Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Νέα μελέτη υποδηλώνει ότι το σύμπαν μπορεί να είναι ασύμμετρο ή μονόπλευρο, αμφισβητώντας την παραδοχή του «καθιερωμένου κοσμολογικού μοντέλου» για ένα ισότροπο και ομογενές σύμπαν.
- Η «κοσμική διπολική ανωμαλία» αποτελεί σοβαρή πρόκληση για το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο (Λάμδα-CDM), υποδεικνύοντας ασυμφωνίες στις διακυμάνσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) και της ύλης.
- Το σύμπαν απέτυχε στο «τεστ Έλις-Μπόλντουιν», καθώς η διακύμανση στην ύλη δεν συμπίπτει με εκείνη στην CMB, γεγονός που απαιτεί την εγκατάλειψη του μοντέλου Λάμδα-CDM και την αναζήτηση νέου κοσμολογικού μοντέλου.
Δεν σκεφτόμαστε συχνά το σχήμα του σύμπαντος. Ωστόσο, οι επιστήμονες δημοσίευσαν μια νέα μελέτη η οποία υποδηλώνει ότι θα μπορούσε να είναι ασύμμετρο ή μονόπλευρο, που σημαίνει ότι δεν είναι το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση.
Θα έπρεπε να μας νοιάζει αυτό; Λοιπόν, το σημερινό «καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο» – το οποίο περιγράφει τη δυναμική και τη δομή ολόκληρου του σύμπαντος – βασίζεται εξ ολοκλήρου στην παραδοχή ότι αυτό είναι ισότροπο (φαίνεται το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις) και ομογενές όταν εξετάζεται σε μεγάλες κλίμακες.
Ωστόσο, αρκετές λεγόμενες «τάσεις» – ή διαφωνίες στα δεδομένα – θέτουν προκλήσεις σε αυτή την ιδέα ενός ομοιόμορφου σύμπαντος. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν μια εργασία που εξετάζει μία από τις πιο σημαντικές από αυτές τις τάσεις, η οποία ονομάζεται «κοσμική διπολική ανωμαλία».
Καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η κοσμική διπολική ανωμαλία αποτελεί σοβαρή πρόκληση για την πιο ευρέως αποδεκτή περιγραφή του σύμπαντος, το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο (γνωστό και ως μοντέλο Λάμδα-CDM). Τι είναι, λοιπόν, η κοσμική διπολική ανωμαλία και γιατί αποτελεί τόσο μεγάλο πρόβλημα για τις προσπάθειες λεπτομερούς περιγραφής του σύμπαντος;
Ας ξεκινήσουμε με την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB), η οποία είναι η υπολειμματική ακτινοβολία που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η CMB είναι ομοιόμορφη σε όλο τον ουρανό σε βαθμό ενός μέρους προς εκατό χιλιάδες.
Έτσι, οι κοσμολόγοι αισθάνονται σιγουριά όταν μοντελοποιούν το σύμπαν χρησιμοποιώντας τη «μέγιστα συμμετρική» περιγραφή του χωροχρόνου στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτό το συμμετρικό όραμα για το σύμπαν, όπου φαίνεται το ίδιο παντού και προς όλες τις κατευθύνσεις, είναι γνωστό ως «περιγραφή FLRW».
Αυτό απλουστεύει σε τεράστιο βαθμό την επίλυση των εξισώσεων του Αϊνστάιν και αποτελεί τη βάση για το μοντέλο Λάμδα-CDM. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετές σημαντικές ανωμαλίες, συμπεριλαμβανομένης μιας πολυσυζητημένης που ονομάζεται «τάση του Χαμπλ» (Hubble tension).
Πήρε το όνομά της από τον Έντουιν Χαμπλ, στον οποίο αποδίδεται η ανακάλυψη, το 1929, ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Η τάση άρχισε να εμφανίζεται από διαφορετικά σύνολα δεδομένων τη δεκαετία του 2000, κυρίως από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, καθώς και από πρόσφατα δεδομένα από τον δορυφόρο Gaia.
Αυτή η τάση αποτελεί μια κοσμολογική ασυμφωνία, όπου οι μετρήσεις του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος από τις απαρχές του δεν συμπίπτουν με τις μετρήσεις από το κοντινό (πιο πρόσφατο) σύμπαν. Η κοσμική διπολική ανωμαλία έχει λάβει πολύ λιγότερη προσοχή από την τάση του Χαμπλ, αλλά είναι ακόμη πιο θεμελιώδης για την κατανόηση του σύμπαντος. Τι είναι, λοιπόν;
Από την τάση του Χαμπλ στην κοσμική ανωμαλία
Έχοντας τεκμηριώσει ότι η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι συμμετρική σε μεγάλες κλίμακες, έχουν εντοπιστεί διακυμάνσεις σε αυτή την υπολειμματική ακτινοβολία από τη Μεγάλη Έκρηξη. Μία από τις πιο σημαντικές ονομάζεται διπολική ανισοτροπία της CMB.
