Το αρχαιότερο φως στο Σύμπαν, ESA's Planck satellite maps oldest light in the Universe

Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου δεν είναι απόλυτα ομοιόμορφη σε όλο τον ουρανό. Τα διαφορετικά χρώματα αντιστοιχούν σε μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. The anisotropies of the Cosmic Microwave Background (CMB) as observed by Planck. The CMB is a snapshot of the oldest light in our Universe, imprinted on the sky when the Universe was just 380 000 years old. It shows tiny temperature fluctuations that correspond to regions of slightly different densities, representing the seeds of all future structure: the stars and galaxies of today. Copyright: ESA, Planck Collaboration

Το ευρωπαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Planck ολοκλήρωσε έναν εντυπωσιακό νέο χάρτη της λεγόμενης «μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου» -το αρχαίο υπόλειμμα μιας λάμψης που γέμισε τα πάντα όταν το νεαρό Σύμπαν έγινε ξαφνικά διαφανές.

Ο χάρτης, ο λεπτομερέστερος του είδους του ως σήμερα, έχει σημαντικές συνέπειες όσον αφορά τις γνώσεις μας για τη γέννηση, την εξέλιξη, τη δομή και τη σύσταση του Σύμπαντος.

Τα σημαντικότερα νέα ευρήματα:

Image credit: Rhys Taylor, Cardiff University.

Η ηλικία του Σύμπαντος εκτιμάται στα 13,81 δισεκατομμύρια χρόνια, 50 με 80 εκατομμύρια χρόνια περισσότερο από ό,τι σε προηγούμενες εκτιμήσεις.

The new cosmic recipe from Planck. Credit: ESA and the Planck Collaboration

Η σύσταση του Σύμπαντος δείχνει να αλλάζει ελαφρώς: Η κανονική ύλη αντιστοιχεί σε κάτι λιγότερο από 5% της συνολικής υλοενέργειας του Σύμπαντος, ενώ το ποσοστό της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης αυξάνεται στο 26,8%, και το ποσοστό της ακόμα πιο μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας πέφτει ελαφρώς στο 68,3%.

Οι διακυμάνσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου αποκαλύπτουν μια μυστηριώδη ασυμμετρία στο Σύμπαν μεταξύ του ουρανού στο βόρειο και το νότιο ημισφαίριο.

Απόφωτο

H παραπάνω εικόνα δείχνει τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας στην Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου όπως φαίνεται από τον δορυφόρο Planck της ESA (το ήμισυ πάνω δεξιά) και όπως φαινόταν από τον προκάτοχό του WMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe  της NASA (το ήμισυ κάτω αριστερά). The Cosmic Microwave Background - as seen by Planck and WMAP. Credit: ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team

Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CBM) χρονολογείται στα 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το Σύμπαν είχε πια κρυώσει αρκετά ώστε το υπέρθερμο πλάσμα από το οποίο αποτελούνταν να σχηματίσει τα πρώτα άτομα υδρογόνου και ήλιου.

Αυτό επέτρεψε στα φωτόνια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να κινούνται ανεμπόδιστα στον χώρο -ουσιαστικά, το Σύμπαν είχε γίνει ξαφνικά διαφανές.

Τα αρχαία αυτά φωτόνια συνεχίζουν σήμερα το ταξίδι τους σε ολόκληρο τον ουρανό, υπό τη μορφή εξαιρετικά αμυδρών μικροκυμάτων.

Η ακτινοβολία αυτή μοιάζει εξαιρετικά ομοιόμορφη, στην πραγματικότητα όμως παρουσιάζει μικρές διακυμάνσεις όσον αφορά τη θερμοκρασία (ενέργεια) των φωτονίων, οι οποίες αντιστοιχούν στα διάφορα χρώματα του χάρτη.

Οι διακυμάνσεις αυτές δείχνουν ότι το νεαρό Σύμπαν δεν ήταν απόλυτα ομοιογενές· αντίθετα, ήταν γεμάτο από κβαντικές διακυμάνσεις, οι οποίες σταδιακά οδήγησαν σε συσσωματώματα ύλης από τα οποία προέκυψαν τελικά τα άστρα, οι γαλαξίες και τα υπερσμήνη γαλαξιών.

Image credit: NASA / JPL-Caltech / ESA.

Δύο ιστορικές αποστολές της NASA, με τις ονομασίες COBE και WMAP, χαρτογράφησαν την ακτινοβολία CBM και βοήθησαν να επιβεβαιωθεί η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης για τη γέννηση του Σύμπαντος. Επέτρεψαν επίσης στους κοσμολόγους να μετρήσουν τη λεγόμενη σκοτεινή ύλη, ένα αόρατο υλικό άγνωστης σύστασης, του οποίου η ύπαρξη συμπεραίνεται από τις βαρυτικές του επιδράσεις. Τους επέτρεψε επίσης να υπολογίσουν τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, μια μυστηριώδη δύναμη που δρα αντίθετα από τη βαρύτητα και επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος.

