Πώς το Αρχαίο Φως αποκαλύπτει τα περιεχόμενα του Σύμπαντος
Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.
Στις αρχές του 2003, ο Τσακ Μπένετ έμαθε το ακριβές περιεχόμενο του Κόσμου.
Μέχρι τότε, οι περισσότεροι κοσμολόγοι είχαν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν περιέχει πολύ περισσότερα από όσα φαίνονται στο μάτι. Οι παρατηρήσεις των γαλαξιών που περιστρέφονται με καρφίτσα πρότειναν ότι ικριώματα αόρατης ύλης συγκρατούσαν τα αστέρια τους ενωμένα, ενώ μια αποκρουστική μορφή ενέργειας απομακρύνει τους γαλαξίες. Για να μάθουν περισσότερα, ο Bennett και η ομάδα του Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) είχαν περάσει ένα χρόνο συλλέγοντας μικροκύματα που προέρχονται από όλες τις κατευθύνσεις στον ουρανό - ακτίνες φωτός που έφυγαν από την πηγή τους πολύ καιρό πριν, όταν το σύμπαν ήταν μόλις 380.000 ετών. Τραβώντας αυτή τη φωτογραφία του νεαρού Κόσμου, η ομάδα WMAP θα μπορούσε να εντοπίσει την ηλικία και το σχήμα του και να καθορίσει ακριβώς πόση ποσότητα της λεγόμενης σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας περιέχει.
«Ξαφνικά είχαμε αυτή τη λίστα με αριθμούς», θυμάται ο Μπένετ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς.
Η ομάδα ανακοίνωσε τα πρώτα της αποτελέσματα τον Φεβρουάριο του 2003. Ο χάρτης της με το «κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο» (CMB), τον οποίο βελτίωσαν τα επόμενα χρόνια, έδειξε ότι η γνωστή ύλη των πλανητών, των αερίων και των αστεριών αποτελεί μόλις το 4,6 τοις εκατό του σύμπαντος. ενώ η αόρατη σκοτεινή ύλη αποτελεί το 24 τοις εκατό. Το υπόλοιπο 71,4 τοις εκατό του κοσμικού διαγράμματος πίτας έπρεπε να είναι σκοτεινή ενέργεια, η οποία πιστεύεται ότι εμποτίζει τον ιστό του ίδιου του διαστήματος. Οι αριθμοί άλλαξαν μόνο λίγο όταν ο διάδοχος του WMAP, ο δορυφόρος Planck, τράβηξε μια ακόμη πιο ευκρινή εικόνα του CMB 10 χρόνια αργότερα. Και ενώ άλλα στοιχεία της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης εξακολουθούν να αμφισβητούνται, τα δακτυλικά αποτυπώματά τους στο CMB δεν αμφισβητούνται σχεδόν καθόλου.
Το CMB είναι «σίγουρα ένας από τους, αν όχι ο πιο σημαντικός, πυλώνας της σύγχρονης κοσμολογίας», δήλωσε ο Yacine Ali-Haïmoud, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης.
Δείτε πώς το σύμπαν χάραξε ένα τόσο ενδεικτικό μήνυμα στο κοσμικό φόντο των μικροκυμάτων και πώς οι ερευνητές έμαθαν να το διαβάζουν.
Στην αρχή, πριν τα μικροκύματα εγκαταλείψουν την πηγή τους, το σύμπαν ήταν ένα σχεδόν χωρίς χαρακτηριστικά ρευστό φτιαγμένο από σκοτεινή και ορατή ύλη. Αυτή η αρχέγονη ουσία κάποτε έλαμπε άσπρο-καυτή, και μετά ψύχθηκε σε ανοιχτό πορτοκαλί χρώμα κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων χιλιάδων ετών του σύμπαντος. Οι ακτίνες του φωτός δεν μπορούσαν να ταξιδέψουν μακριά προτού εκτοξεύσουν τα γειτονικά σωματίδια. Αυτό το διάσπαρτο φως κράτησε το υγρό ομιχλώδες και υπό πίεση.
Αλλά οι σπόροι των σημερινών αστεριών και πλανητών είχαν ήδη σπαρθεί. Τίποτα στη φύση δεν είναι τέλειο και η λεία αρχέγονη σούπα ήταν τόσο ελαφρώς θρομβωμένη, με κάποιες περιοχές περίπου κατά το ένα χιλιοστό του τοις εκατό πιο πυκνές από το περιβάλλον υγρό και κάποιες πολύ πιο αραιές.