Πρόκειται για τη μεγαλύτερη θερμοκρασιακή διαφορά στην CMB, όπου η μία πλευρά του ουρανού είναι θερμότερη και η αντίθετη ψυχρότερη – κατά περίπου ένα μέρος στα χίλια. Αυτό πιστεύεται ότι οφείλεται στην τοπική κίνηση του ηλιακού συστήματος. Ως εκ τούτου, αυτό δεν αμφισβητεί το μοντέλο Λάμδα-CDM του σύμπαντος. Ωστόσο, θα έπρεπε να εντοπίσουμε αντίστοιχες διακυμάνσεις και σε άλλα αστρονομικά δεδομένα.
Το 1984, ο Τζορτζ Έλις (George Ellis) και ο Τζον Μπόλντουιν (John Baldwin) αναρωτήθηκαν αν υπάρχει μια παρόμοια διακύμανση, ή «διπολική ανισοτροπία», στην κατανομή των μακρινών αστρονομικών πηγών στον ουρανό, όπως οι ραδιογαλαξίες και οι κβάζαρ. Οι πηγές αυτές πρέπει να βρίσκονται σε πολύ μεγάλη απόσταση, επειδή οι κοντινές πηγές θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα ψευδές «δίπολο συγκέντρωσης».
Αν η παραδοχή του «συμμετρικού σύμπαντος» FLRW είναι σωστή, τότε αυτή η διακύμανση στις μακρινές αστρονομικές πηγές θα πρέπει να καθορίζεται άμεσα από την παρατηρούμενη διακύμανση στην CMB. Αυτό είναι γνωστό ως «τεστ Έλις-Μπόλντουιν» (Ellis-Baldwin test), από το όνομα των αστρονόμων.
Η συνέπεια μεταξύ των διακυμάνσεων στην CMB και στην ύλη θα υποστήριζε το καθιερωμένο μοντέλο Λάμδα-CDM. Η ασυμφωνία θα αμφισβητούσε άμεσα το μοντέλο, καθώς και την ίδια την περιγραφή FLRW. Επειδή πρόκειται για μια δοκιμή εξαιρετικής ακρίβειας, ο κατάλογος δεδομένων που απαιτείται για την πραγματοποίησή της έγινε διαθέσιμος μόλις πρόσφατα.
Το σύμπαν «απέτυχε» στο τεστ των αστρονόμων
Το αποτέλεσμα είναι ότι το σύμπαν αποτυγχάνει στο τεστ Έλις-Μπόλντουιν. Η διακύμανση στην ύλη δεν συμπίπτει με εκείνη στην CMB. Δεδομένου ότι οι πιθανές πηγές σφάλματος είναι εντελώς διαφορετικές για τα τηλεσκόπια και τους δορυφόρους, καθώς και για τα διαφορετικά μήκη κύματος του φάσματος, είναι καθησυχαστικό το γεγονός ότι το ίδιο αποτέλεσμα προκύπτει τόσο με επίγεια ραδιοτηλεσκόπια όσο και με δορυφόρους που πραγματοποιούν παρατηρήσεις στο μέσο υπέρυθρο.
Η κοσμική διπολική ανωμαλία έχει πλέον εδραιωθεί ως μια σημαντική πρόκληση για το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο, ακόμη και αν η αστρονομική κοινότητα έχει επιλέξει, σε μεγάλο βαθμό, να την αγνοήσει.
Αυτό ίσως συμβαίνει επειδή δεν υπάρχει εύκολος τρόπος να «μπαλωθεί» το συγκεκριμένο πρόβλημα. Απαιτεί την εγκατάλειψη όχι μόνο του μοντέλου Λάμδα-CDM, αλλά και της ίδιας της περιγραφής FLRW, επιστρέφοντας ουσιαστικά στο σημείο μηδέν.
Ωστόσο, αναμένεται μια «χιονοστιβάδα» δεδομένων από νέους δορυφόρους, όπως ο Euclid και ο SPHEREx, καθώς και από τηλεσκόπια όπως το Αστεροσκοπείο Vera Rubin και το Square Kilometre Array.
Είναι πολύ πιθανό σύντομα να λάβουμε τολμηρές νέες γνώσεις για το πώς να κατασκευάσουμε ένα νέο κοσμολογικό μοντέλο, αξιοποιώντας τις πρόσφατες προόδους σε έναν υποτομέα της τεχνητής νοημοσύνης (AI) που ονομάζεται μηχανική μάθηση. Ο αντίκτυπος θα ήταν πραγματικά τεράστιος στη θεμελιώδη φυσική – και στην κατανόησή μας για το σύμπαν.— The Conversation.