Looking Beyond Beyond Model Cosmology:Making A Case For Development of Observational Tools for Alternative Models
Ένας τυπικός γαλαξίας περιέχει δισεκατομμύρια και τρισεκατομμύρια αστέρια, όπως ο πλησιέστερος γείτονάς μας, ο Ήλιος. Στον τομέα της Κοσμολογίας, ένας μόνο γαλαξίας θεωρείται ότι είναι η μονάδα ποσότητας για τη μελέτη του αχανούς και εκπληκτικού Σύμπαντος. Με μεγαλύτερα και καλύτερα τηλεσκόπια, είμαστε σε θέση να παρατηρήσουμε και να καταγράψουμε εκατομμύρια τέτοιους γαλαξίες και κβάζαρ (πολύ φωτεινά «ενεργά» γαλαξιακά κέντρα). Αν παρατηρούσαμε το Σύμπαν γύρω μας, σε μεγάλες αποστάσεις, λίγο πολύ η κατανομή αυτών των γαλαξιών φαίνεται να είναι ισότροπη — πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει προτιμώμενη κατεύθυνση στο Σύμπαν. Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο γνωρίζουμε ότι υπάρχει αυτή η ισοτροπία είναι επειδή περιβαλλόμαστε από ομοιόμορφα κατανεμημένο φως από το πρώιμο Σύμπαν προς όλες τις κατευθύνσεις (για την ακρίβεια, η ακτινοβολία μικροκυμάτων γνωστή ως Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB)).
Επίσης, δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι βρισκόμαστε σε κάποιο ιδιαίτερο μέρος στο Σύμπαν, καθώς ο γαλαξίας μας δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα κομμάτι σκόνης στο τεράστιο πλήθος των γαλαξιών, όπως οποιοσδήποτε άλλος. Αν υποθέσουμε ότι δεν βρισκόμαστε σε κάποια ειδική θέση στο Σύμπαν για να παρατηρήσουμε την ισοτροπία, που σημαίνει ότι δεν υπάρχει προτιμώμενη θέση στο Σύμπαν, τότε όλες οι τοποθεσίες αντιμετωπίζονται ισότιμα. Αυτό ονομάζεται επίσης η αρχή του Κοπέρνικου. Παρατηρητικά, είναι δύσκολο να «αποδειχθεί» αυτή η υπόθεση. Παρατηρούμε στον παρελθοντικό κώνο φωτός σε έναν και μόνο κοσμολογικό χρόνο, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούμε να ελέγξουμε άμεσα την ισοτροπία με βάση την παγκόσμια γραμμή μας (αυτό που χαράσσει την πορεία μας στον χωροχρόνο). Δεδομένου ότι η ισοτροπία για όλες τις εγκόσμιες γραμμές των γαλαξιών συνεπάγεται ομοιογένεια και δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε όλες τις κοσμικές γραμμές, υιοθετούμε μια Αρχή του Κοπέρνικου (δηλαδή η παγκόσμια γραμμή μας δεν είναι ειδική) και συμπεραίνουμε τη λεγόμενη «Κοσμολογική Αρχή» με βάση την ισοτροπία που παρατηρούμε. Όταν συνδυάζουμε αυτήν την αρχή με μια θεωρία της βαρύτητας όπως η γενική σχετικότητα και φέρουμε τα συστατικά που γνωρίζουμε με βάση τη θεμελιώδη φυσική, παίρνουμε το τυπικό μοντέλο του Σύμπαντος.
