Η πιο ακριβής τιμή της σταθεράς του Hubble στενεύει τα περιθώρια για τις δυνατές εξηγήσεις της Σκοτεινής Ενέργειας

Πηγή: ScienceDaily, 8 Μαΐου 2009

Ό,τι κι αν είναι η σκοτεινή ενέργεια τα περιθώρια για την εξήγηση της έχουν στενέψει μετά τις παρατηρήσεις του Hubble, που τελειοποίησαν τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος με μια ακρίβεια όπου το σφάλμα είναι μικρότερο από 5%.

Η νέα τιμή για τον ρυθμό διαστολής, που είναι γνωστός ως σταθερά του Hubble, ή Ho (από το όνομα του αστρονόμου Edwin Hubble που μέτρησε πρώτος την διαστολή του σύμπαντος σχεδόν πριν από έναν αιώνα), είναι τώρα 74,2 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο κι ανά 1 megaparsec απόσταση, με περιθώριο σφάλματος ±3.6. Τα αποτελέσματα συμφωνούν πολύ με την προηγούμενη τιμή - πάλι από το Παρατηρητήριο Hubble - 72 ± 8 km/sec/megaparsec, αλλά τώρα η τιμή του είναι με διπλάσια ακρίβεια.

Οι μετρήσεις του Hubble, που πραγματοποιούνται από την ομάδα SHOES με επικεφαλής τον Adam Riess, του Ινστιτούτου Επιστήμης των Διαστημικών Τηλεσκοπίων και του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, χρησιμοποιούν μια σειρά από βελτιώσεις για τον εξορθολογισμό και την ενίσχυση της κατασκευής μιας κοσμικής 'κλίμακας αποστάσεων', με μήκος ένα  δισεκατομμύριο έτη φωτός, που οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν για τον προσδιορισμό του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος.

Οι παρατηρήσεις του Hubble των παλλόμενων άστρων, που ονομάζονται Κηφείδες, έγιναν σε δύο κοσμολογικούς 'χάρακες' αποστάσεων: στον γειτονικό γαλαξία NGC 4258 αλλά και στους γαλαξίες όπου υπάρχουν πρόσφατες σουπερνόβα. Συνδέθηκαν έτσι απευθείας και οι δύο αυτοί δείκτες των αποστάσεων. Το Hubble χρησιμοποιήθηκε λοιπόν να γεφυρώσει αυτές τις δύο κλίμακες των αποστάσεων για εξαλειφθούν τα συστηματικά σφάλματα, που είναι σχεδόν αναπόφευκτο να γίνουν λόγω της σύγκρισης των μετρήσεων από διαφορετικά τηλεσκόπια.

Οι ειδικοί που συμμετέχουν στην προσπάθεια αυτή επιδιώκουν την βελτίωση και την ενίσχυση πολλών μεθόδων στους υπολογισμούς τους, ώστε να αποφεύγονται ακόμη και τα πιο μικρά λάθη. Γιατί ακόμα και τα ελάχιστα λάθη στους υπολογισμούς στην κλίμακα που δουλεύουν οι ειδικοί, το πρόβλημα πολλαπλασιάζεται εκθετικά και μπορεί να κάνει ολόκληρο το αποτέλεσμα άκυρο. Η κλίμακα που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες είναι συγκρίσιμο με το 1 δισεκατομμύριο έτη φωτός μέσα στο χώρο.

"Είναι σαν μετράς ένα κτίριο με μια μεγάλη ταινία μέτρησης, αντί να μετακινείς μια μικρή πολλές φορές. Θα αποφεύγεις βέβαια τα λάθη που γίνονται κάθε φορά που μετακινείς τη μεζούρα. Όσο υψηλότερο είναι το κτίριο, τόσο μεγαλύτερο είναι και το σφάλμα," εξήγησε ο Riess.

"Οι Κηφείδες είναι η ραχοκοκαλιά της κλίμακας των αποστάσεων γιατί η περίοδος των παλμών, που παρατηρείται σχετικά εύκολα, συσχετίζεται άμεσα με την λαμπρότητα τους. Μια άλλη βελτίωση της κλίμακας των αποστάσεων οφείλεται στο γεγονός ότι έχουμε παρατηρήσει τους Κηφείδες στο εγγύς υπέρυθρο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όπου αυτά τα μεταβλητά αστέρια αποτελούν καλύτερους δείκτες της απόστασης από ό,τι στα οπτικά μήκη κύματος," αναφέρει ο καθηγητής της Φυσικής και Αστρονομίας Lucas Macri, ο οποίος είχε τεράστια συμβολή στα νέα αποτελέσματα.

