Νέα κρίση στην κοσμολογία – υπάρχει πρόβλημα με το Καθιερωμένο Πρότυπο;

Μια ομάδα αστρονόμων οδηγούμενη από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Davis, απέκτησε νέα δεδομένα που υποδηλώνουν ότι το σύμπαν επεκτείνεται πιο γρήγορα από ότι προβλεπόταν.

Η μελέτη ήλθε αμέσως μετά από μια θερμή αντιπαράθεση πάνω στο πόσο ακριβώς γρήγορα το σύμπαν φουσκώνει, με τις μετρήσεις μέχρι τώρα να είναι σε διαφωνία. Η νέα μέτρηση της Σταθεράς Hubble ή του ρυθμού επέκτασης του σύμπαντος από την ομάδα, ακολούθησε μια διαφορετική μέθοδο. Τα μέλη της ομάδας χρησιμοποίησαν το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble (HST) της NASA σε συνδυασμό με σύστημα Προσαρμοστικών Οπτικών (Adaptive Optics – AO) του Παρατηρητηρίου W. M. Keck για να παρατηρήσουν τρία βαρυτικά εστιασμένα συστήματα. Είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιείται η επίγεια τεχνολογία AO για να αποκτηθεί η Σταθερά Hubble.

«Όταν άρχισα για πρώτη φορά να εργάζομαι με αυτό το πρόβλημα περισσότερο από 20 χρόνια πριν, ο διαθέσιμος εξοπλισμός περιόριζε το ποσό των χρήσιμων δεδομένων που θα μπορούσαν να αποκτηθούν από τις παρατηρήσεις», λέει ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο Chris Fassnacht, Καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Davis. «Σε αυτό το πρόγραμμα, χρησιμοποιούμε το AO του Παρατηρητηρίου Keck για πρώτη φορά στην πλήρη ανάλυση. Έχω διαιστανθεί για πολλά χρόνια ότι οι παρατηρήσεις AO θα μπορούσαν να συνεισφέρουν πολύ σε αυτή την προσπάθεια».

Τα αποτελέσματα της ομάδας δημοσιεύθηκαν στο τελευταίο Online τεύχος του Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Για να αποκλειστεί οποιαδήποτε προκατάληψη, η ομάδα πραγματοποίησε «τυφλή ανάλυση» – κατά τη διάρκεια της διεργασίας, τα μέλη της κρατούσαν την τελική απάντηση κρυμμένη ακόμη και από τους ίδιους μέχρις ότου ήταν πεπεισμένοι ότι είχαν αντιμετωπίσει όσες περισσότερες πηγές λάθους θα μπορούσαν να σκεφτούν. Αυτό τους εμπόδισε από το να κάνουν οποιαδήποτε προσαρμογή για να βρούνε τη «σωστή» τιμή, αποφεύγοντας τη μεροληψία της επιβεβαίωσης. «Όταν θεωρήσαμε ότι είχαμε φροντίσει για όλα τα δυνατά προβλήματα με την ανάλυση, ξεσκεπάσαμε την απάντηση με τον όρο ότι πρέπει να δημοσιεύσουμε όποια τιμή βρήκαμε, ακόμη και αν ήταν τρελή. Είναι πάντα μια τεταμένη και συναρπαστική στιγμή», αναφέρει ο επικεφαλής συγγραφέας Geoff Chen, απόφοιτος φοιτητής του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου.

