Ο νέος προσδιορισμός του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος και η σκοτεινή ενέργεια

Posted on 15/03/2011

0


Οι αστρονόμοι χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble της NASA υπολόγισαν εκ νέου με πολύ μεγάλη ακρίβεια τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος (τη σταθερά Hubble). Ο υπολογισμός αυτός αποκλείει μια εναλλακτική θεωρία που προτάθηκε για την ερμηνεία της σκοτεινής ενέργειας.
Το σύμπαν φαίνεται ότι διαστέλλεται με αυξανόμενο ρυθμό. Μερικοί πιστεύουν ότι αυτή η επιταχυνόμενη διαστολή οφείλεται στο γεγονός ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με μια σκοτεινή ενέργεια που λειτουργεί με τον αντίθετο τρόπο της βαρύτητας. Μια εναλλακτική λύση στην εν λόγω υπόθεση είναι ότι η γαλαξιακή μας γειτονιά περιβάλλεται από έναν σχετικά κενό χώρο οκτώ δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Αν ζούσαμε κοντά στο κέντρο αυτού του κενού, οι παρατηρήσεις των γαλαξιών που απομακρύνονται επιταχυνόμενα θα ήταν απλά μια ψευδαίσθηση.
Η υπόθεση αυτή έχει καταρριφθεί από τους αστρονόμους εξαιτίας των ακριβέστερων μετρήσεων του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Επικεφαλής της έρευνας είναι ο Adam Riess από το Ινστιτούτο Space Telescope Science (STScI) και το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη.
Οι παρατηρήσεις του Hubble έγιναν από την ομάδα SHOES (Supernova Ho for the Equation of State) που εργάζεται για να βελτιώσει την ακρίβεια της σταθεράς του Hubble. Η μεγαλύτερη ακρίβεια της σταθεράς Hubble μας επιτρέπει να κατανοήσουμε την συμπεριφορά της σκοτεινής ενέργειας.
Οι παρατηρήσεις αυτές βοήθησαν στον προσδιορισμό του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος με μια αβεβαιότητα μόλις 3,3%. Η νέα μέτρηση μείωσε το σφάλμα κατά 30% σε σχέση με την προηγούμενη καλύτερη μέτρηση του 2009. Τα αποτελέσματα του Riess θα δημοσιευθούν την 1 Απριλίου στο “The Astrophysical Journal”.

Η τιμή του ρυθμού διαστολής είναι 73,8 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μέγα-παρσέκ(1 μεγα-παερσεκ =1 εκατομμύριο παρσέκ και 1 παρσέκ = 3,26 έτη φωτός). Αυτό σημαίνει ότι για κάθε επιπλέον μέγα-παρσέκ απόστασης ενός γαλαξία από τη Γη, αυτός θα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 73,8 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο.

Κάθε μείωση στην αβεβαιότητα της τιμής του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος βοηθά στην κατανόηση των κοσμικών συστατικών του. Η ακριβέστερη τιμή του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος περιορίζει το εύρος της έντασης της σκοτεινής ενέργειας και στενεύει τα όρια στις εκτιμήσεις άλλων κοσμικών ιδιοτήτων , συμπεριλαμβανομένου του σχήματος του σύμπαντος, τα είδη των νετρίνων ή άλλων υποθετικών σωματιδίων που κατέκλυσαν το πρώιμο σύμπαν.
«Με τη νέα κάμερα του Hubble μοιάζουμε στους αστυνομικούς που χρησιμοποιούν το ραντάρ για να συλλάβουν το σύμπαν για υπερβολική ταχύτητα» αστειεύεται ο Riess. «Φαίνεται ότι μάλλον η σκοτεινή ενέργεια είναι αυτή που πατάει το γκάζι»

Η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα από τα μεγαλύτερα κοσμολογικά μυστήρια της σύγχρονης φυσικής. Ακόμη και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν αναγκάστηκε να υιοθετήσει μια απωστική δύναμη, που εκφράζεται από την κοσμολογική σταθερά, η οποία θα εξισορροπούσε την βαρύτητα και θα κρατούσε το σύμπαν σταθερό. Όμως εγκατέλειψε αυτήν την ιδέα (λέγοντας μάλιστα ότι αποτελούσε το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του), όταν ο αστρονόμος Edwin Hubble ανακάλυψε το 1929 ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Όμως το 1998 οι παρατηρήσεις δύο ερευνητικών ομάδων (η μία με επικεφαλής τον Riess) ανακάλυψαν ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά αυτή η διαστολή είναι επιταχυνόμενη. Η σκοτεινή ενέργεια υποτίθεται ότι εξηγεί αυτή την επιτάχυνση.