Το πιο ευρέως αποδεκτό μοντέλο του Σύμπαντος ονομάζεται μοντέλο CDM Lambda. Αυτό το μοντέλο βασίζεται στην ύπαρξη δύο εξωτικών συστατικών που δεν έχουμε παρατηρήσει άμεσα σε εργαστήριο, δηλαδή της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, μόνο το 4% του παρατηρούμενου Σύμπαντος αποτελείται από την ύλη και την ενέργεια που γνωρίζουμε, και το υπόλοιπο 96% είναι άγνωστο. Η σκοτεινή ύλη είναι μια άπιαστη, (σχεδόν) διαπερατή, μια μη βαρυονική ουσία που αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας. Η άμεση ανίχνευση και η εργαστηριακή μελέτη της σκοτεινής ύλης είναι, επομένως, μια ανοιχτή πρόκληση όπως και η εύρεση μιας κατάλληλης υποψήφιας σκοτεινής ύλης από τη σωματιδιακή φυσική. Αυτή η κατάσταση θυμίζει την αναζήτηση του αιθερικού μέσου τον περασμένο αιώνα. Η σκοτεινή ενέργεια, από την άλλη πλευρά, θα μπορούσε να παρακινηθεί από μια κοσμολογική σταθερά (η υποτιθέμενη μεγαλύτερη γκάφα του Αϊνστάιν που ήρθε στη διάσωση). Δυστυχώς, η κοσμολογική σταθερά είναι τόσο μικρή σε σύγκριση (της τάξης του ~ 10) με την προσδοκία από ένα άλλο επιτυχημένο πεδίο της φυσικής γνωστό ως Κβαντική Θεωρία Πεδίου. Αυτή η ασυμφωνία ονομάζεται ακόμη και η χειρότερη θεωρητική πρόβλεψη στην ιστορία της φυσικής!.
Όπως γνωρίζουμε, η ανάπτυξη της επιστήμης βασίζεται σε άμεσες παρατηρήσεις της υπόθεσης που σχηματίστηκε. Όπως το έθεσε όμορφα ο Richard Feynman — όσο όμορφη κι αν είναι μια θεωρία, αν δεν ταιριάζει με τα πειράματα, είναι λάθος. Εκτός από αυτή τη δυσάρεστη κατάσταση της μη γνώσης του μεγαλύτερου μέρους του Σύμπαντος, υπάρχουν επίσης λίγες παρατηρητικές ασυνέπειες που ενοχλούν τους κοσμολόγους να υποστηρίζουν ολόψυχα το τυπικό μοντέλο του Σύμπαντος. Γνωρίζουμε επίσης ότι η γενική σχετικότητα δεν συμβιβάζεται με την κβαντική μηχανική (άλλο ένα ισχυρό παρατηρητικά πεδίο της φυσικής). Έτσι, κατ' αρχήν θα μπορούσαμε να εξετάζουμε και εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας, για να δούμε πέρα από τη γενική σχετικότητα (η οποία μας οδηγεί στο τυπικό μοντέλο). Ως εκ τούτου, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για την επέκταση της κοσμολογίας πέρα από το τυπικό μοντέλο Lambda CDM.
Είναι, επομένως, απαραίτητο οποιαδήποτε παρατηρητική μελέτη του Σύμπαντος (όπως και κάθε άλλος κλάδος της επιστήμης) να είναι ανεξάρτητη από τις προκαταλήψεις που μπορεί να έχουμε από την εκμάθηση διαφορετικών θεωρητικών μοντέλων. Έτσι, η ανάπτυξη τεχνικών παρατήρησης ανεξάρτητων από μοντέλο μπορεί να μας οδηγήσει σε μια καλύτερη κατανόηση του Σύμπαντος δείχνοντας προς την εξερεύνηση ανώτερων θεωρητικών μοντέλων. Τουλάχιστον, η ανάλυση παρατήρησης θα πρέπει να είναι ανοιχτή στη δοκιμή πολλών πιθανών θεωρητικών μοντέλων.
