Ατενίζοντας τον νυχτερινό ουρανό, μπορεί να φαίνεται ότι η κοσμική μας γειτονιά είναι γεμάτη από πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες.
Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν προτείνει εδώ και καιρό ότι ίσως υπάρχουν πολύ λιγότεροι γαλαξίες στον κοσμικό μας περίγυρο από ό,τι αναμενόταν.
Πώς ανακάλυψαν οι επιστήμονες ότι ζούμε σε κοσμικό κενό
Στην πραγματικότητα, φαίνεται ότι ζούμε σε ένα γιγαντιαίο κοσμικό κενό με περίπου 20% χαμηλότερη από την μέση πυκνότητα ύλης.
Δεν πείθονται όλοι οι φυσικοί πως αυτό είναι το αληθινό σενάριο. Ωστόσο, μία πρόσφατη εργασία που αναλύει τις παραμορφωμένες ήχους από το πρώιμο σύμπαν, η οποία δημοσιεύθηκε στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, υποστηρίζει έντονα αυτή την υπόθεση.
Σύμφωνα με το The Conversation η κοσμολογία βρίσκεται αυτή τη στιγμή σε μια κρίση που είναι γνωστή ως η «ένταση του Hubble»:
Το τοπικό σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται περίπου 10% γρηγορότερα από όσο αναμενόταν. Ο προβλεπόμενος ρυθμός προέρχεται από την εξωτερίκευση των παρατηρήσεων του νεαρού σύμπαντος προς το παρόν χρησιμοποιώντας το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας, γνωστό ως Λάμπδα-Ψυχρή Σκοτεινή Ύλη (ΛCDΜ).
Το μοντέλο ΛCDM υποθέτει ότι το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, και ότι αυτή η σκοτεινή ύλη είναι “ψυχρή” (δηλαδή, κινείται πολύ αργά σε σύγκριση με το φως) και δεν αλληλεπιδρά άμεσα με την ακτινοβολία ή τα σωματίδια που συνήθως παρατηρούμε.
Το μοντέλο αυτό παρέχει μια εξαιρετικά επιτυχημένη περιγραφή των παρατηρούμενων χαρακτηριστικών του Σύμπαντος, όπως η διανομή των γαλαξιών και η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου.
Μετρήσεις ήχου και ακτινοβολίας σε διάφορες κλίμακες
Μπορούμε να παρατηρήσουμε το πρώιμο σύμπαν με μεγάλη λεπτομέρεια μέσω του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (CMB), της υπολειπόμενης ακτινοβολίας από το πρώιμο σύμπαν, όταν ήταν 1.100 φορές μικρότερο από ό,τι είναι σήμερα.
Τα ηχητικά κύματα στο πρώιμο σύμπαν δημιούργησαν τελικά περιοχές με χαμηλές και υψηλές πυκνότητες ή θερμοκρασίες.
Μελετώντας τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας του CMB σε διάφορες κλίμακες, μπορούμε ουσιαστικά να «ακούσουμε» τον ήχο του πρώιμου σύμπαντος, ο οποίος, σε συγκεκριμένες κλίμακες, είναι ιδιαίτερα «έντονος».
Αυτές οι διακυμάνσεις πλέον έχουν αποτυπωθεί στο CMB και ονομάζονται «βαρυονικές ηχητικές ταλαντώσεις» (BAOs).
Καθώς είναι οι “σπόροι” για γαλαξίες και άλλες δομές, τα μοτίβα είναι επίσης ορατά στην κατανομή των γαλαξιών.
Εισαγωγή στις μετρήσεις BAO και την κόκκινη-μετατόπιση
Μετρώντας αυτά τα μοτίβα, οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν πώς οι γαλαξίες είναι συγκεντρωμένοι σε διαφορετικά κόκκινα-μετατοπισμένα (απομακρυσμένα) σημεία. Ένα ιδιαίτερα εντυπωσιακό μοτίβο, με πολλή συγκέντρωση, εμφανίζεται σε μια γωνία που ονομάζεται “γωνιακή κλίμακα BAO”.
Ο ρόλος του “Σταθερού Χάρακα” στην κοσμολογία
Αυτή η μέτρηση βοηθά τελικά τους αστρονόμους και κοσμολόγους να μάθουν για την ιστορία της διαστολής του Σύμπαντος, παρέχοντας κάτι που οι φυσικοί αποκαλούν “σταθερό χάρακα”. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα αστρονομικό αντικείμενο ή ένα χαρακτηριστικό στον ουρανό με γνωστό μέγεθος.
Υπολογισμός απόστασης και ταχύτητας διαστολής
Μετρώντας το γωνιακό του μέγεθος στον ουρανό, οι κοσμολόγοι μπορούν επομένως να υπολογίσουν την απόστασή του από τη Γη χρησιμοποιώντας την τριγωνομετρία.
Επίσης, η κόκκινη-μετατόπιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προσδιορίσει πόσο γρήγορα διαστέλλεται το Σύμπαν.
Όσο μεγαλύτερο φαίνεται στον ουρανό σε μια συγκεκριμένη κόκκινη-μετατόπιση, τόσο γρηγορότερα διαστέλλεται το Σύμπαν.