Η ιδέα της σκοτεινής ενέργειας ήταν τόσο τραβηγμένη, ώστε πολλοί επιστήμονες άρχισαν να προτείνουν άλλες περίεργες ερμηνείες, συμπεριλαμβανομένης και της θεωρίας της κοσμικής “φυσαλίδας”. Σε αυτή τη θεωρία, μια φυσαλίδα με πολύ μικρή πυκνότητα διαστέλλεται γρηγορότερα σε σχέση με άλλες περιοχές του σύμπαντος που περιέχουν πολύ περισσότερη ύλη. Ένας παρατηρητής στο εσωτερικό της φυσαλίδας, νομίζει ότι ένα είδος σκοτεινής ενέργειας – όπως σήμερα πιστεύεται – αναγκάζει ολόκληρο το σύμπαν να διαστέλλεται. Η θεωρία αυτή απαιτεί ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είναι πολύ πιο αργός, περίπου 60 με 65 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μέγα-παρσέκ. Όμως η μείωση της αβεβαιότητας στην τιμής της σταθεράς του Hubble στο 3,3% γύρω από τη μέση τιμή των 73,8, αποκλείει την περίπτωση η τιμή να είναι μικρότερη από 70 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μέγα-παρσέκ.

Σύμφωνα τον Lucas Macri, έναν από τους συνεργάτες του Riess, “το πιο δύσκολο κομμάτι αυτής της θεωρίας ήταν το γεγονός ότι έπρεπε να αποδείξουμε ότι ζούμε πολύ κοντά στο κέντρο αυτής της τεράστιας περιοχής του κενού χώρου. Αυτό έχει πιθανότητα να συμβαίνει περίπου μία στο εκατομμύριο”.

Η μέτρηση του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος είναι πολύ δύσκολο έργο. Αρχικά η ομάδα του Riess έπρεπε πρώτα να προσδιορίσει τις ακριβείς αποστάσεις των γαλαξιών που βρίσκονται κοντά και μακριά από τη Γη. Επειδή οι αστρονόμοι δεν μπορούν να μετρήσουν απευθείας τις αποστάσεις των γαλαξιών, χρησιμοποιούν έμμεσα τη λαμπρότητα κάποιων άστρων ή άλλων αντικειμένων. Για τις κοντινές αποστάσεις χρησιμοποιούνται οι μεταβλητοί Κηφείδες των οποίων η λαμπρότητα αυξομειώνεται περιοδικά. Τέτοιου είδους άστρα όμως είναι αδύνατον να ανιχνευθούν στους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες. Έτσι για τους υπολογισμούς μεγαλύτερων αποστάσεων χρησιμοποιείται μια ειδική κατηγορία άστρων που εκρήγνυνται, τα σουπερνόβα Ia.
Η λαμπρότητα αυτών των αστρικών εκρήξεων είναι τόσο μεγάλη που μπορούμε να τη δούμε και στα πιο απομακρυσμένα σημεία του σύμπαντος. Συγκρίνοντας την φαινόμενη λαμπρότητα των σουπερνόβα la με την αντίστοιχη των παλλόμενων Κηφείδων, οι αστρονόμοι μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια την απόλυτη λαμπρότητά τους και ως εκ τούτου την αποστάσή τους από τη γη.

Χρησιμοποιώντας την ευκρίνεια της νέας κάμερας του Hubble (WFC3) οι αστρονόμοι μελέτησαν πολύ περισσότερα άστρα στο ορατό αλλά και υπέρυθρο φως, κατορθώνοντας έτσι να μειώσουν τα συστηματικά σφάλματα που προέκυπταν από τις συγκρίσεις των μετρήσεων από διαφορετικά τηλεσκόπια.
Για να μετρήσει κανείς έναν διάδρομο μπορεί να απλώσει μια μεγάλη μετρητική μεζούρα ή να πάρει έναν μικρό χάρακα και να δει πόσες φορές χωράει κατά μήκος του διαδρόμου. Είναι προφανές ότι με τον χάρακα το σφάλμα που θα είναι πολύ μεγαλύτερο. Οι τελευταίες μετρήσεις του Hubble είναι ακριβέστερες και απαιτούν λιγότερο χρόνο – μοιάζουν με τις μετρήσεις της μεζούρας σε σχέση με τις παλιότερες μετρήσεις που παραπέμπουν στον χάρακα.

Οι μετρήσεις του Hubble θα συνεχιστούν και αναμένεται να μειώσουν την αβεβαιότητα στην σταθερά του Hubble στο μισό της σημερινής της τιμής.

Ο Riess υπέθεσε την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας εδώ και 13 χρόνια. Διαπίστωσε ότι τα πολύ μακρινά σουπερνόβα τύπου Ia ήταν αμυδρότερα από το αναμενόμενο, που σήμαινε ότι ήταν πιο μακριά από ό τι αναμενόταν. Ο μόνος τρόπος για να εξηγηθεί αυτό ήταν να θεωρήσουμε ότι η διαστολή του Σύμπαντος από κάποιο σημείο και μετά στο παρελθόν έγινε επιταχυνόμενη.
Μέχρι τότε οι αστρονόμοι πίστευαν ότι η κοσμική διαστολή σταδιακά επιβραδύνεται, λόγω της βαρυτικής έλξης μεταξύ των γαλαξιών. Για να εξηγηθεί η επιταχυνόμενη διαστολή εισήχθη η έννοια της σκοτεινής ενέργειας, μιας μυστηριώδους δύναμης που υπερνικά την έλξη της βαρύτητας, αναγκάζοντας τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον με συνεχώς αυξανόμενες ταχύτητες.
www.nasa.gov

Ετικέτα: