Μια σύντομη ιστορία του χαμένου σύμπαντος

Επανεκτύπωση με άδεια από  Quanta Περιοδικό 's  Abstractions blog.

Το σύμπαν παίζει κρυφτό. Μερικές φορές, ωστόσο, ακόμη και όταν οι αστρονόμοι έχουν μια προαίσθηση για το πού μπορεί να κρυφτεί το θήραμά τους, μπορεί να χρειαστούν δεκαετίες αναζήτησης για να το επιβεβαιώσουν. Η περίπτωση της ύλης που λείπει από το σύμπαν - μια υπόθεση που φαίνεται να έχει κλείσει τώρα, όπως ανέφερα νωρίτερα αυτό το μήνα - είναι μια τέτοια περίπτωση. Για μένα, είναι μια συναρπαστική ιστορία στην οποία έξυπνα κοσμολογικά μοντέλα σχεδίασαν έναν χάρτη θησαυρού που χρειάστηκε 20 χρόνια για να εξερευνηθεί.

Οι επιστήμονες γνώριζαν στη δεκαετία του 1980 ότι μπορούσαν να παρατηρήσουν μόνο ένα κλάσμα της ατομικής ύλης —ή βαρυόνια— στο σύμπαν. (Σήμερα γνωρίζουμε ότι όλα τα βαρυόνια μαζί πιστεύεται ότι αποτελούν περίπου το 5 τοις εκατό του σύμπαντος—το υπόλοιπο είναι σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη.) Γνώριζαν ότι αν μετρούσαν όλα τα πράγματα που θα μπορούσαν να δουν στο σύμπαν—άστρα και γαλαξίες, ως επί το πλείστον—το μεγαλύτερο μέρος των βαρυονίων θα έλειπε.

Αλλά πόσο ακριβώς έλειπε η ύλη και πού μπορεί να κρυβόταν, ήταν ερωτήματα που άρχισαν να οξύνονται τη δεκαετία του 1990. Εκείνη την εποχή, ο αστρονόμος David Tytler του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, στο Σαν Ντιέγκο, βρήκε έναν τρόπο να μετρήσει την ποσότητα του δευτερίου υπό το φως μακρινών κβάζαρ—τους φωτεινούς πυρήνες γαλαξιών με ενεργές μαύρες τρύπες στο κέντρο τους—χρησιμοποιώντας το νέο φασματογράφος στο τηλεσκόπιο Keck στη Χαβάη. Τα δεδομένα του Tytler βοήθησαν τους ερευνητές να καταλάβουν πόσα βαρυόνια έλειπαν στο σημερινό σύμπαν, αφού όλα τα ορατά αστέρια και το αέριο είχαν υπολογιστεί:ένα τεράστιο 90 τοις εκατό.

Αυτά τα αποτελέσματα πυροδότησαν μια θύελλα διαμάχης, που εν μέρει πυροδοτήθηκε από την προσωπικότητα του Tytler. «[Επέμενε] ότι είχε δίκιο παρά τα πολλά φαινομενικά αντιφατικά στοιχεία εκείνη την εποχή και βασικά είπε ότι όλοι οι άλλοι ήταν ένα σωρό ηλίθιοι που δεν ήξεραν τι έκαναν», είπε ο Ρομέλ Ντέιβ, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου. "Αποδείχθηκε, φυσικά, είχε δίκιο."

Στη συνέχεια, το 1998, ο Jeremiah Ostriker και ο Renyue Cen, αστροφυσικοί του Πανεπιστημίου Princeton, κυκλοφόρησαν ένα θεμελιώδες κοσμολογικό μοντέλο που παρακολουθούσε την ιστορία του σύμπαντος από τις απαρχές του. Το μοντέλο πρότεινε ότι τα βαρυόνια που λείπουν πιθανότατα κυκλοφορούσαν με τη μορφή διάχυτου (και τότε μη ανιχνεύσιμου) αερίου μεταξύ των γαλαξιών.

Όπως συμβαίνει, ο Ντέιβ θα μπορούσε να ήταν ο πρώτος που είπε στον κόσμο πού βρίσκονταν τα βαρυόνια, νικώντας τους Ostriker και Cen. Μήνες πριν κυκλοφορήσει η εργασία τους, ο Ντέιβ είχε ολοκληρώσει το δικό του σύνολο κοσμολογικών προσομοιώσεων, οι οποίες αποτελούσαν μέρος του διδακτορικού του. εργάζεται στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ. Η διατριβή του σχετικά με την κατανομή των βαρυονίων πρότεινε ότι μπορεί να κρύβονται στο θερμό πλάσμα μεταξύ των γαλαξιών. «Δεν εκτίμησα πραγματικά το αποτέλεσμα για αυτό που ήταν», είπε ο Dave. "Ω, καλά, κερδίστε μερικά, χάσετε μερικά."

Ο Ντέιβ συνέχισε να εργάζεται για το πρόβλημα τα επόμενα χρόνια. Οραματίστηκε την ύλη που λείπει να κρύβεται σε φαντάσματα εξαιρετικά καυτού και πολύ διάχυτου αερίου που συνδέουν ζεύγη γαλαξιών. Στην αστρολογική γλώσσα, αυτό έγινε το «θερμό-καυτό διαγαλαξιακό μέσο» ή WHIM, ένας όρος που επινόησε ο Dave.

