Νέα στοιχεία από υπερκαινοφανείς αστέρες για τη διαστολή του Σύμπαντος: μια αναδρομή στη σκοτεινή ενέργεια
- Συγγραφέας: Μάριος Κουζής
- 07-03-2024
- Δυσκολία: Μέτριο
- Κατηγορίες: Αστροφυσική
Οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Swinburne έπαιξαν σημαντικό ρόλο σε μια πρωτοποριακή μελέτη που αμφισβητεί την κατανόησή μας για το Σύμπαν. Τα πρόσφατα ανακαλυφθέντα και πλέον δημόσια αποτελέσματα της Έρευνας Σκοτεινής Ενέργειας (Dark Energy Survey – DES) είναι το αποκορύφωμα των προσπαθειών περισσότερων από 400 αστροφυσικών και κοσμολόγων που προέρχονται από 25 διαφορετικά ιδρύματα. Αυτή η συνεργασία υπογραμμίζει την ισχύ της ομαδικής εργασίας και των αφοσιωμένων προσπαθειών για την προώθηση της ουσιαστικής επιστημονικής κατανόησης. Σε διάστημα έξι ετών (2013-2019), οι επιστήμονες του DES συγκέντρωσαν δεδομένα για 758 νύχτες για να εμβαθύνουν στις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας και να εξακριβώσουν τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Η μελέτη υποδηλώνει ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν μπορεί να έχει υποστεί διακυμάνσεις με την πάροδο του χρόνου, εισάγοντας μια νέα και πολύπλοκη θεωρία.
Image Credit. DES collaboration
Το DES εστιάζει στην εξακρίβωση των χαρακτηριστικών της σκοτεινής ενέργειας. Αυτό γίνεται εφικτό μέσω της λήψης εικόνων αντικειμένων όπως υπερκαινοφανών τύπου Ιa και γαλαξιακών σμηνών, στο κοντινό υπεριώδες, ορατό και κοντινό υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Για την παρατήρηση τέτοιων περιβαλλόντων, το DES είναι εξοπλισμένο με μια κάμερα ευρέος πεδίου και υψηλής ευαισθησίας (ειδικά στο κόκκινο μέρος του ορατού φάσματος και στο κοντινό υπέρυθρο), την DECam (Dark Energy Camera). Χρησιμοποιώντας, λοιπόν, δεδομένα αιχμής και πρωτοποριακές μεθοδολογίες, οι επιστήμονες του DES όχι μόνο πραγματοποίησαν μια εξαντλητική εξέταση, αλλά επινόησαν καινοτόμες προσεγγίσεις για την εξαγωγή της μέγιστης πληροφορίας από τις παρατηρήσεις σε υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ιa.
Σύμφωνα με τη Γενική θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν, η βαρύτητα θα πρέπει να οδηγεί σε επιβράδυνση της κοσμικής διαστολής. Όμως, το 1998, οι αστροφυσικοί έκαναν τη ρηξικέλευθη ανακάλυψη ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, ένα φαινόμενο που αποδίδεται στον αινιγματικό παράγοντα που είναι γνωστός ως σκοτεινή ενέργεια. Για να εξηγηθεί αυτή η επιτάχυνση, οι κοσμολόγοι ήρθαν αντιμέτωποι με δύο σενάρια: είτε το 70% του σύμπαντος μας αποτελείται από την “εξωτική” σκοτεινή ενέργεια, η οποία ασκεί βαρυτική δύναμη αντίθετη από την ελκτική βαρύτητα της συνηθισμένης ύλης, είτε η Γενική θεωρία Σχετικότητας θα πρέπει να αντικατασταθεί με νέα θεωρία βαρύτητας κοσμικής κλίμακας. Παρά τις αρχικές προσδοκίες για επιβράδυνση της διαστολής λόγω της βαρύτητας, αυτή η αποκάλυψη, που έγινε δυνατή μέσω των παρατηρήσεων των υπερκαινοφανών τύπου Ia, κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 2011.
Image Credit. Physics Today 56, 4, 53 (2003)
Μετά από 25 χρόνια, το DES έχει τον πρωταγωνιστικό ρόλο στην παγκόσμια έρευνα της ανίχνευσης της φύσης της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας. Αναλύοντας πάνω από 1500 υπερκαινοφανείς αστέρες, αυτή η έρευνα παρέχει τους πιο ισχυρούς περιορισμούς στη διαστολή του σύμπαντος μέχρι σήμερα. Ταυτόχρονα, έχει στην κατοχή του το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων υπερκαινοφανών τύπου Ia που χρησιμοποιήθηκε ποτέ για τη μελέτη τέτοιας κοσμικής κλίμακας. Κι ενώ τα αποτελέσματα ευθυγραμμίζονται με το καθιερωμένο μοντέλο της επιταχυνόμενης επέκτασης, τα στοιχεία δεν είναι επαρκή για να αποκλείσουν πιο πολύπλοκα μοντέλα. Μέλος της επιστημονικής ομάδας αναφέρει πως “πράγματι μένουν ακόμη αρκετά άλυτα ερωτήματα για τη σκοτεινή ενέργεια, αλλά η ανάλυσή μας στους υπερκαινοφανείς αστέρες είναι ότι καλύτερο υπάρχει αυτή τη στιγμή για κοσμολογικά θέματα και φέρνει στο προσκήνιο πρωτοποριακές μεθόδους”.
Image Credit. Lahav et al., 2016
Η καινοτόμος αυτή μελέτη εισήγαγε μια νέα προσέγγιση για την ανίχνευση, την κατηγοριοποίηση και την ανάλυση των καμπύλων φωτός των υπερκαινοφανών. Άλλωστε, ο μόνος τρόπος που χρησιμοποιείται το περιβάλλον των υπερκαινοφανών αστέρων για κοσμολογικούς σκοπούς είναι αρχικά για να αναγνωριστεί αυτό το περιβάλλον στον ουρανό. Η μεθοδολογία αναγνώρισης βασίζεται σε δεδομένα από υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ιa. Αυτά τα αντικείμενα εμφανίζονται όταν ένα εξαιρετικά πυκνό νεκρό αστέρι, που αναφέρεται ως λευκός νάνος, φτάνει σε μια κρίσιμη μάζα και υφίσταται έκρηξη, μέσω εκροής μάζας από το κύριο αστέρι με το οποίο συνυπάρχει σε ένα κλειστό σύστημα. Δεδομένου ότι η κρίσιμη μάζα είναι σχεδόν ίση για όλες τις περιπτώσεις, οι υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ia παρουσιάζουν περίπου την ίδια εγγενή φωτεινότητα, επιτρέποντας τη βαθμονόμηση τυχόν παραλλαγών που απομένουν. Κατά συνέπεια, όταν οι αστροφυσικοί συγκρίνουν τη φαινομενική φωτεινότητα δύο υπερκαινοφανών αστέρων τύπου Ia που παρατηρούνται από τη Γη, μπορούν να προσδιορίσουν τις σχετικές αποστάσεις τους. Περισσότερα για τους υπερκαινοφανείς δείτε εδώ κι εδώ.
Για να εντοπίσουν το ιστορικό της διαστολής του σύμπαντος, οι αστροφυσικοί χρησιμοποιούν πληθώρα από δείγματα υπερκαινοφανών αστέρων που εκτείνονται σε διαφορετικές αποστάσεις. Συνδυάζοντας την απόσταση κάθε υπερκαινοφανή αστέρα με την ερυθρομετατόπιση του – ένα μέτρο της ταχύτητάς του μακριά από τη Γη λόγω της διαστολής του σύμπαντος – οι επιστήμονες μπορούν να ανασυνθέσουν την ιστορία της κοσμικής διαστολής. Αυτό τους επιτρέπει να προσδιορίσουν εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας έχει παραμείνει σταθερή ή αν έχει υποστεί αλλαγές με την πάροδο του χρόνου.
Το 1998, οι βραβευμένοι με Νόμπελ αστρονόμοι χρησιμοποίησαν μόλις 52 υπερκαινοφανείς αστέρες για να προσδιορίσουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Τι θα ανακαλύψουν τώρα οι επιστήμονες του DES που έχουν στα χέρια τους 1499 υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ia, είναι ένα ζήτημα που μόνο ενθουσιάζει και περιμένει με ανυπομονησία το επιστημονικό κοινό.
Πηγές
