Οι αστρονόμοι παίρνουν την επιθυμία τους και μια κοσμική κρίση χειροτερεύει

Στις 3 Δεκεμβρίου, η ανθρωπότητα είχε ξαφνικά στα χέρια της πληροφορίες που οι άνθρωποι ήθελαν για πάντα:τις ακριβείς αποστάσεις από τα αστέρια.

«Πληκτρολογείτε το όνομα ενός αστεριού ή τη θέση του και σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο θα έχετε την απάντηση», είπε ο Barry Madore, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο και στο Παρατηρητήριο Carnegie, σε μια κλήση Zoom την περασμένη εβδομάδα. «Εννοώ…» Έφυγε.

«Πίνουμε από ένα λάστιχο φωτιάς αυτή τη στιγμή», είπε η Wendy Freedman, επίσης κοσμολόγος στο Σικάγο και η σύζυγος και συνεργάτης του Carnegie και της Madore.

«Δεν μπορώ να υπερεκτιμήσω πόσο ενθουσιασμένος είμαι», είπε σε τηλεφωνική επικοινωνία ο Άνταμ Ρις από το Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς, ο οποίος κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 2011 για την από κοινού ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας. «Μπορώ να σας δείξω οπτικά για τι είμαι τόσο ενθουσιασμένος;» Μεταβήκαμε στο Zoom για να μπορεί να μοιραστεί με οθόνη όμορφες γραφικές παραστάσεις των νέων δεδομένων αστεριών.

Τα δεδομένα προέρχονται από το διαστημικό σκάφος Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο έχει περάσει τα τελευταία έξι χρόνια κοιτάζοντας τα αστέρια από μια κούρνια ύψους 1 εκατομμυρίου μιλίων. Το τηλεσκόπιο έχει μετρήσει τις «παράλλαξεις» 1,3 δισεκατομμυρίων άστρων — μικροσκοπικές μετατοπίσεις στις εμφανείς θέσεις των αστεριών στον ουρανό που αποκαλύπτουν τις αποστάσεις τους. «Οι παράλλαξεις της Γαίας είναι μακράν οι πιο ακριβείς και ακριβείς προσδιορισμοί απόστασης που έγιναν ποτέ», δήλωσε ο Jo Bovy, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο.

Το καλύτερο από όλα για τους κοσμολόγους, ο νέος κατάλογος της Gaia περιλαμβάνει τα ειδικά αστέρια των οποίων οι αποστάσεις χρησιμεύουν ως κριτήρια για τη μέτρηση όλων των μακρύτερων κοσμολογικών αποστάσεων. Εξαιτίας αυτού, τα νέα δεδομένα όξυναν γρήγορα το μεγαλύτερο αίνιγμα στη σύγχρονη κοσμολογία:την απροσδόκητα γρήγορη διαστολή του σύμπαντος, γνωστή ως ένταση Hubble.

Η ένταση είναι η εξής:Τα γνωστά συστατικά και οι εξισώσεις του σύμπαντος προβλέπουν ότι αυτή τη στιγμή θα πρέπει να διαστέλλεται με ρυθμό 67 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec — που σημαίνει ότι θα δούμε γαλαξίες να πετούν μακριά μας 67 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ταχύτερα για κάθε επιπλέον megaparsec απόστασης . Ωστόσο, οι πραγματικές μετρήσεις ξεπερνούν σταθερά το σημάδι. Οι γαλαξίες υποχωρούν πολύ γρήγορα. Η ασυμφωνία υποδηλώνει συναρπαστικά ότι κάποιος άγνωστος παράγοντας επιτάχυνσης μπορεί να βρίσκεται σε εξέλιξη στον κόσμο.