Το ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο Planck, τρεις φορές πιο ευαίσθητο από τις αποστολές της NASA, αυξάνει τώρα σημαντικά την ανάλυση του χάρτη.

Τα νέα δεδομένα δείχνουν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται λίγο πιο αργά από ό,τι είχε εκτιμηθεί, με ταχύτητα 67,3 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec (ένα parsec ισούται με 3,26 έτη φωτός). Αυτό υποδεικνύει ότι το Σύμπαν είναι 50 με 80 εκατ. χρόνια πιο παλιό από ό,τι είχε εκτιμηθεί.

Πληθωρισμός

Εικόνα 50 εκατομμυρίων pixel. Ο χάρτης του υπολείμματος της ακτινοβολίας από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης από τα δεδομένα που συνέλεξε το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck. Μια εικόνα του σύμπαντος 380000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Δύο ανώμαλα χαρακτηριστικά που είχε ήδη εντοπίσει προκάτοχος του Planck, WMAP, επιβεβαιώθηκαν στα καινούργια δεδομένα υψηλής ακρίβειας του Planck. To ένα είναι μια ασυμμετρία στις μέσες θερμοκρασίες των αντίθετων ημισφαιρίων του ουρανού (διαχωρίζονται από την καμπύλη γραμμή). Υπάρχει επίσης ένα ψυχρό σημείο που βρίσκεται στο ένα τμήμα του ουρανού (σε κύκλο), που είναι ψυχρότερο του αναμενομένου. Στην εικόνα αυτή οι ανώμαλες περιοχές επισημαίνονται με κόκκινη και μπλε σκίαση για να είναι πιο ορατές. Two CMB anomalous features hinted at by Planck’s predecessor, Nasa’s WMAP, are confirmed in the new high-precision data. One is an asymmetry in the average temperatures on opposite hemispheres of the sky (indicated by the curved line), with slightly higher average temperatures in the southern ecliptic hemisphere and slightly lower average temperatures in the northern ecliptic hemisphere. This runs counter to the prediction made by the standard model that the universe should be broadly similar in any direction we look. There is also a cold spot that extends over a patch of sky that is much larger than expected (circled). In this image the anomalous regions have been enhanced with red and blue shading to make them more clearly visible. Credit: ESA and the Planck Collaboration

Οι μετρήσεις του Planck συνηγορούν επίσης υπέρ της θεωρίας του πληθωρισμού, σύμφωνα με την οποία το νεογέννητο Σύμπαν πέρασε μια φάση εκρηκτικής διόγκωσης. Σε αυτή τη φάση, μάλιστα διαστελλόταν με ταχύτητα μεγαλύτερη και από την ταχύτητα του φωτός (αυτό δεν διαψεύδει τον Αινστάιν, αφού τίποτα δεν κινήθηκε πιο γρήγορα από το φως. Αυτό που συνέβη ήταν ότι διεστάλη ο ίδιος ο χωροχρόνος).

Τα νέα δεδομένα στηρίζουν τη θεωρία του πληθωρισμού, η οποία σήμερα είναι γενικά αποδεκτή, ωστόσο δείχνουν να αποκλείουν ορισμένα θεωρητικά μοντέλα. Τα απλούστερα μοντέλα πληθωρισμού προβλέπουν ότι η ακτινοβολία CBM πρέπει να μοιάζει ίδια σε όλη την έκταση του ουρανού.

Το Planck, όμως, δείχνει να επιβεβαιώνει τις μυστηριώδεις παρατηρήσεις των προηγούμενων αποστολών, σύμφωνα με τις οποίες υπάρχει μια ασυμμετρία ανάμεσα στον ουρανό του βορείου ημισφαιρίου και τον ουρανό του νότιου ημισφαιρίου.

Το βίντεο αναδεικνύει την επίπονη εργασία των ερευνητών του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck που προσπαθούν να διακρίνουν την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου μέσα από το σύνολο των δεδομένων που συλλέγονται απ’ αυτό. This animation illustrates the painstaking work performed by cosmologists in the Planck Collaboration to extract the Cosmic Microwave Background from the data collected by Planck. The first image in the sequence shows the sources of emission detected on the whole sky at the microwave and sub-millimetre wavelengths probed by Planck, which range from 11.1 mm to 0.3 mm (corresponding to frequencies between 27 GHz and 1 THz). Copyright: ESA and the Planck Collaboration

Η ασυμμετρία αυτή δεν έρχεται σε αντίθεση με την ίδια την ιδέα του πληθωρισμού στη βάση της, δείχνει όμως ότι οι κοσμολόγοι έχουν ακόμα πολλά να μάθουν για τη δομή του Σύμπαντος.

Νέα στοιχεία ίσως προκύψουν όταν οι υπεύθυνοι του Planck δημοσιεύσουν το επόμενο σετ δεδομένων στις αρχές του 2014.