Πώς (σχεδόν) τίποτα δεν μπορεί να λύσει τις μεγαλύτερες ερωτήσεις της Κοσμολογίας | Περιοδικό Quanta

Σαν μια φωτεινή πόλη στη μέση μιας άγονης ερήμου, η γαλαξιακή μας γειτονιά περιβάλλεται από ένα κοσμικό κενό - μια τεράστια, σχεδόν ανεξιχνίαστα άδεια τσέπη χώρου. Πρόσφατα, οι έρευνες του ουρανού εντόπισαν χιλιάδες άλλες από αυτές τις κενές φυσαλίδες. Τώρα, οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να αντλήσουν πληροφορίες από αυτά τα κοσμικά κενά: Μετρώντας πόσα από αυτά υπάρχουν σε έναν όγκο του διαστήματος, οι επιστήμονες επινόησαν έναν νέο τρόπο για να εξερευνήσουν δύο από τα πιο ακανθώδη ερωτήματα στην κοσμολογία.

«Είναι η πρώτη φορά που χρησιμοποιήσαμε κενού αριθμούς για να εξαγάγουμε κοσμολογικές πληροφορίες», είπε Αλίκη Πιζάνη, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και στο Ινστιτούτο Flatiron και συγγραφέας του α νέα προεκτύπωση περιγράφοντας το έργο. «Αν θέλουμε να ξεπεράσουμε τα όρια της επιστήμης, πρέπει να προχωρήσουμε πέρα ​​από αυτό που έχει ήδη γίνει».

Οι ερευνητές αναζητούν νέα εργαλεία εν μέρει επειδή έχουν μερικά μεγάλα μυστήρια να λύσουν. Το πρώτο, και το πιο περίπλοκο, είναι ο ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, μια τιμή γνωστή ως το Σταθερά Hubble. Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες αγωνίζονται να συμβιβάσουν αντικρουόμενες μετρήσεις αυτού του ρυθμού, με ορισμένους μάλιστα να αποκαλούν το ζήτημα ως Η μεγαλύτερη κρίση στην κοσμολογία.

Επιπλέον, οι ερευνητές έχουν αντικρουόμενες μετρήσεις της συστάδας της κοσμικής ύλης—η μέση πυκνότητα δομών μεγάλης κλίμακας, σκοτεινής ύλης, γαλαξιών, αερίων και κενών που κατανέμονται σε όλο το σύμπαν ως συνάρτηση του χρόνου.

Συνήθως, οι αστρονόμοι μετρούν αυτές τις τιμές με δύο συμπληρωματικούς τρόπους. Περιέργως, αυτές οι δύο μέθοδοι παράγουν διαφορετικές τιμές τόσο για τη σταθερά Hubble όσο και για τη λεγόμενη ισχύ ομαδοποίησης ύλης.

Στη νέα τους προσέγγιση, η Pisani και οι συνεργάτες της χρησιμοποιούν κοσμικά κενά για να εκτιμήσουν και τις δύο τιμές. Και τα πρώτα αποτελέσματά τους, τα οποία φαίνεται να συμφωνούν πολύ περισσότερο με τη μία από τις παραδοσιακές μεθόδους από την άλλη, συνεισφέρουν τώρα τις δικές τους πολυπλοκότητες σε μια ήδη έντονη διαφωνία.

«Η ένταση του Hubble έχει διαρκέσει μια δεκαετία μέχρι στιγμής γιατί είναι ένα δύσκολο πρόβλημα», είπε Άνταμ Ρέις, ένας αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins που χρησιμοποιεί σουπερνόβα για να υπολογίσει τη σταθερά του Hubble. «Τα προφανή ζητήματα έχουν ελεγχθεί και τα δεδομένα έχουν βελτιωθεί, επομένως το δίλημμα βαθαίνει».

Τώρα, η ελπίδα είναι ότι η μελέτη σχεδόν τίποτα δεν θα μπορούσε να οδηγήσει σε κάτι μεγάλο.

Κατασκευή φυσαλίδων

Τα κενά είναι περιοχές του διαστήματος που είναι λιγότερο πυκνές από το σύμπαν, κατά μέσο όρο. Τα όριά τους ορίζονται από τα τεράστια φύλλα και τα νήματα των γαλαξιών που υφαίνονται σε όλο τον κόσμο. Μερικά κενά εκτείνονται σε εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός και μαζί, αυτές οι φυσαλίδες αποτελούν τουλάχιστον το 80% του όγκου του σύμπαντος. Για πολύ καιρό, όμως, κανείς δεν τους έδινε ιδιαίτερη σημασία. «Ξεκίνησα την έρευνά μου το 2011 με περίπου 200 κενά», είπε ο Pisani. «Αλλά τώρα έχουμε περίπου 6,000».

