Αναθεωρώντας την κοσμολογία: Η επέκταση του Σύμπαντος μπορεί να μην είναι ομοιόμορφη. Rethinking Cosmology: The Universe's Expansion May Not Be Uniform

Ο Κωνσταντίνος Μίγκας, ερευνητής στην αστρονομία και αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, στη Γερμανία και ο επιβλέπων Thomas Reiprich σχεδιάζουν να επαληθεύσουν μια νέα μέθοδο που θα επέτρεπε τους αστρονόμους να ελέγξουν την αποκαλούμενη ισοτροπική υπόθεση. Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, το Σύμπαν έχει, παρά τις κάποιες τοπικές διαφορές, τις ίδιες ιδιότητες σε κάθε κατεύθυνση σε μεγάλη κλίμακα. No matter where we look, the same rules apply everywhere in space: countless calculations of astrophysics are based on this basic principle. A recent study, however, has thrown this principle into question. Should the measured values be confirmed, this would toss many assumptions about the properties of the universe overboard. A map showing the rate of the expansion of the Universe in different directions across the sky as measured by the current study. The blue areas expand more slowly than expected, the yellow areas faster. In isotropy, the image would be monochromatic red. Credit: © Konstantinos Nikolaos Migkas, Uni Bonn/Astronomy & Astrophysics

Ευρέως αποδεκτή ως συνέπεια της καθιερωμένης βασικής φυσικής, η υπόθεση υποστηρίζεται από παρατηρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Ένα άμεσο υπόλειμμα της Μεγάλης Έκρηξης, η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB) αντανακλά την κατάσταση του Σύμπαντος όπως ήταν στη βρεφική του ηλικία, μόλις 380.000 ετών. Η ομοιόμορφη κατανομή της CMB στον ουρανό υποστηρίζει ότι σε αυτές τις αρχικές ημέρες το Σύμπαν πρέπει να έχει επεκταθεί ταχύτατα και με τον ίδιο ρυθμό προς όλες τις κατευθύνσεις. Στο σημερινό Σύμπαν, ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι αληθές.

«Μαζί με συναδέλφους από τα Πανεπιστήμια της Βόννης και του Harvard, ερευνήσαμε τη συμπεριφορά πάνω από 800 σμήνη γαλαξιών του παρόντος σύμπαντος», αναφέρει ο Κωνσταντίνος, όπως αναφέρεται στην ιστοσελίδα της ESA. «Αν η ισοτροπική υπόθεση ήταν σωστή, οι ιδιότητες των σμηνών θα είναι ομοιόμορφες σε όλο τον ουρανό. Όμως στην πραγματικότητα είδαμε σημαντικές διαφορές».

Οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν μετρήσεις θερμοκρασίας ακτίνων-Χ του εξαιρετικά θερμού αερίου που διαποτίζει τα σμήνη και συνέκρινε τα δεδομένα με το πόσο φωτεινά εμφανίζονται τα σμήνη στον ουρανό. Σμήνη της ίδιας θερμοκρασίας και εντοπισμένα σε ίσες αποστάσεις θα πρέπει να εμφανίζονται το ίδιο φωτεινά. Όμως αυτό δεν είναι εκείνο που οι αστρονόμοι παρατήρησαν.

The sky distribution of the 313 clusters analyzed by the authors in galactic coordinates. Four galaxy clusters as observed by the Chandra telescope are displayed as examples. © NASA/Chandra

«Παρατηρήσαμε ότι τα σμήνη με τις ίδιες ιδιότητες, με όμοιες θερμοκρασίες, φαινόταν να είναι λιγότερο φωτεινά από ότι θα αναμέναμε σε μια κατεύθυνση στον ουρανό, και φωτεινότερα από ότι αναμενόταν σε άλλη κατεύθυνση», λέει ο Thomas. «Η διαφορά ήταν αρκετά σημαντική, γύρω στο 30%. Οι διαφορές αυτές δεν είναι τυχαίες αλλά έχουν ένα καθαρό μοτίβο που εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία παρατηρούσαμε στον ουρανό».

