Σταθερά του Hubble και κοσμικές αποστάσεις

 

Κηφείδες στο γαλαξία NGC 300.

Εικόνα: European

Southern Observatory

Ποια είναι η τιμή της σταθεράς του Hubble; Με ποιες μεθόδους προσδιορίζουμε τις αποστάσεις στο Σύμπαν; Τι είναι η κοσμική σκάλα των αποστάσεων;

συγγραφέας: Μαρτίνα Κυρμανίδου 22 Ιουνίου 2023

Στις αρχές του 20^ου αιώνα, ο Edwin Hubble, σε μια ομιλία του όπου παρουσίαζε τα αποτελέσματα των παρατηρήσεών του, αποκάλυψε πως το Σύμπαν δεν είναι στατικό, αλλά διαστέλλεται. Η εργασία του με τίτλο “Μια Σχέση μεταξύ της Απόστασης και της Ακτινικής Ταχύτητας μεταξύ των Εξω-Γαλαξιακών Νεφελωμάτων” περιλάμβανε τη σχέση στην οποία ο Hubble κατέληξε, η οποία είναι γνωστή ως “νόμος του Hubble”. Η εξίσωση αυτή περιλάμβανε τη σταθερά του Hubble. Στην ουσία ο Hubble ανακάλυψε ένα εξαιρετικό εργαλείο για τον προσδιορισμό αποστάσεων μακρινών γαλαξιών, μετρώντας τις μετατοπίσεις των φασματικών τους γραμμών προς το ερυθρό. Ακόμη, με τη βοήθεια του Milton Humanson, μέχρι το 1934, κατάφεραν να τεκμηριώσουν παρατηρησιακά τη διαστολή του Σύμπαντος, προσδιορίζοντας τις αποστάσεις και τις ταχύτητες 32 συνολικά γαλαξιών. Όμως, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, τα πράγματα έμελλαν να γίνουν ακόμα πιο σύνθετα, καθώς οι παρατηρήσεις μακρινών supernova έδειξαν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Έκτοτε, ο υπολογισμός της σταθεράς (ή “παραμέτρου”) του Hubble δίχασε τους ερευνητές, καθώς υπάρχουν δύο τρόποι υπολογισμού της, των οποίων τα αποτελέσματα δεν ταυτίζονται.

Η μία εκ των δύο μεθόδων χρησιμοποιεί τις ταχύτητες των γαλαξιών ως συνάρτηση της απόστασης τους από μας, δίνοντας ως αποτέλεσμα μια σταθερά με τιμή 73 ± 1 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά Megaparsec (km/s/Mpc), με 1 Megaparsec να αντιπροσωπεύει περίπου 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός. Αυτή είναι γνωστή ως η λύση “όψιμου χρόνου” ή “late time”, διότι προκύπτει από πρόσφατες μετρήσεις. Πρακτικά, αυτός ο αριθμός υποδηλώνει ότι -εαν αγνοήσουμε τη δύναμη της βαρύτητας- δύο αντικείμενα που απέχουν μεταξύ τους 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός, θα απομακρύνονται το ένα από το άλλο με ταχύτητα 73 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Όσον αφορά τη δεύτερη μέθοδο υπολογισμού της σταθεράς του Hubble, σχετίζεται άμεσα με την Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου. Δεδομένου του ότι το Σύμπαν ήταν εξαιρετικά θερμό κατά το μεγαλύτερο μέρος της πρώιμης ιστορίας του, δεν υπήρχαν άτομα παρά μόνο ελεύθερα ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Έτσι, τα φωτόνια του πρώιμου Σύμπαντος σκεδάζονταν εύκολα από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα να περιορίζονται σε ένα μικρό μέρος του χώρου. Κάποια στιγμή, καθώς το σύμπαν άρχισε να ψύχεται όλο ένα και περισσότερο κατά τη διαστολή του, σχηματίστηκαν τα πρώτα άτομα μετά την ένωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των πρωτονίων. Συνεπώς, τα φωτόνια δεν σκεδάζονταν πλέον από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια και έτσι ξεκίνησαν να διαχέονται ταχύτατα προς όλες τις κατευθύνσεις σε ολόκληρο το Σύμπαν. Αξίζει να σημειωθεί πως οι ερευνητές ορίζουν ως “επιφάνεια της τελευταίας σκέδασης” ή “surface of last scattering” το σύνολο των σημείων στο χώρο από όπου λαμβάνουμε φωτόνια που εκπέμφθηκαν κατά την «απελευθέρωσή» τους.

