Ο χάρτης που δείχνει το σκοτεινό περιεχόμενο του Σύμπαντος

Posted on 06/08/2017

0


Τα πρώτα σημαντικά αποτελέσματα της Dark Energy Survey σηματοδοτούν την έναρξη μιας νέας εποχής στην κοσμολογία

To τηλεσκόπιο Blanco βρίσκεται σε μια κορυφή των Άνδεων στη Χιλή, σε υψόμετρο 2200 μέτρων

Η διεθνής ερευνητική συνεργασία Dark Energy Survey (DES) ανακοίνωσε τα αποτελέσματα της ανάλυσης των πρώτων δεδομένων, που άρχισαν να συλλέγονται από το τηλεσκόπιο Blanco τον Αύγουστο του 2013, και συνέχισαν για τους επόμενους έξι μήνες. Έκτοτε έχουν ολοκληρωθεί τρεις ακόμα κύκλοι συλλογής δεδομένων. Το DES θα ξεκινήσει τον πέμπτο κύκλο των παρατηρήσεων στο τέλος αυτού του μήνα. Μια ομάδα 400 ατόμων αναλύει τα δεδομένα αυτά και τα επόμενα χρόνια θα προκύψουν στοιχεία τα οποία θα ελέγξουν τις θεωρίες σχετικά με τα δυο πιο μυστηριώδη συστατικά που κυριαρχούν στο σύμπαν μας: την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια.

Η ανάλυση των πρώτων μετρήσεων μας δείχνει ότι το σύμπαν συνίσταται από 74% σκοτεινή ενέργεια, 21% σκοτεινή ύλη, με την γνωστή ύλη να αποτελεί το υπόλοιπο 5% του σύμπαντος.

Χάρτης της σκοτεινής ύλης έτσι όπως προέκυψε από τις μετρήσεις βαρυτικής εστίασης 26 εκατομμυρίων γαλαξιών του DES. Οι κόκκινες περιοχές έχουν περισσότερη σκοτεινή ύλη από τον μέσο όρο, και οι μπλε περιοχές λιγότερη σκοτεινή ύλη.

Η σκοτεινή ύλη

O όρος σκοτεινή ύλη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 80 χρόνια από τον αστρονόμο Fritz Zwicky. Ο Zwicky στην δεκαετία του 1930 ανακάλυψε πως οι γαλαξίες του γαλαξιακού σμήνους της Κόμης κινούνταν τόσο γρήγορα που, σύμφωνα με τους νευτώνειους νόμους της κίνησης, θα έπρεπε να απομακρυνθούν μεταξύ τους και το σμήνος να διαλυθεί. Η μόνη εξήγηση που σκέφτηκε, για το γεγονός ότι το σμήνος διατηρείται ενωμένο και δε διαλύεται, είναι ότι περιέχει εκατοντάδες φορές περισσότερη ύλη απ’ όση βλέπουμε με τα τηλεσκόπιά μας. Είτε οι νόμοι του Νεύτωνα ήταν λάθος για τις γαλαξιακές αποστάσεις, ή το σμήνος της Κόμης περιείχε μεγάλες ποσότητες αόρατης ύλης (σκοτεινή ύλη) που το συγκρατούσε ενωμένο.

Όμως το επιστημονικό κατεστημένο εκείνης της εποχής αγνόησε ή απέρριπτε το πρωτοποριακό έργο του Zwicky. Η επιστημονική αγκύλωση των αστρονόμων εκείνης της εποχής εξόρισε στην αφάνεια την έμμεση ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης από τον Zwicky για 40 χρόνια περίπου.

Αργότερα, στην δεκαετία του 1970 η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν την έννοια της αόρατης σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν πως οι ίδιοι οι γαλαξίες συγκρατούν τα συστατικά τους και δεν διαλύονται εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους.

Παρά το γεγονός ότι όλα τα έμμεσα αστρονομικά δεδομένα μας λένε πως η σκοτεινή ύλη υπάρχει και είναι πέντε φορές περισσότερη από την γνωστή μας ύλη, δυστυχώς δεν γνωρίζουμε τι είναι ακριβώς.

Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να είναι αστρονομικά αντικείμενα που δεν εκπέμπουν φως, όπως αστεροειδείς, κομήτες, πλανήτες, άστρα νετρονίων και μαύρες τρύπες, τα επονομαζόμενα MΑCHOs (Mαssive Αstronomicαl Compαct Hαlo Objects). Ή να συνίσταται από κάποια σωματίδια, όπως νετρίνα, αξιόνια ή άλλα άγνωστα προς το παρόν σωματίδια που αλληλεπιδρούν με εξαιρετικά ασθενή τρόπο με την κανονική ύλη, τα σωματίδια αυτά ονομάζονται WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), τα οποία πολλά επίγεια εργαστήρια αυτή τη στιγμή προσπαθούν να τα ανιχνεύσουν.

Η σκοτεινή ενέργεια

Προς το τέλος του εικοστού αιώνα, κι ενώ η επιστημονική κοινότητα είχε αποδεχθεί πλέον την έννοια της σκοτεινής ύλης – παρά το γεγονός ότι δεν υπήρχε μια θεωρία για να την περιγράψει – οι φυσικοί αποφάσισαν να μετρήσουν τον ρυθμό με τον οποίο το σύμπαν διαστέλλεται, χρησιμοποιώντας μια νέα μέθοδο βασισμένη στην παρατήρηση των σουπερνόβα τύπου Ια.

Στο πίσω μέρος του μυαλού τους κυριαρχούσε η ιδέα πως η διαστολή του σύμπαντος επιβραδύνεται, ή το πολύ-πολύ να παρέμενε η ίδια.

Αυτή ήταν μια εύλογη και αναμενόμενη υπόθεση. Εφόσον το σύμπαν δημιουργήθηκε κατά την Μεγάλη Έκρηξη και η βαρύτητα προσπαθεί να επαναφέρει τα πάντα προς τα πίσω, υπάρχουν δυο περιπτώσεις: είτε να υπερισχύει η βαρύτητα επιβραδύνοντας την διαστολή και τελικά να προκύπτει η συστολή του σύμπαντος μέχρι την Μεγάλη Σύνθλιψη, ή η αρχική ώθηση να υπερισχύει της βαρύτητας κάνοντας το σύμπαν, από κάποιο σημείο και μετά, να διαστέλλεται συνεχώς με σταθερό ρυθμό.

Περίμεναν λοιπόν πως οι παρατηρήσεις τους θα επαλήθευαν το αναμενόμενο: ο ρυθμός της διαστολής του σύμπαντος να είναι επιβραδυνόμενος – άντε το πολύ σταθερός.

Καταλαβαίνουμε λοιπόν την έκπληξή τους καθώς διαπίστωναν πως οι μετρήσεις τους οδηγούσαν στο συμπέρασμα ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είναι επιταχυνόμενος.  Προφανώς ο έλεγχος των αποτελεσμάτων τους ήταν εξονυχιστικός και δεν υπήρχε περίπτωση να επαναληφθεί η ντροπή της ιστορίας των μετρήσεων του φορτίου του ηλεκτρονίου.

Εφόσον λοιπόν οι ερευνητικές ομάδες που μέτρησαν τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος δεν παρασύρθηκαν από επιστημονικές εμμονές και τις αγκυλώσεις του παρελθόντος, και αφού έλεγξαν ξανά και ξανά τα δεδομένα τους κατέληξαν στο μη αναμενόμενο συμπέρασμα ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Ο νομπελίστας Brian Smith θυμάται: «Όσο κι αν δεν το πίστευα, είχαμε ελέγξει τα πάντα …. δίσταζα να το ανακοινώσω, γιατί πραγματικά φοβόμουν ότι θα μας λιντσάριζαν». Σύμφωνα με τον E. Witten του Ινστιτούτου Ανωτέρων Μελετών του Πρίνστον ήταν «το πιο παράξενο πειραματικό εύρημα από τότε που άρχισε να ασχολείται με τη Φυσική»

Όμως αυτή η αναπάντεχη ανακάλυψη έθετε το αμείλικτο ερώτημα: και τι είναι αυτό που επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος; Αυτή την κινητήρια δύναμη που με επιταχυνόμενο ρυθμό μεγαλώνει συνεχώς το σύμπαν μας οι φυσικοί – χωρίς να ξέρουν τι ακριβώς είναι – την ονόμασαν σκοτεινή ενέργεια. Και οι υπολογισμοί δείχνουν πως αποτελεί πάνω από τα δύο τρίτα της συνολικής μάζας-ενέργειας του σύμπαντος!

