Οι ρωγμές στην κοσμολογία:Γιατί το Σύμπαν μας δεν αθροίζεται

Το τυπικό μοντέλο του Σύμπαντος μας μπορεί να παρουσιάζει κάποιες ρωγμές. Αρκετές θεμελιώδεις κοσμολογικές παρατηρήσεις έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους. Για παράδειγμα, το Σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται 10 τοις εκατό γρηγορότερα από ό,τι θα έπρεπε, σύμφωνα με παρατηρήσεις της υπολειπόμενης θερμότητας από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Είναι πολύ πιθανό οι αντιφάσεις να εξαφανιστούν καθώς βελτιώνονται οι εκτιμήσεις μας για τις κοσμικές παραμέτρους. Αλλά είναι επίσης πιθανό οι αντιφάσεις να μην εξαφανιστούν και ότι η θεμελιώδης εικόνα μας για το Σύμπαν πρόκειται να υποβληθεί σε ριζική αναθεώρηση, ίσως να περιλαμβάνει αόρατα, «σκοτεινά» συστατικά τόσο πολύπλοκα όπως τα άτομα, τα αστέρια και οι γαλαξίες.

• Ακούστε τον Marcus Chown να μιλάει για τις ρωγμές στην κοσμολογία στο Science Focus Podcast

Σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια και πληθωρισμός

Η κοσμολογία είναι η απόλυτη επιστήμη. Ασχολείται με τη γέννηση, την εξέλιξη και τη μοίρα του Σύμπαντος. Το τυπικό μοντέλο αποτελείται από πολλά συστατικά:τη Μεγάλη Έκρηξη, τη σκοτεινή ύλη, τη σκοτεινή ενέργεια και τον πληθωρισμό.

Πρώτα, πάρτε το Big Bang. Οι αστρονόμοι μπορούν να δουν ότι οι γαλαξίες - τα βασικά δομικά στοιχεία του Σύμπαντος, ένα από τα οποία είναι ο Γαλαξίας - πετούν μακριά ο ένας από τον άλλο μετά από μια τιτανική έκρηξη. Παρατηρούν επίσης ότι το Σύμπαν διαποτίζεται από λείψανα θερμότητας – την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Μαζί, αυτές οι δύο παρατηρήσεις λένε στους αστρονόμους ότι το Σύμπαν ήταν μικρότερο και θερμότερο στο παρελθόν. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με την τυπική εικόνα, το Σύμπαν γεννήθηκε σε μια εξαιρετικά καυτή βολίδα πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια και έκτοτε διαστέλλεται, με τους γαλαξίες να πήζουν από τα ψυκτικά συντρίμμια.

Αλλά η βασική εικόνα του Big Bang απαιτεί μερικά επιπλέον συστατικά, επειδή έρχεται σε σύγκρουση με τις παρατηρήσεις. Πρώτον, και το πιο σοβαρό, προβλέπει ότι δεν πρέπει να υπάρχουμε.

Διαβάστε περισσότερες από τις ιδέες που πρέπει να γνωρίζετε το 2021:

• Rise of the Clones:7 τρόποι με τους οποίους η κλωνοποίηση συμβαίνει ήδη
• Πώς το σμήνος διαστημόπλοιο θα μπορούσε να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη Γη όπως ποτέ άλλοτε
• Αναστροφή:Μπορεί να σώσει την άγρια ​​ζωή μας και να μετριάσει την κλιματική αλλαγή;
• Φοβίες, παράνοια και PTSD:Γιατί η θεραπεία εικονικής πραγματικότητας είναι το όριο της θεραπείας ψυχικής υγείας

Σύμφωνα με το βασικό Big Bang, όταν η ύλη αναδύθηκε από την αρχέγονη βολίδα εξαπλώθηκε εξαιρετικά ομαλά. Στη συνέχεια, περιοχές που ήταν ελαφρώς πυκνότερες από τον μέσο όρο, έλκονταν στην ύλη πιο γρήγορα με την ισχυρότερη βαρύτητα τους. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας, όπως οι πλούσιοι γίνονται όλο και πιο πλούσιοι, ήταν οι γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα. Το πρόβλημα είναι ότι θα χρειάζονταν περισσότερα από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια για να συγκεντρωθούν γαλαξίες τόσο μαζικοί όσο ο Γαλαξίας μας.

