Οι κοσμολόγοι δεν μπορούν να συμφωνήσουν για την Σταθερά του Hubble – πρόβλημα που μπορεί να οδηγήσει σε νέες ανακαλύψεις

Η σταθερά του Hubble H(0) μας παρέχει την ταχύτητα με την οποία οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς καθώς διαστέλλεται το σύμπαν. Κατά τα πέντε τελευταία χρόνια, οι κοσμολόγοι έχουν αναγνωρίσει ότι υπάρχει ασυμφωνία μεταξύ των διαφόρων μετρήσεων αυτής της θεμελιώδους παραμέτρου. Η κατάσταση είναι πλέον αποδεκτή ως ένα πραγματικό πρόβλημα και ορισμένοι ερευνητές είναι αισιόδοξοι ότι θα μπορούσε να οδηγήσει σε σημαντικές ανακαλύψεις. Για αυτή την «κρίση στην κοσμολογία» συζήτησαν, σε ξεχωριστή συνεδρία, τρεις ομιλητές, οι David Jones, Stephen Feeney και Bradford Benson, στην Συνάντηση του Απριλίου της American Physical Society.

Το πρόβλημα ξεκίνησε το 2013, όταν αναφέρθηκαν τα πρώτα αποτελέσματα από το δορυφόρο Planck, ο οποίος είχε μετρήσει το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (cosmic microwave background στο εξής CMB). Η τιμή της ομάδας Planck για την Η(0) ήταν 67,3±1,2 km/s/Mpc (χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ), χαμηλότερη από αυτή που μετρήθηκε προηγουμένως η οποία ήταν μεταξύ 70 και 75 km/s/Mpc. Το αποτέλεσμα είχε επίσης διαστήματα εμπιστοσύνης (error bars) αρκετά μικρότερα, που ακόμη και αυτή η λεπτή διαφορά ήταν ένα δυνητικό πρόβλημα. Το αποτέλεσμα του Planck το 2015 δεν ήταν πολύ διαφορετικό, αν και ήρθε με ακόμη μικρότερα διαστήματα εμπιστοσύνης.

Πριν από την ανακοίνωση του Planck, η συνεργασία SH0ES (Supernova, H0, for the Equation of State) υπό την ηγεσία του Adam Riess από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη, είχε ήδη στοχεύσει να κάνει μέτρηση της Η(0) στην κοσμική μας γειτονιά με τη μεγαλύτερη ακρίβεια από τις προηγούμενες προσπάθειες. Οι ερευνητές εστίασαν στην εξ αρχής επανα-βαθμονόμηση τριών καθιερωμένων τεχνικών μέτρησης απόστασης – της κίνησης των άστρων λόγω της γήινης περιφοράς (παράλλαξη), των παλλόμενων άστρων γνωστών ως μεταβλητοί Κηφείδες και των υπερκαινοφανών Τύπου Ia, ανέφερε το μέλος της ομάδας David Jones του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Santa Cruz. Με βάση τις βελτιωμένες τους μετρήσεις της απόστασης, η SH0ES ανέφερε το 2016 μια τιμή Η(0) στα 73,2±1,7 km/s/Mpc. Το αποτέλεσμα αυτό διέφερε από του Planck περισσότερο από 3 τυπικές αποκλίσεις, μια υψηλής στατιστικής σημαντικότητας διαφορά που δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί εύκολα.

Επανα-αναλύσεις των αποτελεσμάτων της SH0ES επιβεβαίωσαν τα ευρήματα του 2016, καθώς έγιναν πρόσθετες μετρήσεις της Η(0) στο τοπικό σύμπαν. Όμως ένας ανεξάρτητος προσδιορισμός της Η(0) το 2016 βασισμένος στις αποκαλούμενες ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων – το παιχνίδισμα της ύλης στο πρώιμο σύμπαν που παρήγαγε τα χαρακτηριστικά μοτίβα του CMB – ευθυγραμμίστηκε με το αποτέλεσμα Planck.

Ο Stephen Feeney του Ινστιτούτου Flatiron* στη Νέα Υόρκη, είπε ότι παρόλο που δόθηκε προσοχή στο ζήτημα, κανείς δε βρήκε κανένα πρόβλημα με τις μετρήσεις που θα μπορούσε να έχει αρκετά μεγάλη επίδραση για να κλείσει το χάσμα. Οι κοσμολόγοι επίσης συζητούν εάν το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο, γνωστό ως ΛCDM**, μπορεί να χρειάζεται τροποποίηση. Η θεωρία αυτή χρησιμοποιείται για τους προσδιορισμούς της Η(0) που βασίζονται στο CMB. Όμως οι προτεινόμενες διορθώσεις για το ΛCDM, όλες, παρουσιάζουν ορισμένες τουλάχιστον συγκρούσεις με άλλους τύπους δεδομένων. Ο Feeney εκτιμά ότι οι πιθανότητες ότι όλα τα δεδομένα θα μπορούσαν να εξηγηθούν μόνο με στατιστικά στοιχεία και το ΛCDM, είναι 60:1.