Αυτή η καινούργια, πιο ακριβή τιμή της σταθεράς του Hubble χρησιμοποιήθηκε για να εξετάσει και να περιορίσει τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας, τη μορφή της ενέργειας που παράγει μια απωθητική δύναμη στο χώρο, και που αναγκάζει τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος να επιταχύνεται.

Εξετάζοντας λοιπόν την ιστορία της διαστολής του σύμπαντος μεταξύ του σήμερα και της εποχής που το σύμπαν ήταν μόνο 380.000 περίπου ετών, οι αστρονόμοι είναι σε θέση να θέσουν τα όρια σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ενέργειας που αναγκάζει την διαστολή να επιταχύνεται. Η μέτρηση για το πολύ μακρινό και πρώιμο σύμπαν προέρχεται από τις διακυμάνσεις της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου, που βρέθηκαν με την διαστημική συσκευή WMAP της NASA το 2003.

Το αποτέλεσμα της νέας έρευνας είναι συνεπές με την πιο απλή ερμηνεία της σκοτεινής ενέργειας: ότι είναι μαθηματικά ισοδύναμη με την υποθετική κοσμολογική σταθερά Λ του Αϊνστάιν, που καθιερώθηκε πριν από έναν αιώνα όταν οι αστρονόμοι της εποχής του μιλούσαν για ένα σταθερό σύμπαν. Ωστόσο οι εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας προβλέπουν την βαρυτική κατάρρευση του σύμπαντος. Οπότε η κοσμολογική σταθερά Λ μπήκε στις εξισώσεις για να αντιδράσει στην βαρυτική κατάρρευση. Ο Einstein, ωστόσο, την αφαίρεσε λίγο αργότερα όταν ο Edwin Hubble βρήκε ότι το σύμπαν συνεχώς διαστέλλεται οπότε δεν υπήρχε η ανάγκη της παρουσίας της Λ.

"Τώρα πια η κοσμολογική σταθερά Λ έρχεται πιο κοντά στην σκοτεινή ενέργεια ή τώρα πια διαφέρουν πολύ πιο λίγο από ό,τι στο παρελθόν. Είναι μια σημαντική πρόοδος, αλλά έχουμε ακόμη πολύ δρόμο να διανύσουμε για να διαπιστώσουμε ακριβώς το είδος της σκοτεινής ενέργειας," αναφέρει ο Riess για τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε για να διαπιστώσουμε την ακριβή φύση της σκοτεινής ενέργειας.

Αν και η κοσμολογική σταθερά Λ είχε σχεδιαστεί από καιρό πριν, οι παρατηρησιακές αποδείξεις για την σκοτεινή ενέργεια ήρθαν 11 χρόνια πριν, όταν δύο μελέτες, η μία με επικεφαλής τον Riess και τον Brian Schmidt του Παρατηρητηρίου Mount Stromlo, και η άλλη από τον Saul Perlmutter του Εθνικού Εργαστηρίου Berkeley, ανεξάρτητα μεταξύ τους ανακάλυψαν την σκοτεινή ενέργεια, εν μέρει με τις παρατηρήσεις του Hubble. Από τότε οι αστρονόμοι έχουν επιδιώξει να καταλάβουν καλύτερα τι είναι η σκοτεινή ενέργεια.

Ο Riess ήθελε να μειώσει τις εναλλακτικές εξηγήσεις για την σκοτεινή ενέργεια - είτε ότι πρόκειται για μια στατική κοσμολογική σταθερά ή για ένα δυναμικό πεδίο (όπως και η απωθητική δύναμη που οδήγησε τον πληθωρισμό μετά την Μεγάλη Έκρηξη) - και να βελτιώσει περαιτέρω τις μετρήσεις για τον ρυθμό επέκτασης σύμπαντος.