«Θα ήταν απίστευτα συναρπαστικό αν υπήρχε νέα φυσική», είπε ο Freedman. «Έχω ένα μυστικό στην καρδιά μου που ελπίζω να υπάρχει, ότι υπάρχει μια ανακάλυψη που πρέπει να γίνει εκεί. Αλλά θέλουμε να βεβαιωθούμε ότι έχουμε δίκιο. Πρέπει να κάνουμε δουλειά για να μπορέσουμε να το πούμε ξεκάθαρα."

Αυτό το έργο περιλαμβάνει τη μείωση πιθανών πηγών σφάλματος στις μετρήσεις του ρυθμού κοσμικής διαστολής. Μία από τις μεγαλύτερες πηγές αυτής της αβεβαιότητας ήταν οι αποστάσεις από κοντινά αστέρια — αποστάσεις που τα νέα δεδομένα παράλλαξης φαίνονται σε όλους, εκτός από τις αποστάσεις.

Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο χθες το βράδυ και υποβλήθηκε στο The Astrophysical Journal , η ομάδα του Riess χρησιμοποίησε τα νέα δεδομένα για να καθορίσει τον ρυθμό επέκτασης στα 73,2 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά megaparsec, σύμφωνα με την προηγούμενη τιμή τους, αλλά τώρα με περιθώριο σφάλματος μόλις 1,8%. Αυτό φαινομενικά εδραιώνει την απόκλιση με το πολύ χαμηλότερο προβλεπόμενο ποσοστό των 67.

Οι Freedman και Madore αναμένουν να δημοσιεύσουν τη νέα και βελτιωμένη μέτρηση του ρυθμού κοσμικής επέκτασης της ομάδας τους τον Ιανουάριο. Αναμένουν επίσης ότι τα νέα δεδομένα θα σταθεροποιήσουν, αντί να μετατοπίσουν, τη μέτρησή τους, η οποία τείνει να είναι χαμηλότερη από αυτή του Riess και άλλων ομάδων, αλλά εξακολουθεί να είναι υψηλότερη από την πρόβλεψη.

Από τότε που ξεκίνησε η Gaia τον Δεκέμβριο του 2013, κυκλοφόρησε άλλα δύο τεράστια σύνολα δεδομένων που έφεραν επανάσταση στην κατανόησή μας για την κοσμική γειτονιά μας. Ωστόσο, οι προηγούμενες μετρήσεις παράλλαξης της Γαίας ήταν μια απογοήτευση. "Όταν κοιτάξαμε την πρώτη δημοσιοποίηση δεδομένων" το 2016, ο Freedman είπε, "θέλαμε να κλάψουμε."

Ένα απρόβλεπτο πρόβλημα

Αν οι παράλλαξεις ήταν πιο εύκολο να μετρηθούν, η επανάσταση του Κοπέρνικου μπορεί να είχε συμβεί νωρίτερα.

Ο Κοπέρνικος πρότεινε τον 16ο αιώνα ότι η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Αλλά ακόμη και εκείνη την εποχή, οι αστρονόμοι γνώριζαν για την παράλλαξη. Εάν η Γη κινούνταν, όπως έλεγε ο Κοπέρνικος, τότε περίμεναν να δουν κοντινά αστέρια να μετακινούνται στον ουρανό καθώς το έκανε, ακριβώς όπως ένας φανοστάτης φαίνεται να μετατοπίζεται σε σχέση με τους λόφους του φόντου καθώς διασχίζετε τον δρόμο. Ο αστρονόμος Tycho Brahe δεν εντόπισε καμία τέτοια αστρική παράλλαξη και έτσι κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η Γη δεν κινείται.

Και όμως το κάνει, και τα αστέρια αλλάζουν — αν και ελάχιστα, επειδή είναι τόσο μακριά.