Το ξεσκέπασμα αποκάλυψε μια τιμή που είναι συνεπής με τις μετρήσεις που πάρθηκαν από παρατηρήσεις «τοπικών» αντικειμένων κοντά στη Γη, όπως από κοντινούς Τύπου Ia υπερκαινοφανείς ή βαρυτικά εστιασμένα συστήματα. Η ομάδα του Chen χρησιμοποίησε τα τελευταία στην τυφλή τους ανάλυση. Τα αποτελέσματα της ομάδας προσθέτουν στα αυξανόμενα στοιχεία ότι υπάρχει πρόβλημα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας, που δείχνει ότι το σύμπαν επεκτείνονταν πολύ γρήγορα νωρίς στην ιστορία του, στη συνέχεια η επέκταση επιβραδύνθηκε λόγω της βαρυτικής έλξης της σκοτεινής ύλης και τώρα η επέκταση επιταχύνεται ξανά λόγω της σκοτεινής ενέργειας, μιας μυστηριώδους δύναμης.

Καλλιτεχνική αποτύπωση του καθιερωμένου προτύπου της κοσμολογίας

Το μοντέλο της ιστορίας επέκτασης του σύμπαντος συγκροτήθηκε χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μετρήσεις της Σταθεράς Hubble, που πάρθηκαν από «απόμακρες» παρατηρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου (CMB) – η εναπομείνασα ακτινοβολία από τη Μεγάλη Έκρηξη όταν το σύμπαν ξεκίνησε πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια.

Πρόσφατα, πολλές ομάδες άρχισαν να χρησιμοποιούν ποικίλες τεχνικές και μελέτησαν διάφορα μέρη του σύμπαντος για να βρουν τη Σταθερά Hubble και βρήκαν ότι οι τιμές που αποκτήθηκαν από τις «τοπικές» και από τις «απόμακρες» παρατηρήσεις, διαφωνούν. «Εκεί εντοπίζεται η κρίση στην κοσμολογία», λέει ο Fassnacht. «Ενώ η Σταθερά Hubble είναι σταθερή οπουδήποτε στο διάστημα σε μια δεδομένη στιγμή, δεν είναι σταθερή στο χρόνο. Έτσι, όταν συγκρίνουμε τη Σταθερά Hubble που προέκυψε από ποικίλες τεχνικές, συγκρίνουμε το πρώιμο σύμπαν (χρησιμοποιώντας απόμακρες παρατηρήσεις) απέναντι στο τελευταίο, πιο σύγχρονο μέρος του σύμπαντος (χρησιμοποιώντας, κοντινές παρατηρήσεις)».

Αυτό υποδηλώνει ότι είτε υπάρχει πρόβλημα με τις μετρήσεις CMB, που η ομάδα λέει ότι είναι απίθανο, ή το Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας χρειάζεται να αλλάξει με κάποιο τρόπο χρησιμοποιώντας νέα φυσική για να διορθωθεί αυτή η ασυμφωνία.

Μεθοδολογία

Χρησιμοποιώντας το AO σύστημα του Παρατηρητηρίου Keck με την Κοντά στο Υπέρυθρο Κάμερα δεύτερης γενιάς (NIRC2), όργανο στο τηλεσκόπιο Keck ΙΙ, ο Chen και η ομάδα του πήρε τοπικές μετρήσεις τριών πολύ γνωστών εστιασμένων συστημάτων κβάζαρ: των PG1115+ 080, HE0435-1223 και RXJ1131-1231. Τα κβάζαρ (quasar) είναι εξαιρετικά φωτεινοί, ενεργοί γαλαξίες, συχνά με πίδακες μεγάλης μάζας που τροφοδοτούνται από μια πάρα πολύ μεγάλης μάζας μαύρη τρύπα που λαίμαργα καταβροχθίζει το υλικό που την περιβάλλει.

