Σκοτεινή Ροή: Η απόδειξη ενός άλλου σύμπαντος;

Πηγή: New Scientist, 23 Ιανουαρίου 2009

Για τους περισσότερους από εμάς το σύμπαν είναι αφάνταστα μεγάλο. Αλλά όχι για τους κοσμολόγους. Οι τελευταίοι αισθάνονται οριστικά περικυκλωμένοι. Δεν έχει σημασία δε πόσο μεγάλα θα κατασκευάζουν τα τηλεσκόπια τους, γιατί θα μπορούν να δουν  μόνο μέχρι ενός σημείου, σαν να υπάρχει ένας τοίχος, μέσα στο Σύμπαν. Όμως σχεδόν 45 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας βρίσκεται ο Κοσμικός ορίζοντας ή το τελικό όριο, επειδή το φως πέρα από αυτόν δεν έχει ή δεν είχε ποτέ χρόνο για να μας φθάσει.

Δυστυχώς είμαστε εδώ κολλημένοι στο εσωτερικό ενός μικρού μέρους του σύμπαντος και αναρωτιόμαστε τι να κρύβεται εκεί μακριά μας, ενώ έχουμε αποδεχτεί το γεγονός ότι δεν θα μπορέσουμε ποτέ να το μάθουμε. Το καλύτερο βέβαια που μπορούμε να ελπίζουμε, σε συνδυασμό με κάποια τύχη και συνεχή επαγρύπνηση, είναι να αναγνωρίσουμε μια ρωγμή στη δομή των πραγμάτων, ένα πιθανό παράθυρο προς το κρυφό μέρος, πέρα από την άκρη του σύμπαντος. Τελευταία όμως ο Sasha Kashlinsky πιστεύει έχει έχουμε 'σκουντουφλήσει' ανέλπιστα ένα τέτοιο παράθυρο, προς το κρυφό τμήμα του Κόσμου.

Η εικόνα αριστερά της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου από το νεαρό Σύμπαν (380.000 χρόνια μετά το Big Bang) προέρχεται από τις παρατηρήσεις του δορυφόρου WMAP. Σε αυτήν την εικόνα οι επιστήμονες βρήκαν δεδομένα - την πολωμένη ακτινοβολία-, που αποδεικνύουν σαν σωστή την θεωρία του πληθωρισμού.

Ο Kashlinsky, ένας ανώτερος επιστήμονας στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard, έχει μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο 'ανυπότακτα' σμήνη γαλαξιών κινούνται στο πλαίσιο της διαστολής του χώρου. Ο ίδιος και οι συνάδελφοι του έχουν καταμετρήσει την ταχύτητα των σμηνών αυτών που φθάνουν μέχρι και 1000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο - πολύ πιο γρήγορα από ό,τι μας επιτρέπει η καλή γνώση της κοσμολογίας. Και το πιο παράξενο, κάθε σμήνος φαίνεται να κινείται προς ένα μικρό τμήμα του ουρανού μεταξύ των αστερισμών του Κενταύρου και των Ιστίων (Vela).

Ο Kashlinsky ισχυρίζεται ότι αυτή παρατήρηση αποτελεί την πρώτη ένδειξη ότι κάτι βρίσκεται πέρα από τον κοσμικό ορίζοντα. Η ανακάλυψη θα μπορούσε να μας πει πως το σύμπαν φαινόταν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ή αν το δικό μας σύμπαν είναι ένα από τα πολλά σύμπαντα. Άλλοι επιστήμονες δεν είναι τόσο βέβαιοι. Μια αντίπαλη ερμηνεία λέει ότι δεν έχει τίποτα να κάνει με ξένα σύμπαντα, αλλά οφείλεται σε ένα ελάττωμα στον έναν από τους ακρογωνιαίους λίθους της κοσμολογία, την ιδέα ότι το σύμπαν θα πρέπει να φαίνεται ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις. Δηλαδή, αν οι παρατηρήσεις αντέχουν στον λεπτομερή έλεγχο.