Χρειάστηκε μέχρι το 1838 για να ανιχνεύσει την αστρική παράλλαξη ένας Γερμανός αστρονόμος ονόματι Friedrich Bessel. Μετρώντας τη γωνιακή μετατόπιση του αστρικού συστήματος 61 Cygni σε σχέση με τα γύρω αστέρια, ο Bessel κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ήταν 10,3 έτη φωτός μακριά. Η μέτρησή του διέφερε από την πραγματική τιμή μόνο κατά 10% — Οι νέες μετρήσεις της Γαίας τοποθετούν τα δύο αστέρια στο σύστημα σε απόσταση 11,4030 και 11,4026 έτη φωτός μακριά, δίνουν ή παίρνουν ένα ή δύο χιλιοστά του έτους φωτός.

Το σύστημα 61 Cygni είναι εξαιρετικά κοντά. Τα πιο τυπικά αστέρια του Milky Way μετατοπίζονται κατά μόλις δέκα χιλιοστά του δευτερολέπτου τόξου — μόλις εκατοστά του pixel σε μια σύγχρονη κάμερα τηλεσκοπίου. Η ανίχνευση της κίνησης απαιτεί εξειδικευμένα, εξαιρετικά σταθερά όργανα. Η Gaia σχεδιάστηκε για αυτόν τον σκοπό, αλλά όταν άνοιξε, το τηλεσκόπιο αντιμετώπισε ένα απρόβλεπτο πρόβλημα.

Το τηλεσκόπιο λειτουργεί κοιτάζοντας προς δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα και παρακολουθώντας τις γωνιακές διαφορές μεταξύ των αστεριών στα δύο οπτικά πεδία του, εξήγησε ο Lennart Lindegren, ο οποίος πρότεινε την αποστολή Gaia το 1993 και ηγήθηκε της ανάλυσης των νέων δεδομένων παράλλαξης. Οι ακριβείς εκτιμήσεις παράλλαξης απαιτούν η γωνία μεταξύ των δύο οπτικών πεδίων να παραμένει σταθερή. Αλλά νωρίς στην αποστολή Gaia, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι δεν το κάνει. Το τηλεσκόπιο κάμπτεται ελαφρά καθώς περιστρέφεται σε σχέση με τον ήλιο, εισάγοντας μια ταλάντωση στις μετρήσεις του που μιμείται την παράλλαξη. Ακόμη χειρότερα, αυτή η "μετατόπιση" παράλλαξης εξαρτάται με πολύπλοκους τρόπους από τη θέση, τα χρώματα και τη φωτεινότητα των αντικειμένων.

Ωστόσο, καθώς έχουν συγκεντρωθεί δεδομένα, οι επιστήμονες της Gaia βρήκαν ευκολότερο να διαχωρίσουν την ψεύτικη παράλλαξη από την πραγματική. Ο Lindegren και οι συνεργάτες του κατάφεραν να αφαιρέσουν μεγάλο μέρος της ταλάντωσης του τηλεσκοπίου από τα δεδομένα παράλλαξης που κυκλοφόρησαν πρόσφατα, ενώ επινόησαν επίσης έναν τύπο που οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να διορθώσουν τις τελικές μετρήσεις παράλλαξης ανάλογα με τη θέση, το χρώμα και τη φωτεινότητα ενός αστεριού.

Αναρρίχηση της Σκάλας

Με τα νέα δεδομένα στα χέρια, οι Riess, Freedman και Madore και οι ομάδες τους κατάφεραν να υπολογίσουν εκ νέου τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Σε γενικές γραμμές, ο τρόπος μέτρησης της κοσμικής διαστολής είναι να καταλάβουμε πόσο μακριά βρίσκονται οι μακρινοί γαλαξίες και πόσο γρήγορα απομακρύνονται από εμάς. Οι μετρήσεις ταχύτητας είναι απλές. οι αποστάσεις είναι δύσκολες.

