Οι αστροφυσικοί χρησιμοποιώντας το Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) δημιούργησαν τον μεγαλύτερο τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντός μας και διερεύνησαν την σκοτεινή ενέργεια, την μυστηριώδη αιτία που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Μια γενιά φυσικών αναφέρεται στην σκοτεινή ενέργεια που διαποτίζει το σύμπαν ως «η κοσμολογική σταθερά». Τώρα ο χάρτης της DESI δείχνει ότι αυτή η μυστηριώδης ενέργεια μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου. Αν αληθεύει κάτι τέτοιο τότε, κλονίζεται το αποδεκτό μοντέλο των επιστημόνων για το σύμπαν, που είναι γνωστό ως «Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας», συντομογραφικά ως ΛCDM. Στο ΛCDM, κυριαρχεί η σταθερή ποσότητα σκοτεινής ενέργειας (κοσμολογική σταθερά Λ), μαζί με την ψυχρή σκοτεινή ύλη (Cold Dark Matter=CDM)
- Η DESI χαρτογράφησε γαλαξίες και κβάζαρ με πρωτοφανή λεπτομέρεια, δημιουργώντας τον μεγαλύτερο τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος μέχρι σήμερα και μετρώντας πόσο γρήγορα διαστάλθηκε το σύμπαν στα τελευταία 11 δισεκατομμύρια χρόνια της ζωής του.
- Είναι η πρώτη φορά που οι αστροφυσικοί μέτρησαν την ιστορία της διαστολής της περιόδου πριν από 8-11 δισεκατομμύρια χρόνια, με ακρίβεια μεγαλύτερη από 1%, ανοίγοντας έναν μεγάλο δρόμο για την μελέτη της σκοτεινής ενέργειας.
- Μόλις στο πρώτο έτος συλλογής δεδομένων ο χάρτης της DESI έχει ξεπεράσει όλους τους προηγούμενους τρισδιάστατους φασματοσκοπικούς χάρτες και επιβεβαίωσε τα βασικά στοιχεία του καλύτερου μοντέλου του σύμπαντος που διαθέτουμε σήμερα.
- Όμως προέκυψαν και κάποια στοιχεία που δείχνουν ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια που κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενα, πιθανόν εξασθενεί ελαφρώς με τον χρόνο. Πρόκειται για ένα εύρημα που μπορεί να κλονίσει τα θεμέλια της φυσικής.
Προς το παρόν η στατιστική των δεδομένων δεν είναι αρκετά ισχυρή ώστε οι ασστροφυσικοί να ισχυριστούν με βεβαιότητα ότι πραγματοποίησαν μια νέα ανακάλυψη – ότι δηλαδή η σκοτεινή ενέργεια μεταβάλλεται με το χρόνο. Οι παρατηρήσεις ευνοούν προς το παρόν την μείωση της σκοτεινής ενέργειας, αλλά το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να αλλάξει με την συλλογή περισσότερων δεδομένων. Πάντως οι ερευνητές σημειώνουν ότι τρία διαφορετικά σύνολα παρατηρήσεων δείχνουν όλα προς την ίδια συναρπαστική κατεύθυνση, αφού έρχεται σε αντίθεση με την καθιερωμένη εικόνα της σκοτεινής ενέργειας ως εγγενούς σταθερής ενεργειακής πυκνότητας του κενού χώρου – μια ποσότητα που ονομάζεται «κοσμολογική σταθερά», λόγω της αμετάβλητης φύσης της. Αν η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι μια κοσμολογική σταθερά, τότε αυτό θα είναι μια τεράστια ανακάλυψη.
Το 1998, η ομάδα του Adfam Riess, μαζί με μια άλλη ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής τον Saul Perlmutter, χρησιμοποίησαν το φως δεκάδων μακρινών, ετοιμοθάνατων άστρων που ονομάζονται σουπερνόβα για να «διαφωτίσουν» την δομή του σύμπαντος. Ανακάλυψαν ότι ο ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν αυξάνεται καθώς αυτό γερνάει.
