Μια νέα κοσμική τάση:Το Σύμπαν μπορεί να είναι πολύ λεπτό

Το σύμπαν έχει αρχίσει να φαίνεται κάπως περίεργο. Εδώ και μερικά χρόνια, οι κοσμολόγοι προβληματίζονται από μια ασυμφωνία στο πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν. Γνωρίζουν πόσο γρήγορα θα έπρεπε να πηγαίνει, με βάση το αρχαίο φως από το πρώιμο σύμπαν, αλλά προφανώς το σύγχρονο σύμπαν έχει ανεβάσει υπερβολική ταχύτητα - μια ένδειξη ότι οι επιστήμονες μπορεί να είχαν παραβλέψει ένα από τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος ή κάποια πτυχή του τρόπου τα υλικά ανακατεύονται.

Τώρα μπορεί να σχηματίζεται μια δεύτερη ρωγμή στο λεγόμενο τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας. Στα τέλη Ιουλίου, οι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι το σύγχρονο σύμπαν φαίνεται επίσης απροσδόκητα λεπτό. Οι γαλαξίες και το αέριο και η άλλη ύλη δεν έχουν συγκεντρωθεί τόσο πολύ όσο θα έπρεπε. Μερικές προηγούμενες μελέτες πρόσφεραν παρόμοιες υποδείξεις, αλλά αυτή η νέα ανάλυση δεδομένων επτά ετών αντιπροσωπεύει την πιο καθαρή αυτόνομη ένδειξη της ανωμαλίας μέχρι τώρα.

«Αν κάναμε συνέδρια», είπε ο Μάικλ Χάντσον, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Βατερλώ στον Καναδά που δεν συμμετέχει στην έρευνα, «όλη η κουβέντα για τον καφέ θα αφορούσε αυτά τα αποτελέσματα».

Όπως οι περισσότερες μετρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του σημερινού σύμπαντος, η μελέτη είναι γεμάτη τεχνικές δυσκολίες. Είναι επίσης πιθανό, αν και απίθανο, τα αποτελέσματα να οφείλονται στην τύχη. Ωστόσο, ορισμένοι ερευνητές αναρωτιούνται εάν η τάση προς όλο και πιο funky μετρήσεις μπορεί να προμηνύει την ανακάλυψη ενός νέου κοσμικού παράγοντα.

«Έχουμε ήδη σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια», είπε ο Hudson. "Ελπίζω να μην χρειαστούμε άλλο σκοτεινό πράγμα."

Ένα άλλο σετ κουδουνιών συναγερμού

Το δύσκολο μέρος της μελέτης του σύγχρονου σύμπαντος είναι ότι είναι ως επί το πλείστον αόρατο. Οι αστρονόμοι βλέπουν τη μεγάλη εικόνα στα μέρη όπου οι γαλαξίες συγκεντρώνονται σε λαμπερά σμήνη. Αλλά παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανίκανοι να αντιληφθούν τα αμυδρά νήματα του αερίου που υφαίνουν αυτούς τους κόμβους μαζί σε έναν τεράστιο κοσμικό ιστό. Ακόμη χειρότερα, οι περισσότεροι πιστεύουν ότι αυτοί οι γαλαξίες και τα ίχνη αερίου είναι κάτι περισσότερο από διακοσμητικό πούλιες σε ένα στιβαρό πλαίσιο αόρατης «σκοτεινής ύλης» που αποτελεί τον μεγαλύτερο όγκο του σύμπαντος.

Η νέα έρευνα είναι η πιο εκλεπτυσμένη εφαρμογή μιας τεχνικής για την αποκάλυψη του αόρατου. Καθώς το φως από έναν μακρινό γαλαξία κάνει το δρόμο του προς τη Γη, περνά από ινίδια σκοτεινής ύλης και αμυδρά σύννεφα αερίου. Αυτά τα παχιά σημεία τραβούν το φως βαρυτικά, βάζοντας στροφές στην πορεία του. Μέχρι τη στιγμή που το φως του μακρινού γαλαξία φτάσει σε ένα επίγειο τηλεσκόπιο, παραμορφώνεται διακριτικά - ίσως συνθλίβεται σε μια υπερβολική έλλειψη. Στη συνέχεια, οι αστρονόμοι προσπαθούν να χαρτογραφήσουν την αόρατη σκοτεινή ύλη μετρώντας τις στατιστικές παραμορφώσεις στα σχήματα τεράστιων αριθμών μακρινών γαλαξιών σε μια τεράστια περιοχή του ουρανού.

