Η διαφορά του 9%

Posted on 12/07/2019

0


Η σταθερά του Hubble είναι ένα κοσμολογικό μέγεθος που βασανίζει τους αστρονόμους εδώ και 90 χρόνια. Συμβολίζεται με Η0 και έχει πάρει το όνομά της από τον αστρονόμο Edwin Hubble. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν την τιμή της για να κάνουν διάφορες κοσμολογικές εκτιμήσεις, όπως για το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν ή ποια είναι η ηλικία του σύμπαντος.

Αν μπορούσαν να μετρήσουν την τιμής της με πολύ μεγάλη ακρίβεια θα μπορούσαν να λύσουν μερικά από τα μεγαλύτερα σύγχρονα κοσμολογικά ερωτήματα. Όμως υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα: οι μετρήσεις της σταθεράς του Hubble δεν συμφωνούν μεταξύ τους.

Το ερευνητικό πρόγραμμα SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), με επικεφαλής τον Adam Riess στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, έχει κάνει την πλέον ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς Hubble. Αλλά η τιμή της είναι 9% μεγαλύτερη από την μέχρι τώρα αποδεκτή τιμή στην αστρονομική κοινότητα.

Το να οφείλεται αυτή η απόκλιση σε καθαρά στατιστικό λάθος είναι εντελώς απίθανο – μόνο 1:100.000. Έτσι, εγείρεται το ερώτημα: Ποιος έχει δίκιο;

Μια από τις παλαιότερες διαμάχες στην κοσμολογία σχετίζεται με την ηλικία του σύμπαντος, η οποία εξαρτάται άμεσα με την ποσότητα 1/Η0  – το αντίστροφο της σταθεράς του Hubble.

διαβάστε σχετικά: Πως υπολογίζεται η ηλικία του σύμπαντος;

Έτσι … αν δεχτείτε μια υψηλότερη τιμή της σταθεράς Hubble, προκύπτει ένα νεότερο σύμπαν σχεδόν κατά ένα δισεκατομμύριο χρόνια.

Οι διαφωνίες σχετικά με τη σταθερά του Hubble δεν είναι καινούργιες. Ο Edwin Hubble υπολόγισε για πρώτη φορά τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος το 1929, βρίσκοντας μια τιμή επτά φορές μεγαλύτερη από αυτή που είναι αποδεκτή σήμερα.

Σήμερα οι αστρονόμοι δέχονται για την τιμή 67,4 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ (Mpc). (Αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας που απέχει 10 μεγαπαρσέκ από τη Γη απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 674 km/s). Όμως η ερευνητική ομάδα SH0ES υπολόγισε την τιμή 74,03 km/s / Mpc.

Η διαφορά είναι σημαντική και κάνει πολλούς αστρονόμους να αναρωτιούνται τελικά αν όντως κατανοούμε το σύμπαν μας.

Οι δύο ερευνητικές ομάδες μετρούν τη σταθερά του Hubble με διαφορετικούς τρόπους. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί τις μετρήσεις κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από τον δορυφόρο Planck. Οι αστρονόμοι από τις μετρήσεις αυτές βρίσκουν πόσο γρήγορα διαστελλόταν το σύμπαν 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Στη συνέχεια χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα αυτά υπολογίζουν πόσο γρήγορα το σύμπαν διαστέλλεται το σύμπαν σήμερα.

Η ερευνητική ομάδα SH0ES, από την άλλη πλευρά, παρατηρεί νεότερα αστρονομικά αντικείμενα, όπως μεταβλητοί αστέρες (άστρα με μεταβαλλόμενη λαμπρότητα) και σουπερνόβα. Αρχικά, υπολογίζουν την απόσταση αυτών των αστρονομικών αντικειμένων από τη Γη. Στη συνέχεια, βρίσκουν πόσο γρήγορα απομακρύνονται τα αντικείμενα αυτά χρησιμοποιώντας τη μετατόπιση Doppler, απ’ όπου προκύπτει η σταθερά του Hubble.