Πολλοί αστρονόμοι συνέχισαν να υποψιάζονται ότι μπορεί να υπάρχουν μερικά πολύ αμυδρά αστέρια στα περίχωρα των γαλαξιών που θα μπορούσαν να αποτελούν ένα σημαντικό κομμάτι της ύλης που λείπει. Ωστόσο, μετά από πολλές δεκαετίες αναζήτησης, ο αριθμός των βαρυονίων στα αστέρια, ακόμη και των πιο αχνών που μπορούσαν να φανούν, δεν ξεπερνούσε το 20%.

Όλο και πιο εξελιγμένα όργανα ήρθαν στο διαδίκτυο. Το 2003, ο ανιχνευτής ανισοτροπίας μικροκυμάτων Wilkinson μέτρησε την πυκνότητα του βαρυονίου του σύμπαντος όπως ήταν περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αποδείχθηκε ότι ήταν η ίδια πυκνότητα όπως υποδεικνύεται από τα κοσμολογικά μοντέλα. Μια δεκαετία αργότερα, ο δορυφόρος Planck επιβεβαίωσε τον αριθμό.

Με την τελική αποτυχία να βρεθούν κρυμμένα αστέρια και γαλαξίες που μπορεί να συγκρατούν την ύλη που λείπει, «η προσοχή στράφηκε προς το αέριο ανάμεσα στους γαλαξίες—το διαγαλαξιακό μέσο που κατανέμεται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός χαμηλής πυκνότητας διαγαλαξιακού χώρου», είπε ο Michael Shull, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, Boulder. Αυτός και η ομάδα του άρχισαν να αναζητούν το WHIM μελετώντας τις επιπτώσεις του στο φως από μακρινά κβάζαρ. Τα άτομα υδρογόνου, ηλίου και βαρύτερα στοιχεία όπως το οξυγόνο απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία και τις ακτίνες Χ από αυτούς τους φάρους κβάζαρ. Το αέριο "κλέβει ένα μέρος του φωτός από τη δέσμη", είπε ο Shull, αφήνοντας ένα έλλειμμα φωτός - μια γραμμή απορρόφησης. Βρείτε τις γραμμές και θα βρείτε το αέριο.

Οι πιο εμφανείς γραμμές απορρόφησης υδρογόνου και ιονισμένου οξυγόνου είναι σε πολύ μικρά μήκη κύματος, στο υπεριώδες και στις ακτίνες Χ τμήματα του φάσματος. Δυστυχώς για τους αστρονόμους (αλλά ευτυχώς για την υπόλοιπη ζωή στη Γη), η ατμόσφαιρά μας εμποδίζει αυτές τις ακτίνες. Εν μέρει για να λύσουν το πρόβλημα της ελλιπούς ύλης, οι αστρονόμοι εκτόξευσαν δορυφόρους ακτίνων Χ για να χαρτογραφήσουν αυτό το φως. Με τη μέθοδο της γραμμής απορρόφησης, είπε ο Shull, οι επιστήμονες τελικά «αποκάλεσαν τα περισσότερα, αν όχι όλα, από τα προβλεπόμενα βαρυόνια που μαγειρεύτηκαν στη θερμή Μεγάλη Έκρηξη».

Άλλες ομάδες ακολούθησαν διαφορετικές προσεγγίσεις, αναζητώντας έμμεσα τα βαρυόνια που λείπουν. Όπως δείχνει η ιστορία μου από τις αρχές αυτού του μήνα, τρεις ομάδες, συμπεριλαμβανομένης της Shull's, λένε τώρα ότι υπολογίζονται όλα τα βαρυόνια.

Αλλά το WHIM είναι τόσο αχνό, και το θέμα τόσο διάχυτο, που είναι δύσκολο να κλείσει οριστικά την υπόθεση. «Με τα χρόνια, υπήρξαν πολλές ανταλλαγές μεταξύ ερευνητών που υποστηρίζουν ή κατά πιθανών ανιχνεύσεων του θερμού-καυτό διαγαλαξιακού μέσου», δήλωσε ο Κένεθ Σέμμπαχ, διευθυντής του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη. «Υποψιάζομαι ότι θα υπάρξουν πολλά περισσότερα. Τα πρόσφατα έγγραφα φαίνεται να είναι ένα άλλο κομμάτι σε αυτό το περίπλοκο και ενδιαφέρον κοσμικό παζλ. Είμαι βέβαιος ότι θα ακολουθήσουν περισσότερα κομμάτια και σχετικές συζητήσεις σχετικά με το πώς να ταιριάξουν καλύτερα αυτά τα κομμάτια μαζί.»

Η Katia Moskvitch είναι δημοσιογράφος επιστήμης και τεχνολογίας, με έδρα το Λονδίνο, και η αρχισυντάκτρια του Περιοδικό Professional Engineering. Έχει γράψει για τη φυσική, την αστρονομία και άλλα θέματα για το  Nature, Science, Scientific American, The Economist, Nautilus, New Scientist, το BBC και άλλες εκδόσεις. Μηχανικός αεροδιαστημικής με εκπαίδευση με μεταπτυχιακό στη δημοσιογραφία, είναι η συγγραφέας του βιβλίου Αποκαλέστε με «Pops»:Le Bon Dieu Dans La Rue.