Οι κοσμολόγοι επιλύουν το πρόβλημα βιδώνοντας την αόρατη σκοτεινή ύλη στη βασική Μεγάλη Έκρηξη. Η αόρατη σκοτεινή ύλη αντισταθμίζει τα ορατά αστέρια και τους γαλαξίες κατά έξι φορές και η επιπλέον βαρύτητα της επιτάχυνε τον σχηματισμό γαλαξιών.

Ο δεύτερος τρόπος με τον οποίο η βασική εικόνα του Big Bang συγκρούεται με τις παρατηρήσεις είναι ότι προβλέπει ότι η κοσμική διαστολή θα πρέπει να επιβραδύνεται. Η βαρύτητα λειτουργεί σαν ένα ελαστικό πλέγμα μεταξύ των γαλαξιών, φρενάροντας τη βιασύνη τους ο ένας από τον άλλο. Αλλά το 1998, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι, αντίθετα με όλες τις προσδοκίες, η επέκταση επιταχύνεται.

Αυτό το διορθώνουν βιδώνοντας τη σκοτεινή ενέργεια στο βασικό Big Bang, κάτι που είναι αόρατο, γεμίζει όλο το διάστημα και έχει απωθητική βαρύτητα. Είναι η σκοτεινή ενέργεια που επιταχύνει την κοσμική επέκταση.

Ο τρίτος τρόπος με τον οποίο η εικόνα του Big Bang συγκρούεται με τις παρατηρήσεις είναι ότι το Σύμπαν έχει την ίδια θερμοκρασία παντού – τη θερμοκρασία της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Αυτή η θερμοκρασία είναι 2,726 K (το απόλυτο μηδέν είναι 0 K). Νωρίς στη Μεγάλη Έκρηξη, οι περιοχές που βρίσκονται σήμερα στις αντίθετες πλευρές του ουρανού ήταν πολύ μακριά μεταξύ τους για να εξισώσουν τις θερμοκρασίες τους.

Οι κοσμολόγοι το διορθώνουν υποθέτοντας ότι, νωρίς, το Σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο από το αναμενόμενο. Πρέπει επομένως να έχει επεκταθεί ταχύτερα για να επιτύχει το σημερινό του μέγεθος σε 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια.

Στην πραγματικότητα, το Σύμπαν, στο πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου, πιστεύεται ότι έχει υποστεί μια διαστολή τόσο βίαιη που έχει παρομοιαστεί με την έκρηξη μιας βόμβας H. Αυτό συγκρίνεται με το ραβδί δυναμίτη της επέκτασης του Big Bang, το οποίο ανέλαβε όταν ο αρχικός «πληθωρισμός» τελείωσε.

Ορίστε το έχετε. Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας =η Μεγάλη Έκρηξη + πληθωρισμός + σκοτεινή ύλη + σκοτεινή ενέργεια. Τεχνικά, ακούει στο όνομα «Lambda-CDM». Ενώ ο πληθωρισμός Big Bang + θεωρείται σιωπηρά, το Lambda είναι συντομογραφία για τη σκοτεινή ενέργεια και το CDM για την ψυχρή σκοτεινή ύλη, με το «ψυχρό» να σημαίνει ότι τα συστατικά του κινούνται αργά, ώστε η βαρύτητα να τα συγκεντρώνει σε συστάδες.

Κάτι δεν πάει καλά με την ψυχρή σκοτεινή ύλη

Ο πρώτος τρόπος με τον οποίο συγκρούεται το Lambda-CDM με τις παρατηρήσεις περιλαμβάνει σμήνη γαλαξιών. Σύμφωνα με το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης, η βαρύτητα θα προκαλέσει τη συσσώρευση της σκοτεινής ύλης σε μια σειρά από κλίμακες, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι μικρότερες από ένα σμήνος γαλαξιών.