"Η ανακάλυψη αυτή προσθέτει κι άλλα αινίγματα στην κοσμολογία", λέει η Laura Mersini-Houghton θεωρητική φυσικός και κοσμολόγος του Πανεπιστημίου της Βόρειας Καρολίνας. Ένα πρώτο αίνιγμα είναι η σκοτεινή ύλη που αποτελεί το 95% του περιεχομένου του σύμπαντος, και που βοηθάει την συσσώρευση των γαλαξιών, ενώ ένα δεύτερο είναι η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια στην οποία οφείλεται η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Κατά συνέπεια, ο Kashlinsky ονόμασε το νέο αυτό αίνιγμα "σκοτεινή ροή".

Ο Kashlinsky μέτρησε την ταχύτητα που κινούνται σμήνη γαλαξιών μέχρι 5 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, αναζητώντας για σημάδια της κίνησης τους στο μικροκυματικό κοσμικό υπόβαθρο (CMB), την ακτινοβολία που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα φωτόνια της CMB γενικά κινούνται απρόσκοπτα για δισεκατομμύρια έτη φωτός στο διαστρικό διάστημα, αλλά όταν διέρχονται από ένα γαλαξιακό σμήνος συναντούν θερμό ιονισμένο αέριο στο διάστημα μεταξύ των γαλαξιών. Τα φωτόνια σκεδάζονται τότε από αυτό το καυτό αέριο κι αυτή η σκέδαση εμφανίζεται ως μια μικροσκοπική στρέβλωση στην θερμοκρασία της CMB, και αν το σμήνος συμβαίνει να είναι σε κίνηση, η παραμόρφωση επίσης θα έχει καταχωρημένη μια μικρή μετατόπιση λόγω του φαινομένου Doppler.

Σε κάθε επιμέρους ομάδα, αυτή η στροφή είναι πολύ μικρό για την ανίχνευση, η οποία είναι ο λόγος για τον οποίο κανείς δεν είχε ποτέ ενοχλούνται ψάχνουν. Ωστόσο, εάν υλοποιηθεί Kashlinsky συνδυασμένες μετρήσεις από ένα αρκετά μεγάλο αριθμό των ομάδων, το σήμα θα πρέπει να συμπληρωθεί με ένα μετρήσιμο επίπεδο.

Ο Kashlinsky και η ομάδα του συνέλεξαν ένα κατάλογο 800 κοντινών σμηνών, με τηλεσκόπια ακτίνων-Χ που εκπέμπονται από το ιονισμένο αέριο στο εσωτερικό τους. Στη συνέχεια εξέτασαν την CMB σε αυτές τις τοποθεσίες, χρησιμοποιώντας εικόνες από το δορυφόρο WMAP της NASA. Αυτό που διαπίστωσαν τους σοκάρισε. Τα σμήνη των γαλαξιών ενώ περίμεναν να περιπλανούνται τυχαία μέσα σε μια μικρή περιοχή του διαστήματος, επειδή η ύλη κατανέμεται άνισα,  οπότε δημιουργούνται τοπικά βαρυτικά πεδία που έλκει τα σμήνη. Σε μεγάλες κλίμακες, ωστόσο, η ύλη θεωρείται ότι είναι κατανεμημένη ομαλά, έτσι σε αυτές τις κλίμακες τα σμήνη θα έπρεπε να ακολουθεί το διάστημα, καθώς αυτό διαστέλλεται. Και το σπουδαιότερο είναι ό,τι στο στάνταρτ μοντέλο της κοσμολογίας το σύμπαν θα πρέπει να φαίνεται λίγο πολύ ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις.

Έξω από τα όρια

Άραγε τι κρύβεται πίσω από αυτή τη μυστηριώδη σκοτεινή ροή; Ο Kashlinsky λέει πως δεν μπορεί να προκληθεί από την σκοτεινή ύλη, γιατί όλη η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν δεν παράγει τόση βαρύτητα ώστε να έλκει τόσο πολύ τα σμήνη. Ή δεν μπορεί να είναι η σκοτεινή ενέργεια, επειδή η σκοτεινή ενέργεια κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το διάστημα. Έτσι μένει μόνο μία πιθανή εξήγηση, συμπεραίνει ο Kashlinsky: ο ένοχος είναι κάτι που κρύβεται πέρα από τον κοσμικό ορίζοντα.

