Πώς φτάσαμε εδώ; Πού πηγαίνουμε; Και πόσο καιρό θα μας πάρει; Αυτά τα ερωτήματα είναι τόσο παλιά όσο και η ίδια η ανθρωπότητα. Είναι επίσης μερικά από τα θεμελιώδη ερωτήματα που προσπαθούμε να απαντήσουμε στη μελέτη του σύμπαντος, που ονομάζεται κοσμολογία. Ένα κοσμολογικό αίνιγμα είναι το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν, το οποίο μετριέται με έναν αριθμό που ονομάζεται σταθερά Hubble. .
Σε δύο νέες εργασίες με επικεφαλής τον Patrick Kelly στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία μια νέα τεχνική -με τη συμμετοχή του φωτός από ένα εκρηκτικό αστέρι που έφτασε στη Γη μέσω πολλαπλών ελικοειδών διαδρομών μέσω του διαστελλόμενου σύμπαντος- για να μετρήσουν τη σταθερά Hubble. Οι εργασίες δημοσιεύονται στα περιοδικά Science και The Astrophysical Journal. Και αν τα αποτελέσματα δεν επιλύουν πλήρως την ένταση, μας δίνουν ένα ακόμη στοιχείο -και περισσότερα ερωτήματα για να θέσουμε.
Γνωρίζουμε από τη δεκαετία του 1920 ότι το σύμπαν διαστέλλεται.
Γύρω στο 1908, η Αμερικανίδα αστρονόμος Henrietta Leavitt βρήκε έναν τρόπο για να μετρήσει την εγγενή φωτεινότητα ενός είδους άστρων – όχι πόσο φωτεινά φαίνονται από τη Γη, που εξαρτάται από την απόσταση και άλλους παράγοντες, αλλά πόσο φωτεινά είναι πραγματικά. Οι Κηφείδες γίνονται φωτεινότεροι και αχνότεροι σε έναν κανονικό κύκλο, και η Leavitt έδειξε ότι η εγγενής φωτεινότητα σχετίζεται με το μήκος αυτού του κύκλου.
Ο νόμος Leavitt, όπως ονομάζεται τώρα, επιτρέπει στους επιστήμονες να χρησιμοποιούν τους Κηφείδες ως “πρότυπα κεριά”: αντικείμενα των οποίων η εγγενής φωτεινότητα είναι γνωστή και, επομένως, η απόστασή τους μπορεί να υπολογιστεί.
Πώς λειτουργεί αυτό; Φανταστείτε ότι είναι νύχτα, και στέκεστε σε έναν μακρύ, σκοτεινό δρόμο με μόνο μερικούς στύλους φωτισμού να κατεβαίνουν το δρόμο. Τώρα φανταστείτε ότι κάθε στύλος φωτισμού έχει τον ίδιο τύπο λαμπτήρα, με την ίδια ισχύ. Θα παρατηρήσετε ότι οι απομακρυσμένοι φαίνονται πιο αμυδροί από τους κοντινούς.
Γνωρίζουμε ότι το φως εξασθενεί αναλογικά με την απόστασή του, σύμφωνα με κάτι που ονομάζεται νόμος του αντίστροφου τετραγώνου για το φως. Τώρα, αν μπορείτε να μετρήσετε πόσο φωτεινό σας φαίνεται το κάθε φως, και αν γνωρίζετε ήδη πόσο φωτεινό θα έπρεπε να είναι, μπορείτε στη συνέχεια να υπολογίσετε πόσο μακριά βρίσκεται ο κάθε στύλος φωτός.
Το 1929, ένας άλλος αμερικανός αστρονόμος, ο Έντουιν Χαμπλ, κατάφερε να βρει έναν αριθμό από αυτά τα άστρα Κηφείδη σε άλλους γαλαξίες και να μετρήσει την απόστασή τους – και από αυτές τις αποστάσεις και άλλες μετρήσεις, μπόρεσε να προσδιορίσει ότι το σύμπαν διαστέλλεται.
Διαφορετικές μέθοδοι δίνουν διαφορετικά αποτελέσματα
Αυτή η τυπική μέθοδος του κεριού είναι μια ισχυρή μέθοδος, που μας επιτρέπει να μετρήσουμε το αχανές σύμπαν. Ψάχνουμε πάντα για διαφορετικά κεριά που μπορούν να μετρηθούν καλύτερα και να φανούν σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις.
Πολλαπλές προβολές ενός και μόνο σουπερνόβα -απλωμένες στο χρόνο και στο χώρο- επέτρεψαν στους επιστήμονες να μετρήσουν πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν. Ορισμένες πρόσφατες προσπάθειες για τη μέτρηση του σύμπαντος σε μεγαλύτερη απόσταση από τη Γη, όπως το πρόγραμμα SH0ES, με επικεφαλής τον νομπελίστα Adam Riess, χρησιμοποίησαν τους Κηφείδες μαζί με έναν τύπο εκρηγνυόμενου άστρου που ονομάζεται σουπερνόβα τύπου Ια, ο οποίος μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως τυπικό κερί.