Το ρευστό κατέρρευσε καθώς η βαρύτητα συγκέντρωνε την ύλη και τα κύματα φωτός την έσπρωξαν μακριά. Αυτή η διελκυστίνδα αραίωσε πυκνά σημεία καθώς η περίσσεια ύλης χύθηκε προς τα έξω και πύκνωνε λεπτά σημεία καθώς το υλικό όρμησε προς τα μέσα. Όταν μια περιοχή λεπτύνει πολύ, τα σωματίδια έτρεχαν ξανά και το αντίστροφο, έτσι ώστε κάθε σταγόνα να ταλαντευόταν μπρος-πίσω μεταξύ υψηλής και χαμηλής πυκνότητας. Ευτυχώς, οι φυσικοί έχουν όλα τα θεωρητικά εργαλεία που χρειάζονται για να αναλύσουν τέτοιες κυματώσεις ενός απλού ρευστού σε λογική θερμοκρασία. «Η φυσική είναι πολύ παλιά», είπε ο Ali-Haïmoud.
Το CMB αιχμαλωτίζει το ρευστό σε μια συγκεκριμένη στιγμή. Μετά από επέκταση για περίπου 380.000 χρόνια, το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά ώστε τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια να ζευγαρώσουν σε άτομα υδρογόνου, ένα γεγονός που ονομάζεται ανασυνδυασμός. Με λίγα φορτισμένα σωματίδια να εκτοξευθούν, οι δέσμες φωτός ξαφνικά απελευθερώθηκαν, απελευθερώνοντας την πίεση και παγώνοντας τις κηλίδες πυκνότητας στη θέση τους. Από τότε, το διαστελλόμενο σύμπαν έχει τεντώσει τα μήκη κύματος των απελευθερωμένων ακτίνων φωτός σε μικροκύματα. Συλλέγοντάς τα από όλο τον ουρανό, τα τηλεσκόπια WMAP και Planck έπιασαν το πρώιμο σύμπαν και το περιεχόμενό του στα μισά. Οι χάρτες τους αποκαλύπτουν ένα κηλιδωτό μοτίβο πυκνότερων κηλίδων και λεπτότερων κηλίδων, που υποδηλώνονται από μικροκύματα που μετρούν ένα κλάσμα θερμότερο ή πιο ψυχρό (όπως το μπλε υποδεικνύει μια πιο καυτή φλόγα από το κίτρινο).
Το κλειδί για την αποκρυπτογράφηση των ακατάστατων κυματισμών του CMB είναι ότι ο ανασυνδυασμός έδωσε σε μια επιλεγμένη σειρά σταγόνων μια διαρκή κοσμική σημασία. Σκεφτείτε μια παχιά μάζα αρχέγονης ύλης τόσο μεγάλης ώστε να χρειαστούν 380.000 χρόνια για να αραιωθεί τελείως, οπότε ο ανασυνδυασμός την πάγωσε ως μια αιώνια λεπτή κηλίδα. Οι μεγαλύτερες κηλίδες δεν είχαν χρόνο να αραιώσουν πλήρως και οι μικρότερες κηλίδες θα είχαν αρχίσει να πυκνώνουν ξανά. Ένα συγκεκριμένο σύνολο μικρότερων σταγόνων είχε αρκετό χρόνο για να μεταβεί από το πάχος κορυφής σε κορυφαία λεπτότητα πίσω στο πάχος κορυφής ξανά. Ένα άλλο σύνολο ακόμη μικρότερων σημείων ολοκλήρωσε ακριβώς τρεις μεταβάσεις και άλλες τέσσερις.
Οι ερευνητές αναλύουν την επικαλυπτόμενη στατικότητα του CMB θολώνοντας τον χάρτη σε διάφορους βαθμούς και σχεδιάζοντας τις διακυμάνσεις της πυκνότητας που βλέπουν. Η γραφική παράσταση που προκύπτει, που ονομάζεται φάσμα ισχύος CMB, έχει μια σειρά από κορυφές που αντιπροσωπεύουν τα μεγέθη των ειδικών σταγόνων που έφτασαν στο μέγιστο πάχος ή λεπτότητα τη στιγμή του ανασυνδυασμού. Αν το σύμπαν είχε αναπτυχθεί διαφορετικά ή περιείχε κάποιο άλλο κοσμικό μείγμα, ένα διαφορετικό τονικό μοτίβο θα είχε παγώσει στον ανασυνδυασμό, κάτι που οι επιστήμονες θα μπορούσαν να ξεχωρίσουν όπως το αυτί μπορεί να διακρίνει μεταξύ πιάνου και κλαρινέτου, είπε ο Scott Dodelson, κοσμολόγος στο Carnegie Mellon Πανεπιστήμιο.