Οι παρατηρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας αποτελούν ένα ισχυρό τεκμήριο για τη θεωρία της θερμής Μεγάλης Έκρηξης. Η ακτινοβολία αυτή συνίσταται σε μικροκύματα τα οποία φθάνουν σε εμάς από όλες τις διευθύνσεις του ουρανού, πέραν μερικών μικροσκοπικών θερμικών διακυμάνσεων ή, αλλιώς, ανισοτροπιών. Όταν αυτές οι διακυμάνσεις των της Κοσμικής Ακτινοβολίας γίνονται αντιληπτές, από ευαίσθητα όργανα όπως ο COBE και ο WMAP, καθιστούν εφικτή μια νέα εκτίμηση της σταθεράς του Hubble γύρω στα 67.5 ± 0.5 km/s/Mpc.

Και για τις δύο μεθόδους οι τεχνικές μέτρησης και εκτίμησης της σταθεράς του Hubble έχουν τελειοποιηθεί και είναι ακριβέστερες, όμως, η διαφορά τους παραμένει αρκετά μεγάλη. Η τιμή της διαφοράς τους, η οποία είναι 5,6 km/s/Mpc, προκαλεί μεγάλη σύγχυση στην ερευνητική κοινότητα καθώς υποδηλώνει πως δεν υπάρχει πλήρης κατανόηση των βασικών νόμων που διέπουν το Σύμπαν. Μάλιστα, ο Richard I. Anderson, φυσικός και έτερος συγγραφέας της νέας μελέτης, τόνισε πως η διαφορά έστω μερικών km/s/Mpc στη σταθερά του Hubble έχει τεράστια σημασία.

 

Supernova 1994D Τύπου Ια (κάτω αριστερά), στα εξωτερικά στρώματα του γαλαξία NGC 426.
Εικόνα: Hubble Space Telescope

Τελικά, όμως, οι ερευνητές καταλήγουν ίσως σε συμφωνία με τη μέθοδο του «όψιμου χρόνου». Οι νέες μετρήσεις, που περιλαμβάνονται στη νέα μελέτη και αφορούν τους μεταβλητούς Κηφείδες, θεωρούνται πιο αξιόπιστες και επιβεβαιώνουν το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος στα 73 ± 1 km/s/Mpc. Πρέπει να σημειωθεί πως οι μεταβλητοί Κηφείδες είναι παλλόμενα άστρα, των οποίων η φωτεινότητα αυξομειώνεται περιοδικά. Το Ευρωπαϊκό διαστημικό σκάφος Gaia συνέλλεξε αρκετά στοιχεία για τους μεταβλητούς Κηφείδες τα οποία παρείχαν ακριβείς μετρήσεις των κοσμικών αποστάσεων.

Παρ’ όλ’ αυτά σε αρκετά μακρινές αποστάσεις οι Κηφείδες παύουν να συνεισφέρουν στις παρατηρήσεις των ερευνητών καθώς το φως τους γίνεται όλο και πιο αμυδρό. Για το λόγο αυτό οι ερευνητές στρέφονται σε πολύ λαμπρά κοσμικά αντικείμενα-φαινόμενα όπως οι εκρήξεις supernova και συγκεκριμένα supernova Τύπου Ια. Χαρακτηριστικό του Τύπου Ια είναι η ομοιογένεια διάχυσης του φωτός που εκπέμπεται αλλά και η ποσότητα φωτεινότητας η οποία μειώνεται με σταθερό ρυθμό. Χάρη στις εκρήξεις αυτές οι ερευνητές έχουν καταφέρει να προσδιορίσουν αποστάσεις μακρινών γαλαξιών που προσεγγίζουν ακόμη και το 1 δισεκατομμύριο έτη φωτός.

 

Καλλιτεχνική απεικόνιση της κοσμικής σκάλας συγκρίνοντας τις αποστάσεις γνωστών γαλαξιών.
Εικόνα: NASA/JPL-Caltech

Όπως είδαμε παραπάνω οι ερευνητές χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους για να προσδιορίσουν τις αποστάσεις στο Σύμπαν ανάλογα με το αντικείμενο που μελετούν. Το σύνολο των μεθόδων αυτών ορίζεται ως η “κοσμική σκάλα των αποστάσεων” ή “cosmic distance ladder” χρησιμοποιώντας μεταφορικά τον όρο “σκάλα” απλά για να περιγράψουν τις διάφορες κλίμακες αποστάσεων. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση όπου γίνεται η μέτρηση, τόσο περισσότερα βήματα χρειάζονται για τον προσδιορισμό της. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι η “σταθερά” του Hubble μεταβάλλεται και ήταν διαφορετική σε διαφορετικές εποχές του Σύμπαντος. Σήμερα όλα δείχνουν ότι βαίνει μειούμενη, κάτι που οδηγεί πολλούς ερευνητές στην χρήση της φράσης “παράμετρος του Hubble”.

 Από το Αστρόνιο