Κυριακή, 12 Μαΐου 2019

Οι «σκοτεινές δυνάμεις» του σύμπαντος κρατούν στο σκοτάδι τους επιστήμονες. Cosmology’s Biggest Conundrum Is A Clue, Not A Controversy

How fast is the Universe expanding? The results might be pointing to something incredible. The expanding Universe, full of galaxies and the complex structure we observe today, arose from a smaller, hotter, denser, more uniform state. It took thousands of scientists working for hundreds of years for us to arrive at this picture, and yet the lack of a consensus on what the expansion rate actually is tells us that either something is dreadfully wrong, we have an unidentified error somewhere, or there’s a new scientific revolution just on the horizon. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Η ανακοίνωση των επιστημόνων προ ημερών, οι οποίοι επιβεβαίωσαν ότι βλέπουν το σύμπαν να επεκτείνεται ταχύτερα του αναμενομένου, με ρυθμό περίπου 9% πιο γρήγορο από ό,τι υπολογίζαμε μέχρι πρότινος, δημιούργησε νέο προβληματισμό στην επιστημονική κοινότητα.

The farther a galaxy is, the faster it expands away from us, and the more its light appears redshifted. A galaxy moving with the expanding Universe will be even a greater number of light years away, today, than the number of years (multiplied by the speed of light) that it took the light emitted from it to reach us. But how fast the Universe is expanding is something that astronomers using different techniques cannot agree on. (LARRY MCNISH OF RASC CALGARY CENTER)

Αστρονόμοι, φυσικοί και κοσμολόγοι αντιλαμβάνονται ότι κάτι δεν πάει καλά με τις θεωρίες τους για το πως εξελίσσεται το σύμπαν … συνεπώς απαιτείται μια νέα Φυσική που να μπορεί να το εξηγήσει καλύτερα.

Modern measurement tensions from the distance ladder (red) with early signal data from the CMB and BAO (blue) shown for contrast. It is plausible that the early signal method is correct and there’s a fundamental flaw with the distance ladder; it’s plausible that there’s a small-scale error biasing the early signal method and the distance ladder is correct, or that both groups are right and some form of new physics (shown at top) is the culprit. But right now, we cannot be sure. (ADAM RIESS (PRIVATE COMMUNICATION))

Η νέα ανακοίνωση από τον νομπελίστα Αμερικανό καθηγητή φυσικής και αστρονομίας Άνταμ Ρις του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς, που επιβεβαιώνει την ταχύτερη διαστολή του σύμπαντος, χωρίς να μπορεί να δοθεί ακόμη μια εξήγηση για το μυστήριο, λειτούργησε ως «καμπανάκι κινδύνου» για τους επιστήμονες. Ο Ρις είχε μοιραστεί το Νόμπελ Φυσικής του 2011 με τους Μπράιαν Σμιτ και Σολ Περλμούτερ ακριβώς επειδή είχαν πρώτοι δείξει στο τέλος της δεκαετίας του 1990 ότι η επέκταση του σύμπαντος όχι μόνο είναι υπαρκτή, αλλά είναι επίσης -για κάποια «σκοτεινή» αιτία- και επιταχυνόμενη.

The redshift-distance relationship for distant galaxies. The points that don’t fall exactly on the line owe the slight mismatch to the differences in peculiar velocities, which offer only slight deviations from the overall observed expansion. The original data from Edwin Hubble, first used to show the Universe was expanding, all fit in the small red box at the lower-left. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))

Το σύμπαν μεγαλώνει συνεχώς και ο χώρος ανάμεσα στους γαλαξίες «ξεχειλώνει». Ο ρυθμός επέκτασης του σύμπαντος ονομάζεται «σταθερά του Χαμπλ», επειδή πρώτος ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ παρατήρησε το φαινόμενο της συμπαντικής διαστολής το 1929.

The construction of the cosmic distance ladder involves going from our Solar System to the stars to nearby galaxies to distant ones. Each “step” carries along its own uncertainties, especially the Cepheid variable and supernovae steps; it also would be biased towards higher or lower values if we lived in an underdense or overdense region. There are enough independent methods use to construct the cosmic distance ladder that we can no longer reasonably fault one ‘rung’ on the ladder as the cause of our mismatch between different methods. (NASA, ESA, A. FEILD (STSCI), AND A. RIESS (STSCI/JHU))

Ο νέος ακριβέστερος υπολογισμός της σταθεράς από την ομάδα του Ρις έγινε κυρίως με τη βοήθεια παρατηρήσεων από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble 70 μεταβλητών αστέρων στο Μεγάλο Μαγγελανικό Νέφος, ένα γαλαξία δορυφορικό του δικού μας. Τα εν λόγω άστρα (Κηφείδες) αυξομειώνουν τη φωτεινότητα τους με προβλεπόμενους ρυθμούς, πράγμα που τα καθιστά χρήσιμα για τη δημιουργία μιας κλίμακας για τον υπολογισμό των κοσμικών αποστάσεων (η μελέτη του φωτός των εκρήξεων σούπερ-νόβα βοηθά περαιτέρω).

