Βρέθηκε η «χαμένη» μάζα των γαλαξιών, Missing galaxy mass found

Galaxy clusters formed as a results of ripples in the very early Universe. Gravitational lensing solves puzzle from the Big Bang’s echo. Credit: NASA, ESA, M. Postman (STScI) and the CLASH Team

Δύο νέες έρευνες κοσμολογίας διευθετούν ορισμένες ασυμφωνίες που είχαν προκύψει από τα πρόσφατα δεδομένα της ευρωπαϊκής διαστημικής αποστολής Πλανκ, σύμφωνα με τα οποία οι γαλαξίες έχουν μικρότερη μάζα από την προβλεπόμενη.

Η βασική αρχή που διέπει τη σύγχρονη κοσμολογία, υποστηρίζει πως το Σύμπαν είναι ισότροπο και ομογενές, μοιάζει δηλαδή ίδιο σε όποια κατεύθυνση και αν κοιτάξουμε και σε όποια περιοχή και αν βρεθούμε.

Η ύπαρξη δομών στο Σύμπαν όπως οι Γαλαξίες, τα άστρα και οι πλανήτες παραβιάζουν φαινομενικά αυτή την αρχή, όμως εάν κοιτάξουμε σε μεγάλες κλίμακες η ισχύς της επιβεβαιώνεται από όλες τις παρατηρήσεις, κάτι που σημαίνει πως το Σύμπαν θα μας φαινόταν περίπου ίδιο, ακόμη και αν κατοικούσαμε στις παρυφές του ορατού σε εμάς Σύμπαντος.

This is a picture of the universe when it was roughly 100,000 years old – 13.7 billion years ago. The universe is roughly 3,000°C here; it is glowing like the Sun. And it is smooth to one part in 100,000. The little bumps and wiggles you see here are places where the universe is a little hotter or a little cooler than other places.

Οι δομές στο Σύμπαν οφείλουν την ύπαρξη τους, στις πολύ μικρές διακυμάνσεις που υπήρξαν στην ενέργεια του λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αν και οι διακυμάνσεις αυτές, κβαντικής προέλευσης, ήταν αρχικά εξαιρετικά αμυδρές, στην πορεία του χρόνου ενισχύθηκαν από τις ελκτικές δυνάμεις της βαρύτητας, και έγιναν οι «σπόροι» γύρω από τους οποίους υφάνθηκαν όλες οι δομές που παρατηρούμε σήμερα.

Οι κβαντικές διακυμάνσεις του πρώιμου Σύμπαντος, έχουν αποτυπωθεί στην ακτινοβολία που ακόμη λαμβάνουμε ως απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία ονομάζεται Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Στόχος της διαστημικής αποστολής Πλανκ ήταν να μελετήσει την ακτινοβολία υποβάθρου με τη μεγαλύτερη ακρίβεια μέχρι σήμερα, κάτι που το κατάφερε με μεγάλη επιτυχία.

The full sky Cosmic Microwave Background as imaged by the Planck satellite (upper right half) and by its predecessor, NASA’s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (lower left half). Credit: ESA and the Planck Collaboration; NASA / WMAP Science Team

Το πρόβλημα που προέκυψε από τις μετρήσεις του Πλανκ, ήταν πως η μάζα που υπολόγισε πως περιέχεται στα γαλαξιακά σμήνη, ήταν κατά 40% μικρότερη από αυτή που θα προέβλεπε κανείς μελετώντας τις διακυμάνσεις του πρώιμου Σύμπαντος.

"We observe fewer galaxy clusters than we would expect from the Planck results and there is a weaker signal from gravitational lensing of galaxies than the CMB would suggest," says Richard Battye, from The University of Manchester School of Physics and Astronomy. "A possible way of resolving this discrepancy is for neutrinos to have mass. The effect of these massive neutrinos would be to suppress the growth of dense structures that lead to the formation of clusters of galaxies."