Πριν δημοσιευτούν αυτά τα ευρήματα τον Οκτώβριο του 2008 στο Astrophysical Journal Letters, ο Kashlinsky γνώριζε πόσο αιρετική θα φαινόταν η ιδέα του. "Ένα χρόνο καθίσαμε για να ελέγξουμε τα πάντα," λέει. "Δεν περιμέναμε ή δεν θέλαμε να βρούμε αυτό το αποτέλεσμα, γι 'αυτό είμαστε τόσο επιφυλακτικοί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά, τελικά, αυτό βγήκε από τα δεδομένα."

Κανείς δεν γνωρίζει ακριβώς τι θα μπορούσε να κρύβεται πίσω από τον ορίζοντα ή ακόμη και το πόσο μεγάλο είναι το σύμπαν, όμως ο Kashlinsky υποψιάζεται πως είναι ένα κατάλοιπο της χαώδους κατάστασης που υπήρχε ένα κλάσμα μόνο του δευτερολέπτου μετά την αρχή του χρόνου, πριν το γνωστό φαινόμενο του πληθωρισμού αναλάβει δράση.

Γενικά πιστεύεται ότι το σύμπαν μας ξεκίνησε σαν ένα μικρό κομμάτι σε κάποιο προϋπάρχον χωρόχρονο σχηματίζοντας μια φυσαλίδα η οποία, στη συνέχεια υπέστη μια έκρηξη εκθετικής διαστολής (τον πληθωρισμό). Η περίοδος αυτή του πληθωρισμού τέντωσε και εξομάλυνε το σύμπαν, αφήνοντας πίσω του μια ομαλή κατανομή της ύλης και της ενέργειας. Έξω από αυτή την φυσαλίδα, πολύ πέραν του κοσμικού μας ορίζοντα, τα πράγματα μπορεί να μοιάζουνε πολύ διαφορετική. Χωρίς την εξομάλυνση που κατάφερε ο πληθωρισμός, ο χωρόχρονος θα μπορούσε να είναι πολύ ανώμαλος: ομαλός σε μια γειτονιά και με γιγάντιες δομές ή γιγάντιες μαύρες τρύπες σε μια άλλη. "Θα μπορούσε να είναι πολύ εκκεντρικός, όσο μπορεί να φανταστεί κανείς, ή μάλλον κάτι πληκτικό", λέει ο Kashlinsky. Είτε έτσι είτε αλλιώς, αυτός δείχνει ότι κάτι εκτός της φυσαλίδας μας έλκει τα σμήνη των γαλαξιών, προκαλώντας την σκοτεινή ροή.

Έχουν επίσης αναδυθεί κι άλλες, πιο ριζοσπαστικές εξηγήσεις για την σκοτεινή ροή. Είναι δυνατόν - ακόμα πιθανά, λένε κάποιοι - ότι η δική μας φυσαλίδα δεν ήταν η μόνη που 'φούσκωσε' λόγω πληθωρισμού από τον αρχέγονα χωροχρόνο. Σε αυτό το σενάριο του "αιώνιου πληθωρισμού", εμφανίζονται φυσαλίδες σε όλο τον χώρο, η κάθε μία από την οποία ορίζει το δικό της σύμπαν μέσα σε ένα μεγαλύτερο πολυσύμπαν.
 