Υπάρχουν επίσης άλλες μέθοδοι για τη μέτρηση της σταθεράς του Hubble, όπως αυτή που χρησιμοποιεί το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο – το υπολειμματικό φως ή την ακτινοβολία που άρχισε να ταξιδεύει στο σύμπαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Το πρόβλημα είναι ότι αυτές οι δύο μετρήσεις, μία κοντινή που χρησιμοποιεί υπερκαινοφανείς και Κηφείδες και μία πολύ πιο μακρινή που χρησιμοποιεί το μικροκυματικό υπόβαθρο, διαφέρουν κατά σχεδόν 10%. Οι αστρονόμοι ονομάζουν αυτή τη διαφορά ένταση Hubble και αναζητούν νέες τεχνικές μέτρησης για την επίλυσή της.
Μια νέα μέθοδος: ο βαρυτικός φακός
Στη νέα εργασία, χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία μια νέα τεχνική για να μετρήσουμε αυτόν τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Η εργασία βασίζεται σε έναν υπερκαινοφανή που ονομάζεται Supernova Refsdal.
Το 2014, η ομάδα μας εντόπισε πολλαπλές εικόνες του ίδιου σουπερνόβα – η πρώτη φορά που παρατηρήθηκε ένας τέτοιος “φακός” σουπερνόβα. Αντί το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble να δει έναν σουπερνόβα, είδαμε πέντε!
Πώς συμβαίνει αυτό; Το φως από τον υπερκαινοφανή βγήκε προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά ταξίδεψε μέσα στο διάστημα στρεβλωμένο από τα τεράστια βαρυτικά πεδία ενός τεράστιου σμήνους γαλαξιών, τα οποία κάμπτουν μέρος της διαδρομής του φωτός με τέτοιο τρόπο ώστε να καταλήγει στη Γη μέσω πολλαπλών διαδρομών. Κάθε εμφάνιση του σουπερνόβα έφτασε σε εμάς κατά μήκος μιας διαφορετικής διαδρομής μέσα στο σύμπαν.
Φανταστείτε τρία τρένα που φεύγουν από τον ίδιο σταθμό την ίδια στιγμή. Ωστόσο, το ένα πηγαίνει κατευθείαν στον επόμενο σταθμό, το άλλο κάνει ένα ευρύ ταξίδι μέσα από τα βουνά και το άλλο μέσω της ακτής. Όλα φεύγουν και φτάνουν στους ίδιους σταθμούς, αλλά κάνουν διαφορετικά ταξίδια και έτσι, ενώ φεύγουν την ίδια ώρα, θα φτάσουν σε διαφορετικές ώρες.
Έτσι, οι εικόνες μας με φακούς δείχνουν τον ίδιο υπερκαινοφανή, που εξερράγη σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, αλλά κάθε εικόνα έχει διανύσει διαφορετική διαδρομή. Εξετάζοντας την άφιξη στη Γη της κάθε εμφάνισης του σουπερνόβα -μια από τις οποίες συνέβη το 2015, αφού το εκρηκτικό άστρο είχε ήδη εντοπιστεί- μπορέσαμε να μετρήσουμε το χρόνο ταξιδιού τους και επομένως πόσο είχε μεγαλώσει το σύμπαν όσο η εικόνα ήταν καθ’ οδόν.
Φτάσαμε εκεί;
Αυτό μας έδωσε μια διαφορετική, αλλά μοναδική μέτρηση της ανάπτυξης του σύμπαντος. Στα έγγραφα, διαπιστώνουμε ότι αυτή η μέτρηση είναι πιο κοντά στη μέτρηση του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, παρά στη μέτρηση των κοντινών κεφαίδων και των υπερκαινοφανών. Ωστόσο, με βάση τη θέση της, θα έπρεπε να είναι πιο κοντά στη μέτρηση των Κηφείδων και των υπερκαινοφανών.
Αν και αυτό δεν διευθετεί καθόλου τη συζήτηση, μας δίνει ένα άλλο στοιχείο για να εξετάσουμε. Θα μπορούσε να υπάρχει κάποιο πρόβλημα με την τιμή του σουπερνόβα, ή με την κατανόησή μας για τα σμήνη γαλαξιών και τα μοντέλα που εφαρμόζονται στον φακό, ή κάτι εντελώς διαφορετικό.
Όπως τα παιδιά στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου σε ένα ταξίδι με το αυτοκίνητο που ρωτούν “φτάσαμε;”, ακόμα δεν ξέρουμε.