Η συγκεκριμένη ασυμφωνία είχε ωθήσει αρκετούς θεωρητικούς επιστήμονες στην πρόταση εναλλακτικών κοσμολογικών μοντέλων που να εξηγούσαν τη διαφορά. Για παράδειγμα πριν δύο μόνο εβδομάδες φυσικοί του πανεπιστημίου του Σικάγο είχαν εκδώσει μία έρευνα, σύμφωνα με την οποία εάν τα νετρίνα ήταν πιο βαριά από ότι πιστεύαμε, η μειωμένη μάζα στα γαλαξιακά σμήνη θα μπορούσε να εξηγηθεί.

Δύο νέες έρευνες όμως υποστηρίζουν πως κάτι τέτοιο δεν είναι απαραίτητο, αφού εκτελώντας νέες μετρήσεις, και χρησιμοποιώντας το φαινόμενο του βαρυτικού φακού, όπου μεγάλες μάζες συγκεντρώνουν την ακτινοβολία που περνάει γύρω τους προς μία συγκεκριμένη κατεύθυνση, έδειξαν πως η μάζα στα γαλαξιακά σμήνη είναι σημαντικά μεγαλύτερη από τις εκτιμήσεις του Πλανκ.

Χρησιμοποιώντας τη συγκεκριμένη μέθοδο, οι επιστήμονες ζυγίζουν εμμέσως περιοχές στο Σύμπαν, παρατηρώντας πόσο «λυγίζουν» τις ακτίνες φωτός που περνούν από κοντά τους.

Μία από τις ερευνητικές ομάδες, με βάση το ερευνητικό κέντρο κοσμολογίας του πανεπιστημίου Στάνφορντ, χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο 8.2 μέτρων Subaru στη Χαβάη, και μέτρησε τη μάζα 22 γαλαξιακών σμηνών που είχε παρατηρήσει και το Πλανκ, κάνοντας μία εκτίμηση 43% μεγαλύτερη από αυτή του Πλανκ. Η άλλη ομάδα, χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ, έκανε μία εκτίμηση 30% μεγαλύτερη από αυτή του Πλανκ, για τη μάζα 25 άλλων γαλαξιακών σμηνών.

The differences seem to be attributable to the uncertain nature of Planck’s estimates, which rely on a process called the Sunyaev–Zel’dovich effect. Planck detects photons from the cosmic microwave background. On their way to the satellite, some of these microwaves pass through galaxy clusters. There, they encounter energetic electrons associated with clouds of hot gas. When the photons collide with the electrons, they are boosted to higher energies.

Η διαφορά στις εκτιμήσεις οφείλεται σε ένα φυσικό φαινόμενο που ονομάζεται Sunyaev–Zel’dovich. Σύμφωνα με αυτό, το Πλανκ συλλέγει φωτόνια που στην πορεία έχουν περάσει από γαλαξιακά σμήνη.

Το φαινόμενο Sunyaev–Zel’dovich (SZ) είναι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας και φωτονίων μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου , διαμέσου της αντίστροφης σκέδασης Compton.

Στην συνήθη σκέδαση Compton ένα φωτόνιο σκεδάζεται από ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο, με αποτέλεσμα την μείωση της ενέργειάς του (και αύξηση του μήκους κύματός του). Αντίθετα, στην αντίστροφη σκέδαση Compton τα μικρής ενέργειας φωτόνια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου μετά από την σύγκρουσή τους με τα υψηλής ενέργειας σχετικιστικά ηλεκτρόνια, αυξάνουν την ενέργειά τους (και μειώνουν το μήκος κύματός τους).

Όταν τα φωτόνια αυτά συγκρούονται με άλλα ενεργά σωματίδια, αποκτούν μεγαλύτερες ενέργειες. Η ισχύς του σήματος, συσχετίζεται με τη μάζα των γαλαξιών που περιέχονται στο σμήνος, με έναν τρόπο όμως που εισάγει μεγάλη αβεβαιότητα στις μετρήσεις, αλλά μπορεί να εξηγήσει τη διαφορά στις εκτιμήσεις του Πλανκ με την πραγματικότητα.

Επιστήμονες από το πείραμα Πλανκ ανακοίνωσαν πως αργότερα φέτος θα δοθεί στη δημοσιότητα μια βαθμονομημένη ανάλυση των μετρήσεων, που αναμένεται να αντιστοιχεί σε μία επαυξημένη πρόβλεψη για τη μάζα των Γαλαξιών.