Κρίση της Κοσμολογίας:Θα μπορούσε η Νέα Φυσική να είναι στον Ορίζοντα;

Τα τελευταία χρόνια, μια σειρά από διαμάχες συγκλονίζουν τον καθιερωμένο χώρο της κοσμολογίας. Με λίγα λόγια, οι προβλέψεις του τυπικού μοντέλου του σύμπαντος φαίνεται να έρχονται σε αντίθεση με ορισμένες πρόσφατες παρατηρήσεις.

Υπάρχουν έντονες συζητήσεις σχετικά με το εάν αυτές οι παρατηρήσεις είναι προκατειλημμένες ή εάν το κοσμολογικό μοντέλο, που προβλέπει τη δομή και την εξέλιξη ολόκληρου του σύμπαντος, μπορεί να χρειάζεται επανεξέταση. Κάποιοι μάλιστα ισχυρίζονται ότι η κοσμολογία βρίσκεται σε κρίση. Αυτή τη στιγμή, δεν ξέρουμε ποια πλευρά θα κερδίσει. Αλλά με συναρπαστικό τρόπο, βρισκόμαστε στα πρόθυρα να το ανακαλύψουμε.

Για να είμαστε δίκαιοι, οι διαμάχες είναι απλώς η φυσιολογική πορεία της επιστημονικής μεθόδου. Και εδώ και πολλά χρόνια, το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο είχε το μερίδιό του. Αυτό το μοντέλο υποδηλώνει ότι το σύμπαν αποτελείται από 68,3% "σκοτεινή ενέργεια" (μια άγνωστη ουσία που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος), 26,8% σκοτεινή ύλη (άγνωστη μορφή ύλης) και 4,9% συνηθισμένα άτομα, μετρημένα με μεγάλη ακρίβεια από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων - η μεταγενέστερη λάμψη της ακτινοβολίας από το Big Bang.

Αυτό το άρθρο είναι μέρος της σειράς Cosmology in κρίση; που αποκαλύπτει τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι κοσμολόγοι σήμερα – και συζητά τις συνέπειες της επίλυσής τους.

Εξηγεί με μεγάλη επιτυχία πλήθος δεδομένων τόσο σε μεγάλες όσο και σε μικρές κλίμακες του σύμπαντος. Για παράδειγμα, μπορεί να εξηγήσει πράγματα όπως η κατανομή των γαλαξιών γύρω μας και η ποσότητα ηλίου και δευτερίου που παράγονται στα πρώτα λεπτά του σύμπαντος. Ίσως το πιο σημαντικό, μπορεί επίσης να εξηγήσει τέλεια το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Αυτό το οδήγησε στο να αποκτήσει τη φήμη του «μοντέλου συμφωνίας». Αλλά μια τέλεια καταιγίδα ασυνεπών μετρήσεων – ή «εντάσεις» όπως είναι γνωστές στην κοσμολογία – αμφισβητούν τώρα την εγκυρότητα αυτού του μακροχρόνιου μοντέλου.

Άβολες εντάσεις

Το τυπικό μοντέλο κάνει συγκεκριμένες υποθέσεις σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, παρά τις δεκαετίες έντονης παρατήρησης, δεν φαινόμαστε ακόμα πιο κοντά στο να βρούμε από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.

Η λυδία λίθος είναι η λεγόμενη τάση Hubble. Αυτό σχετίζεται με τη σταθερά Hubble, που είναι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος την παρούσα στιγμή. Όταν μετρηθεί στο κοντινό μας, τοπικό σύμπαν, από την απόσταση μέχρι τα παλλόμενα αστέρια σε κοντινούς γαλαξίες, που ονομάζονται Κηφείδες, η τιμή του είναι 73 km/s/Mega parsec (το Mpc είναι μια μονάδα μέτρησης για τις αποστάσεις στο διαγαλαξιακό διάστημα). Ωστόσο, όταν προβλέπεται θεωρητικά, η τιμή είναι 67,4 km/s/Mpc. Η διαφορά μπορεί να μην είναι μεγάλη (μόνο 8%), αλλά είναι στατιστικά σημαντική.

Η ένταση του Hubble έγινε γνωστή πριν από περίπου μια δεκαετία. Τότε, θεωρήθηκε ότι οι παρατηρήσεις μπορεί να ήταν μεροληπτικές. Για παράδειγμα, οι Κηφείδες, αν και πολύ φωτεινοί και ευδιάκριτοι, ήταν συνωστισμένοι μαζί με άλλα αστέρια, κάτι που θα μπορούσε να τους κάνει να φαίνονται ακόμα πιο λαμπεροί. Αυτό θα μπορούσε να είχε κάνει το Hubble σταθερά υψηλότερο κατά μερικά τοις εκατό σε σύγκριση με την πρόβλεψη του μοντέλου, δημιουργώντας έτσι τεχνητά μια ένταση.

