Άρθρα

Είναι γνωστό ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Για να προβλέψουμε την μοίρα του πρέπει να βρούμε τι συμβαίνει με τον ρυθμό διαστολής του: μειώνεται; αυξάνεται; ή παραμένει σταθερός;

Για να απαντηθεί το ερώτημα αυτό πρέπει να συγκρίνουμε τις ταχύτητες με τις οποίες απομακρύνονταν από μας οι γαλαξίες στο πολύ μακρινό παρελθόν – πριν από δισεκατομμύρια χρόνια – σε σχέση με το πιο πρόσφατο παρελθόν πριν από εκατομμύρια χρόνια. Όσο πιο μακριά βρίσκονται οι γαλαξίες τόσο πιο ‘παλαιότερο’ είναι το φως που φτάνει σε μας. Μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα ενός μακρινού άστρου από την μετατόπιση των γραμμών απορρόφησης στο φάσμα του φωτός που εκπέμπουν οι γαλαξίες, χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Doppler. Όσο πιο γρήγορα απομακρύνεται ένα άστρο από μας τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση των γραμμών απορρόφησης προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Όμως το δύσκολο πρόβλημα είναι ο προσδιορισμός της απόστασης των γαλαξιών από μας.

Ένας σχετικά νέος τρόπος προσδιορισμού των αποστάσεων χρησιμοποιεί το είδος των άστρων που τελειώνουν την ζωή τους με μια μεγαλειώδη έκρηξη, την έκρηξη που ονομάζεται υπερκαινοφανής αστέρας (ή σουπερνόβα) τύπου Ιa. Σε γενικές γραμμές αυτά τα σουπερνόβα εκρήγνυνται με τον ίδιο τρόπο. Με κατάλληλη βαθμονόμηση μπορούμε από την λαμπρότητά τους να βρούμε πόσο μακριά βρίσκονται. Γιαυτό οι υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ia ονομάζονται πρότυπα κεριά. Χρησιμοποιώντας αυτούς τους υπερκαινοφανείς οι αστρονόμοι το 1998 διαπίστωσαν αναπάντεχα ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος αυξάνεται. Δηλαδή, το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται επιταχυνόμενα.

Αυτή η επιτάχυνση του σύμπαντος αποδόθηκε στην σκοτεινή ενέργεια – «σκοτεινή» γιατί δεν μπορούμε να την δούμε και «ενέργεια» διότι μεγεθύνει το σύμπαν υπερνικώντας την βαρύτητα. Μπορεί να αποτελεί τα δύο τρίτα της συνολικής ενέργειας στο σύμπαν, αλλά δεν ξέρουμε ακόμα τι ακριβώς είναι. Ίσως προέρχεται από την ενέργεια του κενού χώρου (!), αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία…

Η σημερινή ανάρτηση αναφέρεται στο γεγονός ότι οι κοσμολόγοι βρήκαν έναν τρόπο ώστε να διπλασιάσουν την ακρίβεια στη μέτρηση των αποστάσεων από τις εκρήξεις σουπερνόβα – που αποτελούν ένα από τα βασικότερα εργαλεία τους για την μελέτη της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας.

Η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας βασίστηκε στους υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ia. Τα σουπερνόβα Ia εκρήγνυνται σχεδόν πάντα με την ίδια μέγιστη εγγενή λαμπρότητα. Εφόσον η παρατηρούμενη μέγιστη λαμπρότητα του σουπερνόβα χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της απόστασής του από μας, οι μικρές απομένουσες διακυμάνσεις στην εγγενή μέγιστη λαμπρότητα περιορίζουν την ακρίβεια με την οποία θα μπορούσε να ελεγχθεί η απόστασή τους – και κατά συνέπεια η σκοτεινή ενέργεια. Παρά τις βελτιώσεις 20 ετών από πολλές ερευνητικές ομάδες, οι μελέτες της σκοτεινής ενέργειας μέσω των σούπερνοβα παρέμεναν μέχρι τώρα σχεδόν καθηλωμένες.

Όμως, αυτό θα αλλάξει εξαιτίας δύο πρόσφατων εργασιών που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό The Astrophysical Journal (ΕΔΩ και ΕΔΩ). Οι εργασίες αυτές περιγράφουν έναν τρόπο που διπλασιάζει την ακρίβεια στην μέτρηση των αποστάσεων των σουπερνόβα (και στις δυο εργασίες συμμετέχει ο βραβευμένος με Νόμπελ Saul Perlmutter, ο οποίος ηγήθηκε μιας από τις ομάδες που ανακάλυψαν αρχικά τη σκοτεινή ενέργεια το 1998).

Τα νέα αποτελέσματα προέρχονται από το Nearby Supernova Factory (SNfactory), μια πολυετή έρευνα αφιερωμένη εξ ολοκλήρου στην αύξηση της ακρίβειας των κοσμολογικών μετρήσεων με σουπερνόβα. Η μέτρηση της σκοτεινής ενέργειας απαιτεί συγκρίσεις των μέγιστων της λαμπρότητας μακρινών σουπερνόβα που βρίσκονται δισεκατομμύρια έτη ετών φωτός μακριά, με εκείνα των κοντινών σουπερνόβα που βρίσκονται «μόνο» 300 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η ερευνητική ομάδα μελέτησε εκατοντάδες τέτοια κοντινά σουπερνόβα με εξαιρετική λεπτομέρεια. Κάθε σουπερνόβα μετρήθηκε αρκετές φορές, σε διαστήματα μερικών ημερών. Κάθε μέτρηση εξέτασε το φάσμα του σουπερνόβα, καταγράφοντας την έντασή του στο εύρος μηκών κύματος του ορατού φωτός. Ένα όργανο ειδικά κατασκευασμένο για αυτήν την έρευνα, το SuperNova Integral Field Spectrometer, εγκατεστημένο στο τηλεσκόπιο 2,2 μέτρων του Πανεπιστημίου της Χαβάης στο Maunakea, χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση των φασμάτων.

Σύμφωνα με τον Perlmutter «εδώ και καιρό έχουμε αυτήν την ιδέα ότι αν η φυσική της έκρηξης δύο σουπερνόβα είναι η ίδια, τότε τα μέγιστα της λαμπρότητάς τους θα ήταν οι ίδια. Χρησιμοποιώντας τα φάσματα του Nearby Supernova Factory ως ένα είδος αξονικής τομογραφίας μέσω της έκρηξης του σουπερνόβα, θα μπορούσαμε να τεστάρουμε αυτήν την ιδέα.

Πράγματι, πριν από αρκετά χρόνια, η φυσικός Hannah Fakhouri, όταν ήταν μεταπτυχιακή φοιτήτρια συνεργαζόμενη με τον Perlmutter, έκανε μια ανακάλυψη-κλειδί που σχετίζεται με τα σημερινά αποτελέσματα. Κοιτάζοντας ένα πλήθος φασμάτων από το SNfactory, διαπίστωσε ότι σε αρκετές περιπτώσεις, τα φάσματα από δύο διαφορετικά σουπερνόβα φαίνονταν σχεδόν πανομοιότυπα. Μεταξύ των περίπου 50 σουπερνόβα, μερικά ήταν σχεδόν ταυτόσημα δίδυμα. Όταν τα φάσματα ενός ζεύγους διδύμων τοποθετήθηκαν το ένα πάνω στο άλλο, φαίνονταν σαν να υπήρχε μόνο ένα. Η τωρινή ανάλυση βασίζεται σ’ αυτή την παρατήρηση για να μοντελοποιηθεί η συμπεριφορά των υπερκαινοφανών κατά το χρονικό διάστημα της μέγιστης λαμπρότητας.

Η νέα εργασία τετραπλασιάζει τον αριθμό των σουπερνόβα που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση. Έτσι το δείγμα έγινε αρκετά μεγάλο ώστε να εφαρμοστεί από μεθόδους τεχνητής νοημοσύνης για τον εντοπισμό αυτών των διδύμων, οδηγώντας στην ανακάλυψη ότι τα φάσματα σουπερνόβα τύπου Ia διαφέρουν μόνο κατά τρεις τρόπους. Οι εγγενείς λαμπρότητες των σουπερνόβα εξαρτώνται επίσης κυρίως από αυτές τις τρεις παρατηρούμενες διαφορές, καθιστώντας δυνατή τη μέτρηση των αποστάσεων σουπερνόβα με την αξιοσημείωτη ακρίβεια περίπου 3%.

Η νέα μέθοδος δεν πάσχει από τα συστηματικά σφάλματα που ταλάνιζαν προηγούμενες μεθόδους, όπως φαίνεται κατά τη σύγκριση των σουπερνόβα που βρίσκονται σε διαφορετικούς τύπους γαλαξιών. Δεδομένου ότι οι κοντινοί γαλαξίες είναι κάπως διαφορετικοί από τους απομακρυσμένους, υπήρχε σοβαρός προβληματισμός ότι μια τέτοια εξάρτηση θα προκαλούσε λάθη στην μέτρηση της σκοτεινής ενέργειας. Τώρα αυτό το πρόβλημα μπορεί να μειωθεί σημαντικά μετρώντας μακρινά σουπερνόβα με τη νέα τεχνική.

Η συμβατική μέτρηση των αποστάσεων σουπερνόβα χρησιμοποιεί καμπύλες φωτός – φωτογραφίες που λαμβάνονται σε διάφορα χρώματα καθώς ένα σουπερνόβα λάμπει και εξασθενίζει. Αντ’ αυτού, στη νέα μέθοδο χρησιμοποιήθηκε ένα φάσμα από κάθε σουπερνόβα. Αυτά είναι πολύ πιο λεπτομερή και με την βοήθεια της τεχνικής νοημοσύνης οι αστροφυσικοί κατάφεραν να διακρίνουν την περίπλοκη συμπεριφορά που ήταν κρίσιμη για την ακριβέστερη μέτρηση των αποστάσεων.

Οι δυο νέες δημοσιεύσεις θα ωφελήσουν δύο επερχόμενα μεγάλα πειράματα. Το πρώτο πείραμα θα πραγματοποιηθεί στο τηλεσκόπιο Rubin 8,4 μέτρων, που κατασκευάζεται στη Χιλή. Το δεύτερο είναι το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA. Αυτά τα τηλεσκόπια θα μετρήσουν χιλιάδες σουπερνόβα με σκοπό την βελτίωση των μετρήσεων της σκοτεινής ενέργειας.

Αυτή η τεχνική μέτρησης απόστασης είναι όχι μόνο πιο ακριβής, αλλά απαιτεί μόνο ένα φάσμα, λαμβανόμενο όταν το σουπερνόβα είναι πιο φωτεινό και επομένως πιο εύκολο να παρατηρηθεί. Η ύπαρξη μιας ποικιλίας τεχνικών είναι ιδιαίτερα πολύτιμη σε αυτόν τον τομέα όπου η ανάγκη για ανεξάρτητη επαλήθευση είναι υψηλή.

Περισσότερες λεπτομέρειες: https://newscenter.lbl.gov/2021/05/06/supernovae-twins/