποδειχθεί ότι είναι φράκταλ, σε κλίμακες πάνω από περίπου 50 εκατομμύρια έτη φωτός, τότε ο Davis θα χρωστούσε στους Sylos Labini και Pietronero ένα κασόνι κρασί της Καλιφόρνιας.

Σε περίπτωση που το φράκταλ μοτίβο αρχίσει να διαλύεται σε κλίμακες λιγότερο από 50 εκατομμύρια έτη φωτός, τότε ο Ντέιβις, θα λάβει ένα κασόνι ιταλικού κρασιού. Και ο Turok ακόμη δεν έχει ανακηρύξει τον νικητή.