Παρόλο που τα κβάζαρ είναι συχνά εξαιρετικά μακρινά, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να τους ανιχνεύσουν μέσω της βαρυτικής εστίασης, ένα φαινόμενο που λειτουργεί ως φυσικός μεγεθυντικός φακός. Όταν ένας επαρκώς μεγάλης μάζας γαλαξίας πιο κοντά στη Γη μπαίνει στο δρόμο του φωτός από ένα πολύ μακρινό κβάζαρ, ο γαλαξίας μπορεί να λειτουργήσει ως φακός. Το βαρυτικό του πεδίο σκεβρώνει τον ίδιο τον χώρο, λυγίζοντας το φως των κβάζαρ στο υπόβαθρο σε πολλαπλές εικόνες και κάνοντάς το να φαίνεται πάρα πολύ φωτεινό. Κάποιες φορές, η φωτεινότητα του κβάζαρ τρεμοπαίζει και καθώς κάθε εικόνα αντιστοιχεί σε ένα ελαφρώς διαφορετικό μήκος διαδρομής από το κβάζαρ μέχρι το τηλεσκόπιο, τα τρεμοπαίγματα εμφανίζονται σε ελαφρώς διαφορετικούς χρόνους για κάθε εικόνα – δεν φτάνουν όλα στη Γη ταυτόχρονα.

Με τα HE0435-1223, PG1115+ 080 και RXJ1131-1231, η ομάδα μέτρησε προσεκτικά αυτές τις χρονικές καθυστερήσεις, οι οποίες είναι αντιστρόφως ανάλογες με την τιμή της Σταθεράς Hubble. Αυτό επιτρέπει τους αστρονόμους να αποκωδικοποιήσουν το φως από αυτά τα απομακρυσμένα κβάζαρ και μαζεύουν πληροφορίες σχετικά με το πόσο το σύμπαν έχει επεκταθεί κατά τη διάρκεια του χρόνου που το φως είναι στο δρόμο του προς τη Γη.

Τα HE0435-1223 (αριστερά), PG1115+ 080 (κέντρο) και RXJ1131-1231 (δεξιά)

«Ένα από τα πιο σημαντικά συστατικά στοιχεία στη χρήση της βαρυτικής εστίασης για τη μέτρηση της σταθεράς Hubble είναι η ευαισθησία και η υψηλής ανάλυσης απεικόνιση», είπε ο Chen. «Μέχρι τώρα, οι καλύτερες βασισμένες στο φακό μετρήσεις της Σταθεράς Hubble όλες περιελάμβαναν χρήση δεδομένων από το HST. Όταν ξεσκεπάσαμε, βρήκαμε δυο πράγματα. Πρώτον, είχαμε τιμή σε συμφωνία με προηγούμενες μετρήσεις που βασίστηκαν σε δεδομένα του HST, αποδεικνύοντας ότι τα δεδομένα του AO μπορούν να παράσχουν μια ισχυρή εναλλακτική στα δεδομένα του HST στο μέλλον. Δεύτερον, βρήκαμε ότι συνδυάζοντας τα δεδομένα των AO και HST βγάζαμε ένα πιο ακριβές αποτέλεσμα».

Τα επόμενα βήματα

Ο Chen και η ομάδα του, όπως και πολλές άλλες ομάδες στον πλανήτη, κάνουν περισσότερη έρευνα και παρατηρήσεις για περαιτέρω διερεύνηση. Τώρα που η ομάδα του Chen απέδειξε ότι το σύστημα AO του Παρατηρητηρίου Keck είναι τόσο ισχυρό όσο του HST, οι αστρονόμοι μπορούν να προσθέσουν τη μεθοδολογία αυτή στο σύνολο των τεχνικών τους όταν μετρούν τη Σταθερά Hubble. «Μπορούμε τώρα να δοκιμάσουμε αυτή τη μέθοδο με περισσότερα εστιασμένα συστήματα κβάζαρ για να βελτιώσουμε την ακρίβεια των μετρήσεών μας της Σταθεράς Hubble. Ίσως αυτό θα μας οδηγήσει σε ένα περισσότερο ολοκληρωμένο κοσμολογικό μοντέλο του σύμπαντος», αναφέρει ο Fassnacht.

Πηγή: W. M. Keck Observatory

Περισσότερα στη δημοσίευση: A SHARP view of H0LiCOW: H0 from three time-delay gravitational lens systems with adaptive optics imaging. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.