Με την έλευση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST), το οποίο μπορεί να χωρίσει τα αστέρια μεμονωμένα, ελπίζαμε ότι θα είχαμε μια απάντηση σε αυτή την ένταση.

Δυστυχώς, αυτό δεν έχει συμβεί ακόμα. Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τώρα δύο άλλους τύπους άστρων εκτός από τους Κηφείδες (γνωστοί ως αστέρια του Κόκκινου Κλάδου του Κόκκινου Γίγαντα (TRGB) και του Ασυμπτωτικού Γιγάντιου Κλάδου της περιοχής J (JAGB)). Αλλά ενώ μια ομάδα ανέφερε τιμές από τα αστέρια JAGB και TRGB που είναι δελεαστικά κοντά στην τιμή που αναμένεται από το κοσμολογικό μοντέλο, μια άλλη ομάδα ισχυρίστηκε ότι εξακολουθούν να βλέπουν ασυνέπειες στις παρατηρήσεις τους. Εν τω μεταξύ, οι μετρήσεις των Κηφείδων συνεχίζουν να δείχνουν μια τάση Hubble.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι, παρόλο που αυτές οι μετρήσεις είναι πολύ ακριβείς, ενδέχεται να εξακολουθούν να είναι προκατειλημμένες από ορισμένα αποτελέσματα που σχετίζονται μοναδικά με κάθε τύπο μέτρησης. Αυτό θα επηρεάσει την ακρίβεια των παρατηρήσεων, με διαφορετικό τρόπο για κάθε τύπο αστεριών. Μια ακριβής αλλά ανακριβής μέτρηση είναι σαν να προσπαθείς να συνομιλήσεις με ένα άτομο που πάντα χάνει το νόημα. Για την επίλυση διαφωνιών μεταξύ αντικρουόμενων δεδομένων, χρειαζόμαστε μετρήσεις που να είναι ακριβείς και ακριβείς.

Τα καλά νέα είναι ότι η ένταση του Hubble είναι τώρα μια ταχέως αναπτυσσόμενη ιστορία. Ίσως έχουμε την απάντηση μέσα στον επόμενο χρόνο. Η βελτίωση της ακρίβειας των δεδομένων, για παράδειγμα με τη συμπερίληψη αστεριών από πιο μακρινούς γαλαξίες, θα βοηθήσει στην επίλυση αυτού του ζητήματος. Ομοίως, οι μετρήσεις των κυματισμών στο χωροχρόνο, γνωστές ως βαρυτικά κύματα, θα μας βοηθήσουν να εντοπίσουμε τη σταθερά.

Όλα αυτά μπορεί να δικαιώνουν το τυπικό μοντέλο. Ή μπορεί να υπονοεί ότι κάτι λείπει από αυτό. Ίσως η φύση της σκοτεινής ύλης ή ο τρόπος με τον οποίο συμπεριφέρεται η βαρύτητα σε συγκεκριμένες κλίμακες να διαφέρει από αυτό που πιστεύουμε τώρα. Όμως, πριν προβεί κανείς σε έκπτωση στο μοντέλο, πρέπει να θαυμάσει την απαράμιλλη ακρίβειά του. Χάνει το σημάδι μόνο κατά ένα ποσοστό το πολύ, ενώ προεκθέτει πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια εξέλιξης.

Για να το θέσουμε σε προοπτική, ακόμη και οι ρολόι κινήσεις των πλανητών στο Ηλιακό Σύστημα μπορούν να υπολογιστούν αξιόπιστα μόνο για λιγότερο από 1 δισεκατομμύριο χρόνια, μετά από τα οποία γίνονται απρόβλεπτες. Το τυπικό κοσμολογικό μοντέλο είναι μια εξαιρετική μηχανή.

Η ένταση του Hubble δεν είναι το μόνο πρόβλημα για την κοσμολογία. Ένα άλλο, γνωστό ως «ένταση S8», προκαλεί επίσης προβλήματα, αν και όχι στην ίδια κλίμακα. Εδώ το μοντέλο έχει πρόβλημα ομαλότητας, προβλέποντας ότι η ύλη στο σύμπαν θα πρέπει να συγκεντρώνεται περισσότερο από ό,τι παρατηρούμε στην πραγματικότητα – κατά περίπου 10%. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μέτρησης της «συσσωμάτωσης» της ύλης, για παράδειγμα, αναλύοντας τις παραμορφώσεις στο φως από τους γαλαξίες, που παράγονται από την υποτιθέμενη σκοτεινή ύλη που παρεμβαίνει κατά μήκος της οπτικής γωνίας.