Οι πιο ακριβείς μετρήσεις βασίζονται σε περίπλοκες «σκάλες κοσμικής απόστασης». Η πρώτη βαθμίδα αποτελείται από αστέρια «τυποποιημένου κεριού» μέσα και γύρω από τον δικό μας γαλαξία που έχουν σαφώς καθορισμένη φωτεινότητα και τα οποία είναι αρκετά κοντά για να επιδεικνύουν παράλλαξη — ο μόνος σίγουρος τρόπος για να πει κανείς πόσο μακριά είναι τα πράγματα χωρίς να ταξιδέψει εκεί. Στη συνέχεια, οι αστρονόμοι συγκρίνουν τη φωτεινότητα αυτών των τυπικών κεριών με αυτή των πιο αμυδρά κεριών σε κοντινούς γαλαξίες για να συμπεράνουν τις αποστάσεις τους. Αυτό είναι το δεύτερο σκαλί της σκάλας. Γνωρίζοντας τις αποστάσεις αυτών των γαλαξιών, οι οποίοι επιλέγονται επειδή περιέχουν σπάνιες, φωτεινές αστρικές εκρήξεις που ονομάζονται σουπερνόβα τύπου 1a, επιτρέπει στους κοσμολόγους να μετρήσουν τις σχετικές αποστάσεις μακρύτερων γαλαξιών που περιέχουν πιο αμυδρούς σουπερνόβα Τύπου 1α. Η αναλογία των ταχυτήτων αυτών των μακρινών γαλαξιών προς τις αποστάσεις τους δίνει τον κοσμικό ρυθμό διαστολής.

Οι παράλλαξεις είναι επομένως κρίσιμες για την όλη κατασκευή. «Αλλάζεις το πρώτο βήμα - τις παράλλαξεις - μετά αλλάζουν και όλα όσα ακολουθούν», είπε ο Riess, ο οποίος είναι ένας από τους ηγέτες της προσέγγισης της κλίμακας απόστασης. "Αν αλλάξετε την ακρίβεια του πρώτου βήματος, τότε αλλάζει η ακρίβεια όλων των άλλων."

Η ομάδα του Riess χρησιμοποίησε τις νέες παραλλαγές της Γαίας με 75 Κηφείδες - παλλόμενα αστέρια που είναι τα προτιμώμενα τυπικά κεριά τους - για να βαθμονομήσει εκ νέου τη μέτρηση του κοσμικού ρυθμού διαστολής.

Ο Freedman και η Madore, οι κύριοι αντίπαλοι του Riess στην κορυφή του παιχνιδιού ladder απόστασης, έχουν υποστηρίξει τα τελευταία χρόνια ότι οι Cepheids ενθαρρύνουν πιθανά λάθη σε υψηλότερα σκαλοπάτια της σκάλας. Έτσι, αντί να ακουμπάει πολύ πάνω τους, η ομάδα τους συνδυάζει μετρήσεις που βασίζονται σε πολλαπλά είδη αστεριών τυπικών κεριών από το σύνολο δεδομένων της Γαίας, συμπεριλαμβανομένων των Κηφειδών, των άστρων RR Lyrae, των αστεριών κορυφαίων ερυθρογιγάντων και ούτω καθεξής. -ονομάζονται αστέρια άνθρακα.

«Η [νέα έκδοση δεδομένων] της Gaia μας παρέχει μια ασφαλή βάση», είπε η Madore. Αν και μια σειρά εργασιών από την ομάδα του Madore και του Freedman δεν αναμένεται για μερικές εβδομάδες, παρατήρησαν ότι τα νέα δεδομένα παράλλαξης και ο τύπος διόρθωσης φαίνεται να λειτουργούν καλά. Όταν χρησιμοποιούνται με διάφορες μεθόδους σχεδίασης και ανατομής των μετρήσεων, τα σημεία δεδομένων που αντιπροσωπεύουν τους Κηφείδες και άλλα ειδικά αστέρια πέφτουν τακτοποιημένα κατά μήκος ευθειών, με πολύ μικρή από τη «σκέδαση» που θα υποδηλώνει τυχαίο σφάλμα.

"Μας λέει ότι κοιτάμε πραγματικά τα πραγματικά πράγματα", είπε η Madore.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο Wired.com και στα Ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .