Τα δεδομένα του ραδιοπαρατηρητηρίου CHIME αποτελούν ορόσημο στην αναζήτηση της κρυμμένης προέλευσης της δομής του Σύμπαντος
Παρατηρήστε τον νυχτερινό ουρανό μέσω ενός ισχυρού τηλεσκοπίου, και έξω από τη λάμψη του Γαλαξία, θα μπορέσετε να διακρίνετε το αμυδρό φως μακρινών γαλαξιών. Οι γαλαξίες αυτοί είναι μαζεμένοι σε πυκνά σμήνη που τα συνδέουν λεπτά νημάτια και που τα χωρίζουν τεράστια κενά εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός. Στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν την ιστορία του σύμπαντος μας, οι επιστήμονες από τη δεκαετία του 1980 έχουν παρατηρήσει εκατομμύρια γαλαξίες με σκοπό την όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη χαρτογράφηση αυτού του κοσμικού ιστού.
Όμως υπάρχουν περισσότερα σε αυτή τη δομή μεγάλης κλίμακας από όσα μπορεί να δει ένα γυμνό μάτι. Τα άτομα υδρογόνου εκπέμπουν στα ραδιοκύματα με χαρακτηριστικό μήκος κύματος τα 21 εκατοστά και επειδή τα νέφη αερίου υδρογόνου τείνουν να συγκεντρώνονται λόγω βαρύτητας γύρω από τους γαλαξίες, οι σχηματισμοί που παρατηρούμε σε αυτή την συχνότητα αντιστοιχούν στην υποκείμενη κατανομή της κοσμικής ύλης. Πρόσφατα, ραδιοστρονόμοι που εργάζονται στο Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME), παρουσίασαν την ανίχνευση αυτών των ενδεικτικών σχηματισμών, σε μία προδημοσίευση.
Η εργασία αυτή αποτελεί ένα σημαντικό πρώτο βήμα για την δημιουργία ενός πλήρους χάρτη του κοσμικού ιστού μέσω των ραδιοεκπομπών του υδρογόνου, παρότι οι μετρήσεις του CHIME δεν διαθέτουν, ακόμα, την ακρίβεια των -τελευταίας λέξης της τεχνολογίας- χαρτογραφήσεων μεγάλης κλίμακας που διενεργούνται στο ορατό και στο υπέρυθρο. «Δεν αποτελεί, ακόμα, αποτέλεσμα της τάξης του «ιερού δισκοπότηρου», αλλά είναι ένα ορόσημο τόσο για το CHIME όσο και για τον ερευνητικό τομέα», σχολιάζει ο Tzu-Ching Chang, ερευνητής στο Jet Propulsion Laboratory της NASA, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
Αχαρτογράφητο Διάστημα
Κατά την διάρκεια του συμπαντικού σκοτεινού “μεσαίωνα”, για τα μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, δηλαδή, που ακολούθησαν την εποχή όπου τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια συνδυάστηκαν για πρώτη φορά, μετά το Big Bang, για να σχηματίσουν άτομα, δεν υπήρχαν αστέρες για φωτίσουν το αέριο υδρογόνο που γέμιζε το διάστημα. Καθώς η βαρυτική έλξη ανταγωνιζόταν την κοσμική διαστολή, η πυκνότητα του υδρογόνου αλλού αυξανόταν και αλλού μειωνόταν, με τις πυκνότερες περιοχές τελικά να γεννούν φωτεινά αστέρια, γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών.
Φτάνοντας στη τη δεκαετία του 1990, οι κοσμολόγοι πίστευαν πως είχαν κατανοήσει τις βασικές πτυχές αυτής της ιστορίας. Εξεπλάγησαν, λοιπόν, όταν το 1998 ανακάλυψαν πως η κοσμική επέκταση άρχισε μυστηριωδώς να επιταχύνεται πριν από περίπου πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, μετά από περισσότερα από οκτώ δισεκατομμύρια χρόνια “ομαλής πορείας”. Δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τη «σκοτεινή ενέργεια» που ευθύνεται για αυτήν την επιτάχυνση· ένα σημαντικό αναπάντητο ερώτημα είναι το εάν αυτή αποτελεί μια αμετάβλητη «κοσμολογική σταθερά» ή, περισσότερο, ένα δυναμικό πεδίο του οποίου το μέτρο επίδρασης αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
Οι χάρτες του κοσμικού ιστού ίσως να κατευθύνουν προς μια απάντηση. Το φως από τους πιο μακρινούς γαλαξίες χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να φτάσει σε εμάς και η διαστολή του σύμπαντος μετατοπίζει το μήκος κύματος αυτού του αρχαίου φωτός προς το ερυθρό άκρο του ορατού φάσματος: όσο πιο μακρινός είναι ο γαλαξίας, τόσο μεγαλύτερη είναι αυτή η ερυθρομετάθεση. Με αυτόν τον τρόπο, ακριβείς μετρήσεις των ερυθρομεταθέσεων, βάσει των μοναδικών φασματικών “δακτυλικών αποτυπωμάτων” των ατόμων που υπάρχουν σε αφθονία στους γαλαξίες, επιτρέπουν στους αστρονόμους να κατασκευάσουν τρισδιάστατους χάρτες του κοσμικού ιστού. Σε αυτούς τους χάρτες είναι ενσωματωμένη μία πληθώρα πληροφοριών σχετικά με την ιστορία της κοσμικής επέκτασης και την εξέλιξη της δομής μεγάλης κλίμακας.
Η πιο πρόσφατη ολοκληρωμένη χαρτογράφηση γαλαξιών, που ονομάζεται Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), κατέγραψε τις θέσεις και τις τιμές ερυθρομετάθεσης μισού εκατομμυρίου γαλαξιών και ισάριθμων κβάζαρ (εξαιρετικά λαμπρές περιοχές στους πυρήνες μεγάλων γαλαξιών που τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες). Η ομάδα eBOSS, στην συνέχεια, με αυτά τα δεδομένα κατασκεύασε έναν χάρτη που καλύπτει περίπου το 15 τοις εκατό του ουρανού και εκτείνεται στο παρελθόν για περισσότερο από 11 δισεκατομμύρια χρόνια.
Μια νέα ελπίδα
Ωστόσο, παρά τις επιτυχίες τους, οι χαρτογραφήσεις γαλαξιών υποκεινται σε περιορισμους. Τα τηλεσκόπια πρέπει πρώτα να σαρώσουν τον ουρανό για να επιλέξουν τους γαλαξίες που θα συμπεριληφθούν στην έρευνα και οι επακόλουθες μετρήσεις της ερυθρομετατάθεσης καθενός ξεχωριστά είναι ιδιαίτερα χρονοβόρες. Επίσης, οι έρευνες που στηρίζονται σε εξελιγμένη τεχνολογία, απαιτούν την χρήση κοστοβόρων φασματογράφων με χιλιάδες κινούμενα μέρη.
Η χαρτογράφηση της έντασης του υδρογόνου, η στρατηγική που ακολουθεί η CHIME, θα μπορούσε να αποδειχθεί ένας φθηνότερος και ταχύτερος τρόπος χαρτογράφησης του σύμπαντος. Τα ραδιοκύματα των 21 εκατοστών από μακρινά νέφη αερίου μετατοπίζονται στο κόκκινο ακριβώς όπως το ορατό φως. Τα ραδιοτηλεσκόπια, όμως, έχουν την δυνατότητα να μετρούν το πως μεταβάλλεται η ένταση των ραδιοκυμάτων στον ουρανό, σε πολλά διαφορετικά μήκη κύματος ταυτόχρονα, επιτρέποντας στους αστρονόμους να κατασκευάζουν τρισδιάστατους χάρτες χωρίς να είναι υποχρεωμένοι να εκτελούν μεμονωμένες μετρήσεις μετατόπισης προς το ερυθρό. Επιπρόσθετα, τα τηλεσκόπια χαρτογράφησης έντασης είναι φθηνά, «μια τάξη μεγέθους φθηνότερα από τα αντίστοιχα φασματοσκοπικά όργανα στο ορατό ή υπέρυθρο», λέει ο Kavilan Moodley, καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του KwaZulu-Natal στη Νότια Αφρική, ο οποίος δεν συμμετέχει στο CHIME.