Πριν πετάξει το Hubble το 1990, οι εκτιμήσεις για την σταθερά Hubble ήταν διαφοροποιημένες με συντελεστή δύο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1990 ένα πρότζεκτ με τη βοήθεια του Hubble προσδιόρισε την τιμή της σταθεράς του Hubble με ένα σφάλμα μόνο 10%. Αυτό επιτεύχθηκε με την παρατήρηση των μεταβλητών Κηφειδών άστρων σε οπτικά μήκη κύματος, και σε μεγαλύτερες αποστάσεις από ό,τι στο παρελθόν όπου οι ανάλογες μετρήσεις έγιναν από επίγεια τηλεσκόπια.

Πρόκειται για μια εικόνα του σπειροειδούς γαλαξία NGC 3021 από το τηλεσκόπιο Hubble, που φιλοξενεί μία σουπερνόβα τύπου Ια που παρατηρήθηκε πρόσφατα από τους αστρονόμους για να βελτιώσουν το μέτρο του ρυθμού επέκτασης του σύμπαντος, δηλαδή τη σταθερά Hubble. Ο αστρονόμος Hubble έκανε ακριβείς μετρήσεις των Κηφειδών μεταβλητών άστρων στον Γαλαξία μας, που βρίσκονται στα πράσινα κυκλάκια μέσα στα τέσσερα κουτιά. Τα αστέρια πάλλονται με ένα ρυθμό που να συνδυάζεται στενά με την εγγενή φωτεινότητα τους.

Η ομάδα SHOES του Riess χρησιμοποίησαν όχι μόνο οπτικά μήκη κύματος αλλά και υπέρυθρες ακτίνες με τη βοήθεια δύο ειδικών μηχανών του Hubble, για την παρατήρηση 240 Κηφειδών άστρων σε επτά γαλαξίες. Ένας από αυτούς ήταν ο γαλαξίας NGC 4258, του οποίου η απόσταση είχε καθοριστεί με μεγάλη ακρίβεια μέσω παρατηρήσεων με ραδιοτηλεσκόπια. Οι άλλοι έξι γαλαξίες φιλοξενούσαν πρόσφατες σουπερνόβες τύπου Ia που η απόσταση τους είναι αξιόπιστοι δείκτες για ακόμη μακρύτερα μετρήσεις στο σύμπαν. Οι σουπερνόβες τύπου Ia έχουν εκραγεί με σχεδόν την ίδια ποσότητα ενέργειας και, συνεπώς, έχουν σχεδόν την ίδια εγγενή φωτεινότητα.

Ο Riess τελικά θα ήθελε να δει την σταθερά Hubble με μια τιμή που το σφάλμα της δεν θα υπερβαίνει το 1%, για να βάλει ακόμα πιο αυστηρούς περιορισμούς στις λύσεις για την σκοτεινή ενέργεια.

Υπολογισμοί που έγιναν για την σταθερά του Hubble με τη βοήθεια των δεδομένων από τον δορυφόρο WMAP το 2003, σε συνδυασμό με άλλα αστρονομικά στοιχεία έδωσαν την τιμή στη σταθερά H₀ = 70.1 ± 1.3 (km/s)/Mpc.

Αυτή η τιμή είναι κοντά στην τιμή H₀ = 72 ± 8 km/s/Mpc που βρήκε το 2001 ο δορυφόρος Hubble.

Τον Αύγουστο του 2006, μια λιγότερη ακριβής ανεξάρτητη μέτρηση με το Παρατηρητήριο της NASA Chandra των ακτίνων-Χ έδωσε: H₀ = 77 km/s/Mpc ή σχεδόν 2.5×10⁻¹⁸ s⁻¹ με μια αβεβαιότητα ± 15%.

Συνοπτικά τα υπάρχοντα δεδομένα της NASA δείχνουν μια σταθερά 70.8 ± 1.6 km/s/Mpc αν ο χωρόχρονος υποτεθεί ότι είναι επίπεδος ή 70.8 ± 4.0 km/s/Mpc αν δεν είναι ή αλλιώς 2.3×10⁻¹⁸ s⁻¹ . Και επειδή το αντίστροφο της σταθεράς Hubble είναι η ηλικία του σύμπαντος, παίρνουμε ότι η ηλικία του Κόσμου είναι 13.8 δισεκατομμυρίων ετών.