Οι φυσαλίδες έχουν την τάση να διαστέλλονται γιατί μέσα τους δεν υπάρχει πολύ ύλη για να ασκήσει μια βαρυτική έλξη προς τα μέσα. Τα πράγματα έξω από αυτά τείνουν να μένουν μακριά. Και οποιοιδήποτε γαλαξίες ξεκινούν μέσα σε ένα κενό έλκονται προς τα έξω από τη βαρυτική έλξη των δομών που ορίζουν την άκρη ενός κενού. Εξαιτίας αυτού, σε ένα κενό "πολύ λίγα συμβαίνουν", είπε ο Pisani. «Δεν υπάρχουν συγχωνεύσεις, δεν υπάρχουν περίπλοκες αστροφυσικές. Αυτό τους κάνει πολύ εύκολο να τα αντιμετωπίσεις».

Αλλά το σχήμα κάθε κενού είναι διαφορετικό, γεγονός που μπορεί να κάνει δύσκολο για τους επιστήμονες να το αναγνωρίσουν. «Θέλουμε να βεβαιωθούμε ότι τα κενά μας είναι ισχυρά», είπε ο Pisani. «Πόσο άδειο πρέπει να είναι και πώς μπορώ να το μετρήσω;»

Αποδεικνύεται ότι ο ορισμός του «τίποτα» εξαρτάται από τον τύπο των πληροφοριών που θέλουν να εξαγάγουν οι αστρονόμοι. Ο Pisani και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με ένα μαθηματικό εργαλείο που ονομάζεται διάγραμμα Voronoi, το οποίο προσδιορίζει τα σχήματα που συνθέτουν ένα 3D μωσαϊκό. Αυτά τα διαγράμματα χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μελέτη πραγμάτων όπως φυσαλίδες σε αφρούς και κύτταρα σε βιολογικούς ιστούς.

Στην τρέχουσα εργασία, η Pisani και οι συνάδελφοί της προσάρμοσαν τις ψηφίδες τους Voronoi για να εντοπίσουν περίπου 6,000 κενά στα δεδομένα από ένα τεράστιο έργο γαλαξιακής χαρτογράφησης που ονομάζεται Φασματοσκοπική Έρευνα Ταλάντωσης Βαρυονίου (ΑΦΕΝΤΙΚΟ).

«Τα κενά είναι συμπληρωματικά με τον κατάλογο των γαλαξιών», είπε Benjamin Wandelt, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι που δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Είναι ένας νέος τρόπος να διερευνηθεί η κοσμική δομή».

Μόλις ο Pisani και οι συνεργάτες τους είχαν τον χάρτη των κενών τους, ξεκίνησαν να δουν τι θα μπορούσε να αποκαλύψει για το διαστελλόμενο σύμπαν.

Κάτι από το τίποτα

Κάθε κοσμικό κενό είναι ένα παράθυρο σε μια μεγάλη κοσμική σύγκρουση. Από τη μια πλευρά, υπάρχει η σκοτεινή ενέργεια, η μυστηριώδης δύναμη που κάνει το σύμπαν μας να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα. Η σκοτεινή ενέργεια είναι παρούσα ακόμη και στον κενό χώρο, επομένως κυριαρχεί στη φυσική του κενού. Από την άλλη πλευρά της σύγκρουσης υπάρχει η βαρύτητα, η οποία προσπαθεί να φέρει το κενό μαζί. Και τότε η συσσωμάτωση της ύλης προσθέτει ρυτίδες στα κενά.

Η Pisani και οι συνάδελφοί της, συμπεριλαμβανομένων Σοφία Κονταρίνη του Πανεπιστημίου της Μπολόνια, μοντελοποίησε πώς η διαστολή του σύμπαντος θα επηρέαζε τον αριθμό των κενών διαφορετικών μεγεθών. Στο μοντέλο τους, το οποίο διατηρούσε μια χούφτα άλλες κοσμολογικές παραμέτρους σταθερές, ένας πιο αργός ρυθμός διαστολής παρήγαγε μεγαλύτερη πυκνότητα μικρότερων, πιο τσαλακωμένων κενών. Από την άλλη πλευρά, εάν η διαστολή ήταν ταχύτερη και η ύλη δεν συσσωρευόταν τόσο εύκολα, περίμεναν να βρουν περισσότερα μεγάλα, λεία κενά.

Στη συνέχεια, η ομάδα συνέκρινε τις προβλέψεις μοντέλων της με παρατηρήσεις από την έρευνα BOSS. Από αυτό, μπόρεσαν να υπολογίσουν τόσο τη συσσωμάτωση όσο και τη σταθερά Hubble.

Έπειτα αντιπαραθέτησαν τις μετρήσεις τους με τους δύο παραδοσιακούς τρόπους μέτρησης αυτών των τιμών. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιεί έναν τύπο κοσμικής έκρηξης που ονομάζεται σουπερνόβα τύπου Ia. Το δεύτερο βασίζεται στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), την ακτινοβολία που απομένει από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Τα δεδομένα κενού αποκάλυψαν μια σταθερά Hubble που διέφερε λιγότερο από 1% από την εκτίμηση του CMB. Το αποτέλεσμα για τη συσσωμάτωση ήταν πιο μπερδεμένο, αλλά επίσης ευθυγραμμίστηκε πιο στενά με το CMB παρά με τους σουπερνόβα τύπου Ia.

Περιέργως, τα κενά στην έρευνα BOSS βρίσκονται πιο κοντά στο χώρο και στο χρόνο σε πιο πρόσφατους σουπερνόβα τύπου Ia — καθιστώντας λίγο περίεργο το γεγονός ότι οι μετρήσεις του κενού ευθυγραμμίζονται πιο στενά με το αρχέγονο CMB. Ο Wandelt, ωστόσο, πρότεινε ότι τα αποτελέσματα μπορεί να αποκαλύψουν μια νέα κατανόηση για το σύμπαν.

«Υπάρχει μια βαθιά ιδέα που κάνει τα μαλλιά μου να σηκώνονται», είπε. Μέσα στα κενά, οι δομές δεν σχηματίστηκαν και δεν εξελίχθηκαν ποτέ, έτσι τα κενά «είναι χρονοκάψουλες του πρώιμου σύμπαντος».

Με άλλα λόγια, αν η φυσική του πρώιμου σύμπαντος ήταν διαφορετική από τη φυσική του σήμερα, τα κενά μπορεί να τη διατήρησαν.

Το μέλλον της απουσίας

Άλλοι πιστεύουν ότι είναι πολύ νωρίς για να εξαχθούν συμπεράσματα από τα νέα αποτελέσματα.

Ακόμη και με χιλιάδες κενά, οι γραμμές σφαλμάτων της μελέτης εξακολουθούν να είναι πολύ μεγάλες για να πούμε οτιδήποτε οριστικό. «Αυτή η ανάλυση έχει γίνει εξαιρετικά καλά», είπε Ρουθ Ντάρερ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης που δεν έλαβε μέρος στην έρευνα. Όμως, σημείωσε ο Ντάρερ, τα αποτελέσματα δεν έχουν φτάσει σε στατιστική σημασία — ακόμα. «Αν η Αλίκη θέλει να είναι στη λέσχη των εκπληκτικά καλών σταθερών μετρήσεων του Hubble, πρέπει να φτάσει στο όριο του 1%, το οποίο είναι μια τεράστια πρόκληση», είπε ο Ντάρερ.

Η Pisani είπε ότι θεωρεί το έργο ως απόδειξη της ιδέας. Πιθανότατα θα χρειαστεί άλλη μια δεκαετία - και η βοήθεια μελλοντικών αποστολών όπως το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA και το SPHEREx Observatory - για να συγκεντρωθούν αρκετά κενά δεδομένα ώστε να είναι στο ίδιο επίπεδο με τις αντικρουόμενες μετρήσεις σουπερνόβα CMB και Type Ia.

Ο Ντάρερ επισημαίνει επίσης ότι ίσως αυτά τα επιχειρήματα - οι προσπάθειες συμφιλίωσης των κοσμικών εντάσεων - είναι όλα φασαρία για το τίποτα και ότι οι παρατηρητικές διαφωνίες θα μπορούσαν να υποδεικνύουν μια πραγματικότητα που οι επιστήμονες δεν πρέπει να προσπαθούν να διαγράψουν.

«Οι ομάδες σουπερνόβα και CMB κάνουν μετρήσεις που είναι πολύ, πολύ διαφορετικές», είπε. «Έτσι μπορεί να υπάρχει νέα φυσική που εξηγεί γιατί δεν πρέπει να βλέπουμε το ίδιο πράγμα».

Σημείωση του συντάκτη: Η Alice Pisani λαμβάνει χρηματοδότηση από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το συντακτικά ανεξάρτητο περιοδικό. Οι αποφάσεις χρηματοδότησης του Simons Foundation δεν επηρεάζουν την κάλυψή μας. Περισσότερες λεπτομέρειες είναι διαθέσιμο εδώ.