Στην θεωρία η σκοτεινή ενέργεια εκφράστηκε με την επαναφορά της κοσμολογικής σταθεράς Λ, την ενέργεια του κενού που είχε θεωρήσει κάποτε ο Einstein στα πλαίσια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (και αργότερα το μετάνιωσε λέγοντας μάλιστα πως ήταν η «μεγαλύτερη γκάφα» που έκανε στη ζωή του).

Πολύ κόσμος – και μεταξύ αυτών αρκετοί φυσικοί – δυσφορεί στο άκουσμα της σκοτεινής ενέργειας, θεωρώντας πως τα φαντάσματα τύπου «αιθέρα» φαίνονται να επανέρχονται στην φυσική. Όμως τα σχετικά πειραματικά δεδομένα είναι αμείλικτα και μη αμφισβητήσιμα. Περιμένουν απλώς την πλήρη θεωρητική ερμηνεία τους. Και προς αυτή την κατεύθυνση κινείται η έρευνα του προγράμματος DES (Dark Energy Survey).

Ένας «σκοτεινός» χάρτης

Μέχρι τώρα ο καλύτερος τρόπος απογραφής του σύμπαντος γινόταν μέσα από την μελέτη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, τα απομεινάρια του φωτός 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Την ακτινοβολία αυτή κατέγραψε με μεγάλη λεπτομέρεια το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck – ο απόγονος των WMAP και COBE – αποδεικνύοντας πως το νεαρό σύμπαν ήταν εξαιρετικά ομογενές με μικρές αποκλίσεις πυκνότητας, οι οποίες στη συνέχεια εξελίχθηκαν στους γαλαξίες και τα κενά που αποτελούν το σημερινό σύμπαν.

Οι γαλαξίες μετά από δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης έγιναν περισσότερο πολύπλοκοι και είναι δυσκολότερο να δώσουν πληροφορίες σαν αυτές που προκύπτουν από την μελέτης της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Όμως σύμφωνα με τους ειδικούς, τελικά θα μας δώσουν μια πλουσιότερη εικόνα των νόμων που κινούν το σύμπαν. Μια «τρισδιάστατη εικόνα» περιέχει περισσότερες πληροφορίες από την «δισδιάστατη εικόνα» της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, σύμφωνα με τον Scott Dodelson, της ερευνητικής ομάδας DES.

Για να αποκτήσει αυτές τις πληροφορίες η ομάδα DES ερεύνησε ένα τμήμα του σύμπαντος, που εκτείνεται σε μια έκταση 1300 τετραγωνικών μοιρών στον ουρανό – το συνολικό εμβαδόν που θα κάλυπταν στον ουρανό 6500 πανσέληνοι – και που φθάνει 8 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν. Tα δεδομένα συλλέχθηκαν από την κάμερα (Dark Energy Camera) μισού δισεκατομμυρίου pixel, τοποθετημένη στο τηλεσκόπιο Blanco που βρίσκεται στις Άνδεις.

Η ομάδα του DES ανέλυσε στατιστικά την κατανομή των γαλαξιών σ’ αυτό τον κοσμικό όγκο. Εξέτασε επίσης την παραμόρφωση των φαινόμενων σχημάτων των γαλαξιών, εξαιτίας του φαινομένου της βαρυτικής εστίασης, αποκαλύπτοντας έτσι την ποσότητα της σκοτεινής ύλης που κρύβεται ανάμεσα στους γαλαξίες και τη Γη. Αυτά τα δυο στοιχεία – η κατανομή των γαλαξιών και το φαινόμενο των βαρυτικών φακών – αποτελούν δυο από τις τέσσερις προσεγγίσεις, μαζί με την μελέτη των σουπερνόβα τύπου ΙΑ και των βαρυονικών ακουστικών ταλαντώσεων, που χρησιμοποιεί το DES για την απογραφή των συστατικών σύμπαντος.

Εικόνες από την DECamera που είναι προσαρμοσμένη στο τηλεσκόπιο Blanco

Ήδη η ανάλυση των μετρήσεων του πρώτου έτους – θα ακολουθήσει η ανάλυση των μετρήσεων άλλων τεσσάρων ετών – αυτής της έρευνας είναι οι ακριβέστερες όλων των προηγούμενων μελετών γαλαξιών και για πρώτη φορά συναγωνίζονται την ακρίβεια των μετρήσεων του Planck.

