Ιστορία της Αστρονομίας

Ιστορία της Αστρονομίας

18 Φεβρουαρίου 2016

ΣΤ! Σχηματισμός των γαλαξιών και των σμηνών

Οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών θεωρούνται πως προέρχονται από τα αποτελέσματα της βαρύτητας πάνω στις μικρές διακυμάνσεις της πυκνότητας, που παρουσιάζονταν στις αρχικές φάσεις του Σύμπαντος. Αυτή η ιδέα αναπτύχθηκε αρχικά από τους Jim Peebles και Yakov Zel’dovich προς το τέλος της δεκαετίας του ’60. Αλλά μέχρι το 1980 ήταν σαφές ότι ο υψηλός βαθμός ισοτροπίας του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων, έθεσε τα προβλήματα για ένα Σύμπαν που περιέχει μόνο την συνηθισμένη «βαρυονική» ύλη, δηλ. νετρόνια και πρωτόνια.

Όμως για να είναι σε θέση να σχηματισθούν οι γαλαξίες μέχρι σήμερα, ήταν απαραίτητο οι διακυμάνσεις να εμφανίστηκαν και με την ύπαρξη κάποιων μη-βαρυονικών συστατικών. Προκειμένου να ξεκινήσει ο σχηματισμός δομών αυτά τα μη-βαρυονικά στοιχεία πρέπει να έχουν αποσυνδεθεί από την ακτινοβολία, που δημιουργήθηκε στο Big Bang, πολύ πριν δημιουργηθούν τα βαρυόνια. Με άλλα λόγια, δεν μπορούν να γίνουν οι γαλαξίες εκτός αν ο Κόσμος εξουσιάζεται από τη «σκοτεινή ύλη» που, εξ ορισμού, δεν ακτινοβολεί. Κατά συνέπεια η εμφάνιση της σκοτεινής ύλης ήταν η αιτία που βρισκόμαστε όλοι σήμερα εδώ, με τη μορφή της βαρυονικής ύλης.

Ο Zel’dovich πρότεινε ότι ότι ένα νετρίνο με μια μάζα μερικών δεκάδων ηλεκτρονιοβόλτ (eV) θα μπορούσε να σχηματίσει την «θερμή σκοτεινή ύλη», που ονομάζεται έτσι επειδή τα νετρίνα θα μπορούσαν να κινούνται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Υποστήριξε ότι μια τέτοια θερμή σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να εξηγήσει την προέλευση της δομής σε ένα σχηματισμό της μορφής «από το μεγάλο προς το μικρό», με τα σμήνη δηλαδή να σχηματίζονται πρώτα και τα οποία τεμαχίστηκαν αργότερα σε γαλαξίες. Οι προσομοιώσεις με υπολογιστές έδειξαν, εντούτοις, ότι αυτό το μοντέλο δεν λειτούργησε και ότι το εναλλακτικό σενάριο της «ψυχρής σκοτεινής ύλης» λειτούργησε στις προσομοιώσεις πολύ καλύτερα.

Αυτό θα οδηγούσε σε ένα σχηματισμό δομών «από τα μικρότερα στοιχεία προς τα μεγαλύτερα». Έτσι στο μοντέλο αυτό οι γαλαξίες σχηματίσθηκαν πρώτα και έπειτα συγχωνεύτηκαν για να σχηματισθούν τα σμήνη των γαλαξιών. Αυτή η προσέγγιση απαιτεί την παρουσία σωματιδίων σκοτεινής ύλης, τα οποία κινούνταν αργά στις απαρχές του Σύμπαντος. Αυτήν την χρονική περίοδο τα πιο επιτυχή σενάρια είναι βασισμένα στη ψυχρή σκοτεινή ύλη, με το δημοφιλέστερο υποψήφιο για τη σκοτεινή ύλη να είναι το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο, το νετραλίνο (neutralino). Πράγματι, διάφορα υπόγεια πειράματα βρίσκονται εν εξελίξει για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν αυτό το μυστηριώδες νετραλίνο..

Πάντως, είναι απαραίτητο να υπάρξει κι ένα πρόσθετο συστατικό για να ταιριάξει το παρατηρηθέν φάσμα των διακυμάνσεων της πυκνότητας σήμερα στο Σύμπαν. Οι προτάσεις για αυτό το πρόσθετο συστατικό περιλαμβάνουν μια πρόσθετη απωθητική δύναμη, η οποία ενεργεί σε μεγάλες κλίμακες, μια έννοια που εισήχθη αρχικά από τον Einstein το 1917 για να επιτύχει έναν στατικό Σύμπαν στο μοντέλο που υπολογίστηκε με βάση την Γενική Σχετικότητα. Θα μπορούσε επίσης να υπάρξει κι ένα δεύτερο συστατικό σκοτεινής ύλης υπό μορφή νετρίνο με μάζα μερικών ηλεκτρόνιο-βολτ.

Εν τω μεταξύ, πειράματα ατμοσφαιρικών νετρίνων εμφανίζουν να αποδεικνύουν ότι τουλάχιστον ένα είδος νετρίνο έχει μάζα διάφορη του μηδενός. Εντούτοις, κι αυτή η υπονοούμενη μάζα δεν είναι αρκετά μεγάλη για να έχει μια αρκετή κοσμολογική επίδραση, εκτός αν οι αστροφυσικοί στραφούν στα σενάρια της μη Καθιερωμένης Φυσικής (φυσική υπερχορδών).

Ένα σημαντικό συστατικό στη θεωρία της προέλευσης της δομής ήταν η εφεύρεση του πληθωρισμού από τον Alan Guth το 1980. Αυτή η θεωρία εισήχθη για να λύσει το ονομαζόμενο πρόβλημα των μαγνητικών μονόπολων καθώς και το πρόβλημα των οριζόντων στην κοσμολογία. Στο πρώτο πρόβλημα η αλλαγή φάσης, που συνδέεται με το σπάσιμο της συμμετρίας της μεγάλης ενοποιημένης δύναμης στο αρχικό στάδιο του Σύμπαντος, είναι πιθανόν να έχει παραγάγει μια υψηλή πυκνότητα από αυτά τα μαγνητικά μονόπολα. Εντούτοις κανένας αστροφυσικός δεν τα έχει παρατηρήσει. Το πρόβλημα των οριζόντων προκύπτει όταν κοιτάξουμε στο μικροκυματικό υπόβαθρο σε αντίθετες κατευθύνσεις. Πώς είναι δυνατόν δύο περιοχές του Σύμπαντος, που ποτέ δεν είχαν αιτιακή επαφή σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο της επέκτασης του Σύμπαντος, να κατορθώσουν να είναι όμοια;

Η αρχική ιδέα του πληθωρισμού ήταν ότι στην εποχή του σπασίματος της συμμετρίας, το Σύμπαν θα ήταν σε μια κατάσταση «ψευδοκενού». Αυτό θα ενεργούσε σαν μια τεράστια κοσμολογική άπωση και θα οδηγούσε σε μια εκθετική διαστολή για αρκετό χρόνο (περίπου 10 ­32 sec) για να λύσει το πρόβλημα των οριζόντων. Η ενέργεια του κενού θα μετατρεπόταν έπειτα σε ύλη και ακτινοβολία. Με αυτή τη διαδικασία θα είχαν παραχθεί και οι απαιτούμενες μικρές, αρχέγονες διακυμάνσεις πυκνότητας, και η κανονική διαστολή, που παρατήρησε ο Hubble, θα είχε επαναληφθεί. Μάλιστα από τότε έχουν δημιουργηθεί πολλές παραλλαγές αυτής της γενικής ιδέας.

Pages: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24