Ραδιοτηλεσκόπια μπορούν να ανιχνεύσουν μακρινούς γαλαξίες που εκπέμπουν ισχυρά ραδιοκύματα, ακόμα και πηγές που είναι κρυμμένες πίσω από σύννεφα σκόνης που εμποδίζουν το ορατό φως
Η ιδέα ότι το σύμπαν φαίνεται ίδιο από κάθε σημείο του χώρου, γνωστή ως κοσμολογική αρχή, αποτελεί θεμέλιο της σύγχρονης αστροφυσικής. Σύμφωνα με αυτήν, η ύλη κατανέμεται ομοιόμορφα σε πολύ μεγάλες κλίμακες.
Η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, η αμυδρή λάμψη που απέμεινε από το Big Bang, έχει εδώ και καιρό επιβεβαιώσει αυτήν την πεποίθηση. Η θερμοκρασία της είναι σχεδόν ομοιόμορφη στους 2,7 Κέλβιν, με μία σημαντική εξαίρεση: ένα μικρό διπόλο μοτίβο. Μία πλευρά του ουρανού φαίνεται ελαφρώς θερμότερη, ενώ η αντίθετη ψυχρότερη. Οι επιστήμονες έχουν ερμηνεύσει αυτή τη διαφορά ως ένδειξη της κίνησής μας στο διάστημα με ταχύτητα περίπου 370 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο.
Μέτρηση γαλαξιών στον κινούμενο ουρανό
Αν αυτή η κίνηση είναι πραγματική, θα έπρεπε να αφήνει σημάδια και στον αριθμό των γαλαξιών που βλέπουμε στο ραδιοφωνικό σύμπαν. Αναμένεται να μετρήσουμε ελαφρώς περισσότερους γαλαξίες προς την κατεύθυνση της κίνησής μας και λιγότερους πίσω μας. Η πρόβλεψη αυτή είναι απλή και ξεκάθαρη, και παρέμενε αδιαμφισβήτητη για δεκαετίες. Ωστόσο, πρόσφατες ραδιοφωνικές παρατηρήσεις δείχνουν μια πιο πολύπλοκη εικόνα.
Ραδιοτηλεσκόπια μπορούν να ανιχνεύσουν μακρινούς γαλαξίες που εκπέμπουν ισχυρά ραδιοκύματα, ακόμα και πηγές που είναι κρυμμένες πίσω από σύννεφα σκόνης που εμποδίζουν το ορατό φως. Καθώς το ηλιακό μας σύστημα κινείται, η κίνηση αυτή λειτουργεί σαν λεπτή αντίσταση στον «άνεμο» του διαστήματος. Το φαινόμενο είναι πολύ μικρό και μόνο προσεκτικές μετρήσεις σε μεγάλα τμήματα του ουρανού μπορούν να το αποκαλύψουν.
Πολλές ομάδες έχουν προσπαθήσει κατά καιρούς να κάνουν αυτές τις μετρήσεις χρησιμοποιώντας μεγάλες ραδιοφωνικές και υπέρυθρες χαρτογραφήσεις γαλαξιών και κβάζαρ. Πολλές έδειξαν διπόλα πολύ ισχυρότερο από το αναμενόμενο, μερικές φορές αρκετές φορές μεγαλύτερο από την πρόβλεψη με βάση την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Παρά τις υψηλότερες τιμές, οι κατευθύνσεις παρέμεναν κοντά στο διπόλο της ακτινοβολίας. Για χρόνια υπήρχε συζήτηση για το αν η διαφορά αυτή σήμαινε σοβαρό πρόβλημα στην κοσμική μας εικόνα ή απλά θόρυβο στα δεδομένα.
Το πρόβλημα είναι ότι η καταμέτρηση των ραδιοπηγών δεν είναι απλή. Τα σύγχρονα ραδιοχάρτες συχνά αποτυπώνουν μεγάλους γαλαξίες που εμφανίζονται σε πολλαπλά ορατά τμήματα. Αν το λογισμικό θεωρήσει κάθε τμήμα ως ξεχωριστή πηγή, δημιουργείται «υπερ-διασπορά», ένας τύπος θορύβου που το βασικό μοντέλο Πουασόν δεν μπορεί να περιγράψει. Όταν αποτυγχάνει το μοντέλο θορύβου, η εμπιστοσύνη στις μετρήσεις του διπόλου καταρρέει.
Μια νέα στατιστική προσέγγιση
Μια ομάδα υπό τον αστροφυσικό Lukas Böhme από το Πανεπιστήμιο Bielefeld χρησιμοποίησε πρόσφατα μια νέα μεθοδολογία. Αντί να θεωρεί κάθε πηγή ως μεμονωμένο στοιχείο, μοντελοποίησε κάθε γαλαξία ως αντικείμενο με πολλά τμήματα, χρησιμοποιώντας αρνητική διωνυμική κατανομή αντί της παραδοσιακής κατανομής Πουασόν. Αυτή η προσέγγιση αποδείχθηκε πολύ πιο ακριβής στην περιγραφή των ραδιοπαρατηρήσεων.
