Είναι γνωστό ότι το σύμπαν επεκτείνεται, αλλά υπάρχει σοβαρή διαφωνία μεταξύ των επιστημόνων σχετικά με το πόσο γρήγορα συμβαίνει αυτό.
Δύο από τους καλύτερους τρόπους μέτρησης του ρυθμού κοσμικής επέκτασης, η σταθερά του Hubble, δίνουν απαντήσεις που είναι επίμονα αντιφατικές. Αυτό αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα στη σύγχρονη κοσμολογία, γνωστό ως «ένταση του Hubble».
Ωστόσο, αναρωτηθήκαμε αν μια ιδέα που προτάθηκε αρχικά για να λύσει ένα άλλο κοσμικό μυστήριο — την προέλευση των κοσμικών μαγνητικών πεδίων — θα μπορούσε να μας βοηθήσει να ξεδιαλύνουμε το μυστήριο της έντασης του Hubble.
Η πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνά μας επιχειρεί να επαληθεύσει αν τα εξαιρετικά αδύναμα μαγνητικά πεδία που απομένουν από τις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να ξεδιαλύνουμε την ένταση του Hubble, προσφέροντας παράλληλα μια γεύση από τη φυσική σε ενέργειες πολύ πέρα από ό,τι είναι εφικτό στη Γη.
Η σταθερά του Hubble και η ένταση
Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τη σταθερά του Hubble ως μέτρο του ρυθμού με τον οποίο επεκτείνεται το σύμπαν. Πήρε το όνομά της από τον Αμερικανό αστρονόμο Edwin Hubble, ο οποίος ανακάλυψε πρώτος ότι το σύμπαν επεκτείνεται.
Υπάρχουν δύο εννοιολογικά διαφορετικές προσεγγίσεις για τη μέτρηση της σταθεράς του Hubble. Η μία είναι έμμεση, βασισμένη σε προβλέψεις του κοσμολογικού μας μοντέλου, προσαρμοσμένες ώστε να ταιριάζουν με τα μοτίβα του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, τoυ αμυδρού afterglow που εμφανίζεται στο φαινόμενο Big Bang.
Τηλεσκόπια όπως το Planck Space Telescope έχουν μετρήσει μικροσκοπικές διακυμάνσεις σε αυτό το αρχαίο φως, προβλέποντας μια σταθερά Hubble περίπου 67 χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ (km/s/Mpc). Το παρσέκ είναι μια μονάδα απόστασης που χρησιμοποιείται στην αστρονομία και ισούται με περίπου 3,26 έτη φωτός ή 30,9 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα. Ένα μεγαπαρσέκ είναι ένα εκατομμύριο παρσέκ.
Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο άμεση, παρόμοια με αυτή που χρησιμοποίησε ο Hubble στη δεκαετία του 1920, όταν απέδειξε για πρώτη φορά ότι το σύμπαν επεκτείνεται.
Μετράει πόσο γρήγορα απομακρύνονται οι μακρινές γαλαξίες από τον δικό μας γαλαξία, τον Γαλαξία μας, παρατηρώντας τη φωτεινότητα των εκρήξεων σουπερνόβα σε αυτούς τους μακρινούς γαλαξίες.
Οι σουπερνόβα τύπου Ia είναι γνωστές ως «τυποποιημένα κεριά», επειδή γνωρίζουμε ότι η φωτεινότητά τους είναι η ίδια όπου και αν βρίσκονται. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση από αυτές με βάση το πόσο αμυδρές μας φαίνονται.
Για να προσδιορίσουν την εγγενή φωτεινότητά τους, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν άλλα πρότυπα κεριά, όπως τα αστέρια Cepheid, στους κοντινούς γαλαξίες. Αυτές οι παρατηρήσεις, που χρησιμοποιούν τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και James Webb, δίνουν μια υψηλότερη τιμή περίπου 73 km/s/Mpc.
Αυτή η διαφορά μεταξύ των δύο μετρήσεων ονομάζεται ένταση Hubble. Η διαφορά μεταξύ 67 και 73 μπορεί να φαίνεται μικρή, αλλά είναι στατιστικά πολύ σημαντική. Εάν και οι δύο μέθοδοι είναι σωστές, τότε το πρότυπο μοντέλο κοσμολογίας μας πρέπει να παραλείπει κάτι σημαντικό.
Από πού προήλθαν τα κοσμικά μαγνητικά πεδία;
Τα μαγνητικά πεδία υπάρχουν παντού στο σύμπαν. Οι πλανήτες και τα αστέρια δημιουργούν τα δικά τους πεδία, αλλά προκύπτουν κενά στην κατανόησή μας όταν προσπαθούμε να εξηγήσουμε τα μαγνητικά πεδία πολύ μεγαλύτερης κλίμακας που συνδέουν γαλαξίες και σμήνη, και πιθανώς ακόμη και κοσμικά κενά.
Μια πιθανότητα που έχει μελετηθεί εκτενώς είναι ότι ο μαγνητισμός εμφανίστηκε για πρώτη φορά στο πολύ πρώιμο σύμπαν, πολύ πριν σχηματιστούν τα πρώτα αστέρια ή γαλαξίες. Αυτά τα λεγόμενα αρχέγονα μαγνητικά πεδία έχουν μελετηθεί για δεκαετίες, και η αναζήτηση των αποτυπωμάτων τους στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο και σε άλλα δεδομένα προσφέρει έναν τρόπο να διερευνηθεί το πρώιμο σύμπαν και οι ακραίες ενέργειες που θα είχαν δημιουργήσει αυτά τα πεδία.