Αργότερα, η συνηθισμένη ύλη (η οποία διαμορφώνεται σε αστέρια) έλκεται προς τα μέσα. Αυτοί οι «υποάλοι» μπορεί να έχουν άφθονα αστέρια, αλλά μερικοί υποάλω μπορεί να μην έχουν αστέρια ή τόσο λίγα αστέρια που να είναι αόρατα. Ωστόσο, υπάρχει τρόπος να τα αποκαλύψετε.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Δρ Massimo Meneghetti του Εθνικού Ινστιτούτου Αστροφυσικής στη Μπολόνια της Ιταλίας, παρατήρησε 11 σμήνη γαλαξιών με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητηρίου στη Χιλή. Εξέτασαν το φως πιο μακρινών γαλαξιών και πώς παραμορφώθηκε, ή «βαρυτικός φακός», λόγω της διέλευσης από τους αόρατους υποφωτοστέφανους.

Προς έκπληξη της ομάδας, ο φακός από τα subhalos ήταν πολύ ισχυρότερος από το αναμενόμενο, υποδεικνύοντας ότι είναι πολύ συμπαγείς. Αυτό έρχεται σε σύγκρουση με το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης, το οποίο υποστηρίζει ότι οι υποφωτοστέφανοι πρέπει να είναι πολύ πιο διογκωμένοι.

«Πρέπει να γνωρίζουμε αν αυτή η ανωμαλία μπορεί να προκληθεί από τον τρόπο που αναλύουμε τα δεδομένα μας ή τον τρόπο που κάνουμε τις θεωρητικές μας προβλέψεις», λέει ο Meneghetti. "Εάν αποτύχουμε να το εξηγήσουμε, η μόνη επιλογή θα είναι να αναθεωρήσουμε το μοντέλο."

Μια πιθανότητα είναι ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι φτιαγμένη από αυτό που νομίζουμε ότι είναι φτιαγμένη. Οι ευνοημένοι υποψήφιοι είναι ογκώδη, ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας. Τέτοια ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια, ή WIMP, δεν αποτελούν μέρος του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, αλλά προβλέπονται από μια κερδοσκοπική θεωρία που ονομάζεται «υπερσυμμετρία».

«Ίσως η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν με διαφορετικούς τρόπους με το WIMPS», λέει ο Meneghetti. «Οι πιθανές εναλλακτικές λύσεις περιλαμβάνουν έναν νέο τύπο νετρίνου που ονομάζεται «στείρο νετρίνο», μια άλλη κατηγορία σωματιδίων που ονομάζονται «άξιον» ή ακόμα και αρχέγονες μαύρες τρύπες, που σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη».

Διαβάστε περισσότερα για την κοσμολογία:

• Οι έξι αριθμοί που ορίζουν ολόκληρο το Σύμπαν
• Τι θα γινόταν αν η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή;

Η ομαλότητα της ύλης

Η δεύτερη σύγκρουση μεταξύ Lambda-CDM και παρατηρήσεων αφορά τη συσσώρευση της ύλης σε μεγάλη κλίμακα.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Koen Kuijken στο Παρατηρητήριο του Leiden στην Ολλανδία εξέτασε την κατανομή 31 εκατομμυρίων εξαιρετικά αδύναμων γαλαξιών στην τελευταία έκδοση δεδομένων της Ευρωπαϊκής Έρευνας Κιλοβαθμών (KiDS). Η συνεργασία KiDS χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο Survey του Very Large Telescope στη Χιλή για να παρατηρήσει δύο μεγάλες περιοχές του ουρανού.

Συγκεκριμένα, η ομάδα του Kuijken εξέτασε πώς το φως αυτών των γαλαξιών είχε βαρυτικό φακό από την ύλη μεταξύ τους και της Γης, επιτρέποντας τη διανομή της.

