Σύμπαν – Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου: Κοσμολογικό μυστήριο επιλύεται με τη βοήθεια του νέου χάρτη κενών και υπερσμηνών

Ομάδα αστροφυσικών στο Πανεπιστήμιο του Portsmouth δημιούργησε τον μεγαλύτερο από ποτέ χάρτη των κενών και των υπερσμηνών στο σύμπαν, ο οποίος βοηθά να λυθεί ένα για πολλά χρόνια υφιστάμενο κοσμολογικό μυστήριο. Ο χάρτης των θέσεων των κοσμικών κενών – μεγάλες άδειες περιοχές που περιλαμβάνουν σχετικά λίγους γαλαξίες – και των υπερσμηνών – τεράστιες περιοχές με πολύ περισσότερους γαλαξίες από το κανονικό – μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει την επίδραση της Σκοτεινής Ενέργειας στο «τέντωμα» του σύμπαντος. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τις προβλέψεις της θεωρίας βαρύτητας του Einstein.

«Χρησιμοποιήσαμε μια νέα τεχνική για να κάνουμε πολύ ακριβείς μετρήσεις της επίδρασης που αυτές οι δομές έχουν στα φωτόνια από την Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (cosmic microwave background ή CMB) – το φως που έμεινε από την περίοδο λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη – όταν περνούν δια μέσου τους», είπε ο Dr Seshadri Nadathur, από το Ινστιτούτο Κοσμολογίας και Βαρύτητας του Πανεπιστημίου. «Το φως από την CMB ταξιδεύει μέσω τέτοιων κενών και υπερσμηνών στο δρόμο του προς εμάς. Σύμφωνα με την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, το φαινόμενο του τεντώματος προκαλεί μια μικρή αλλαγή στην θερμοκρασία του φωτός CMB που εξαρτάται από το από που έρχεται. Τα φωτόνια του φωτός που ταξιδεύουν μέσω των κενών θα εμφανίζονται ελαφρώς ψυχρότερα από τα κανονικά και αυτά που φτάνουν από τα υπερσμήνη θα εμφανίζονται ελαφρώς θερμότερα».


Κενά και υπερσμήνη σε τμήματα του χάρτη της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου. Τα φωτόνια της Ακτινοβολίας που περνούν από κενά εμφανίζονται ελαφρώς ψυχρότερα από το μέσο όρο (αριστερό τμήμα της εικόνας), ενώ αυτά που περνούν από υπερσμήνη εμφανίζονται ελαφρώς θερμότερα (δεξιό τμήμα της εικόνας). Σε κύκλους οι περιοχές όπου τα φαινόμενο αναμένεται να είναι σημαντικό.

«Αυτό είναι γνωστό ως το Ολοκληρωμένο Φαινόμενο Sachs-Wolfe (ISW). Όταν μελετήθηκε αυτό το φαινόμενο από αστρονόμους στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης το 2008 με τη χρήση ενός παλιότερου καταλόγου των κενών και των υπερσμηνών, το φαινόμενο φάνηκε να είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από ότι προβλέπονταν. Αυτό προβλημάτισε τους επιστήμονες για μακρύ χρονικό διάστημα, έτσι το ξαναείδαμε με τα νέα δεδομένα».

Για να δημιουργήσει τον χάρτη των κενών και των υπερσμηνών, η ομάδα του Portsmouth χρησιμοποίησε περισσότερους από τα τρία τέταρτα του ενός εκατομμυρίου γαλαξίες που ταυτοποιήθηκαν από Sloan Digital Sky Survey. Αυτό απέδωσε στην ομάδα ένα κατάλογο δομών περισσότερο από 300 φορές μεγαλύτερο από αυτόν που χρησιμοποιήθηκε προηγουμένως. Μετά, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μεγάλες υπολογιστικές προσομοιώσεις του σύμπαντος για να προβλέψουν το μέγεθος του φαινομένου ISW. Επειδή το φαινόμενο είναι πολύ μικρό, η ομάδα έπρεπε να αναπτύξει μια ισχυρή νέα στατιστική τεχνική για να μπορέσει να μετρήσει τα δεδομένα της CMB.

Εφάρμοσαν αυτή την τεχνική για τα δεδομένα της CMB από τον δορυφόρο Planck (μικρή εικόνα) και μπόρεσαν να κάνουν μια πολύ ακριβή μέτρηση του φαινομένου ISW των κενών και των υπερσμηνών. Αντίθετα από την προηγούμενη εργασία, οι επιστήμονες βρήκαν ότι το νέο αποτέλεσμα συμφωνεί εξαιρετικά καλά με τις προβλέψεις που έγιναν με την χρήση της βαρύτητας του Einstein.


Χάρτης της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου σε όλο τον ουρανό με το ασυνήθιστα «Ψυχρό Σημείο» σε κύκλο.

«Τα αποτελέσματά μας επιλύουν ένα από τα επί μακρόν υφιστάμενα κοσμολογικά προβλήματα, αλλά κάνοντάς το έχουν κάνει βαθύτερο το μυστήριο ενός πολύ ασυνήθιστου «Ψυχρού Σημείου» στην CMB. Είχε προταθεί ότι το Ψυχρό Σημείο θα μπορούσε να υπάρχει εξαιτίας του φαινομένου ISW ενός γιγάντιου «υπερκενού» που υπήρχε σε αυτή την περιοχή του ουρανού. Όμως, εάν η θεωρία βαρύτητας του Einstein είναι σωστή, το υπερκενό δεν είναι αρκετά μεγάλο για να εξηγήσει το Ψυχρό Σημείο», δήλωσε ο Dr Nadathur και συμπλήρωσε: «Πιστεύονταν ότι υπήρχε κάποια εξωτική βαρυτική επίδραση που είναι αντίθετη στον Einstein που θα εξηγούσε ταυτόχρονα και το Ψυχρό Σημείο και τα ασυνήθιστα αποτελέσματα ISW από τη Χαβάη. Όμως αυτή η πιθανότητα τέθηκε εκτός από τη νέα δική μας μέτρηση – και έτσι το μυστήριο του Ψυχρού Σημείου παραμένει ανεξήγητο».