Πώς το (σχεδόν) τίποτα μπορεί να λύσει τα μεγαλύτερα κοσμολογικά προβλήματα

 

Μετρώντας τους κενούς χώρους του σύμπαντος, οι επιστήμονες μπορούν να κατανοήσουν πώς συσσωρεύεται η ύλη και πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν

Στην ταπετσαρία του σύμπαντος, τεράστιες ίνες από γαλαξίες υφαίνονται γύρω από τεράστιους θύλακες κενού χώρου, όπως φαίνεται στην προσομοίωση υπολογιστή.

Σαν μια φωτεινή πόλη στο μέσον μιας άγονης ερήμου, η γαλαξιακή μας γειτονιά περιβάλλεται από ένα κοσμικό κενό – μια τεράστια, μυστηριώδη περιοχή σχεδόν κενού χώρου. Πρόσφατες αστρονομικές έρευνες εντόπισαν χιλιάδες άλλες παρόμοιες φυσαλίδες κενού. Τώρα, οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να αντλήσουν πληροφορίες από αυτά τα κοσμικά κενά: Μετρώντας πόσα από αυτά υπάρχουν σε έναν όγκο του διαστήματος, οι επιστήμονες επινόησαν έναν νέο τρόπο για να εξερευνήσουν δύο από τα πιο ακανθώδη ερωτήματα στην κοσμολογία. Στην πρόσφατη δημοσίευση με τίτλο «Voids fill us in on rising cosmology tensions«, για πρώτη φορά χρησιμοποιείται ο αριθμός των κοσμικών κενών για να εξαχθούν κοσμολογικές πληροφορίες.

Οι ερευνητές αναζητούν νέα εργαλεία για να λύσουν μερικά μεγάλα κοσμολογικά μυστήρια. Το πρώτο και πιο περίπλοκο είναι ο ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, που εκφράζεται από την τιμή της σταθεράς Hubble. Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες αγωνίζονται να συμβιβάσουν τις αντιφατικές μετρήσεις αυτού του ρυθμού, με ορισμένους μάλιστα να θεωρούν το ζήτημα ως τη μεγαλύτερη κρίση στην κοσμολογία.

Χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από τον δορυφόρο Planck, οι αστρονόμοι βρίσκουν για την σταθερά του Hubble την τιμή Η₀=67,4 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ (km/s/Mpc). Όμως, η διαφορετική προσέγγιση μιας άλλης ερευνητικής ομάδας παρατηρώντας νεότερα αστρονομικά αντικείμενα, όπως μεταβλητοί αστέρες και σουπερνόβα τύπου Ia δίνει την τιμή Η₀=74,03 km/s/Mpc. Η διαφορά είναι σημαντική και κάνει πολλούς αστρονόμους να αναρωτιούνται τελικά αν όντως κατανοούμε το σύμπαν μας.

Επιπλέον, οι ερευνητές παίρνουν αντικρουόμενες μετρήσεις και για την συσσώρευση της κοσμικής ύλης – την μέση πυκνότητα δομών μεγάλης κλίμακας, σκοτεινής ύλης, γαλαξιών, αερίων και κενών που κατανέμονται σε όλο το σύμπαν ως συνάρτηση του χρόνου. Χρησιμοποιώντας πάλι, είτε τις μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου είτε τις μετρήσεις των σουπερνόβα τύπου Ia, παίρνουν διαφορετικά αποτελέσματα, όχι μόνο για τη σταθερά Hubble, αλλά και για την λεγόμενη ισχύ ομαδοποίησης ύλης (matter clustering strength).