Ανακάλυψε ότι η ύλη εξαπλώθηκε 8,3 τοις εκατό πιο ομαλά από ό,τι είχε προβλεφθεί από το μοντέλο ψυχρής σκοτεινής ύλης, το οποίο λαμβάνει τις πολύ μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα του Σύμπαντος λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – που αποκαλύφθηκαν από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου – και υπολογίζει πώς αυτές θα είχαν έχει ενισχυθεί από τη βαρύτητα τα τελευταία 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια.

Για άλλη μια φορά, η ανωμαλία μπορεί να εξαφανιστεί με μια καλύτερη ανάλυση των δεδομένων ή μια τροποποίηση του μοντέλου ψυχρής σκοτεινής ύλης. Ή μπορεί να μας λέει ότι το μοντέλο είναι βασικά λάθος.

Μέτρηση της σταθεράς Hubble

Η τρίτη σύγκρουση μεταξύ Lambda-CDM και παρατηρήσεων, γνωστή ως «ένταση Hubble», αφορά τη σταθερά Hubble, ένα μέτρο του τρέχοντος ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος. Υπάρχουν δύο τρόποι μέτρησης και έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους.

Ένας τρόπος είναι να δούμε τις ανεπαίσθητες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου στον ουρανό. Αυτά αποτυπώθηκαν στην ακτινοβολία από το «ρευστό» της ύλης και της ακτινοβολίας στην αρχή του χρόνου καθώς χύθηκε σαν νερό σε ένα λουτρό μεγέθους Σύμπαντος.

Είναι δυνατό να εξαχθούν από αυτούς τους τρόπους χαλάρωσης όλες τις βασικές κοσμολογικές παραμέτρους. Ο ευρωπαϊκός δορυφόρος Planck, για παράδειγμα, διαπίστωσε ότι το Σύμπαν είναι 4,9 τοις εκατό ατομική ύλη, 26,8 τοις εκατό σκοτεινή ύλη και 68,3 τοις εκατό σκοτεινή ενέργεια.

Είναι κρίσιμο, τέτοιες παρατηρήσεις αποκαλύπτουν επίσης τη σταθερά Hubble στο πρώιμο Σύμπαν και αυτό μπορεί να προεκταθεί μέχρι σήμερα. Και εδώ βρίσκεται το πρόβλημα:η προεκτεινόμενη τιμή είναι περίπου 10 τοις εκατό μικρότερη από τη σταθερά Hubble που παρατηρείται σήμερα.

Ένα βασικό πράγμα που πρέπει να έχουμε κατά νου είναι ότι η σταθερά Hubble που προκύπτει από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι πολύ ακριβής επειδή η φυσική είναι απλή και καλά κατανοητή. Αλλά οι μετρήσεις της σταθεράς Hubble στο σημερινό Σύμπαν είναι πιο σκληρές και γεμάτες προβλήματα.

Τέτοιες μετρήσεις περιλαμβάνουν την εύρεση αντικειμένων που πιστεύεται ότι έχουν πάντα την ίδια εγγενή φωτεινότητα, όπως οι μεταβλητές των Κηφείδων και οι σουπερνόβα τύπου 1α. Όπως οι τυπικοί λαμπτήρες των 100 W που αράζουν σε ένα χωράφι τα μεσάνυχτα, τέτοια «τυπικά κεριά» αποκαλύπτουν τη σχετική τους απόσταση λόγω της σχετικής αδυναμίας τους.

Το πρόβλημα είναι ότι η φυσική τέτοιων αστεριών δεν είναι καλά κατανοητή και μπορεί να μην είναι τόσο τυπική όσο ελπίζουμε. Επομένως, μπορεί αυτές οι μετρήσεις της απόστασης των τυπικών κεριών καθώς απομακρύνονται από εμάς λόγω της κοσμικής διαστολής να είναι λανθασμένες και τελικά να αποδώσουν μια σταθερά Hubble σε ευθυγράμμιση με αυτήν από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.

Διαβάστε περισσότερα για την αστρονομία:

• 8 όμορφες εικόνες του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble που πιθανότατα δεν έχετε ξαναδεί
• Οι καλύτερες 5 εφαρμογές που πρέπει να κατεβάσουν όλοι οι stargazer αυτή τη στιγμή

Κάτι εντελώς νέο

Από την άλλη πλευρά, μπορεί η φύση να μας λέει κάτι νέο για το Σύμπαν. «Το «τυποποιημένο μοντέλο της κοσμολογίας» είναι μια παραδοχή άγνοιας», παραδέχεται ο καθηγητής Abraham Loeb του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ.

«Ονομάζουμε συστατικά των οποίων τη φύση δεν γνωρίζουμε ως «σκοτεινή ύλη» και «σκοτεινή ενέργεια». Δεδομένου ότι δεν γνωρίζουμε τι είναι, είναι ένα πολύ χονδροειδές μοντέλο που θα μπορούσε εύκολα να είναι μια υπεραπλούστευση της πραγματικότητας."

Ο Loeb επισημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην είναι ρευστό ενός τύπου σωματιδίων σκοτεινής ύλης. «Μπορεί να μην υπάρχει ούτε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης, αλλά ένα μείγμα σωματιδίων διαφορετικών μαζών και αλληλεπιδράσεων», λέει. Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είναι πολύπλοκη, ακριβώς όπως η συνηθισμένη ύλη, η οποία αποτελείται από κουάρκ και ηλεκτρόνια που συγκεντρώνονται σε 92 φυσικά στοιχεία.

Επιπλέον, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορεί να συμπεριφέρονται με πολύπλοκους τρόπους. Για παράδειγμα, μπορεί να διασπαστούν με την ηλικία του Σύμπαντος, μειώνοντας τη βαρυτική τους έλξη και έτσι απομακρύνοντας τα φρένα από την κοσμική διαστολή. Μια τέτοια ώθηση στον κοσμικό ρυθμό διαστολής θα ανακουφίσει την ένταση του Hubble.

Ένας πιθανός τρόπος για να επιβεβαιώσετε ή να αντικρούσετε την ένταση του Hubble είναι με «τυποποιημένες σειρήνες» αντί για τυπικά κεριά. Τα βαρυτικά κύματα είναι δονήσεις του χωροχρόνου που μοιάζουν με ηχητικά κύματα και η συγχώνευση αστεριών νετρονίων πιστεύεται ότι δημιουργεί τυπικές σειρήνες, όπως οι ομίχλης των φάρων. Όσο πιο ήσυχος είναι ο ήχος, τόσο πιο μακριά είναι η σειρήνα.

«Οι πηγές βαρυτικών κυμάτων προσφέρουν την πιο ισχυρή μέθοδο για την επίλυση των αβεβαιοτήτων που έχουμε αυτή τη στιγμή», λέει ο Loeb. Η ελπίδα είναι ότι τέτοιες τεχνικές θα δείξουν εάν οι τρέχουσες αντιφάσεις μεταξύ των διαφορετικών παρατηρήσεων είναι πραγματικές.

Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας είναι σχετικά απλό, παρά τα πολλαπλά αόρατα συστατικά του. Αλλά η απλότητά του μπορεί να μας τυφλώνει στην πραγματικότητα, η οποία μπορεί να είναι πιο περίπλοκη. "Η φύση", προειδοποιεί ο Loeb, "δεν έχει καμία υποχρέωση να συμμορφωθεί με την απλούστερη έκδοση."

• Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο τεύχος 358 του BBC Science Focus Magazine – μάθετε πώς να εγγραφείτε εδώ

Ψάχνετε συμβουλές για την παρατήρηση των άστρων; Δείτε τον πλήρη οδηγό μας για την αστρονομία για αρχάριους στο Ηνωμένο Βασίλειο.