Τον τελευταίο χρόνο, η ομάδα Planck πραγματοποίησε μια περισσότερο λεπτομερή ανάλυση των δεδομένων της και βρήκε ότι οι CMB-διακυμάνσεις σε μικρότερες γωνιακές κλίμακες είχαν την μεγαλύτερη επίδραση στη σμίκρυνση της Η(0). Περιγράφοντας τα αποτελέσματα αυτά, ο Bradford Benson του Fermilab είπε ότι όταν η ομάδα χρησιμοποίησε μόνο τα δεδομένα της από μεγαλύτερες γωνιακές κλίμακες (πάνω από 0,2 μοίρες), παρήγαγαν μια τιμή της Η(0) που συμφωνεί με το αποτέλεσμα της SH0ES.

Σύμφωνα με τον Benson, οι μικρότερες γωνιακές κλίμακες παρέχουν έναν πιο ευαίσθητο έλεγχο μιας συγκεκριμένης παραμέτρου στο ΛCDM, από ότι οι μεγαλύτερες κλίμακες. Η παράμετρος είναι η πυκνότητα των νετρίνων στο σύμπαν, που πρέπει να είναι ανάλογη με τον αριθμό των ειδών των νετρίνων (υπάρχουν τρία είδη στο καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής). Η αύξηση του αριθμού των τύπων των νετρίνων είναι ένας από τους λίγους τρόπους να αλλάξει λογικά το ΛCDM και να αυξηθεί η Η(0) του Planck, αρκετά για να κλείσει το χάσμα με τις τοπικές μετρήσεις. Ωστόσο, αναφέρει ο Benson, η λύση αυτή θα απαιτούσε επίσης νετρίνα με μεγαλύτερη μάζα για να αποφευχθούν διαφωνίες με άλλα σύνολα κοσμολογικών δεδομένων. Και βεβαίως, δεν υπάρχουν πολλά στοιχεία για ένα τέταρτο τύπο νετρίνου.

Οι Jones, Feeney και Benson συμφώνησαν ότι η ασυμφωνία δεν θα πάει μακριά και ότι είναι αναγκαία περισσότερα στοιχεία για να εξηγηθεί. Ο αναμενόμενος μελλοντικός πλούτος των βαρυτικών κυμάτων από συγχωνεύσεις διπλών άστρων νετρονίων, για παράδειγμα, θα δώσει ανεξάρτητες εκτιμήσεις για την Η(0). (Ένα γεγονός του περασμένου χρόνου οδήγησε σε μια τιμή κάπου μεταξύ αυτών των ομάδων Planck και SH0ES όμως με πολύ μεγαλύτερα διαστήματα εμπιστοσύνης.) Επιπροσθέτως, το Τηλεσκόπιο Νότιου Πόλου και το Κοσμολογικό Τηλεσκόπιο της Atacama έχουν αναβαθμίσει τον εξοπλισμό τους που σύντομα θα δώσει καλύτερους χάρτες του CMB και ο δορυφόρος Gaia θα παράσχει ένα νέο επίπεδο ακρίβειας των μετρήσεων της παράλλαξης.

Ο Benson θεωρεί πως υπάρχει μια καλή πιθανότητα ότι μια «ευνοϊκή» εξήγηση θα λύσει το πρόβλημα. Εντούτοις, σε άλλη συνεδρία (της συνάντησης της American Physical Society), ο Riess επισήμαινε ότι τα προβλήματα με την τιμή της Η(0) έχουν οδηγήσει σε μεγάλες ανακαλύψεις στο παρελθόν, της σκοτεινής ενέργειας συμπεριλαμβανομένης.
----------------------------
*Το Ινστιτούτο έχει αποστολή την προχωρημένη επιστημονική έρευνα μέσω υπολογιστικών μεθόδων, που περιλαμβάνουν ανάλυση δεδομένων, μοντελοποίηση και προσομοίωση.
**Το ΛCDM μοντέλο είναι μία παραμετροποίηση του κοσμολογικού μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης στο οποίο το σύμπαν περιέχει μία κοσμολογική σταθερά, που δηλώνεται ως Λ, καθώς επίσης και ψυχρή σκοτεινή ύλη (Cold Dark Matter).