Τα μεγαλύτερα σημεία εκτείνονται σε 1 γωνιακή μοίρα στον σύγχρονο ουρανό, περίπου διπλάσιο από το πλάτος της πανσελήνου. Από αυτό, οι κοσμολόγοι μπορούν να συμπεράνουν το σχήμα του σύμπαντος - εάν το διάστημα είναι επίπεδο, έτσι ώστε οι παράλληλες ακτίνες φωτός να παραμένουν παράλληλες ή καμπυλωτές όπως μια σέλα ή μια σφαίρα. Ο χώρος καμπύλης ύλης και ενέργειας, ένα φαινόμενο που βιώνουμε ως βαρύτητα. Η διαστολή του σύμπαντος, εν τω μεταξύ, ισοπεδώνει το διάστημα και για λίγο οι κοσμολόγοι δεν ήταν σίγουροι αν η μία πλευρά κέρδιζε. Οι διαφορετικές καμπυλότητες θα έκαναν τις μεγαλύτερες σταγόνες να φαίνονται μεγαλύτερες ή μικρότερες στο CMB (σκεφτείτε πώς παραμορφώνονται τα φαινομενικά μεγέθη της Αφρικής και της Γροιλανδίας αν ισοπεδώσουμε τη στρογγυλή υδρόγειο), αλλά το μέγεθος 1 μοιρών των μεγαλύτερων σταγόνων ταιριάζει με τις προσδοκίες για μια επίπεδη σύμπαν. Το WMAP βρήκε ένα σύμπαν με αρκετό περιεχόμενο ώστε να διατηρεί τις ακτίνες φωτός να πετούν πιστές εντός 0,4 τοις εκατό.
Μικρότερες σταγόνες αποκαλύπτουν τη σύνθεση του σύμπαντος. Το μέγεθός τους, και το πόσο παχύρρευστο ή λεπτό γίνονταν, εξαρτιόταν από τα συστατικά του υγρού, όπως τα πιτσιλίσματα αχιβάδας διαφορετικά από την κοτόσουπα. Στο αρχέγονο ρευστό, η σκοτεινή ύλη αισθάνθηκε την έλξη της βαρύτητας, αλλά όχι την ηλεκτρομαγνητική ώθηση από τις ακτίνες φωτός. Η κανονική ύλη ανταποκρίθηκε και στα δύο. Ο Τέσλα Τζέλτεμα, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ, εξήγησε ότι οι ερευνητές μπορούν να διακρίνουν αυτά τα δύο ρευστά συστατικά συγκρίνοντας την ένταση με την οποία οι σταγόνες διαφορετικών μεγεθών γέρνουν προς τα μέσα και προς τα έξω—τα σχετικά ύψη των κορυφών στο φάσμα ισχύος. /P>
Κανείς δεν έχει εντοπίσει σωματίδια σκοτεινής ύλης, ωστόσο το CMB αποκαλύπτει τη μεγάλης κλίμακας συμπεριφορά της άπιαστης ουσίας. Ο Ali-Haïmoud παρομοιάζει την κατάσταση με τους προμοντέρνους επιστήμονες που κατανοούσαν την άνωση και την πίεση ακόμη και χωρίς να γνωρίζουν ότι ο χημικός τύπος του νερού ήταν H2O. Οποιαδήποτε προσπάθεια εξήγησης της φαινομενικής επιρροής της σκοτεινής ύλης, όπως η τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας, θα πρέπει να ταιριάζει με τους συγκεκριμένους παλμούς του αρχέγονου ρευστού. Κανένα μοντέλο δεν έχει ανταποκριθεί ακόμα στην πρόκληση.
Η σκοτεινή ενέργεια, εν τω μεταξύ, έπαιξε αμελητέο ρόλο στη νεότητα του σύμπαντος. Η παρουσία του μπορεί να συναχθεί από την ένδειξη του CMB ότι το σύμπαν είναι επίπεδο σήμερα. Οι μετρημένες ποσότητες σκοτεινής και ορατής ύλης απλώς δεν έχουν το μυ να ισοπεδώσουν το διάστημα. Αλλά προσθέστε 71,4% σκοτεινή ενέργεια στο σύγχρονο σύμπαν και όλα ισορροπούν.
Αυτή η εικόνα δεν είναι τέλεια, καθώς πρόσφατες αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν προτείνει ότι το σημερινό σύμπαν διαστέλλεται με ταχύτερο κλιπ από ό,τι υπονοεί η συνταγή CMB ότι θα έπρεπε να είναι. Όμως τα δεδομένα WMAP και Planck έχουν θέσει έναν υψηλό πήχη για τους θεωρητικούς που αναζητούν εναλλακτικές, μη σκοτεινές εξηγήσεις για τις κινήσεις των άστρων και των γαλαξιών. "Τώρα που έχουμε αυτούς τους λεπτομερείς χάρτες", είπε ο Dodelson, "το CMB από μόνο του είναι πολύ καλό στο να παίρνει σχεδόν τα πάντα."
Ο Charlie Wood είναι ένας δημοσιογράφος που καλύπτει τις εξελίξεις στις φυσικές επιστήμες τόσο εντός όσο και εκτός του πλανήτη. Το έργο του εμφανίστηκε στο Scientific American, Το Christian Science Monitor και LiveScience, μεταξύ άλλων εκδόσεων. Προηγουμένως, δίδασκε φυσική και αγγλικά στη Μοζαμβίκη και την Ιαπωνία και έχει πτυχίο φυσικής από το Πανεπιστήμιο Brown.