Βέβαια, η χαρτογράφηση έντασης αντιμετωπίζει τις δικές της προκλήσεις. Η κύρια δυσκολία είναι ότι το κοσμολογικό σήμα είναι ασθενές , την στιγμή που ο ίδιος ο Γαλαξίας μας αποτελεί έναν ισχυρότατο πομπό ραδιοκυμάτων. «Προσπαθείς να δεις πίσω από αυτόν, κάτι που είναι 1.000 ή 10.000 φορές πιο αχνό», λέει ο Moodley. Η ψηλάφηση του αποτυπώματος του κοσμικού ιστού απαιτεί ακριβείς τηλεσκοπικές διατάξεις και προσεκτική ανάλυση.
Το CHIME συνίσταται από μία συστοιχία τεσσάρων ραδιοτηλεσκοπίων χωρίς κινούμενα μέρη, καθένα εκ των οποίων μοιάζει με κομμένο στη μέση (κατά μήκος) σωλήνα από κοτετσόσυρμα. Καθώς περιστρέφεται η Γη, τα τηλεσκόπια σαρώνουν ολόκληρο το βόρειο ημισφαιρίο σε έναν χάρτη χαμηλής ανάλυσης. Ο τρισδιάστατος χάρτης που προκύπτει, δεν αποτελείται από pixels, αλλά voxels (καταγεγραμμένη τιμή σε τριδιάστατο πλέγμα), με κάθε voxel να αναλογεί σε περίπου 30 εκατομμύρια έτη φωτός, σε βάθος 10 εκατομμυρίων ετών φωτός βάθος και τυπικά να περιέχει μερικές εκατοντάδες γαλαξίες. Αυτή η αδρή χωρική ανάλυση αποτελεί πιο πολύ προτέρημα παρά πρόβλημα: ο συνυπολογισμός των ραδιοεκπομπών από όλο το υδρογόνο κάθε voxel, επιτρέπει στους αστρονόμους να εντοπίσουν αμυδρά σήματα που διαφορετικά δεν θα έβλεπαν. Και επειδή οι επιδράσεις της σκοτεινής ενέργειας είναι πιο έντονες στις κλίμακες πολύ μεγάλων αποστάσεων, η δομή μέσα σε μεμονωμένα voxel δεν είναι κάτι που απασχολεί αυτές τις μελέτες.
Το 2009 και το 2010 ο Chang και άλλοι αστρονόμοι ανακάλυψαν τα πρώτα ίχνη του κοσμικού ιστού στην εκπομπή υδρογόνου 21 cm χρησιμοποιώντας ραδιοτηλεσκόπια στην Αυστραλία και τη Δυτική Βιρτζίνια. Τα τηλεσκόπια αυτά, όμως, είναι παραβολικά ραδιοτηλεσκόπια των 100 μέτρων που συλλέγουν φως από μια μικρή περιοχή του ουρανού, επομένως δεν μπορούσαν να χαρτογραφήσουν αποτελεσματικά μεγάλες περιοχές, οι οποίες είναι απαραίτητες για μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα. Επίσης, οι εγκαταστάσεις αυτές έχουν μεγάλη ζήτηση από τους αστρονόμους και έτσι, μόνο ένα μέρος του χρόνου τους μπορεί να δαπανηθεί για τις παρατηρήσεις των 21 εκατοστών. Τα νέα αποτελέσματα του CHIME, που προέρχονται από δεδομένα που συλλέχθηκαν το 2019, είναι τα πρώτα από ένα ραδιοτηλεσκόπιο που σχεδιάστηκε ειδικά για να χαρτογραφήσει τον κοσμικό ιστό. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές του CHIME να ελέγχουν καλύτερα τα συστηματικά λάθη ενώ, επιπλέον, δεν χρειάστηκε να ανταγωνίζονται άλλους αστρονόμους για χρόνο παρατήρησης. Τα δεδομένα του έργου κοιτούν πίσω έως και εννέα δισεκατομμύρια χρόνια, ένα δισεκατομμύριο χρόνια, δηλαδή, βαθύτερα στο παρελθόν από τις προηγούμενες ραδιοπαρατηρήσεις.