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, οποιαδήποτε ύλη ή ενέργεια μπορεί να οδηγήσει σε κοσμική διαστολή. Αλλά καθώς ο χώρος διαστέλλεται, όλα τα γνωστά είδη ύλης και ενέργειας γίνονται λιγότερο πυκνά καθώς αραιώνονται σε ένα ευρύτερο σύμπαν. Καθώς οι πυκνότητές τους μειώνονται, η διαστολή του σύμπαντος θα έπρεπε να επιβραδύνεται κι όχι να επιταχύνεται.
Όμως, μια ουσία που δεν «αραιώνεται» με την διαστολή του χώρου είναι ο ίδιος ο χώρος. Αν το κενό έχει μια δική του ενέργεια, τότε όσο περισσότερο κενό προκύπτει τόσο περισσότερη περισσότερη ενέργεια δημιουργείται και η διαστολή θα επιταχύνεται, όπως παρατήρησαν οι Riess και Perlmutter. Η ανακάλυψή τους για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος αποδόθηκε στην παρουσία της σκοτεινής ενέργειας που σχετίζεται με τον κενό χώρο.
Κατά κάποιο τρόπο, ο Αϊνστάιν είχε εξετάσει μια τέτοια πιθανότητα όταν ανέπτυξε την γενική σχετικότητα το 1916. Επειδή μισούσε την ιδέα ενός ασταθούς σύμπαντος, συνειδητοποίησε ότι ο μόνος τρόπος για να παραμένει το σύμπαν στατικό και αμετάβλητο, ήταν η ύπαρξη μιας μυστηριώδους δύναμης – ένα είδος αντιβαρύτητας – η οποία θα εξισορροπούσε την βαρύτητα – που από μόνη της θα οδηγούσε την ύλη του σύμπαντος στην συστολή του και την κατάρρευση. Φαντάστηκε ότι ο κενός χώρος θα μπορούσε να εμποτιστεί με μια σταθερή ποσότητα επιπλέον ενέργειας, που συμβολίζεται με Λ, και αναφέρεται ως η κοσμολογική σταθερά. Όμως μια δεκαετία αργότερα, ο αστρονόμος Edwin Hubble ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους – όπως οι σταφίδες στη ζύμη ενός σταφιδόψωμου που φουσκώνει. Το σύμπαν λοιπόν δεν ήταν στατικό – ούτε εμφάνιζε σημάδια συρρίκνωσης λόγω βαρύτητας, όπως φοβόταν ο Αινστάιν – αλλά αντίθετα διαστελλόταν προς όλες τις κατευθύνσεις. Αν το σύμπαν όντως διαστελλόταν, τότε η κοσμολογική σταθερά δεν ήταν απαραίτητη και ο Αινστάιν την αφαίρεσε από τις εξισώσεις του, δηλώνοντας αργότερα ότι η κοσμολογική σταθερά αποτελούσε την μεγαλύτερη γκάφα της ζωής του. Όμως μετά την ανακάλυψη του 1998 ότι το σύμπαν δεν διαστέλλεται απλώς, αλλά διαστέλλεται επιταχυνόμενα, η κοσμολογική σταθερά επέστρεψε στις εξισώσεις του Αινστάιν κερδίζοντας μια θέση στην καρδιά του Καθιερωμένου Προτύπου της Κοσμολογίας (ΛCDM).
Με 5.000 μικροσκοπικά ρομπότ το Φασματοσκόπιο Σκοτεινής Ενέργειας της DESI στην κορυφή ενός βουνού στην Αριζόνα, οι ερευνητές μπορούν να δουν 11 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν. Για να μελετήσει τις επιπτώσεις της σκοτεινής ενέργειας τα τελευταία 11 δισεκατομμύρια χρόνια, η DESI δημιούργησε τον μεγαλύτερο τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος που κατασκευάστηκε ποτέ, με τις πιο ακριβείς μετρήσεις μέχρι σήμερα. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες μέτρησαν την ιστορία της διαστολής του νεαρού σύμπαντος με ακρίβεια μεγαλύτερη από 1%, δίνοντάς μας την καλύτερη εικόνα για το πώς εξελίχθηκε το σύμπαν. Οι ερευνητές δημοσίευσαν την ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν τον πρώτο χρόνο της λειτουργίας της DESI σε πολλές εργασίες που προς το παρόν αναρτήθηκαν στο arXiv ή ανακοινώθηκαν σε συνέδρια στις ΗΠΑ και την Ιταλία.