Στη νέα δημοσίευση οι ερευνητές χρησιμοποιώντας τα κοσμικά κενά εκτίμησαν την σταθερά του Hubble, αλλά και την ισχύ συσσωμάτωσης της ύλης καταλήγοντας στις τιμές:  km s⁻¹ Mpc⁻¹ και
 Και τα πρώτα αποτελέσματα τους, φαίνεται να συμφωνούν πολύ περισσότερο με τις τιμές που προκύπτουν από την μέθοδο που χρησιμοποιεί τις μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

«Η διαφορά στην σταθερά του Hubble επιμένει εδώ και μια δεκαετία γιατί είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβλημα», λέει ο Adam Riess , αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που χρησιμοποιεί την μέθοδο των σουπερνόβα για να εκτιμήσει τη σταθερά του Hubble. «Τα προφανή ζητήματα έχουν ελεγχθεί και τα δεδομένα έχουν βελτιωθεί, επομένως το δίλημμα βαθαίνει».

Θα μπορούσε η μελέτη του «σχεδόν τίποτα» να οδηγήσει σε κάτι μεγάλο;

Η εξέλιξη των φυσαλίδων

Τα κενά είναι περιοχές του διαστήματος που είναι λιγότερο πυκνές από την μέση πυκνότητα του σύμπαντος. Μερικά κενά εκτείνονται σε εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός και όλες μαζί αυτές οι φυσαλίδες αποτελούν τουλάχιστον το 80% του όγκου του σύμπαντος. Για πολύ καιρό, όμως, κανείς δεν τους έδινε ιδιαίτερη σημασία. 

Οι φυσαλίδες έχουν την τάση να διαστέλλονται γιατί μέσα τους δεν υπάρχει αρκετή ύλη ώστε να ασκήσει βαρυτική έλξη προς το εσωτερικό. Η ύλη έξω από αυτές τείνει να απομακρύνεται. Και οποιοιδήποτε γαλαξίες δημιουγούνται μέσα σε ένα κοσμικό κενό έλκονται προς τα έξω από τη βαρυτική έλξη των δομών που καθορίζουν τα όρια της φυσαλίδας κενού. Έτσι σε ένα κοσμικό κενό «συμβαίνουν πολύ λίγα». Δεν υπάρχουν συγχωνεύσεις, δεν υπάρχει περίπλοκη αστροφυσική. Γι αυτό είναι πολύ εύκολο να τα διαχειριστεί κανείς. Αλλά το σχήμα κάθε κενού είναι διαφορετικό, κι αυτό δυσκολεύει τους επιστήμονες να τα ταυτοποιήσουν.

Αποδεικνύεται ότι ο ορισμός του «τίποτα» εξαρτάται από τον τύπο των πληροφοριών που θέλουν να εξαγάγουν οι αστρονόμοι. Χρησιμοποιούν ένα μαθηματικό εργαλείο που ονομάζεται διάγραμμα Voronoi, το οποίο προσδιορίζει τα σχήματα που συνθέτουν ένα τρισδιάστατο μωσαϊκό. Αυτά τα διαγράμματα χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη αντικειμένων όπως φυσαλίδες σε αφρούς και κύτταρα σε βιολογικούς ιστούς.

Στην πρόσφατη εργασία, οι ερευνητές προσάρμοσαν το μωσαϊκό Voronoi για να εντοπίσουν περίπου 6.000 κενά στα δεδομένα από μια τεράστια έρευνα γαλαξιακής χαρτογράφησης που ονομάζεται Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS). Τα κενά είναι συμπληρωματικά στον κατάλογο των γαλαξιών και αποτελούν έναν νέο τρόπο να διερευνηθεί η κοσμική δομή.