Το 2011, δύο από εμάς (ο Karsten και ο Tom) επισημάναμε ότι τα αρχέγονα μαγνητικά πεδία θα επηρέαζαν την ανασύνθεση — όταν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια συνενώθηκαν για πρώτη φορά για να σχηματίσουν ουδέτερο υδρογόνο — και το σύμπαν μετατράπηκε από αδιαφανές σε διαφανές. Το πρώτο φως που μπόρεσε να ταξιδέψει ελεύθερα από εκείνη τη στιγμή και μετά είναι αυτό που παρατηρούμε σήμερα ως κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο.
Εάν υπάρχουν, τα αρχέγονα μαγνητικά πεδία θα επιτάχυναν την επανασύνδεση, ωθώντας και τραβώντας τα φορτισμένα σωματίδια, καθιστώντας την ύλη ελαφρώς συσσωματωμένη. Όπου τα σωματίδια είναι πιο πυκνά, είναι πιο πιθανό να συναντηθούν και να σχηματίσουν υδρογόνο.
Η μετατόπιση της στιγμής κατά την οποία το σύμπαν γίνεται διαφανές αλλάζει το μέγεθος των παρατηρούμενων μοτίβων στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. Αυτό αλλάζει ουσιαστικά τον κοσμικό κανόνα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση των αποστάσεων και, με τη σειρά του, την τιμή της σταθεράς Hubble που συνάγεται από το μοντέλο, συμβάλλοντας στην άμβλυνση της έντασης Hubble. Δύο από εμάς (ο Karsten και ο Levon) αποδείξαμε αυτό το φαινόμενο το 2020 χρησιμοποιώντας ένα απλοποιημένο μοντέλο επανασύνδεσης.
Μια σημαντική ανακάλυψη
Ένας χάρτης που δημιουργήθηκε από το Wilkinson Microwave Anisotropy Probe της NASA για την ακτινοβολία μικροκυμάτων που εκλύθηκε περίπου 375.000 χρόνια μετά τη γέννηση του σύμπαντος. (NASA/WMAP Science Team)
Στη νέα μας εργασία, χρησιμοποιήσαμε τις πρώτες πλήρεις τρισδιάστατες προσομοιώσεις του αρχέγονου πλάσματος με ενσωματωμένα μαγνητικά πεδία, παρακολουθώντας τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζεται το υδρογόνο.
Χρησιμοποιήσαμε το ιστορικό σχηματισμού υδρογόνου που βρέθηκε μέσω αυτών των προσομοιώσεων για να υπολογίσουμε προβλέψεις για το πώς θα έπρεπε να εμφανίζεται το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο αν υπήρχαν αρχέγονα μαγνητικά πεδία, και δοκιμάσαμε αυτές τις προβλέψεις σε σχέση με τις παρατηρήσεις του υποβάθρου.
Το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο είναι εξαιρετικά ευαίσθητο σε αλλαγές στην ανασύνθεση. Αν τα αρχέγονα μαγνητικά πεδία το αλλοίωναν με τρόπο που δεν συμφωνούσε με τις παρατηρήσεις, η ιδέα θα μπορούσε να αποκλειστεί. Αντίθετα, τα δεδομένα έδειξαν ότι η πρότασή μας παραμένει βιώσιμη.
Σε πολλαπλούς συνδυασμούς συνόλων δεδομένων, διαπιστώνουμε μια συνεπή, ήπια προτίμηση για αρχέγονα μαγνητικά πεδία, που κυμαίνονται από περίπου 1,5 έως 3 τυπικές αποκλίσεις. Αυτό δεν αποτελεί ακόμη ανακάλυψη, αλλά μια σημαντική ένδειξη ότι υπάρχουν.
Εξίσου σημαντικό είναι το γεγονός ότι οι εντάσεις πεδίου που ευνοούνται από τα δεδομένα, περίπου 5 έως 10 pico-Gauss σήμερα, είναι κοντά σε αυτές που θα απαιτούνταν για να προέλθουν τα μαγνητικά πεδία των γαλαξιών και των σμηνών αποκλειστικά από αρχέγονους σπόρους. Το pico-Gauss είναι μια μονάδα που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της έντασης των μαγνητικών πεδίων.
Εκτός από το ότι θα συμβάλουν στην άρση της έντασης του Hubble, αν επιβεβαιωθούν τα αρχέγονα μαγνητικά πεδία, θα ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στο πώς ήταν το σύμπαν όταν ήταν μόλις μερικά δευτερόλεπτα παλιό, προσφέροντας ίσως μια γεύση από σημαντικά γεγονότα όπως η ίδια η Μεγάλη Έκρηξη.
Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η πρόταση αντέχει στην πιο λεπτομερή δοκιμή που είναι διαθέσιμη σήμερα και παρέχει σαφείς στόχους για μελλοντικές παρατηρήσεις. Τα επόμενα χρόνια, θα μάθουμε αν τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία από την αυγή του χρόνου συνέβαλαν στη διαμόρφωση του σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα και αν κρατούν το κλειδί για την επίλυση της έντασης του Hubble.
*Ο Levon Pogosian είναι Καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser. Ο Karsten Jedamzik είναι Ερευνητής Κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο Montpellier. Ο Tom Abel είναι Καθηγητής Σωματιδιακής Φυσικής και Αστροφυσικής, Τμήμα Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Stanford. Η έρευνά τους αναδημοσιεύεται αυτούσια στο Liberal, μέσω άδειας Creative Commons, από τον ιστότοπο TheConversation.com.