Η ομάδα εφάρμοσε τη μέθοδο σε έξι μεγάλα ραδιοφωνικά προγράμματα, καλύπτοντας συχνότητες από 120 MHz έως 4 GHz, συμπεριλαμβανομένων των LOFAR, TGSS, NVSS και ASKAP. Τα δεδομένα αυτά περιλαμβάνουν εκατομμύρια ραδιοπηγές σε μεγάλο μέρος του ουρανού.
Για κάθε χαρτογράφηση, οι ερευνητές χώρισαν τον ουρανό σε χιλιάδες ίσου μεγέθους τμήματα και συνέκριναν τα δύο στατιστικά μοντέλα με τις πραγματικές παρατηρήσεις. Σε κάθε περίπτωση, το μοντέλο Πουασόν απέτυχε, ενώ η αρνητική διωνυμική κατανομή έδωσε καλύτερη απόδοση.
Το ηλιακό μας σύστημα κινείται πιο γρήγορα από το αναμενόμενο
Μετά την προσαρμογή του μοντέλου θορύβου, η ομάδα εκτίμησε το διπόλο σε κάθε χαρτογράφηση χρησιμοποιώντας Bayesian μεθόδους. Δύο από τις πιο αξιόπιστες χαρτογραφήσεις, η RACS-low και η NVSS, είχαν ήδη δείξει διπόλο σχεδόν 3,5 φορές μεγαλύτερο από το αναμενόμενο. Συνδυάζοντας αυτά τα δεδομένα με τις υψηλής ανάλυσης μετρήσεις του LOFAR, το αποτέλεσμα ήταν ακόμα ισχυρότερο.
«Η ανάλυσή μας δείχνει ότι το ηλιακό σύστημα κινείται πάνω από τρεις φορές πιο γρήγορα από ό,τι προβλέπουν τα μοντέλα», δηλώνει ο Lukas Böhme. Ο συνδυασμός των δεδομένων αποκάλυψε διπόλο περίπου 3,7 φορές μεγαλύτερο από το αναμενόμενο, με κατεύθυνση μόλις 5 μοίρες μακριά από το διπόλο της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, γεγονός που ενισχύει την αξιοπιστία των αποτελεσμάτων.
Ο καθηγητής Dominik J. Schwarz, συν-συγγραφέας της μελέτης, τονίζει ότι τα ευρήματα θέτουν υπό αμφισβήτηση βασικές παραδοχές της κοσμολογίας. Αν το ηλιακό μας σύστημα κινείται όντως τόσο γρήγορα, θα πρέπει να επανεξεταστεί η δομή του σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα. Είναι επίσης πιθανό οι ραδιογαλαξίες να μην κατανέμονται τόσο ομοιόμορφα όσο πιστεύαμε.
Πιθανές εξηγήσεις και το μέλλον
Κάποιες εξηγήσεις μπορεί να περιλαμβάνουν μεγαλύτερη δομή στο τοπικό σύμπαν ή μικρά σφάλματα στις χαρτογραφήσεις. Ωστόσο, επειδή το φαινόμενο παρατηρείται σε πολλούς χάρτες και σε διαφορετικές συχνότητες, ένα κοινό συστηματικό σφάλμα φαίνεται απίθανο.
Αν η κατανομή της ύλης όντως έχει ισχυρότερο διπόλο, αυτό θα αμφισβητούσε την κοσμολογική αρχή, μία από τις βάσεις της σύγχρονης κοσμολογίας.
Μελλοντικές χαρτογραφήσεις, όπως οι νέες εκδόσεις του LOFAR και του ASKAP, αλλά και η επικείμενη έρευνα EMU και το Square Kilometre Array, θα δώσουν καθαρότερη εικόνα. Παράλληλα, έργα όπως το WEAVE-LOFAR θα προσθέσουν πληροφορίες για τις αποστάσεις των πηγών.
Για την ώρα, η νέα μελέτη δείχνει ότι όταν οι ραδιογαλαξίες αντιμετωπίζονται ως σύνθετα συστήματα, το μυστήριο γίνεται ακόμα πιο βαθύ. Ο ουρανός συνεχίζει να ψιθυρίζει ότι κάτι με την κίνηση μας στο σύμπαν δεν πάει όπως πίστευαν, και τα νέα δεδομένα το επιβεβαιώνουν όλο και πιο ξεκάθαρα.
*Τα ευρήματα της έρευνας είναι διαθέσιμα στο διαδίκτυο στο περιοδικό Physical Review Letters