Απόμακροι γαλαξίες που τρέχουν με ορμή προς το ίδιο τμήμα του ουρανού μπορεί να είναι μια ένδειξη ότι κάτι πολύ μεγάλο κρύβεται πέρα του κοσμικού μας ορίζοντα

Πολλοί κοσμολόγοι είναι ευχαριστημένοι να εξαποστείλουν εκείνα τα άλλα σύμπαντα σε μια σκοτεινή γωνία της θεωρίας, όπου αποθηκεύονται απαρατήρητα υποπροϊόντα. Η Mersini-Houghton δεν είναι από αυτούς. Αυτή υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ροή προκαλείται από άλλα σύμπαντα ασκώντας μια βαρυτική έλξη στα σμήνη των γαλαξιών του δικού μας σύμπαντος. Η ίδια και οι συνάδελφοί της υπολόγισαν πως τα άλλα σύμπαντα, διασκορπισμένα τυχαία γύρω από την δική μας φυσαλίδα, θα τροποποιήσουν την βαρύτητα στο πλαίσιο αυτό.

"Όταν εκτιμήσαμε πόση δύναμη ασκείται στα σμήνη του σύμπαντος μας, μου έκανε εντύπωση ότι το μέτρο της ταιριάζει εκπληκτικά με ό,τι έχει παρατηρήσει ο Kashlinsky," τονίζει. "Πιστεύω ακράδαντα ότι αυτό είναι το αποτέλεσμα από κάτι εκτός του σύμπαντός μας."

Άλλοι πάλι πιστεύουν πως η σκοτεινή ροή μπορεί να είναι ένα σημάδι ότι η δική μας φυσαλίδα-σύμπαν συγκρούστηκε με μια άλλη φυσαλίδα ακριβώς μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Στον αιώνιο πληθωρισμό κάθε φυσαλίδα-σύμπαν μπορεί να λειτουργεί με το δικό της σετ σωματιδίων και δυνάμεων, έτσι ώστε οι συγκρούσεις μεταξύ των φυσαλίδων μπορεί να έχει δραματικές συνέπειες. Αν δύο σύμπαντα με την ίδια φυσική συγκρούονται, θα προκαλέσουν μια έκρηξη ενέργειας, μετά τη συγχώνευση τους. Ωστόσο, εάν δύο πολύ διαφορετικά σύμπαντα συγκρουστούν, τότε θα προκύψει μια κοσμική μάχη. Στον χώρο του συμβάντος, θα σχηματιστεί ένα φράγμα ενέργειας που ονομάζεται κύριο φράγμα, που θα αναγκάζει τους δύο ασυμβίβαστους κόσμους να είναι μακριά ο ένας από τον άλλο. Η φυσαλίδα με την χαμηλότερη ενέργεια, στη συνέχεια διαστέλλεται, οπότε το κύριο φράγμα σαρώνει την αντίπαλη της φυσαλίδα, εξαλείφοντας τα πάντα στο πέρασμά του.

Η σκοτεινή ροή μπορεί λοιπόν να είναι ένα σημάδι ότι η φυσαλίδα-σύμπαν μας συγκρούστηκε με μια άλλη αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αν το δικό μας σύμπαν υπέστη μια τέτοια σύγκρουση, οι όποιες αποδείξεις για τα κοσμικά συντρίμμια θα πρέπει να εμφανίζονται σε ένα ορισμένο τμήμα του ουρανού. Λόγω της σύγκρουσης θα πρέπει να παραμορφώθηκε το διάστημα, και αυτό με τη σειρά του θα επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο οι ακτίνες φωτός, συμπεριλαμβανομένης και της CMB, ταξιδεύουν μέσα στον χώρο και το πως οι μεγάλης κλίμακας δομές, συμπεριλαμβανομένων των γαλαξιών και των σμηνών, εξελίσσονται. Κοιτώντας σε ολόκληρο τον ουρανό σήμερα, θα περιμέναμε να δούμε το σύμπαν να εμφανίζει περίεργες ιδιότητες προς την κατεύθυνση της σύγκρουσης.

Η σύγκρουση μεταξύ των φυσαλίδων μπορεί να έχει μια ειδική κατεύθυνση αποτυπωμένη στην μικροκυματική ακτινοβολία CMB, λέει ο Anthony Aguirre φυσικός του Πανεπιστημίου στην Santa Cruz. "Καθώς απομακρύνεστε από την ειδική κατεύθυνση, η θερμοκρασία της CMB θα αλλάξει."