Στη νέα έρευνα, μέλη του Kilo-Degree Survey, ή KiDS, παρατήρησαν περίπου 31 εκατομμύρια γαλαξίες από απόσταση έως και 10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν αυτές τις παρατηρήσεις για να υπολογίσουν τις μέσες κατανομές του κρυμμένου αερίου και της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος. Βρήκαν συστάδες που είναι σχεδόν 10% λεπτότερες από την πρόβλεψη από το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο, γνωστό ως Λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης ή ΛCDM.

Στατιστικά, η διαφορά είναι τέτοια που οι πιθανότητες να απορριφθούν τα πρόσθετα δεδομένα είναι περίπου 1 στις 1.400 — πολύ λιγότερο από το αυστηρό πρότυπο του πεδίου 1 στα 1,7 εκατομμύρια, αλλά αρκετά σημαντικές για να ανατρέψουν τα βλέμματα. «Αυτή η ένταση είναι τώρα στο επίπεδο που είναι τουλάχιστον συναρπαστικό ή δελεαστικό», είπε η Μαρίκα Ασγκάρι, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου και μέλος του KiDS.

Επιπλέον, άλλες ανεξάρτητες μετρήσεις υποστηρίζουν τη διαπίστωση ότι το σύγχρονο σύμπαν φαίνεται πολύ λεπτό. "Αυτό είναι άλλο ένα σύνολο κουδουνιών συναγερμού", είπε ο Hudson.

Ο Χάντσον προσπάθησε να αποκρυπτογραφήσει το κρυμμένο σύμπαν παρακολουθώντας πώς οι γαλαξίες παρασύρονται στα κοσμικά ρεύματα. Εάν η ύλη ήταν τέλεια κατανεμημένη σε μια λεπτή ομίχλη, η διαστολή του σύμπαντος θα ωθούσε όλα τα αντικείμενα ομαλά σε μια ολισθηρή κίνηση γνωστή ως ροή Hubble. Αλλά το σύμπαν είναι γεμάτο με άδεια κενά και υπερσμήνη πλούσια σε σκοτεινή ύλη. Η βαρυτική έλξη των υπερσμήνων έλκει τους γαλαξίες πιο κοντά, ενώ τα κενά τους αφήνουν να πετάξουν ελεύθερα. Μετρώντας τις «ιδιαίτερες ταχύτητες» των σουπερνόβα - πόσο αποκλίνουν από την τοπική τους ροή Hubble - ο Hudson και οι συνεργάτες του δημιουργούν τους δικούς τους χάρτες της κρυμμένης μάζας του σύμπαντος.

Η πρώτη του υπόδειξη ότι το σύμπαν δεν έχει συσσωρευτεί αρκετά ήρθε το 2015 και οι επόμενοι περίεργοι χάρτες ταχύτητας παρουσίασαν την ίδια ανησυχητική ομαλότητα. Ο Hudson και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν εργασία τον Ιούλιο, συνάγοντας μια ανώμαλη έλλειψη συσσώρευσης σχεδόν τόσο ισχυρή όσο αυτή που βρήκε το KiDS.

Επιπλέον, τα τελευταία οκτώ χρόνια, τουλάχιστον δώδεκα έρευνες που χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνικές έχουν βρει όλες ένα σημερινό σύμπαν τουλάχιστον ελαφρώς πολύ λεπτό. Κάθε μελέτη έχει μικρή σημασία από μόνη της, αλλά ορισμένοι κοσμολόγοι έχουν όλο και μεγαλύτερη υποψία ότι όλες οι μετρήσεις πέφτουν κάτω από τη θεωρητική πρόβλεψη, αντί να διασκορπίζονται ομοιόμορφα γύρω της.

"Όταν αρχίζεις να βλέπεις το ίδιο πράγμα σε ένα σωρό διαφορετικά σύνολα δεδομένων", είπε ο Hudson, "νομίζεις ότι αυτό πραγματικά σου λέει κάτι."

Αντιφατικές ανωμαλίες

Εάν αυτό είναι ένα μήνυμα από το σύμπαν, το νόημά του παραμένει ασαφές. Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας ταιριάζει με τις παρατηρήσεις τόσο άνετα που οι θεωρητικοί δεν μπορούν να προσθέσουν απλά νέα κομμάτια ηθελημένα. Οι πιο ακριβείς μετρήσεις του πρώιμου σύμπαντος προέρχονται από τη συνεργασία Planck, η οποία δημοσίευσε τα τελικά της αποτελέσματα το 2018. «Είναι δύσκολο να βρεις κάτι νέο που να μην σπάει τον Planck», δήλωσε ο Daniel Scolnic, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Duke που μελετά ποσοστά επέκτασης.

Αλλά το ζιβάγκο Planck έχει μερικές χαλαρές πόρπες, με τις οποίες οι θεωρητικοί ασχολούνται εδώ και χρόνια, αναζητώντας έναν τρόπο να εξηγήσουν την απροσδόκητα γρήγορη επέκταση.

