Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος αμφισβητείται – και ίσως χρειαζόμαστε νέα φυσική για να το λύσουμε

Την επόμενη φορά που θα φάτε ένα μάφιν μύρτιλλου (ή σοκολάτας) σκεφτείτε τι συνέβη με τα βατόμουρα στο κουρκούτι καθώς ψήθηκε. Τα βατόμουρα ξεκίνησαν όλα στριμωγμένα, αλλά καθώς το μάφιν επεκτάθηκε άρχισαν να απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Αν μπορούσατε να καθίσετε σε ένα μύρτιλο, θα βλέπατε όλα τα άλλα να απομακρύνονται από εσάς, αλλά το ίδιο θα ίσχυε για οποιοδήποτε μύρτιλο επιλέγατε. Υπό αυτή την έννοια, οι γαλαξίες μοιάζουν πολύ με τα βατόμουρα.

Από τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν διαστέλλεται. Το περίεργο γεγονός είναι ότι δεν υπάρχει κανένα μέρος από το οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, αλλά μάλλον όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται (κατά μέσο όρο) από όλους τους άλλους. Από τη δική μας οπτική γωνία στον γαλαξία Milky Way, φαίνεται ότι οι περισσότεροι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς - σαν να είμαστε το κέντρο του σύμπαντος που μοιάζει με μάφιν. Αλλά θα φαινόταν ακριβώς το ίδιο από οποιονδήποτε άλλο γαλαξία – όλα απομακρύνονται από οτιδήποτε άλλο.

Για να γίνουν τα πράγματα ακόμα πιο μπερδεμένα, νέες παρατηρήσεις υποδηλώνουν ότι ο ρυθμός αυτής της διαστολής στο σύμπαν μπορεί να είναι διαφορετικός ανάλογα με το πόσο μακριά κοιτάζετε πίσω στο χρόνο. Αυτά τα νέα δεδομένα, που δημοσιεύθηκαν στο Astrophysical Journal, υποδεικνύουν ότι ίσως είναι καιρός να αναθεωρήσουμε την κατανόησή μας για τον κόσμο.

Η πρόκληση του Hubble

Οι κοσμολόγοι χαρακτηρίζουν τη διαστολή του σύμπαντος με έναν απλό νόμο που είναι γνωστός ως Νόμος του Χαμπλ (που πήρε το όνομά του από τον Έντουιν Χαμπλ - αν και στην πραγματικότητα πολλοί άλλοι άνθρωποι προέτρεψαν την ανακάλυψη του Χαμπλ). Ο νόμος του Hubble είναι η παρατήρηση ότι πιο μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονται με ταχύτερο ρυθμό. Αυτό σημαίνει ότι οι γαλαξίες που βρίσκονται κοντά απομακρύνονται σχετικά αργά σε σύγκριση.

Η σχέση μεταξύ της ταχύτητας και της απόστασης ενός γαλαξία καθορίζεται από τη «Σταθερά του Hubble», η οποία είναι περίπου 44 μίλια (70 χιλιόμετρα) ανά δευτερόλεπτο ανά Mega Parsec (μονάδα μήκους στην αστρονομία). Αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας κερδίζει περίπου 50.000 μίλια την ώρα για κάθε εκατομμύριο έτη φωτός που βρίσκεται μακριά μας. Στον χρόνο που χρειάζεστε για να διαβάσετε αυτήν την πρόταση, ένας γαλαξίας σε απόσταση ενός εκατομμυρίου ετών φωτός απομακρύνεται κατά περίπου 100 επιπλέον μίλια.

Αυτή η διαστολή του σύμπαντος, με τους κοντινούς γαλαξίες να απομακρύνονται πιο αργά από τους μακρινούς γαλαξίες, είναι αυτό που περιμένει κανείς για έναν ομοιόμορφα διαστελλόμενο σύμπαν με σκοτεινή ενέργεια (μια αόρατη δύναμη που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος) και σκοτεινή ύλη (μια άγνωστη και αόρατη μορφή ύλης που είναι πέντε φορές πιο κοινή από την κανονική ύλη). Αυτό θα παρατηρούσε κανείς και στα βατόμουρα σε ένα διογκούμενο μάφιν.

Η ιστορία της μέτρησης της σταθεράς του Hubble ήταν γεμάτη δυσκολίες και απροσδόκητες αποκαλύψεις. Το 1929, ο ίδιος ο Χαμπλ πίστευε ότι η τιμή πρέπει να είναι περίπου 342.000 μίλια την ώρα ανά εκατομμύριο έτη φωτός - περίπου δέκα φορές μεγαλύτερη από αυτή που μετράμε τώρα. Οι μετρήσεις ακριβείας της σταθεράς του Hubble κατά τη διάρκεια των ετών είναι στην πραγματικότητα αυτό που οδήγησε στην ακούσια ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας. Η αναζήτηση για να μάθουμε περισσότερα για αυτόν τον μυστηριώδη τύπο ενέργειας, που αποτελεί το 70% της ενέργειας του σύμπαντος, ενέπνευσε την εκτόξευση του καλύτερου διαστημικού τηλεσκοπίου στον κόσμο (επί του παρόντος), που φέρει το όνομα του Hubble.