Ο ρυθμός επέκτασης του σύμπαντος υπολογίσθηκε σε περίπου 74,03 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec (ένα megaparsec είναι γύρω στα 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός). Αυτό σημαίνει ότι για κάθε 3,3 εκατομμύρια έτη φωτός που ένας γαλαξίας είναι μακρύτερα από τη Γη, φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 74 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο πιο γρήγορα.

The Variable Star RS Puppis, with its light echoes shining through the interstellar clouds. Variable stars come in many varieties; one of them, Cepheid variables, can be measured both within our own galaxy and in galaxies up to 50–60 million light years away. This enables us to extrapolate distances from our own galaxy to far more distant ones in the Universe. Other classes of individual star, such as a star at the tip of the AGB or a RR Lyrae variable, can be used instead of Cepheids, yielding similar results and the same cosmic conundrum over the expansion rate. (NASA, ESA, AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM)

Η αβεβαιότητα του νέου αριθμού εκτιμήθηκε σε μόλις 1,9%, έναντι 10% το 2001 και 5% το 2009, ενώ η πιθανότητα λάθους υπολογίστηκε σε μόλις μία πιθανότητα στις 100.000 Το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι η αναμενόμενη επέκταση του σύμπαντος θα έπρεπε να είναι 67,4 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, με βάση τις παρατηρήσεις του αξιόπιστου ευρωπαϊκού δορυφόρου Planck σχετικά με την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, δηλαδή του φωτός που είναι το απομεινάρι από την αρχική «Μεγάλη Έκρηξη» (Μπιγκ Μπανγκ) της δημιουργίας του σύμπαντος πριν 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια. Είναι σαν το πρώιμο σύμπαν να συμπεριφερόταν διαφορετικά από το σημερινό.

Before Planck, the best-fit to the data indicated a Hubble parameter of approximately 71 km/s/Mpc, but a value of approximately 69 or above would now be too great for both the dark matter density (x-axis) we’ve seen via other means and the scalar spectral index (right side of the y-axis) that we require for the large-scale structure of the Universe to make sense. (P.A.R. ADE ET AL. AND THE PLANCK COLLABORATION (2015))

Όπως είπε ο Ρις, «δεν είναι μόνο ότι οι δύο μετρήσεις διαφέρουν, αλλά μετρούμε τελικά κάτι θεμελιωδώς διαφορετικό. Η μία μέτρηση (σσ: η δική του) αφορά πόσο γρήγορα επεκτείνεται το σύμπαν όπως το βλέπουμε. Η άλλη (σσ: του Planck) είναι μια πρόβλεψη με βάση τη φυσική του πρώιμου σύμπαντος και τις μετρήσεις του πόσο γρήγορα θα έπρεπε αυτό να επεκτείνεται. Αν οι δύο μετρήσεις δεν συμφωνούν, τότε υπάρχει πολύ σοβαρή πιθανότητα πως κάτι λείπει από το κοσμολογικό μοντέλο που συνδέει τις δύο εποχές».

Η μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια

The history of the expanding Universe, including what it’s composed of at present. It is only by measuring how light redshifts as it travels through the expanding Universe that we can come to understand it as we do, and that requires a large series of independent measurements.(ESA AND THE PLANCK COLLABORATION (MAIN), WITH MODIFICATIONS BY E. SIEGEL; NASA / WIKIMEDIA COMMONS USER 老陳 (INSET))

Ως υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος έχει θεωρηθεί η λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια, που θεωρείται ότι αποτελεί περίπου το 70% της μάζας-ενέργειας του σύμπαντος. Αποκαλείται σκοτεινή απλούστατα επειδή κανείς δεν ξέρει τι είναι, όπως αντίστοιχα συμβαίνει με την αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη.

Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι η σκοτεινή ενέργεια – ό,τι και αν είναι αυτή- υπήρχε ήδη από τα πρώτα δευτερόλεπτα της γέννησης του σύμπαντος και άρχισε εξ αρχής να ωθεί τη ύλη να επεκταθεί. Η ίδια ενέργεια υποτίθεται ότι ευθύνεται και για την επιταχυνόμενη διαστολή, λειτουργώντας ως ένα είδος κοσμικής αντιβαρύτητας. Υπό την επιρροή της σκοτεινής ενέργειας, εκτιμάται ότι το σύμπαν διπλασιάζει το μέγεθος του κάθε δέκα δισεκατομμύρια χρόνια, άγνωστο με ποιο στόχο (αν υπάρχει στόχος…).

«Αν θέλουμε να είμαστε σοβαροί με την κοσμολογία, πρέπει να πάρουμε στα σοβαρά αυτό το πρόβλημα», δήλωσε η φυσικός Λάιζα Ράνταλ του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ στους «Τάιμς της Νέας Υόρκης».

Located around 4,140 light-years away in the galactic halo, SDSS J102915+172927 is an ancient star that contains just 1/20,000th the heavy elements the Sun possesses, and should be over 13 billion years old: one of the oldest in the Universe, and having possibly formed before even the Milky Way. The existence of stars like this informs us that the Universe cannot have properties that lead to an age younger than the stars within it. (ESO, DIGITIZED SKY SURVEY 2)

Ανάμεσα στις εναλλακτικές εξηγήσεις που έχουν προταθεί, είναι η «σκοτεινή ακτινοβολία» ενός υποτιθέμενου υποατομικού σωματιδίου -ίσως ενός άγνωστου έως τώρα είδους νετρίνου πέρα από τα τρία που έχουν βρεθεί- το οποίο ταξιδεύει σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Ή η πιθανότητα η σκοτεινή ύλη (η αόρατη μορφή της ύλης που δεν αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια) να αλληλεπιδρά πιο έντονα με τη συνήθη ύλη και ακτινοβολία από ό,τι έχει υποτεθεί μέχρι σήμερα.

Αλλά καμία προτεινόμενη εξήγηση δεν έχει αποκτήσει αληθινή αξιοπιστία, ούτε έχει επιβεβαιωθεί. «Είμαστε σε σύγχυση και ελπίζουμε ότι η σύγχυση θα οδηγήσει σε κάτι καλό», δήλωσε στωικά ο βετεράνος κοσμολόγος Μάικλ Τέρνερ του Πανεπιστημίου του Σικάγο.

A doubly-lensed quasar, like the one shown here, is caused by a gravitational lens. If the time-delay of the multiple images can be understood, it may be possible to reconstruct an expansion rate for the Universe at the distance of the quasar in question. The earliest results now show a total of four lensed quasar systems, providing an estimate for the expansion rate consistent with the distance ladder group. (NASA HUBBLE SPACE TELESCOPE, TOMMASO TREU/UCLA, AND BIRRER ET AL)

Αν η σκοτεινή ενέργεια συνεχίσει τον «καλπασμό» της με το σημερινό ρυθμό, τότε προβάλλει στον ορίζοντα ένα εφιαλτικό υπαρξιακό σενάριο: μια μέρα στο μέλλον τα πάντα θα έχουν απομακρυνθεί πια τόσο πολύ από τη Γη, ώστε τίποτε να μην είναι ορατό στον ουρανό. Η Γη -και κάθε άλλος πλανήτης- θα ζει μέσα στο απόλυτο σκοτάδι. Ακόμη χειρότερα, μπορεί μια μέρα τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια να διαλυθούν εκ των ένδον, διαρρηγνύοντας κάθε δεσμό της ύλης, οπότε δεν θα υπάρχει πια Γη, ούτε σύμπαν με υλική μορφή (το σενάριο της υπέρτατης κοσμικής καταστροφής).

Αν όμως η σκοτεινή ενέργεια εμφανίζει αυξομειώσεις διαχρονικά, άρα ίσως «επιβραδυνθεί» μελλοντικά, τότε μπορεί κανείς να ελπίσει σε ένα πιο αισιόδοξο μέλλον για την ανθρωπότητα και τον πλανήτη της.

Πηγές: https://medium.com/starts-with-a-bang/cosmologys-biggest-conundrum-is-a-clue-not-a-controversy-ae1bbad12bad -http://www.kathimerini.gr/1023471/article/epikairothta/episthmh/sto-skotadi-oi-episthmones---anazhtoyn-enagwniws-nees-kai-kalyteres-8ewries