Το σύμπαν αποδείχθηκε λάθος

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Οι κοσμολόγοι έρχονται αντιμέτωποι με ένα σοβαρό επιστημονικό πρόβλημα, το οποίο υποδηλώνει την ατέλεια της ανθρώπινης γνώσης για το Σύμπαν. Η πολυπλοκότητα αφορά ένα τόσο φαινομενικά ασήμαντο πράγμα όπως ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος. Το γεγονός είναι ότι διαφορετικές μέθοδοι υποδεικνύουν διαφορετικές έννοιες - και μέχρι στιγμής κανείς δεν μπορεί να εξηγήσει την περίεργη ασυμφωνία.

Κοσμικό Μυστήριο

Επί του παρόντος, το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο "Lambda-CDM" (ΛCDM) περιγράφει με μεγαλύτερη ακρίβεια την εξέλιξη και τη δομή του σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, το σύμπαν έχει μια μη μηδενική θετική κοσμολογική σταθερά (όρος λάμδα) που προκαλεί επιταχυνόμενη διαστολή. Επιπλέον, το ΛCDM εξηγεί την παρατηρούμενη δομή του CMB (κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο), την κατανομή των γαλαξιών στο Σύμπαν, την αφθονία του υδρογόνου και άλλων ατόμων φωτός και τον ίδιο τον ρυθμό διαστολής του κενού. Ωστόσο, μια σοβαρή απόκλιση στο ρυθμό επέκτασης μπορεί να υποδηλώνει την ανάγκη για ριζική αλλαγή στο μοντέλο.

Ο θεωρητικός φυσικός Vivian Poulin του γαλλικού Εθνικού Κέντρου Επιστημονικής Έρευνας και του Εργαστηρίου για το Σύμπαν και τα Σωματίδια στο Μονπελιέ υποστηρίζει ότι αυτό σημαίνει το εξής: κάτι σημαντικό έχει συμβεί στο νεαρό σύμπαν που δεν γνωρίζουμε ακόμη. Ίσως ήταν ένα φαινόμενο που σχετίζεται με έναν άγνωστο τύπο σκοτεινής ενέργειας ή ένα νέο είδος υποατομικών σωματιδίων. Εάν το μοντέλο το λάβει υπόψη, η απόκλιση θα εξαφανιστεί.

Στα πρόθυρα κρίσης

Ένας από τους τρόπους προσδιορισμού του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος είναι η μελέτη του υποβάθρου των μικροκυμάτων - της ακτινοβολίας λειψάνων που προέκυψε 380 χιλιάδες χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Το ΛCDM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξαγωγή της σταθεράς Hubble μετρώντας μεγάλες διακυμάνσεις στο CMB. Αποδείχθηκε ότι ήταν ίσο με 67, 4 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο για κάθε megaparsec, ή περίπου τρία εκατομμύρια έτη φωτός (με τέτοια ταχύτητα, τα αντικείμενα αποκλίνουν μεταξύ τους σε κατάλληλη απόσταση). Σε αυτήν την περίπτωση, το σφάλμα είναι μόνο 0,5 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec.

Εάν λάβουμε περίπου την ίδια τιμή χρησιμοποιώντας διαφορετική μέθοδο, τότε αυτό θα επιβεβαιώσει την εγκυρότητα του τυπικού κοσμολογικού μοντέλου. Οι επιστήμονες μέτρησαν τη φαινομενική φωτεινότητα των τυπικών κεριών - αντικειμένων των οποίων η φωτεινότητα είναι πάντα γνωστή. Τέτοια αντικείμενα είναι, για παράδειγμα, οι σουπερνόβα τύπου Ia - λευκοί νάνοι που δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ύλη από μεγάλα συντροφικά αστέρια και εκρήγνυνται. Με τη φαινομενική φωτεινότητα των τυπικών κεριών, μπορείτε να προσδιορίσετε την απόσταση από αυτά. Παράλληλα, μπορείτε να μετρήσετε την ερυθρή μετατόπιση των σουπερνόβα, δηλαδή τη μετατόπιση των μηκών κύματος του φωτός στην κόκκινη περιοχή του φάσματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση προς το κόκκινο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα με την οποία το αντικείμενο απομακρύνεται από τον παρατηρητή.

Έτσι, καθίσταται δυνατός ο προσδιορισμός του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος, ο οποίος σε αυτή την περίπτωση αποδεικνύεται ίσος με 74 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο για κάθε megaparsec. Αυτό δεν ταιριάζει με τις τιμές που λαμβάνονται από το ΛCDM. Ωστόσο, είναι απίθανο ένα σφάλμα μέτρησης να μπορεί να εξηγήσει τη διαφορά.