Cosmic showtopper

Τώρα φαίνεται ότι αυτή η δυσκολία μπορεί να συνεχίζεται ως αποτέλεσμα δύο πολύ ακριβών μετρήσεων που δεν συμφωνούν μεταξύ τους. Ακριβώς όπως οι κοσμολογικές μετρήσεις έχουν γίνει τόσο ακριβείς που η τιμή της σταθεράς Hubble αναμενόταν να γίνει γνωστή μια για πάντα, έχει βρεθεί ότι τα πράγματα δεν έχουν νόημα. Αντί για ένα, έχουμε τώρα δύο εντυπωσιακά αποτελέσματα.

Από τη μία πλευρά έχουμε τις νέες πολύ ακριβείς μετρήσεις του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων – την υστέρηση της Μεγάλης Έκρηξης – από την αποστολή Planck, που μέτρησε τη σταθερά Hubble σε περίπου 46.200 μίλια την ώρα ανά εκατομμύριο έτη φωτός (ή χρησιμοποιώντας κοσμολόγους ' μονάδες 67,4 km/s/Mpc).

Από την άλλη πλευρά, έχουμε νέες μετρήσεις παλλόμενων αστεριών σε τοπικούς γαλαξίες, επίσης εξαιρετικά ακριβείς, που έχουν μετρήσει τη σταθερά του Hubble στα 50.400 μίλια ανά ώρα ανά εκατομμύριο έτη φωτός (ή χρησιμοποιώντας μονάδες κοσμολόγων 73,4 km/s/Mpc). Αυτά είναι πιο κοντά μας στο χρόνο.

Και οι δύο αυτές μετρήσεις ισχυρίζονται ότι το αποτέλεσμά τους είναι σωστό και πολύ ακριβές. Οι αβεβαιότητες των μετρήσεων είναι μόνο περίπου 300 μίλια την ώρα ανά εκατομμύριο έτη φωτός, επομένως φαίνεται πραγματικά ότι υπάρχει σημαντική διαφορά στην κίνηση. Οι κοσμολόγοι αναφέρουν αυτή τη διαφωνία ως «ένταση» μεταξύ των δύο μετρήσεων – και οι δύο έλκουν στατιστικά αποτελέσματα προς διαφορετικές κατευθύνσεις και κάτι πρέπει να σπάσει.

Νέα φυσική;

Τι θα συμβεί λοιπόν; Αυτή τη στιγμή η κριτική επιτροπή είναι εκτός. Μπορεί να είναι λάθος το κοσμολογικό μας μοντέλο. Αυτό που φαίνεται είναι ότι το σύμπαν διαστέλλεται πιο κοντά από ό,τι θα περιμέναμε με βάση πιο απομακρυσμένες μετρήσεις. Οι μετρήσεις κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων δεν μετρούν άμεσα την τοπική επέκταση, αλλά το συμπεραίνουν μέσω ενός μοντέλου - το κοσμολογικό μας μοντέλο. Αυτό ήταν εξαιρετικά επιτυχημένο στην πρόβλεψη και την περιγραφή πολλών δεδομένων παρατήρησης στο σύμπαν.

Έτσι, ενώ αυτό το μοντέλο μπορεί να είναι λάθος, κανείς δεν έχει βρει ένα απλό πειστικό μοντέλο που να μπορεί να το εξηγήσει αυτό και, ταυτόχρονα, να εξηγήσει όλα τα άλλα που παρατηρούμε. Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε αυτό με μια νέα θεωρία της βαρύτητας, αλλά τότε άλλες παρατηρήσεις δεν ταιριάζουν. Ή θα μπορούσαμε να προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε με μια νέα θεωρία της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας, αλλά στη συνέχεια δεν χωρούν περαιτέρω παρατηρήσεις – και ούτω καθεξής. Επομένως, εάν η ένταση οφείλεται σε νέα φυσική, πρέπει να είναι πολύπλοκη και άγνωστη.

Μια λιγότερο συναρπαστική εξήγηση θα μπορούσε να είναι ότι υπάρχουν «άγνωστα άγνωστα» στα δεδομένα που προκαλούνται από συστηματικές επιδράσεις και ότι μια πιο προσεκτική ανάλυση μπορεί μια μέρα να αποκαλύψει ένα λεπτό αποτέλεσμα που έχει παραβλεφθεί. Ή θα μπορούσε να είναι απλώς μια στατιστική ατυχία, που θα εξαφανιστεί όταν συγκεντρωθούν περισσότερα δεδομένα.

Δεν είναι επί του παρόντος ασαφές ποιος συνδυασμός νέας φυσικής, συστηματικών επιδράσεων ή νέων δεδομένων θα επιλύσει αυτήν την ένταση, αλλά κάτι πρέπει να δώσει. Η διαστελλόμενη εικόνα μάφιν του σύμπαντος μπορεί να μην λειτουργεί πλέον, και οι κοσμολόγοι βρίσκονται σε αγώνα δρόμου για να κερδίσουν ένα «μεγάλο κοσμικό ψήσιμο» για να εξηγήσουν αυτό το αποτέλεσμα. Εάν απαιτείται νέα φυσική για να εξηγήσει αυτές τις νέες μετρήσεις, τότε το αποτέλεσμα θα είναι μια εντυπωσιακή αλλαγή της εικόνας μας για το σύμπαν.

Thomas Kitching, Reader in Astrophysics, UCL

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο The Conversation. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.