Μέχρι στιγμής, τα δεδομένα δείχνουν ότι σε γενικές γραμμές υπάρχει μια συμφωνία με το αποδεκτό θεωρητικό μοντέλο για το σύμπαν ΛCDM, αλλά προκύπτουν επίσης και μερικές δυνητικά ενδιαφέρουσες αποκλίσεις που δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια εξελίσσεται με το χρόνο. Αυτές οι αποκλίσεις είναι πιθανό να εξαφανιστούν όταν εμπλουτιστεί η στατιστική των δεδομένων με περισσότερα δεδομένα. Πέρα όμως από την επιβεβαίωση ή όχι της μεταβολής της σκοτεινής ενέργειας κατά την διαστολή του σύμπαντος, η ανάλυση του συνόλου των δεδομένων θα βελτιώσει τον υπολογισμό της σταθεράς Hubble (που μας δείχνει πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν σήμερα), αλλά και την κοσμολογική εκτίμηση της μάζας των νετρίνων.
Μελετώντας τον χάρτη της DESI, είναι εύκολο να δει κανείς την υποκείμενη δομή του σύμπαντος. Όμως, το πολύ αρχέγονο σύμπαν, που δεν μπορεί να δει η DESI, ήταν αρκετά διαφορετικό: μια καυτή, πυκνή σούπα υποατομικών σωματιδίων που κινούνταν πολύ γρήγορα. Μεταξύ αυτών των σωματιδίων ήταν τα βαρυόνια, κυρίως πρωτόνια και νετρόνια που στη συνέχεια σχημάτισαν τα άτομα, κυρίως υδρογόνο και ήλιο, τα οποία αποτελούν την ορατή ύλη του σύμπαντος.
Οι μικροσκοπικές διακυμάνσεις σε αυτό το αρχέγονο ιονισμένο πλάσμα προκάλεσαν κύματα πίεσης, εξαναγκάζοντας τα βαρυόνια σε ένα μοτίβο κυματισμών παρόμοιο με αυτό που θα βλέπατε αν πετάξετε ένα βότσαλο σε λίμνη. Καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, σχηματίστηκαν ουδέτερα άτομα και τα κύματα πίεσης έπαψαν, «παγώνοντας» τους κυματισμούς σε τρεις διαστάσεις και αυξάνοντας την συσσώρευση των μελλοντικών γαλαξιών στις πυκνές περιοχές. Δισεκατομμύρια χρόνια μετά, μπορούμε ακόμα να δούμε αυτό το αχνό μοτίβο τρισδιάστατων κυματισμών ή φυσαλίδων, στον χαρακτηριστικό διαχωρισμό των γαλαξιών- ένα χαρακτηριστικό που αναφέται ως Βαρυονικές Ακουστικές Ταλαντώσεις (BAOs).
Oι ερευνητές χρησιμοποιούν τις μετρήσεις BAOs ως κοσμικό χάρακα για την κλίμακα μήκους στην κοσμολογία. Το μήκος αυτού του χάρακα δίνεται από την μέγιστη απόσταση που θα μπορούσαν να διανύσουν τα ακουστικά κύματα στο αρχέγονο πλάσμα πριν αυτό ψυχθεί μέχρι την θερμοκρασία που σχηματίστηκαν τα ουδέτερα άτομα (την εποχή επανασύνδεσης). Το μήκος αυτού του τυπικού χάρακα (≈490 εκατομμύρια έτη φωτός στο σημερινό σύμπαν) μπορεί να μετρηθεί εξετάζοντας τη δομή μεγάλης κλίμακας της ύλης χρησιμοποιώντας αστρονομικές παρατηρήσεις. Η χαρτογράφηση των φυσαλίδων BAOs επιτρέπει στους ερευνητές να τεμαχίσουν τα δεδομένα σε κομμάτια, μετρώντας πόσο γρήγορα διαστέλλονταν το σύμπαν κάθε χρονική στιγμή στο παρελθόν του και να προσδιορίσουν την επίδραση της σκοτεινής ενέργειας σ’ αυτή τη διαστολή.