Τώρα επιδιώκουν να επιτύχουν δύο αντιφατικά καθήκοντα. Για να λύσουν το αρχικό πρόβλημα του διαστελλόμενου σύμπαντος, χρειάζονται ένα φαινόμενο που θα έδινε στο σύμπαν μια επιπλέον ώθηση προς τα έξω. Αλλά για να επιλύσουν τη νέα ανωμαλία, πρέπει να αποδυναμώσουν τη βαρυτική επίδραση που κάνει το σύμπαν να συσσωρεύεται. Όταν συνδυάζεις τα δύο προβλήματα, είπε ο Julien Lesgourgues, θεωρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο RWTH Aachen στη Γερμανία και μέλος της συνεργασίας Planck, «γίνεται εφιάλτης να βρεις μια εξήγηση και για τα δύο».

Για παράδειγμα, για να ξεκινήσει η διαστολή, ορισμένοι θεωρητικοί προσπάθησαν να προσθέσουν «σκοτεινή ακτινοβολία» στο πρώιμο σύμπαν. Αλλά πρέπει να εξισορροπήσουν αυτήν την επιπλέον ακτινοβολία με πρόσθετη ύλη, η οποία θα είχε πυκνώσει το σύμπαν. Έτσι, για να καταλήξουν στο σύμπαν που βλέπουμε, πρέπει να εφεύρουν πρόσθετες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων σκούρων συστατικών για να αποκτήσουν την επιθυμητή λεπτότητα.

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι η σκοτεινή ύλη, η οποία συσσωματώνει το σύμπαν, μετατρέπεται σε σκοτεινή ενέργεια, η οποία το απομακρύνει. Ή ίσως η Γη κάθεται σε ένα τεράστιο κενό, παραμορφώνοντας τις παρατηρήσεις μας. Ή οι δύο ανωμαλίες θα μπορούσαν να είναι άσχετες. "Δεν έχω δει τίποτα συναρπαστικό", είπε ο Χάντσον, "αλλά αν ήμουν θεωρητικός, θα ήμουν πολύ ενθουσιασμένος αυτή τη στιγμή."

Η μία ή και οι δύο εντάσεις θα μπορούσαν να εξαφανιστούν με περισσότερα δεδομένα. Το KiDS είναι μία από τις τρεις έρευνες αδύναμου βαρυτικού φακού που διεξάγονται αυτήν τη στιγμή, μαζί με τη διεθνή Έρευνα Σκοτεινής Ενέργειας στη Χιλή και την Ιαπωνική Hyper Suprime-Cam στο τηλεσκόπιο Subaru στη Χαβάη. Το καθένα σαρώνει διαφορετικές περιοχές του ουρανού, σε διαφορετικά βάθη. Τα αποτελέσματα από την τελευταία καμπάνια του Dark Energy Survey, η οποία κάλυψε μια περιοχή του ουρανού πέντε φορές μεγαλύτερη από αυτή του KiDS, θα κυκλοφορήσουν τους επόμενους μήνες. «Όλοι περιμένουν κάτι τέτοιο», είπε ο Scolnic. "Αυτό είναι το επόμενο μεγάλο πράγμα στην κοσμολογία."

Ο Michael Troxel του Πανεπιστημίου Duke, ο οποίος κάνει εργασία αδύναμου βαρυτικού φακού για το Dark Energy Survey, επαίνεσε την ομάδα KiDS για την ώθηση της τεχνικής σε νέα ύψη ακρίβειας και για την κάλυψη μιας άνευ προηγουμένου ποσότητας ουρανού. Αλλά τόνισε επίσης ότι ένα βουνό τεχνικών προκλήσεων δυσκολεύει την πολύ βαθιά ανάγνωση σε μία μέτρηση. Σε απόσταση δισεκατομμυρίων ετών φωτός, οι γαλαξίες εμφανίζονται ως απλά εικονοστοιχεία, περιπλέκοντας την ανάλυση των σχημάτων τους. Οι ερευνητές πρέπει επίσης να γνωρίζουν πόσο μακριά είναι κάθε γαλαξίας και η αντιμετώπιση των αβεβαιοτήτων που συνοδεύουν αυτές τις αποστάσεις μπορεί είτε να μετριάσει είτε να μεγαλώσει την ένταση.

"Δεν θα έβαζα χρήματα ακόμα για το πού θα βρίσκεται η τελική αξία", είπε ο Troxel.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύτηκε στο TheAtlantic.com, στο  Ισπανικά στο  Investigacionyciencia.es και στα ιταλικά στο Lescienze.it.