Για παράδειγμα, παρατηρούμε ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με βάση τη μετατόπιση της συχνότητας του φωτός που είναι γνωστή ως redshift. Αυτός είναι ο λόγος που πιστεύουμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Για να υπολογίσουμε την απόσταση αυτών των γαλαξιών από εμάς, πρέπει να υποθέσουμε κάποιο θεωρητικό μοντέλο του Σύμπαντος που υπαγορεύει την εξέλιξή του a priori. Για παράδειγμα, πιστεύουμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με γρήγορο ρυθμό τον τελευταίο καιρό (επιταχύνεται) μόνο επειδή υποθέτουμε το τυπικό σενάριο του μοντέλου. Το Σύμπαν θα μπορούσε επίσης να διαστέλλεται γραμμικά από την έναρξή του και τα δεδομένα παρατήρησης των λεγόμενων τυπικών κεριών (supernovae) μπορούν ακόμα να είναι συνεπή. Θεωρητικά μιλώντας, το Σύμπαν θα μπορούσε να έχει διαφορετικές γεωμετρίες και να περιέχει συστατικά σε διάφορες αναλογίες με ένα σωρό πιθανά σενάρια εξέλιξης μαζί με διαφορετικές εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας. Επομένως, οποιοσδήποτε κωδικός/υπολογισμός που αναλύει παρατηρήσεις θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα ανάλυσης των δεδομένων μέσω πολλών διαφορετικών θεωρητικών μοντέλων. Ο κωδικός «correlcalc» είναι μια προσπάθεια προς αυτή την κατεύθυνση. Κατασκευάστηκε για να αναλύσει τα δεδομένα του καταλόγου γαλαξιών που περιέχουν θέσεις μετατόπισης προς το ερυθρό και κατεύθυνσης όλων των παρατηρούμενων γαλαξιών, υπό το φως διαφόρων πιθανών θεωρητικών μοντέλων.
Στην αρχή αυτού του άρθρου, συζητήσαμε πώς το Σύμπαν εμφανίζεται περίπου το ίδιο σε όλες τις κατευθύνσεις σε μεγάλες αποστάσεις. Σε μικρότερες κλίμακες, (της τάξης των 100Mpc) η βαρύτητα έλκει την ύλη πιο κοντά μεταξύ τους σχηματίζοντας κάποιες δομές. Όλες οι δομές στο Σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα συναρμολογούνται από τη βαρυτική έλξη. Έτσι, παρατηρώντας πόσο διαφορετικό εμφανίζεται το Σύμπαν σε μεγάλες κλίμακες σε σύγκριση με μια εντελώς τυχαία κατανομή, μπορούμε να εξαγάγουμε ορισμένες βασικές πληροφορίες και στατιστικές παραμέτρους. Αυτά βοηθούν στην επιβολή περιορισμών στις θεωρίες της βαρύτητας και της εξέλιξης των δομών κ.λπ.
Στο παρακάτω σχήμα, παρατηρήστε πώς τα νήματα, τα κενά και άλλες δομές μπορούν να φανούν στο παρατηρούμενο τμήμα του ουρανού (σε μια συγκεκριμένη τομή μετατόπισης προς το κόκκινο – φαίνεται στα δεξιά).
Εάν υποθέσουμε ένα εναλλακτικό μοντέλο για την εξέλιξη του Σύμπαντος (με ή χωρίς διαφορετικά μοντέλα βαρύτητας) και αναλύσουμε τα δεδομένα, εάν οι εξαγόμενες παράμετροι είναι αυτοσυνεπείς με το εναλλακτικό μοντέλο, αυτό κάνει μια πολύ πιο συναρπαστική υπόθεση όπως το τυπικό μοντέλο ( τουλάχιστον από αυτό το σύνολο παρατηρήσεων). Σε μια δειγματοληπτική μελέτη που διεξήχθη με βάση τον κώδικα correlcalc χρησιμοποιώντας δεδομένα από το Sloan Digital Sky Survey (SDSS), καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι οι παρατηρήσεις είναι εξίσου συνεπείς με ένα γραμμικό μοντέλο ακτής του Σύμπαντος με τον ίδιο τρόπο όπως και για το τυπικό μοντέλο. Ως εκ τούτου, πιστεύουμε ακράδαντα ότι απαιτούνται περισσότερες προσπάθειες για την (α)επικύρωση των πιθανών εναλλακτικών μοντέλων που βασίζονται σε λόγους παρατήρησης και πρέπει να αναπτυχθούν περισσότερα τέτοια εργαλεία για ανάλυση δεδομένων παρατήρησης χωρίς μεροληψία του Σύμπαντος.