Οι κοσμολόγοι ενδιαφέρονται για την νέα περιεκτικότητα του σύμπαντος όσον αφορά την σκοτεινή ύλη και ενέργεια που προκύπτει από την έρευνα των γαλαξιών και η σύγκρισή της με τις περιεκτικότητες που έδωσε η ερευνητικά ομάδα του Planck, μέσα από την μελέτη του κοσμικού υποβάθρου ακτινοβολίας. Το Planck υπολόγισε την ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας, που θα έπρεπε να υπάρχει σήμερα προεκτείνοντας τα δεδομένα που προέκυψαν από το νεαρό σύμπαν, ηλικίας μόλις 380.000 ετών.

Στατιστικά υπάρχει μια διαφορά μεταξύ DES και Planck. Σύμφωνα με το Planck το 67% του σύμπαντος είναι σκοτεινή ενέργεια, ενώ σύμφωνα με το DES το 74%. Ή να το πούμε διαφορετικά, σύμφωνα με το Planck η ύλη (σκοτεινή και κανονική) αποτελούν το 33% του σύμπαντος, ενώ σύμφωνα με το DES μόνο το 26%.

Πρόκειται για μια χτυπητή αναντιστοιχία. Το αν η διαφορά θα ενισχυθεί ή θα μειωθεί θα το δούμε στην επόμενη ανακοίνωση του DES, όταν θα έχουν αναλυθεί ακόμα περισσότερα δεδομένα.

Αν η πιθανή απόκλιση των μετρήσεων μεταξύ Planck και DES αποδειχθεί πραγματική τότε μάλλον καταρρίπτεται το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο Λ-CDM, που αποτελεί την απλούστερη θεωρητική περιγραφή της εξέλιξης του σύμπαντος σήμερα. Και εννοείται πως η απόρριψη αυτού του μοντέλου ανοίγει δρόμους για νέα φυσική.

Το κοσμολογικό πρότυπο Λ-CDM περιέχει δυο σημαντικές παραμέτρους. Την ψυχρή σκοτεινή ύλη (Cold Dark Matter) και την κοσμολογική σταθερά Λ. Η σκοτεινή ενέργεια εκφράζεται από την κοσμολογική σταθερά Λ. Είναι η ενέργεια που περιέχει ο χώρος αν εξαφανίσουμε τα πάντα. Αυτή η ενέργεια έχει αρνητική πίεση και ωθεί τον χώρο κάνοντάς τον να διαστέλλεται. Νέα σκοτεινή ενέργεια αναδύεται στον επιπλέον χώρο που δημιουργείται, έτσι ώστε η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας να παραμένει σταθερή, ακόμα κι αν η συνολική ποσότητά της σε σχέση με την σκοτεινή ύλη αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, προκαλώντας την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος.

Μια άλλη θεωρία επιχειρεί να εξηγήσει την σκοτεινή ενέργεια θεωρώντας την ως ένα πεδίο, σαν το πεδίο ίνφλατον, που προκάλεσε την ταχεία διαστολή του σύμπαντος στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης, τον επονομαζόμενο πληθωρισμό. Σύμφωνα με αυτή τη θεώρηση η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα παρόμοιο πεδίο που σήμερα εξελίσσεται δυναμικά.

Η νέα ανάλυση του DES βελτιώνει σταδιακά την μέτρηση μιας παραμέτρου w που διακρίνει μεταξύ των δυο θεωριών – της κοσμολογικής σταθεράς και ενός αργά μεταβαλλόμενου πεδίου τύπου ίνφλατον. Αν η σκοτεινή ενέργεια αντιπροσωπεύεται από την κοσμολογική σταθερά τότε η σταθερά αυτή έχει την τιμή -1. Αλλιώς θα έχει μια τιμή διαφορετική από το -1.

Είναι αξιοσημείωτο πως όταν τα δεδομένα του πρώτου έτους της ομάδας DES, συνδυάστηκαν με προηγούμενες μετρήσεις έδωσαν μια τιμή w= -1±0,04. Προς το παρόν λοιπόν ευνοείται το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο Λ-CDM, όμως πολλά μπορεί να αλλάξουν όταν ολοκληρωθεί η ανάλυση όλων των δεδομένων τα επόμενα χρόνια.

πηγές: www6.slac.stanford.edu –www.quantamagazine.orgwww.darkenergysurvey.org

Ετικέτα: