Μια ματιά στη φύση του σύμπαντος μας, που τροφοδοτείται από BAOs

- Σουέθα Σριναβασάν

Με καθοδήγηση τους Tafheem Ahmad Masudi και Sukant Khurana

Πόσο μεγάλο είναι το σύμπαν μας; Τελειώνει κάπου; Θα συνεχιστεί για πάντα;

Αυτές οι ερωτήσεις έχουν τεθεί από τόσους πολλούς ανθρώπους, από τόσους πολιτισμούς σε όλη την ιστορία. Έχουν αναζητηθεί απαντήσεις σε αυτές και αυτές είναι μερικές από τις πιο συγκεχυμένες, αλλά ενδιαφέρουσες ερωτήσεις ποτέ.

Πίστωση: phys.org

Ας υποθέσουμε ότι το σύμπαν είναι πεπερασμένο. Τότε, πού θα πήγαινε το χέρι μας αν το κολλήσαμε από την άκρη; Αυτό εξετάστηκε από τους Έλληνες. Ένιωσαν επίσης ότι ένα άπειρο σύμπαν ήταν αδύνατο. Αυτό τους άφησε ένα παράδοξο.

Στις αρχές του 1800, ο Heinrich Oblers υποστήριξε ότι το σύμπαν δεν μπορεί να είναι άπειρο. Διότι, αν θέλαμε να κοιτάξουμε στον ουρανό, και αν ήταν άπειρο, τότε πρέπει να υπάρχει ένα αστέρι στην οπτική μας όψη. Αν και το φαινόμενο μέγεθος μπορεί να είναι μικρό, η φωτεινότητα της μικρής επιφάνειας θα παραμείνει σταθερή. Εάν το σύμπαν ήταν γεμάτο αστέρια, τότε ο νυχτερινός ουρανός πρέπει επίσης να είναι φωτεινός. Δεδομένου ότι υπάρχουν σκοτεινά μπαλώματα στον νυχτερινό ουρανό, το σύμπαν πρέπει να είναι πεπερασμένο. Ο Νεύτωνας, αφού ανακάλυψε τη βαρύτητα, ήξερε ότι ήταν μια παγκόσμια, ελκυστική δύναμη. Εάν το σύμπαν ήταν πεπερασμένο, θα υπόκειται στη βαρύτητα και θα καταρρεύσει πάνω του.

Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, το σύμπαν θα πρέπει είτε να διαστέλλεται είτε να συστέλλεται. Οι εξισώσεις του απαιτούσαν μια τέτοια λύση. Ωστόσο, εισήγαγε μια σταθερά που ονομάζεται κοσμολογική σταθερά που ακύρωσε τα αποτελέσματα της βαρύτητας σε μεγάλη κλίμακα. Έκανε την υπόθεση ότι το σύμπαν είναι στατικό, το οποίο τελικά έγινε το μεγαλύτερο λάθος του.

Η μεγάλη ανακάλυψη

Το 1929, ο Edwin Hubble, έκανε μια κριτική ανακάλυψη. Μέτρησε τις σχετικές αποστάσεις των γαλαξιών μετρώντας τη φωτεινότητα των μεταβλητών άστρων του Cepheid. Επίσης μέτρησε τις κόκκινες μετατοπίσεις αυτών των γαλαξιών. Οι κόκκινες μετατοπίσεις έναντι της απόστασης αποδείχθηκαν γραμμικές. Οι ερυθρές μετατοπίσεις αυξήθηκαν γραμμικά με την απόσταση. Η πιθανή εξήγηση ήταν ότι το σύμπαν επεκτείνεται.

Οι αστρονόμοι συνειδητοποίησαν τότε ότι εάν το σύμπαν επεκτείνεται, τότε θα πρέπει να ήταν μικρότερο στο παρελθόν, και στον πρώιμο χρόνο, πρέπει να ήταν μόνο ένα μικρό σημείο. Αυτό εξηγεί τη θεωρία του Big Bang για την εξέλιξη του σύμπαντος (skyserver.sdss.org)

Πίστωση: LiveScience

Μοίρα του Σύμπαντος

Όλη αυτή η συζήτηση απαιτεί μια μικρή σημείωση σχετικά με την τύχη του σύμπαντος. Υπάρχουν τρεις πιθανές επιλογές.

Εάν η πυκνότητα του σύμπαντος είναι μεγαλύτερη από μια κρίσιμη πυκνότητα, η βαρύτητα θα αναλάβει, η επέκταση σταματά και το σύμπαν καταρρέει πάνω του, αυτό που είναι ευρέως γνωστό ως το Big Crunch. Ένα τέτοιο σύμπαν είναι ένα κλειστό σύμπαν.

Εάν η πυκνότητα του σύμπαντος είναι ακριβώς ίση με την κρίσιμη πυκνότητα, τότε το σύμπαν είναι βασικά επίπεδο. Επεκτείνεται, αλλά μετά από πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, ο ρυθμός επέκτασης γίνεται μηδέν.

Εάν η πυκνότητα είναι μικρότερη από μια κρίσιμη πυκνότητα, το σύμπαν συνεχίζει να επεκτείνεται, είναι ένα ανοιχτό σύμπαν. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ένα μεγάλο σχίσιμο.

Τι οδηγεί σε αυτήν την επέκταση;

Δεν υπάρχει κανένα τέτοιο σημείο που να ονομάζεται το κέντρο του σύμπαντος, από όπου επεκτείνονται οι οντότητες. Τα πράγματα δεν απομακρύνονται από το κέντρο αλλά απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Ο χώρος επεκτείνεται. Δεν το βλέπουμε μέσα στο ηλιακό μας σύστημα, ή αισθητά μέσα στον γαλαξία μας, επειδή η βαρύτητα σε τέτοιες περιοχές είναι αρκετά ισχυρή. Όμως σε κοσμολογική κλίμακα, τα πράγματα απομακρύνονται το ένα από το άλλο και ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται επέκταση δεν είναι σταθερός αλλά αυξάνεται. Τα πράγματα απομακρύνονται το ένα από το άλλο πιο γρήγορα και πιο γρήγορα.

Το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντός μας είναι η σκοτεινή ενέργεια και λέγεται ότι αυτή η σκοτεινή ενέργεια είναι αυτό που οδηγεί την επέκταση.

Πίστωση: SciTechDaily

Υπήρξαν πολλές πρόσφατες εξελίξεις για την αποκωδικοποίηση αυτού του μυστηριώδους φαινομένου. Το πρόγραμμα Baryon Acoustic Oscillations και η Bryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο.

Από BAO και κβάζαρ

Το Baryon Acoustic Oscillations (BAO) είναι κατεψυγμένα λείψανα που έχουν απομείνει από το σύμπαν προ-αποσύνδεσης. Είναι ιδανικοί χάρακες για τις κοσμολογικές μετρήσεις απόστασης του 21ου αιώνα. Οι εκτιμήσεις που παρέχονται είναι, για πρώτη φορά, βασισμένες σε καλά κατανοητή, γραμμική φυσική. (Bruce και Renee)

Το πρώιμο σύμπαν αποτελούταν από ζεστό, πυκνό πλάσμα. Αυτό περιελάμβανε βαρυόνια και ηλεκτρόνια. Τα βαρυόνια είναι τεράστια στοιχειώδη σωματίδια που αποτελούνται από τρία κουάρκ. Τα νετρόνια και τα πρωτόνια είναι βαρυόνια (astro.ucla).

Δεδομένου ότι το πλάσμα ήταν τόσο πυκνό, τα φωτόνια δεν μπορούσαν να περάσουν ελεύθερα από το χώρο καθώς υποβλήθηκαν σε σκέδαση του Thomson, επομένως τα φωτόνια ήταν ουσιαστικά συνδεδεμένα με την υπάρχουσα ύλη.

Με την πάροδο του χρόνου, το πλάσμα ψύχθηκε και τα ηλεκτρόνια συνδυάστηκαν με πρωτόνια για να σχηματίσουν υδρογόνο. Καθώς τα φωτόνια αλληλεπιδρούν λιγότερο με ουδέτερη ύλη, ήταν πλέον σε θέση να ταξιδεύουν ελεύθερα. Ο χώρος έγινε διαφανής στα φωτόνια. Τα φωτόνια αποσυνδέθηκαν.

Τώρα, σκεφτείτε μια διαταραχή που προέρχεται από μια πυκνή περιοχή του αρχέγονου πλάσματος πριν από την αποσύνδεση. Περιέχει σκοτεινή ύλη, βαρυόνια και φωτόνια. Το πλάσμα είναι ομοιόμορφο εκτός από αυτήν την πυκνή περιοχή.

Η υψηλή πίεση οδηγεί το υγρό βαρυον-φωτονίου προς τα έξω με πάνω από τη μισή ταχύτητα του φωτός. Η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά μόνο βαρυτικά, σχηματίζοντας έτσι το κέντρο της υπό εξέταση περιοχής κυματομορφής ενώ τα βαρίνια και τα φωτόνια κινούνται προς τα έξω μαζί σφαιρικά λόγω πίεσης. Καθώς συμβαίνει η αποσύνδεση, τα φωτόνια αποσυνδέονται από τα βαρυώνια και ξεφεύγουν από την κινούμενη σφαίρα, ρέοντας γρήγορα. Η σφαίρα του baryon στερεώνεται σε αυτήν την απόσταση, σταματά, έχοντας χάσει την κινητήρια πίεση. Χωρίς πλέον αλληλεπίδραση φωτονίων-βαρυών, η μόνη δύναμη που υπάρχει είναι η βαρυτική δύναμη της σκοτεινής ύλης και ως αποτέλεσμα, οι βαρυώνες αρχίζουν αργά να τραβούν προς το κέντρο. Μια ισορροπία δημιουργείται και τέλος, υπάρχουν υπερβολικά πυκνές περιοχές τόσο στην εξωτερική σφαίρα όσο και στον εσωτερικό πυρήνα. Αυτό το εξωτερικό κέλυφος ονομάζεται ορίζοντας ήχου. Αυτά θεωρούνται ανισοτροπίες στην ακτινοβολία CMB (Cosmic Microwave Background Radiation) και στη χωρική κατανομή των γαλαξιών. Αυτές οι διακυμάνσεις έχουν εξελιχθεί στα σημερινά τείχη και κενά γαλαξιών, πράγμα που σημαίνει ότι αυτή η κλίμακα ακουστικής ταλάντωσης baryon (BAO) είναι ορατή στους γαλαξίες σήμερα.

Το πρόγραμμα BAO περιλαμβάνει βασικά την εύρεση ενός ιχνηθέτη του πεδίου πυκνότητας μάζας και τον υπολογισμό της λειτουργίας 2 σημείων του. Τα χαρακτηριστικά στη λειτουργία 2 σημείων αντιστοιχούν στον ορίζοντα του ήχου. Γνωρίζοντας τη γωνία που υποχωρεί αυτή η απόσταση, μετράται το d (z). Η σύγκριση με την τιμή στο z ~ 103 μας επιτρέπει να περιορίσουμε την εξέλιξη της σκοτεινής ενέργειας (astro.berkeley.edu)

Πίστωση: www.astro.ucla.edu

Χρησιμοποιώντας το Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), δύο ομάδες φυσικών έχουν βελτιώσει την κατανόηση των επιστημόνων για τη μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια που οδηγεί το επιταχυνόμενο σύμπαν.

Τα κβάζαρ χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό. Τα κβάζαρ είναι αστρονομικά αντικείμενα πολύ υψηλής φωτεινότητας που βρίσκονται στα κέντρα ορισμένων γαλαξιών και τροφοδοτούνται από αέριο που περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα σε μια εξαιρετικά μεγάλη μαύρη τρύπα. Τα φωτεινότερα κβάζαρ μπορούν να ξεπεράσουν όλα τα αστέρια στους γαλαξίες στους οποίους κατοικούν, γεγονός που τα καθιστά ορατά ακόμη και σε αποστάσεις δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Τα κβάζαρ είναι από τα πιο μακρινά και φωτεινά αντικείμενα που είναι γνωστά (Britannica).

Πίστωση: Δημοφιλείς μηχανικοί

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που τροφοδοτούν τους ραδιο γαλαξίες και τα κβάζαρ διαδραματίζουν εξέχοντα ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών. Τα κβάζαρ περιβάλλονται από σκόνη. Το φως που αφήνει τους γαλαξίες ρέει μέσα από αυτή τη σκόνη, αποκαλύπτοντας το αποτύπωμα των BAO.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, οι αστρονόμοι έχουν δημιουργήσει τον πιο ακριβή χάρτη των γαλαξιών στο μακρινό σύμπαν, προσφέροντας ένα παράθυρο στο παρελθόν και, ενδεχομένως, στη σκοτεινή ενέργεια.

Η BOSS χρησιμοποιεί ένα ειδικά σχεδιασμένο όργανο που ονομάζεται φασματογράφος στο τηλεσκόπιο 2,5 μέτρων SDSS στο Παρατηρητήριο Apache Point στο Νέο Μεξικό. Το έργο στοχεύει να παρατηρήσει περισσότερους από ένα εκατομμύριο γαλαξίες σε έξι χρόνια (space.com).

Μια απεικόνιση της έννοιας των ακουστικών ταλαντώσεων του βαρυών, που αποτυπώνονται στο πρώιμο σύμπαν και εξακολουθούν να φαίνονται σήμερα σε έρευνες γαλαξιών όπως το BOSS Credit: sgss3.org

Σύγκριση του φάσματος ισχύος των γαλαξιών SDSS-II LRGs και BOSS DR9 CMASS. Οι συμπαγείς γραμμές δείχνουν τα καλύτερα μοντέλα. Πίστωση: Anderson et al. 2012

Αυτές οι ακουστικές ταλαντώσεις του βαρυονίου έχουν τώρα μετρηθεί στην κατανομή των γαλαξιών.

Χρησιμοποιώντας την ακουστική κλίμακα ως φυσικά βαθμονομημένο χάρακα, η απόσταση της γωνιακής διαμέτρου θα μετρηθεί με ακρίβεια 1% σε ερυθρές μετατοπίσεις z = 0,3 και z = 0,55. Το BOSS θα μετρήσει επίσης την κατανομή των γραμμών απορρόφησης κβάζαρ και τον κοσμικό ρυθμό διαστολής H (z). Αυτές οι μετρήσεις θα παρέχουν απαιτητικές δοκιμές για θεωρίες σκοτεινής ενέργειας και για την προέλευση της κοσμικής επιτάχυνσης. (sdss3.org)

Έτσι, βλέπουμε ότι η μελέτη των BAOs άνοιξε ένα νέο δρόμο και μια νέα οδό εξερεύνησης. Παρέχουν καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του σύμπαντος, της φύσης και της συμπεριφοράς του. Μέρα με τη μέρα, πλησιάζουμε σιγά-σιγά αλλά σίγουρα προς την αποκάλυψη (ή «ununiversing») τις αλήθειες και τα θαυμάσια μυστικά του σύμπαντος.

βιβλιογραφικές αναφορές

· Https://www.space.com/15101-dark-energy-distant-galaxy-map.html

· Http://www.sdss3.org/surveys/boss.php

· Https://www.space.com/26279-universe-expansion-measurement-quasars-boss.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/glossary.html#BAO

· Http://www.loc.gov/rr/scitech/mysteries/universe.html

· Https://edition.cnn.com/2014/04/08/tech/innovation/universe-expansion-astronomers/index.html

· Http://www.astro.ucla.edu/~wright/BAO-cosmology.html

· Http://skyserver.sdss.org/dr1/en/astro/universe/universe.asp

· Http://w.astro.berkeley.edu/~mwhite/bao/

· Https://www.britannica.com/science/quasar

· Εφημερίδα της Αστρονομικής Ιστορίας και Κληρονομιάς, 17 (3), 267–282 (2014), Η ανακάλυψη των κβάζαρ και τα επακόλουθά της, KI Kellermann

· Baryon Acoustic Oscillations, Bruce A. Bassett & Renee Hlozek, Dark Energy, Ed. P. Ruiz-Lapuente, 2010