Επί του παρόντος, φαίνεται να υπάρχει συναίνεση στην κοινότητα ότι οι αβεβαιότητες στις παρατηρήσεις πρέπει να ξεπεραστούν πριν αποκλειστεί το κοσμολογικό μοντέλο. Ένας πιθανός τρόπος για να μετριαστεί αυτή η ένταση είναι να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο των αέριων ανέμων στους γαλαξίες, οι οποίοι μπορούν να απωθήσουν μέρος της ύλης, καθιστώντας την πιο ομαλή.

Θα βοηθούσε η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι μετρήσεις συσσωμάτωσης σε μικρές κλίμακες σχετίζονται με αυτές σε μεγαλύτερες κλίμακες. Οι παρατηρήσεις μπορεί επίσης να υποδηλώνουν ότι υπάρχει ανάγκη αλλαγής του τρόπου με τον οποίο μοντελοποιούμε τη σκοτεινή ύλη. Για παράδειγμα, αν αντί να αποτελείται εξ ολοκλήρου από ψυχρά, αργά κινούμενα σωματίδια, όπως υποθέτει το τυπικό μοντέλο, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αναμιχθεί με κάποια θερμά, ταχέως κινούμενα σωματίδια. Αυτό θα μπορούσε να επιβραδύνει την ανάπτυξη της συσσωμάτωσης σε όψιμους κοσμικούς χρόνους, γεγονός που θα μείωνε την τάση του S8.

Η JWST έχει επισημάνει άλλες προκλήσεις στο τυπικό μοντέλο. Ένας από αυτούς είναι ότι οι πρώιμοι γαλαξίες φαίνεται να είναι πολύ πιο μαζικοί από ότι αναμενόταν. Μερικοί γαλαξίες μπορεί να ζυγίζουν όσο ο Γαλαξίας σήμερα, παρόλο που σχηματίστηκαν λιγότερο από 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, γεγονός που υποδηλώνει ότι θα έπρεπε να είναι λιγότερο μαζικοί.

Μια περιοχή σχηματισμού άστρων που φαίνεται από το JWST και το τηλεσκόπιο Chandra. Πίστωση εικόνας:Πίστωση:Ακτινογραφία:NASA/CXO/SAO; Υπέρυθρες:NASA/ESA/CSA/STScI; Επεξεργασία εικόνας:NASA/CXC/SAO/L. Frattare, CC BY

Ωστόσο, οι επιπτώσεις ενάντια στο κοσμολογικό μοντέλο είναι λιγότερο σαφείς σε αυτή την περίπτωση, καθώς μπορεί να υπάρχουν άλλες πιθανές εξηγήσεις για αυτά τα εκπληκτικά αποτελέσματα. Το κλειδί για την επίλυση αυτού του προβλήματος είναι η βελτίωση της μέτρησης των αστρικών μαζών στους γαλαξίες. Αντί να τις μετράμε απευθείας, κάτι που δεν είναι δυνατό, συμπεραίνουμε αυτές τις μάζες από το φως που εκπέμπουν οι γαλαξίες.

Αυτό το βήμα περιλαμβάνει κάποιες απλοποιητικές υποθέσεις, οι οποίες θα μπορούσαν να μεταφραστούν σε υπερεκτίμηση της μάζας. Πρόσφατα, υποστηρίχθηκε επίσης ότι μέρος του φωτός που αποδίδεται στα αστέρια σε αυτούς τους γαλαξίες παράγεται από ισχυρές μαύρες τρύπες. Αυτό θα σήμαινε ότι αυτοί οι γαλαξίες μπορεί τελικά να μην είναι τόσο μεγάλοι.

Εναλλακτικές θεωρίες

Λοιπόν, πού βρισκόμαστε τώρα; Ενώ ορισμένες εντάσεις μπορεί σύντομα να εξηγηθούν με περισσότερες και καλύτερες παρατηρήσεις, δεν είναι ακόμη σαφές εάν θα υπάρξει λύση σε όλες τις προκλήσεις που πλήττουν το κοσμολογικό μοντέλο.

Ωστόσο, δεν έλειψαν οι θεωρητικές ιδέες για το πώς να διορθωθεί το μοντέλο – ίσως πάρα πολλές, σε εύρος μερικών εκατοντάδων και μετρώντας. Αυτό είναι ένα περίπλοκο έργο για κάθε θεωρητικό που μπορεί να θέλει να τα εξερευνήσει όλα.