Θα περίμενε κανείς, αυτές οι δύο διαφορετικές μέθοδοι να δίνουν την ίδια τιμή για την σταθερά Hubble. Το γεγονός ότι δεν το κάνουν υποδεικνύει ότι υπάρχει κάποιο μικρό λάθος στο μοντέλο του σύμπαντος που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να προβλέψουν τη σταθερά του Hubble διαμέσου της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ο Adam Riess περιγράφει την κατάσταση ως εξής:

«Είναι σαν να είχατε ένα μικρό παιδί 2 ετών και να μετράτε το ύψος του. Θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε τις γνώσεις σας για τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι μεγαλώνουν και να προβλέψετε το τελικό ύψος στο οποίο θα φτάσει το παιδί όταν ενηλικιωθεί. Από το ύψος ενός παιδιού σε ηλικία 2 ετών μπορεί να εκτιμηθεί το τελικό ύψος – συνήθως είναι το διπλάσιο του ύψους στην ηλικία των δυο ετών.  Όταν το παιδί ενηλικιώνεται μετράτε ξανά το τελικό ύψος. Και τότε με έκπληξη διαπιστώνετε πως το παιδί σας έγινε ψηλότερο κατά 30 εκατοστά απ’ ότι είχατε υπολογίσει! Ακριβώς σ’ αυτή την κατάσταση βρισκόμαστε.»

Ένας τρόπος για να δοθεί λύση σ’ αυτή την ασυμφωνία είναι η πραγματοποίηση περισσότερων μετρήσεων (και με διαφορετικούς τρόπους). Και αυτό ακριβώς κάνουν πολλές ερευνητικές ομάδες. Μια είναι η H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL’s Wellspring), μια διεθνής ομάδα κοσμολόγων που μελετά την εκτροπή του φωτός μακρινών κβάζαρ από συμπλέγματα γαλαξιών μεγάλης μάζας, με σκοπό τον υπολογισμό της σταθεράς του Hubble με έναν τρίτο ανεξάρτητο τρόπο. [«A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging»]. Και η μέθοδος αυτή δίνει παρόμοια απάντηση με την ερευνητική ομάδα του Riess.χαμπλ

Οι ερευνητικές ομάδες LIGO και VIRGO επιχειρούν να μετρήσουν τη σταθερά του Hubble με έναν διαφορετικό τρόπο: με κύματα βαρύτητας. Τα πρώτα αποτελέσματά τους δίνουν μια τιμή περίπου 70 km/ s/Mpc – στο μέσον των εκτιμήσεων των ομάδων SH0ES και Planck, αλλά με μεγαλύτερη αβεβαιότητα.

Το ερώτημα που βασανίζει τους αστρονόμους είναι αν η διαφορά οφείλεται ή όχι σε ανθρώπινο λάθος.

Σύμφωνα με τον Arka Banerjee, φυσικό του πανεπιστημίου Stanford, η διαφορά μπορεί να οφείλεται στην υποτίμηση των συστηματικών σφαλμάτων. Ο Arka Banerjee συσχετίζει την τιμή της σταθεράς του Hubble με τα νετρίνα. Τα νετρίνα έχουν πάρα πολύ μικρές μάζες η μέτρηση των οποίων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα στην φυσική των νετρίνων. Η σταθερά του Hubble μπορεί να χρησιμοποιηθεί ώστε να θέσει όρια στην μάζα τους και θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους φυσικούς να εκτιμήσουν αν υπάρχει κάποιο είδος νετρίνων που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμα.

Τα συστηματικά λάθη αποτελούν τεράστια πρόκληση όταν πρόκειται να μετρήσουμε την σταθερά του Hubble. Kαι οι δυο ερευνητικές ομάδες που δίνουν τα μικρότερα συστηματικά σφάλματα είναι αυτές που διαφωνούν στην κεντρική τιμή, οι ομάδες Planck και SH0ES.

Θα πρέπει λοιπόν να περιμένουμε μέχρι οι ερευνητικές ομάδες όπως Simons Observatory, H0LiCOW, LIGO και άλλες, καταφέρουν να φτάσουν στο ίδιο επίπεδο ακρίβειας, ώστε να αποφασίσουμε για την τόσο κρίσιμη στην κοσμολογία, τελική τιμή της σταθεράς Hubble.

διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του symmetrymagazine «The 9 percent difference» 

Ετικέτα: