Ο Don Lincoln είναι ανώτερος επιστήμονας στο ερευνητικό ίδρυμα Fermilab του Υπουργείου Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου, το μεγαλύτερο ερευνητικό ίδρυμα μεγάλης συγκέντρωσης γαδρονίων της χώρας. Γράφει επίσης για την επιστήμη για το κοινό, συμπεριλαμβανομένων των πρόσφατων "Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων: Η Εξαιρετική Ιστορία του Βόσμωνα Χιγκς και άλλα πράγματα που θα πνίξουν το μυαλό σας»(Johns Hopkins University Press, 2014) .Μπορείτε να τον ακολουθήσετεFacebook. Ο Λίνκολν συνέβαλε αυτό το άρθρο στο Live ScienceΕξειδικευμένες φωνές: Op-Ed & Insights.
Για όσο έχουμε κρατήσει αρχεία, η ανθρωπότητα έχει λατρεύει τον νυχτερινό ουρανό. Έχουμε εξετάσει τους ουρανούς για να καθορίσουμε τη θέληση των θεών και να αναρωτηθούμε για το νόημα όλων αυτών. Τα απλά 5.000 αστέρια που μπορούμε να δούμε με το άδικο μάτι ήταν συντρόφια της ανθρωπότητας για χιλιετίες.
Οι σύγχρονες αστρονομικές εγκαταστάσεις μας έχουν δείξει ότι το σύμπαν δεν αποτελείται μόνο από χιλιάδες αστέρια - αποτελείται από εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια στον γαλαξία μας μόνο, με τρισεκατομμύρια γαλαξίες. Τα παρατηρητήρια μας έχουν διδάξει για τη γέννηση και την εξέλιξη του σύμπαντος. Και, στις 3 Αυγούστου, μια νέα εγκατάσταση έκανε την πρώτη της ουσιαστική ανακοίνωση και πρόσθεσε στην αντίληψή μας για τον Κόσμο. Μας επιτρέπει να δούμε το απρόσιτο και έδειξε ότι η κατανομή της ύλης στο σύμπαν διέφερε λίγο από τις προσδοκίες.
Η έρευνα Dark Energy (DES) είναι μια συνεργασία περίπου 400 επιστημόνων που έχουν ξεκινήσει μια πενταετή αποστολή για να μελετήσουν μακρινούς γαλαξίες για να απαντήσουν σε ερωτήσεις σχετικά με την ιστορία του σύμπαντος. Χρησιμοποιεί τη σκοτεινή ενεργειακή κάμερα (DEC) που είναι προσαρτημένη στο τηλεσκόπιο 4μέτρων του Victor M. Blanco στο διαμερικανικό παρατηρητήριο Cerro Tololo στις χιλιανές Άνδεις. Το DEC συναρμολογήθηκε στις Η.Π.Α. στο Fermilab κοντά στην Batavia του Illinois και είναι μια κάμερα 570-megapixel ικανή να απεικονίσει γαλαξίες τόσο μακριά ώστε το φως τους να είναι ένα εκατομμύριο τόσο φωτεινό όσο τα πιο αχνά ορατά αστέρια.
Σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη
Το DES είναι το κυνήγι της σκοτεινής ενέργειας, που είναι ένα προτεινόμενο ενεργειακό πεδίο στο σύμπαν που είναι μια απωστική μορφή βαρύτητας. Ενώ η βαρύτητα ασκεί μια ακαταμάχητη έλξη, η σκοτεινή ενέργεια ωθεί το σύμπαν να επεκταθεί με έναν συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό. Το αποτέλεσμά του παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1998 και εξακολουθούμε να έχουμε πολλά ερωτήματα σχετικά με τη φύση του.
Ωστόσο, με τη μέτρηση της θέσης και της απόστασης 300 εκατομμυρίων γαλαξιών στο νότιο νυχτερινό ουρανό, η έρευνα θα μπορέσει να κάνει σημαντικές δηλώσεις για ένα άλλο αστρονομικό μυστήριο, που ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι είναι πέντε φορές πιο διαδεδομένη στο σύμπαν απ 'ότι η συνηθισμένη ύλη. Ωστόσο, δεν αλληλεπιδρά με το φως, τα ραδιοκύματα ή οποιαδήποτε μορφή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Και δεν φαίνεται να συναθροίζεται για να σχηματίσει μεγάλα σώματα όπως οι πλανήτες και τα αστέρια.
Δεν υπάρχει τρόπος να δούμε απευθείας τη σκοτεινή ύλη (εξ ου και το όνομα). Ωστόσο, τα αποτελέσματά της μπορούν να παρατηρηθούν έμμεσα, αναλύοντας το πόσο γρήγορα περιστρέφονται οι γαλαξίες. Αν υπολογίσετε τις ταχύτητες περιστροφής που υποστηρίζονται από την ορατή μάζα των γαλαξιών, θα ανακαλύψετε ότι περιστρέφονται πιο γρήγορα από ό, τι θα έπρεπε. Με όλα τα δικαιώματα, αυτοί οι γαλαξίες θα πρέπει να διαχωριστούν. Μετά από δεκαετίες έρευνας, οι αστρονόμοι έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι κάθε γαλαξίας περιέχει σκοτεινή ύλη, η οποία παράγει την πρόσθετη βαρύτητα που συγκρατεί τους γαλαξίες μαζί.
Σκοτεινή ύλη στο σύμπαν
Ωστόσο, στην πολύ μεγαλύτερη κλίμακα του σύμπαντος, η μελέτη μεμονωμένων γαλαξιών δεν αρκεί. Μια άλλη προσέγγιση είναι απαραίτητη. Για το λόγο αυτό, οι αστρονόμοι πρέπει να χρησιμοποιούν μια τεχνική που ονομάζεται βαρυτικός φακός.
Ο βαρυτικός φακός προβλεπόταν το 1916 από τον Albert Einstein και πρωτοεμφανίστηκε από τον Sir Arthur Eddington το 1919. Η θεωρία γενικής σχετικότητας του Einstein λέει ότι η βαρύτητα που βιώνουμε προκαλείται πραγματικά από την καμπυλότητα του χωροχρόνου. Δεδομένου ότι το φως ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή δια μέσου του χώρου, εάν ο χώρος-χρόνος είναι καμπύλος, θα κοιτάξει σε έναν παρατηρητή σαν να φως που ταξιδεύει μια καμπύλη διαδρομή μέσα από το διάστημα.
Αυτό το φαινόμενο μπορεί να αξιοποιηθεί για να μελετηθεί η ποσότητα και η κατανομή της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν. Οι επιστήμονες που αναζητούν έναν μακρινό γαλαξία (που ονομάζεται γαλαξία φακών), ο οποίος έχει έναν άλλο γαλαξία ακόμα πιο μακριά πίσω του (ο αποκαλούμενος παρατηρούμενος γαλαξίας), μπορεί να δει μια παραμορφωμένη εικόνα του παρατηρούμενου γαλαξία. Η παραμόρφωση σχετίζεται με τη μάζα του γαλαξία των φακών. Επειδή η μάζα του φακοειδούς φακού είναι ένας συνδυασμός ορατής ύλης και σκοτεινής ύλης, ο βαρυτικός φακός επιτρέπει στους επιστήμονες να παρατηρούν άμεσα την ύπαρξη και τη διανομή της σκοτεινής ύλης σε κλίμακες τόσο μεγάλες όσο το ίδιο το σύμπαν. Αυτή η τεχνική λειτουργεί επίσης όταν μια μεγάλη συστάδα των γαλαξιών του προσκηνίου στρεβλώνει τις εικόνες των συστάδων ακόμη πιο μακριών γαλαξιών, που είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται για αυτή τη μέτρηση.
Λουλούδι ή όχι;
Η συνεργασία του DES δημοσίευσε πρόσφατα μια ανάλυση χρησιμοποιώντας ακριβώς αυτή την τεχνική. Η ομάδα εξέτασε ένα δείγμα 26 εκατομμυρίων γαλαξιών σε τέσσερις διαφορετικές αποστάσεις από τη Γη. Οι πιο κοντινοί γαλαξίες έσπαζαν εκείνους που ήταν πιο μακριά. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική και εξετάζοντας προσεκτικά τη στρέβλωση των εικόνων όλων των γαλαξιών, μπόρεσαν να καταγράψουν τη διανομή της αόρατης σκοτεινής ύλης και πώς κινήθηκε και συγκεντρώθηκε τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια ή το ήμισυ της διάρκειας ζωής των σύμπαν.
Όπως αναμενόταν, διαπίστωσαν ότι η σκοτεινή ύλη του σύμπαντος ήταν "άμορφη". Εντούτοις, υπήρξε μια έκπληξη - ήταν λίγο λιγότερο άμορφη από ό, τι είχαν προβλέψει οι προηγούμενες μετρήσεις.
Μία από αυτές τις αντιφατικές μετρήσεις προέρχεται από το υπολειπόμενο ραδιοσήμα από τον αρχαιότερο χρόνο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, που ονομάζεται κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB). Το CMB περιέχει μέσα του την κατανομή ενέργειας στον Κόσμο όταν ήταν 380.000 ετών. Το 1998, η συνεργασία Cosmic Background Explorer (COBE) ανακοίνωσε ότι το CMB δεν ήταν απολύτως ομοιόμορφο, αλλά μάλλον είχε ζεστά και κρύα σημεία που διέφεραν από την ομοιόμορφη με 1 μέρος στα 100.000. Οι αισθητήρες ανίχνευσης ανίχνευσης μικροκυμάτων Wilkinson (WMAP) και Planck επιβεβαίωσαν και εξευγενισμένα τις μετρήσεις COBE.
Κατά τη διάρκεια των 7 δισεκατομμυρίων ετών μεταξύ της εκπομπής του CMB και της χρονικής περιόδου που μελέτησε το DES, αυτές οι θερμότερες περιοχές του σύμπαντος έφεραν το σχηματισμό της δομής του Κόσμου. Η μη ομοιόμορφη κατανομή ενέργειας που συλλαμβάνεται στο CMB, σε συνδυασμό με την ενισχυτική δύναμη της βαρύτητας, προκάλεσε κάποιες κηλίδες στο σύμπαν να γίνονται πυκνότερες και άλλες λιγότερο. Το αποτέλεσμα είναι το σύμπαν που βλέπουμε γύρω μας.
Το CMB προβλέπει τη διανομή της σκοτεινής ύλης για έναν απλό λόγο: Η κατανομή της ύλης στο σύμπαν μας στο παρόν εξαρτάται από τη διανομή του στο παρελθόν. Άλλωστε, εάν υπήρχε μια συσσώρευση ουσίας στο παρελθόν, αυτή η ύλη θα προσελκύσει κοντινή ύλη και το συστάδες θα αυξηθεί. Παρομοίως, εάν επρόκειτο να προβάλλουμε στο μακρινό μέλλον, η κατανομή της ύλης σήμερα θα επηρέαζε το αύριο για τον ίδιο λόγο.
Έτσι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τις μετρήσεις του CMB σε 380.000 χρόνια μετά το Big Bang για να υπολογίσουν τι θα πρέπει να φαίνεται το σύμπαν 7 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα. Όταν σύγκρισαν τις προβλέψεις με τις μετρήσεις από το DES, διαπίστωσαν ότι οι μετρήσεις DES ήταν λίγο λιγότερο άμορφοι από τις προβλέψεις.
Ατελής εικόνα
Είναι μια μεγάλη υπόθεση; Μπορεί. Η αβεβαιότητα ή το σφάλμα στις δύο μετρήσεις είναι αρκετά μεγάλη ώστε σημαίνει ότι δεν διαφωνούν με στατιστικά σημαντικό τρόπο. Αυτό απλά σημαίνει ότι κανείς δεν μπορεί να είναι σίγουρος ότι οι δύο μετρήσεις διαφωνούν πραγματικά. Θα μπορούσε να είναι ότι οι αποκλίσεις προκύπτουν τυχαία από τις στατιστικές διακυμάνσεις των δεδομένων ή από τις μικρές δράσεις που δεν εξετάστηκαν.
Ακόμη και οι συγγραφείς της μελέτης προτείνουν την προσοχή εδώ. Οι μετρήσεις DES δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί από ομότιμους. Οι εργασίες υποβλήθηκαν για δημοσίευση και τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν σε συνέδρια, αλλά τα συμπεράσματα πρέπει να περιμένουν έως ότου εισέλθει ο διαιτητής.
Τι είναι το μέλλον; Η DES έχει πενταετή αποστολή, από την οποία έχουν καταγραφεί τέσσερα έτη δεδομένων. Το πρόσφατα ανακοινωθέν αποτέλεσμα χρησιμοποιεί μόνο τα στοιχεία του πρώτου έτους. Τα πιο πρόσφατα δεδομένα βρίσκονται ακόμη σε ανάλυση. Επιπλέον, το πλήρες σύνολο δεδομένων θα καλύπτει 5.000 τετραγωνικά μοιρών του ουρανού, ενώ το πρόσφατο αποτέλεσμα καλύπτει μόνο 1.500 τετραγωνικά μοίρες και ομότιμους μόνο το ήμισυ του δρόμου πίσω στο χρόνο. Έτσι, η ιστορία δεν είναι προφανώς πλήρης. Η ανάλυση του πλήρους συνόλου δεδομένων δεν αναμένεται μέχρι το 2020.
Ωστόσο, τα δεδομένα που λαμβάνονται σήμερα ήδη θα μπορούσαν να σημαίνουν ότι υπάρχει μια πιθανή ένταση στην κατανόηση της εξέλιξης του σύμπαντος. Και, ακόμη και αν αυτή η ένταση εξαφανιστεί καθώς αναλύονται περισσότερα δεδομένα, η συνεργασία DES συνεχίζει να κάνει και άλλες μετρήσεις. Θυμηθείτε ότι τα γράμματα "DE" στο όνομα υποδηλώνουν σκοτεινή ενέργεια. Αυτή η ομάδα θα μπορέσει τελικά να μας πει κάτι σχετικά με τη συμπεριφορά της σκοτεινής ενέργειας στο παρελθόν και τι μπορούμε να περιμένουμε να δούμε στο μέλλον. Αυτή η πρόσφατη μέτρηση είναι μόνο η αρχή του τι αναμένεται να είναι ένας επιστημονικά συναρπαστικός χρόνος.
Αυτή η έκδοση του άρθρου δημοσιεύθηκε αρχικά στη Live Science.