Το πρώτο σήμα – αλλά όχι το τελευταίο
Αφού επεξεργάστηκαν τα δεδομένα τους για να αφαιρέσουν τις εκπομπές στο προσκήνιο από τον Γαλαξία μας και από επίγειες πηγές, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται «stacking» (υπέρθεση) για να μελετήσουν τις συσχετίσεις μεταξύ των δεδομένων του CHIME και της χαρτογράφησης γαλαξιών του eBOSS. Παρατήρησαν ένα αδιαμφισβήτητο στοιχείο: οι περιοχές που εμφάνιζαν εντονότερη ραδιοεκπομπή αλληλεπικαλύπτονταν με τις θέσεις των γνωστών γαλαξιών και κβάζαρ. «Όταν κάνεις αυτή την πρώτη ανακάλυψη, είναι εξαιρετικά συγκινητικό», λέει ο Seth Siegel, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο McGill και ένας από τους βασικούς αναλυτές της ομάδας CHIME. Το αποτέλεσμα αποτελεί ένα σημαντικό ορόσημο, δηλώνει, επειδή προσφέρει στους ερευνητές του CHIME μια βάση από την οποία μπορούν να επιδιώξουν περαιτέρω βελτιώσεις.
Η ομάδα τώρα επιχειρεί να χρησιμοποιήσει ακόμα πιο πρόσφατα δεδομένα του CHIME για την κατασκευή ενός αυτόνομου χάρτη, χωρίς τη συνδρομή του καταλόγου eBOSS. Στη συνέχεια σχεδιάζει να αναζητήσει συσχετισμούς στη κατανομή αερίου υδρογόνου σε μεγαλύτερες κλίμακες απόστασης, για τις οποίες ο διαχωρισμός του σήματος από την εκπομπή στο προσκήνιο καθίσταται ιδιαίτερα προκλητικός. Τα υπολείμματα των ηχητικών κυμάτων -που ονομάζονται «ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων» (baryon acoustic oscillations) από τους κοσμολόγους- τα οποία κυμάτίζαν μέσα στο πύρινο αρχέγονο πλάσμα που γέμιζε το πρώιμο σύμπαν, αποτελούν τέτοιου είδους συσχετισμούς. Η τυπική κλίμακα αυτών των ταλαντώσεων -περίπου 500 εκατομμύρια έτη φωτός στο σημερινό σύμπαν- έχει μετρηθεί, μέσω άλλων μεθόδων, με ακρίβεια. Έτσι, οι ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων μπορούν να χρησιμεύσουν ως ένα είδος μέτρου, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιήσει η ομάδα για να μετρήσει έτερες αποστάσεις στους χάρτες της, σε αναζήτηση αποκλίσεων από την καθιερωμένη κοσμολογία, όπως μεταβολές στην ισχύ της επίδρασης της σκοτεινής ενέργειας.
Ο Richard Shaw, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, ο οποίος ηγήθηκε της ανάλυσης μαζί με τον Siegel, τονίζει ότι αυτή είναι μόνο η αρχή για το CHIME. «Έχουμε “σακούλες” ολόκληρες με δεδομένα και έρχονται κι άλλα».
Παραπομπές:
“Detection of Cosmological 21 cm Emission with the Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment”, preprint
Πηγή: https://www.scientificamerican.com