Οι φυσικοί τώρα συνδυάζουν τώρα τα δεδομένα ψάχνοντας για τέτοια χαρακτηριστικά μιας τέτοιας αλλαγής. Όταν υπάρχουν παράξενα πράγματα που συμβαίνουν σε μεγάλη κλίμακα στο πλαίσιο ενός γαλαξία, τα απομεινάρια της σύγκρουσης είναι υποψήφια για να εξηγήσουν αυτή τη σύγκρουση, εξηγεί ο Aguirre.

Μια εντελώς διαφορετική σύλληψη της σκοτεινής ροής προέρχεται από τους Ιταλούς Luciano Pietronero (Πανεπιστήμιο La Sapienza της Ρώμης) και Francesco Sylos Labini (Enrico Fermi Center στη Ρώμη). Πιστεύουν ότι το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο είναι λάθος, και ότι ένα άλλο μοντέλο θα μπορούσε να εξηγήσει την κίνηση των γαλαξιακών σμηνών που βρήκε ο Kashlinsky.

"Αυτό είναι ένα ακόμη στοιχείο προς την κατεύθυνση ότι η καθιερωμένη εικόνα του σχηματισμού ενός γαλαξία δεν περιγράφει σωστά το τι συμβαίνει στον πραγματικό Κόσμο", λέει ο Pietronero.

Προβλέψεις της κίνησης των γαλαξιακών σμηνών που βασίζονται στο συμβατικό μοντέλο υποθέτουν ότι η ύλη είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη μέσα σε όλο το διάστημα στις πολύ μεγάλες κλίμακες. Ο Pietronero μαζί με τον Sylos Labini ισχυρίζονται πως η ανάλυση της κατανομής των γαλαξιών και των σμηνών σε ολόκληρο τον ουρανό δείχνει ότι αυτό δεν είναι αλήθεια, και ότι σε μεγάλες κλίμακες η ύλη είναι σαν ένα φράκταλ. Αν πράγματι αυτό συμβαίνει, τότε το βαρυτικό πεδίο μέσα σε ολόκληρο τον Κόσμο θα είναι ανώμαλο και θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποτελέσματα όπως αυτά που παρατηρήθηκαν από τον Kashlinsky.

Νέα δεδομένα από την έρευνα Sloan Digital Sky Survey, που έχει ήδη χαρτογραφήσει περίπου ένα εκατομμύριο γαλαξίες, θα βοηθήσει τους Pietronero και Sylos Labini να πάρουν μια ακριβέστερη εικόνα της εξάπλωσης της ύλης, που ελπίζουμε ότι θα επιβεβαιώσει τις ιδέες τους. "Πιστεύω ότι θα έχουμε ενδιαφέρουσες ειδήσεις πολύ σύντομα," λέει ο Sylos Labini.

Ένα φράκταλ σύμπαν, ωστόσο, θα θέσει μεγάλα προβλήματα. Γιατί μια φράκταλ κατανομή της ύλης, είναι ασυμβίβαστη με τον κοσμικό πληθωρισμό, έτσι οι θεωρητικοί μένει να υπολογίσουν τον τρόπο με τον οποίο προέκυψε.

Ερευνώντας το πολυσύμπαν

Ο φυσικός Douglas Scott του Πανεπιστημίου Βανκούβερ του Καναδά, αμφιβάλει ότι η σκοτεινή ροή είναι μια απόδειξη πως υπάρχει κάτι έξω από το δικό μας παρατηρήσιμο σύμπαν. "Δεν υπάρχει λόγος να αναμένουμε ότι αυτή προέρχεται από δομές πέρα από τον ορίζοντα", αναφέρει. Ο Scott παρατηρεί ότι μέχρι τώρα η σκοτεινή ροή παρατηρήθηκε μόνο σε αποστάσεις που είναι μόνο ένα ελάχιστο ποσοστό της συνολικής απόστασης από τον ορίζοντα. "Εάν το φαινόμενο είναι πραγματικό", λέει, "τότε η πιθανή εξήγηση θα οφειλόταν σε μια πολύ μεγάλης κλίμακας δομή, αλλά εντός του ορίζοντα." Τέτοια δομή, όμως, θα είναι μια μεγάλη πρόκληση για την κοσμολογία του καθιερωμένου μοντέλου.