Πριν αμφισβητήσουν το ευρέως αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο, το οποίο παρέχει τη βάση για την εκτίμηση των αποστάσεων του σμήνους, ο Κωνσταντίνος και οι συνάδελφοί του πρώτα αναζήτησαν άλλες πιθανές εξηγήσεις. Ίσως, θα μπορούσε να υπάρχει μη ανιχνεύσιμο αέριο ή νέφη σκόνης που αποκρύβουν την θέα και κάνουν τα σμήνη σε μια ορισμένη περιοχή να εμφανίζονται πιο αδύναμα. Τα δεδομένα, ωστόσο, δεν υποστηρίζουν αυτό το σενάριο.

Σε ορισμένες περιοχές του διαστήματος η κατανομή των σμηνών θα μπορούσε να επηρεάζεται από εκτεταμένες ροές, μεγάλης κλίμακας κινήσεις ύλης που προκαλούνται από βαρυτική έλξη εξαιρετικά μεγάλων δομών όπως μεγάλες ομάδες σμηνών. Αυτή η υπόθεση, ωστόσο, επίσης φαίνεται απίθανη. Ο Κωνσταντίνος προσθέτει ότι τα ευρήματα προκάλεσαν έκπληξη στην ομάδα.

«Αν το Σύμπαν είναι πραγματικά ανισότροπο, ακόμη και αν ήταν μόνο τα τελευταία λίγα δισεκατομμύρια χρόνια, αυτό θα σημάνει μια τεράστια αλλαγή παραδείγματος επειδή η κατεύθυνση κάθε αντικειμένου θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν αναλύουμε τις ιδιότητές του», αναφέρει. «Για παράδειγμα, σήμερα, εκτιμάμε την απόσταση των πολύ απομακρυσμένων αντικειμένων στο Σύμπαν εφαρμόζοντας ένα σύνολο κοσμολογικών παραμέτρων και εξισώσεων. Πιστεύουμε ότι οι παράμετροι αυτοί είναι ίδιοι παντού. Όμως αν τα συμπεράσματά μας είναι σωστά δεν θα συμβαίνει και θα πρέπει να αναθεωρήσουμε όλα τα προηγούμενα συμπεράσματά μας».

Astronomers have assumed for decades that the Universe is expanding at the same rate in all directions. A new study based on data from ESA’s XMM-Newton, NASA’s Chandra and the German-led ROSAT X-ray observatories suggests this key premise of cosmology might be wrong. Credit: K. Migkas et al. 2020; Milky Way map: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO

Από στελέχη της ESA, το εύρημα θεωρείται ένα εξαιρετικά συναρπαστικό. Προηγούμενες μελέτες, αναφέρουν, υποστήριξαν ότι το παρόν Σύμπαν μπορεί να μη επεκτείνεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά το αποτέλεσμα αυτό – πρώτη φορά ένας τέτοιος έλεγχος έγινε με σμήνη γαλαξιών σε ακτίνες-Χ – έχει μια πολύ μεγαλύτερη σημαντικότητα και επίσης αποκαλύπτει μια μεγάλη δυναμική για μελλοντικές έρευνες.

Οι επιστήμονες εικάζουν ότι αυτή η ενδεχομένως ανώμαλη επίδραση στην κοσμική επέκταση μπορεί να προκληθεί από τη σκοτεινή ενέργεια, το μυστηριώδες συστατικό του κόσμου το οποίο αναλογεί στην πλειονότητα – περίπου 69% – της όλης ενέργειας. Πολύ λίγα είναι γνωστά σήμερα σχετικά με την σκοτεινή ενέργεια, εκτός του ότι εμφανίζεται να επιταχύνει την επέκταση του Σύμπαντος τα λίγα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια.

Το επερχόμενο τηλεσκόπιο Ευκλείδης της ESA, που σχεδιάστηκε για να απεικονίσει δισεκατομμύρια γαλαξιών και να μελετήσει εξονυχιστικά την επέκταση του σύμπαντος, την επιτάχυνσή του και τη φύση της σκοτεινής ενέργειας, μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του μυστηρίου στο μέλλον.

Πηγές: K. Migkas, G. Schellenberger, T. H. Reiprich, F. Pacaud, M. E. Ramos-Ceja, L. Lovisari. Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX–T scaling relation. Astronomy & Astrophysics, 2020; 636: A15 DOI: 10.1051/0004-6361/201936602 - https://phys.org/news/2020-04-basic-assumption-universe.html - https://eef.gr/articles/i-epektasi-tou-sympantos-mporei-na-min-einai-omoiomorfi