Οι δυνατότητες είναι πολλές. Ίσως πρέπει να αλλάξουμε τις υποθέσεις μας για τη φύση της σκοτεινής ενέργειας. Ίσως είναι μια παράμετρος που ποικίλλει ανάλογα με το χρόνο, κάτι που έχουν προτείνει κάποιες πρόσφατες μετρήσεις. Ή ίσως πρέπει να προσθέσουμε περισσότερη σκοτεινή ενέργεια στο μοντέλο για να ενισχύσουμε τη διαστολή του σύμπαντος σε πρώιμους χρόνους ή, αντίθετα, σε όψιμους χρόνους. Η τροποποίηση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρεται η βαρύτητα σε μεγάλες κλίμακες του σύμπαντος (διαφορετικά από ό,τι συμβαίνει στα μοντέλα που ονομάζονται Modified Newtonian Dynamics ή MOND) μπορεί επίσης να είναι μια επιλογή.

Μέχρι στιγμής, ωστόσο, καμία από αυτές τις εναλλακτικές δεν μπορεί να εξηγήσει την τεράστια γκάμα παρατηρήσεων που μπορεί το τυπικό μοντέλο. Ακόμα πιο ανησυχητικό, μερικά από αυτά μπορεί να βοηθήσουν σε μια ένταση αλλά να επιδεινώσουν άλλα.

Η πόρτα είναι πλέον ανοιχτή σε κάθε είδους ιδέες που αμφισβητούν ακόμη και τις πιο βασικές αρχές της κοσμολογίας. Για παράδειγμα, μπορεί να χρειαστεί να εγκαταλείψουμε την υπόθεση ότι το σύμπαν είναι «ομογενές και ισότροπο» σε πολύ μεγάλες κλίμακες, που σημαίνει ότι φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις σε όλους τους παρατηρητές και υποδηλώνοντας ότι δεν υπάρχουν ειδικά σημεία στο σύμπαν. Άλλοι προτείνουν αλλαγές στη θεωρία της γενικής σχετικότητας.

Μερικοί φαντάζονται ακόμη και ένα σύμπαν απατεώνας, το οποίο συμμετέχει μαζί μας στην πράξη της παρατήρησης ή που αλλάζει την εμφάνισή του ανάλογα με το αν το κοιτάμε ή όχι – κάτι που γνωρίζουμε ότι συμβαίνει στον κβαντικό κόσμο των ατόμων και των σωματιδίων.

Με τον καιρό, πολλές από αυτές τις ιδέες πιθανότατα θα υποβιβαστούν στο γραφείο περιέργειας των θεωρητικών. Ωστόσο, στο μεταξύ, παρέχουν ένα γόνιμο έδαφος για τη δοκιμή της «νέας φυσικής».

Αυτό είναι καλό. Η απάντηση σε αυτές τις εντάσεις αναμφίβολα θα προέλθει από περισσότερα δεδομένα. Τα επόμενα χρόνια, ένας ισχυρός συνδυασμός παρατηρήσεων από πειράματα όπως το JWST, το Φασματοσκοπικό Όργανο Σκοτεινής Ενέργειας (DESI), το Παρατηρητήριο Vera Rubin και ο Ευκλείδης, μεταξύ πολλών άλλων, θα μας βοηθήσει να βρούμε τις απαντήσεις που αναζητούμε εδώ και καιρό.

Από τη μία πλευρά, τα πιο ακριβή δεδομένα και η καλύτερη κατανόηση των συστηματικών αβεβαιοτήτων στις μετρήσεις θα μπορούσαν να μας επιστρέψουν στην καθησυχαστική άνεση του τυπικού μοντέλου. Από τα προβλήματα του παρελθόντος, το μοντέλο μπορεί να βγει όχι μόνο δικαιωμένο, αλλά και ενισχυμένο, και η κοσμολογία θα είναι μια επιστήμη ακριβής και ακριβής.

Αλλά αν η ισορροπία αλλάξει αντίστροφα, θα οδηγηθούμε σε αχαρτογράφητη περιοχή, όπου θα πρέπει να ανακαλυφθεί νέα φυσική. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια σημαντική αλλαγή παραδείγματος στην κοσμολογία, παρόμοια με την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος στα τέλη της δεκαετίας του 1990. Αλλά σε αυτό το μονοπάτι ίσως χρειαστεί να υπολογίσουμε, μια για πάντα, τη φύση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης, δύο από τα μεγάλα άλυτα μυστήρια του σύμπαντος.

Andreea Font, Αναγνώστρια στη Θεωρητική Αστροφυσική, Πανεπιστήμιο John Moores του Λίβερπουλ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.