Το πιο σημαντικό τώρα είναι να επιβεβαιωθεί ότι η σκοτεινή ροή είναι πραγματική και ότι αυτή συνεχίζει να κατευθύνεται προς τον κοσμικό ορίζοντα. Δύο άλλες ομάδες έχουν πραγματοποιήσει μετρήσεις που συνάδουν με τα αποτελέσματα του Kashlinsky, αλλά μόνο σε κλίμακες μικρότερες από 200 εκατομμύρια έτη φωτός - ένα μικρό μόνο βήμα σε σχέση με την απόσταση προς τον ορίζοντα.

Για να επιβεβαιώσουν τα ευρήματά τους, η ομάδα του Kashlinsky θα αναλύσει τα πιο πρόσφατα δεδομένα του δορυφόρου WMAP, σε συνεργασία με ερευνητές του Πανεπιστημίου της Χαβάης πάνω σε δεδομένα από ένα κατάλογο όλου του ουρανού στις ακτίνες-Χ. Το μικροσκοπικό φαινόμενο Doppler που ο Kashlinsky χρησιμοποιεί για τη μέτρηση των ταχυτήτων των σμηνών είναι παρατηρήσιμο μόνο σε συγκεντρώσεις, πράγμα που σημαίνει όσο πιο πολλά σμήνη γαλαξιών μπορεί να εξετάσει τόσο το καλύτερο. "Εάν αυτό επιβεβαιωθεί, θα είναι ένας συναρπαστικός τρόπος να εξετάσουμε την τελική δομή του σύμπαντος και ίσως ακόμη και το πολυσύμπαν," πιστεύει ο Kashlinsky. "Αλλά θα πρέπει να τα ελέγξουμε ξανά και ξανά."

"Κι αν αυτό το πράγμα επιβεβαιωθεί και είναι πραγματικότητα, θα είναι εξαιρετικά σημαντικό", λέει ο φυσικός Anthony Aguirre του Πανεπιστημίου στην Santa Cruz, "Το πιο σημαντικό πράγμα που θα μας πει είναι ότι η καθιερωμένη εικόνα έχει σπάσει κατά κάποιο τρόπο. Και το πιο συναρπαστικό πράγμα που θα μπορούσε να μας πει είναι ότι υπάρχουν και άλλα σύμπαντα."

Αν αυτό γίνει, ο χώρος και ο χρόνος θα ανοίξουν για να μας αποκαλύψουν μια πραγματικότητα που είναι πολύ πολύ μεγαλύτερη από ό,τι γνωρίζουμε. Όταν αυτό γίνει, τότε αυτοί οι κοσμολόγοι που πάσχουν από κλειστοφοβία, τελικά θα είναι σε θέση να αναπνέουν πιο εύκολα.

Μπορεί το σύμπαν να έχει ηλικία 13.7 δισεκατομμύρια έτη, όμως η ακτίνα του παρατηρήσιμου σύμπαντος δεν είναι 13.7 δισ. έτη φωτός, όπως θέλει η κοινή λογική. Επειδή το διάστημα διαστέλλεται (από την σκοτεινή ενέργεια), το παρατηρήσιμο μέρος του σύμπαντος έχει ακτίνα μεγαλύτερη των 13.7 δισ. ετών φωτός. Έστω ένα φωτόνιο που ταξιδεύει, ο χώρος που διασχίζει το φωτόνιο διαστέλλεται. Και κατά την στιγμή που φτάνει σ' εμάς, η ολική απόσταση μέχρι τον γαλαξία προέλευσής του είναι μεγαλύτερη  από το γινόμενο της ταχύτητάς του επί τον χρόνο ταξιδιού του. Έχει υπολογιστεί ότι είναι περίπου 3 φορές μεγαλύτερη. Γι αυτό και ο κοσμικός ορίζοντας υπολογίζεται ότι είναι 45 δισ. έτη φωτός περίπου.