Κάτι από το τίποτα

Κάθε κοσμικό κενό είναι ένα παράθυρο σε μια μεγάλη κοσμική αντιπαράθεση. Από τη μια πλευρά, υπάρχει η σκοτεινή ενέργεια, η μυστηριώδης δύναμη που κάνει το σύμπαν μας να διαστέλλεται επιταχυνόμενα, κι από την άλλη η βαρύτητα που αντιτίθεται στην διαστολή. Οι ερευνητές προσομοίωσαν το πώς η διαστολή του σύμπαντος θα επηρέαζε τον αριθμό κοσμικών κενών διαφορετικών μεγεθών. Στο μοντέλο τους, το οποίο διατηρούσε μερικές κοσμολογικές παραμέτρους σταθερές, ένας πιο αργός ρυθμός διαστολής παρήγαγε μεγαλύτερη πυκνότητα μικρότερων και περισσότερο ρυτιδωμένων κενών. Αν η διαστολή ήταν ταχύτερη και η ύλη δεν συσσωρευόταν τόσο εύκολα, περίμεναν να βρουν περισσότερα μεγάλα και ομαλά κενά.

Στη συνέχεια, η ομάδα συνέκρινε τις προβλέψεις των προσομοιώσεών της με τα δεδομένα της έρευνας BOSS. Έτσι, μπόρεσαν να προσδιορίσουν τόσο την ισχύ ομαδοποίησης της ύλης, όσο και την σταθερά Hubble.

Συγκρίνοντας τους υπολογισμούς τους με τους δύο παραδοσιακούς τρόπους μέτρησης αυτών των τιμών – την μέθοδο που χρησιμοποιεί τα σουπερνόβα τύπου Ia και την μέθοδο που βασίζεται στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων – διαπίστωσαν συμφωνία με την δεύτερη μέθοδο.

Το αποτέλεσμα για την παράμετρο συσώρρευσης κοσμικής ύλης, είναι πιο κοντά στην εκτίμηση που προκύπτει από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, παρά με τους σουπερνόβα. Όσον αφορά την σταθερά Hubble υπάρχει πλήρης συμφωνία – η διαφορά είναι μικρότερη από 1% σε σχέση με την τιμή από τα δεδομένα της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Μερικοί φυσικοί πιστεύουν ότι αυτά τα αποτελέσματα μπορεί να οδηγήσουν σε μια νέα αντίληψη για το σύμπαν. Μέσα στα κοσμικά κενά, δεν σχηματίστηκαν και δεν εξελίχθηκαν ποτέ δομές, με αποτέλεσμα αυτά τα κενά να «είναι χρονοκάψουλες του αρχέγονου σύμπαντος». Με άλλα λόγια, αν η φυσική του αρχέγονου σύμπαντος ήταν διαφορετική από τη φυσική του σήμερα, τα κενά μπορεί να διατήρησαν την αρχαία εκδοχή της!

 

Άλλοι πιστεύουν ότι είναι πολύ νωρίς για να εξαχθούν συμπεράσματα από τα νέα αποτελέσματα. Και μάλλον έχουν δίκιο. Ακόμη και με την προσομοίωση χιλιάδων κοσμικών κενών, τα σφάλματα της μελέτης εξακολουθούν να είναι πολύ μεγάλα για να πούμε οτιδήποτε οριστικό. Πιθανότατα θα χρειαστεί άλλη μια δεκαετία – και η βοήθεια μελλοντικών αποστολών όπως το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA και το SPHEREx Observatory – για να συγκεντρωθούν αρκετά δεδομένα κοσμικών κενών, ώστε η ακρίβεια να γίνει συγκρίσιμη με την ακρίβεια των τιμών από τα δεδομένα του μικροκυματικού κοσμικού υποβάθρου και των αντίστοιχων τιμών από τα σουπερνόβα.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του Quanta Magazine: How (Nearly) Nothing Might Solve Cosmology’s Biggest Questions

https://physicsgg.me/2023/07/27/%cf%80%cf%8e%cf%82-%cf%84%ce%bf-%cf%83%cf%87%ce%b5%ce%b4%cf%8c%ce%bd-%cf%84%ce%af%cf%80%ce%bf%cf%84%ce%b1-%ce%bc%cf%80%ce%bf%cf%81%ce%b5%ce%af-%ce%bd%ce%b1-%ce%bb%cf%8d%cf%83%ce%b5%ce%b9-%cf%84/