Η υπόθεση για το τοπικό κενό και την ένταση Hubble
Οι ερευνητές στο παρελθόν είχαν υποστηρίξει ότι, η ένταση Hubble μπορεί να οφείλεται στη θέση της Γης μέσα σε ένα μεγάλο κενό.
Αυτό συμβαίνει επειδή η αραιή ποσότητα ύλης στο κενό θα έπρεπε να προσελκύεται βαρυτικά από την πιο πυκνή ύλη έξω από αυτό, με αποτέλεσμα να ρέει συνεχώς έξω από το κενό.
Το πρόβλημα της έντασης Hubble και η λύση μέσω του κενού
Σε προηγούμενη έρευνα, οι επιστήμονες έδειξαν ότι αυτή η ροή θα έκανε το τοπικό Σύμπαν να φαίνεται ότι διαστέλλεται περίπου 10% γρηγορότερα από το αναμενόμενο. Αυτό θα λύσει την ένταση Hubble.
Αλλά οι ερευνητές, ήθελαν περισσότερα στοιχεία. Γνώριζαν βέβαια ότι, ένα τοπικό κενό θα παραμορφώσει ελαφρώς τη σχέση μεταξύ της γωνιακής κλίμακας BAO και της κόκκινης-μετατόπισης λόγω της ταχύτερης κίνησης της ύλης στο κενό και της βαρυτικής της επίδρασης στο φως από έξω.
Δοκιμή της Υπόθεσης του Κενού μέσω BAO
Έτσι, στην νέα τους εργασία, ο Βασίλειος Καλαϊτζίδης και ο Indranil Banik, προχώρησαν στη δοκιμή των προβλέψεων του μοντέλου του κενού χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις BAO που συλλέχθηκαν τα τελευταία 20 χρόνια. Οι ερευνητές συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με μοντέλα χωρίς κενό υπό την ίδια ιστορία διαστολής του Σύμπαντος.
Τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων και η σχέση με το κενό
Στο μοντέλο του κενού, ο χάρακας BAO θα πρέπει να φαίνεται μεγαλύτερος στον ουρανό για οποιαδήποτε κόκκινη-μετατόπιση.
Και αυτή η υπερβολή θα πρέπει να γίνεται ακόμα μεγαλύτερη σε χαμηλές κόκκινες-μετατοπίσεις (κοντινές αποστάσεις), σύμφωνα με την ένταση Hubble.
Πιθανότητα κενών και η σύγκριση με το μοντέλο ΛCDM
Οι παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν αυτή την πρόβλεψη. Τα αποτελέσματά της έρευνας, υποδεικνύουν ότι ένα Σύμπαν με τοπικό κενό είναι περίπου εκατό εκατομμύρια φορές πιο πιθανό από ένα Σύμπαν χωρίς κενό, όταν χρησιμοποιούμε τις μετρήσεις BAO και υποθέτουμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται σύμφωνα με το πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας, το οποίο βασίζεται στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB).
Ανάλυση και σημασία της έντασης 3.8 σίγμα
Η έρευνα, δείχνει ότι το μοντέλο ΛCDM χωρίς κανένα τοπικό κενό βρίσκεται σε “ένταση 3,8 σίγμα” με τις παρατηρήσεις BAO. Αυτό σημαίνει ότι η πιθανότητα το Σύμπαν χωρίς κενό να ταιριάζει με αυτά τα δεδομένα είναι ισοδύναμη με το να πετάξουμε ένα νόμισμα και να πέσει κορώνα 13 φορές συνεχόμενα.
Αντιθέτως, η πιθανότητα τα δεδομένα BAO να φαίνονται όπως είναι στα μοντέλα κενού είναι ισοδύναμη με το να ρίξουμε ένα νόμισμα και να πέσει κορώνα μόλις δύο φορές συνεχόμενα.
Με λίγα λόγια, αυτά τα μοντέλα ταιριάζουν πολύ καλά με τα δεδομένα.
Σημασία των μελλοντικών μετρήσεων και η σχέση με την ηλικία του σύμπαντος
Στο μέλλον, θα είναι κρίσιμο για τους επιστήμονες το να αποκτήσουν πιο ακριβείς μετρήσεις BAO σε χαμηλές κόκκινες-μετατοπίσεις, όπου ο χάρακας BAO φαίνεται μεγαλύτερος στον ουρανό – ακόμα περισσότερο αν βρισκόμαστε σε ένα κενό.
Ο μέσος ρυθμός διαστολής μέχρι τώρα ακολουθεί άμεσα από την ηλικία του Σύμπαντος, την οποία μπορούμε να εκτιμήσουμε από την ηλικία των παλιών αστεριών στον Γαλαξία μας.
Ένα τοπικό κενό δεν μπορεί να επηρεάσει την ηλικία του Σύμπαντος, αλλά κάποιες προτάσεις μπορεί να την επηρεάσουν.
Αυτές και άλλες προσεγγίσεις θα ρίξουν φως στην κρίση Hubble στην κοσμολογία.