Η χρήση γαλαξιών για τη μέτρηση της ιστορίας της διαστολής και την καλύτερη κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας είναι μία τεχνική, αλλά έχει κάποια όρια. Από ένα ορισμένο σημείο και μετά το φως από τους τυπικούς γαλαξίες είναι πολύ αχνό, οπότε οι ερευνητές στρέφονται στα κβάζαρ – στους εξαιρετικά μακρινούς και φωτεινούς γαλαξιακούς πυρήνες με μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Το φως από τα κβάζαρ απορροφάται καθώς περνά μέσα από διαγαλαξιακά νέφη αερίου, επιτρέποντας στους ερευνητές να χαρτογραφήσουν τους θύλακες της πυκνής ύλης και να τους χρησιμοποιήσουν με τον ίδιο τρόπο που χρησιμοποιούν τους γαλαξίες. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει στους αστρονόμους να δούν το σύμπαν όταν ήταν πολύ νέο.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν 450.000 κβάζαρ, το μεγαλύτερο σύνολο που συλλέχθηκε ποτέ για τέτοιου είδους μετρήσεις, ώστε να προεκτείνουν τις μετρήσεις των BAOs μέχρι 11 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω στο παρελθόν. Μέχρι το τέλος της έρευνας, η DESI θα χαρτογραφήσει 3 εκατομμύρια κβάζαρ και 37 εκατομμύρια γαλαξίες!
Η DESI είναι το πρώτο φασματοσκοπικό πείραμα που πραγματοποίησε μια πλήρως «τυφλή ανάλυση», η οποία κρύβει το πραγματικό αποτέλεσμα καθώς οι επιστήμονες που επεξεργάζονται τα δεδομένα, για να αποφευχθεί οποιαδήποτε ασυνείδητη μεροληψία.
Τα διαγράμματα που ακολουθούν δείχνουν τα μέχρι τώρα αποτελέσματα της DESI:
Οι μετρήσεις της DESI διαφέρουν από την θεωρητική πρόβλεψη του ΛCDM κατά 2,5σ, 3,5σ ή 3,9σ, ανάλογα με τον κατάλογο των σουπερνόβα χρησιμοποιήθηκε στην ανάλυση των δεδομένων. Τι σημαίνουν αυτά τα «σίγμα»;
Φανταστείτε ότι ρίχνετε ένα τίμιο νόμισμα 100 φορές. Θεωρητικά αναμένονται 50 κορώνες και 50 γράμματα. Αν έρθουν 60 κορώνες, τότε λέμε πως έχουμε απόκλιση 2σ από την αναμενόμενη τιμή. Οι πιθανότητες για να συμβεί κάτι τέτοιο τυχαία (σε αντίθεση με ένα ‘φτιαγμένο’ νόμισμα) είναι 1 στις 20. Αν έρθουν 75 κορώνες – η πιθανότητα για να συμβεί αυτό τυχαία είναι 1 προς 2 εκατομμύρια – και πλέον η απόκλιση από την θεωρητική τιμή είναι 5σ. Αν oι μελλοντικές μετρήσεις της DESI φτάσουν να διαφέρουν από την θεωρητική πρόβλεψη του ΛCDM κατά 5σ, τότε και μόνο τότε θα θεωρήσουμε πως υπάρχει μια νέα ανακάλυψη στην Φυσική.
πηγές:
1. First Results from DESI Make the Most Precise Measurement of Our Expanding Universe – https://newscenter.lbl.gov/2024/04/04/desi-first-results-make-most-precise-measurement-of-expanding-universe/
2. Dark Energy May Be Weakening, Major Astrophysics Study Finds – https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-weakening-major-astrophysics-study-finds-20240404
Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ
physicsgg 
Σχολιάστε