Σύμφωνα με τον David Gross του Ινστιτούτου Kavli για Θεωρητική Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Μπάρμπαρα, στη σωματιδιακή φυσική, μια τέτοια ασυμφωνία δεν θα ονομαζόταν πρόβλημα, αλλά κρίση. Ωστόσο, αρκετοί επιστήμονες διαφώνησαν με αυτή την εκτίμηση. Η κατάσταση περιπλέχθηκε από μια άλλη μέθοδο, η οποία βασίζεται επίσης στη μελέτη του πρώιμου Σύμπαντος, δηλαδή, βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις - ταλαντώσεις στην πυκνότητα της ορατής ύλης που γεμίζει το πρώιμο Σύμπαν. Αυτές οι δονήσεις προκαλούνται από ακουστικά κύματα πλάσματος και είναι πάντα γνωστών διαστάσεων, με αποτέλεσμα να μοιάζουν με τυπικά κεριά. Σε συνδυασμό με άλλες μετρήσεις, δίνουν τη σταθερά του Hubble συνεπή με το ΛCDM.

Νέο μοντέλο

Υπάρχει πιθανότητα οι επιστήμονες να έκαναν λάθος όταν χρησιμοποιούσαν σουπερνόβα τύπου Ia. Για να προσδιορίσετε την απόσταση από ένα μακρινό αντικείμενο, πρέπει να φτιάξετε μια σκάλα απόστασης.

Το πρώτο σκαλί αυτής της κλίμακας είναι οι Κηφείδες - μεταβλητά αστέρια με ακριβή σχέση περιόδου-φωτεινότητας. Οι Κηφείδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της απόστασης από τους πλησιέστερους υπερκαινοφανείς τύπου Ia. Σε μια από τις μελέτες, αντί για Κηφείδες, χρησιμοποιήθηκαν κόκκινοι γίγαντες, οι οποίοι σε ένα ορισμένο στάδιο της ζωής φτάνουν στη μέγιστη φωτεινότητα - είναι το ίδιο για όλους τους κόκκινους γίγαντες.

Ως αποτέλεσμα, η σταθερά Hubble αποδείχθηκε ότι ήταν 69,8 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec. Δεν υπάρχει κρίση, λέει η Wendy Freedman από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο, μια από τις συγγραφείς της εργασίας.

Αλλά και αυτή η δήλωση αμφισβητήθηκε. Η συνεργασία H0LiCOW μέτρησε τη σταθερά του Hubble χρησιμοποιώντας βαρυτικό φακό, ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν ένα τεράστιο σώμα λυγίζει τις ακτίνες από ένα μακρινό αντικείμενο πίσω του. Το τελευταίο θα μπορούσε να είναι κβάζαρ - οι πυρήνες των ενεργών γαλαξιών που τροφοδοτούνται από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Λόγω των βαρυτικών φακών, πολλές εικόνες ενός κβάζαρ μπορούν να εμφανιστούν ταυτόχρονα. Μετρώντας το τρεμόπαιγμα αυτών των εικόνων, οι επιστήμονες έβγαλαν μια ενημερωμένη σταθερά Hubble 73,3 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec. Την ίδια στιγμή, οι επιστήμονες μέχρι το τελευταίο δεν γνώριζαν το πιθανό αποτέλεσμα, κάτι που αποκλείει το ενδεχόμενο απάτης.

Το αποτέλεσμα της μέτρησης της σταθεράς Hubble από φυσικά μέιζερ που σχηματίστηκε όταν το αέριο περιστρέφεται γύρω από μια μαύρη τρύπα αποδείχθηκε ότι ήταν 74 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec. Άλλες μέθοδοι έδωσαν 76,5 και 73,6 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec. Προβλήματα προκύπτουν επίσης στη μέτρηση της κατανομής της ύλης στο Σύμπαν, καθώς ο βαρυτικός φακός δίνει διαφορετική τιμή σε σύγκριση με τις μετρήσεις του υποβάθρου μικροκυμάτων.

Εάν αποδειχθεί ότι η απόκλιση δεν οφείλεται σε σφάλματα μέτρησης, τότε θα απαιτηθεί μια νέα θεωρία για να εξηγήσει όλα τα δεδομένα που είναι διαθέσιμα αυτήν τη στιγμή. Μια πιθανή λύση είναι να αλλάξει η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Αν και οι περισσότεροι επιστήμονες είναι υπέρ του να κάνουμε χωρίς ενημέρωση της φυσικής, το πρόβλημα παραμένει άλυτο.