Előfizetés a lapra

Nagypontosságú standard kozmológiai méterrúd

asztrofizika, csillagászat, kozmológia

2014/02/17

A Sloan Digitális Égboltfelmérés harmadik szakaszának (SDSS III) keretében működő Barion Oszcillációk Spektroszkópiai Felmérése (BOSS) projekt kutatóinak sikerült minden korábbi csúcsot túlszárnyalva 1 százalékos pontossággal meghatározni nagyon távoli, tőlünk több mint 6 milliárd fényévre levő galaxisok távolságát. Az óriási adathalmaz elemzésével meghatározott új standard kozmológiai méterrúd a kutatók reményei szerint segithet a Világegyetem egy idő óta tartó gyorsuló tágulását okozó, ám eddig ismeretlen természetű sötét energia rejtélyének megoldásában.

 „A távolságok pontos meghatározása alapvetően fontos a csillagászatban -- magyarázta Daniel Eisenstein, a Harvard Egyetem csillagászprofesszora, az SDSS III programigazgatója. – Ez az első, ám nélkülözhetetlen lépés a Világegyetem szerkezetének feltérképezésében, majd e szerkezet kialakulásának és fejlődésének megértésében.”

 A csillagászat története során többféle távolságmérési eljárás alakult ki, amelyek eleinte csak közvetlen kozmikus környezetünkre terjedtek ki, majd egyre távolabbra nyúltak térben és időben. (A fény véges terjedési sebessége miatt a távolabbi objektumokat egyre „fiatalabb” korukban látjuk.) Valamennyi mérési eljárásnak megvan persze a pontossága, amelyet például százalékban fejezhetünk ki, de minél távolabbra tekintünk, annál körmönfontabb, többnyire közvetett módszerekhez kell folyamodni. Mindössze néhány száz csillag és csillaghalmaz esik annyira közel hozzánk, hogy távolságát 1 százalék pontossággal már eddig is meg tudtuk mérni: ezek valamennyien a Tejútrendszeren belül találhatók, tőlünk néhány ezer fényévre. Az új BOSS-mérések most ugyanezt a pontosságot milliószoros távolságban, tőlünk több mint 6 milliárd fényévre érték el. Ehhez a kutatók 1,2 millió galaxis spektrumát határozták meg az SDSS III új-mexikói  Apach Point Obszervatóriumának 2,5 méteres távcsövével.

 Az ilyen irdatlan távolságban elért 1 százalékos pontosság természetszerűleg merőben más mérési eljárást igényel, mint ami a Naprendszerben, vagy a Tejútrendszeren belül alkalmazható. A BOSS projektben az úgynevezett barion akusztikus oszcillációkat (BAO), a galaxisok eloszlásában észlelhető finom, periodikus fodrozódásokat mérik fel a Világegyetem távoli részeiben.

A BOSS-felmérés koncepciója: a kezdeti sűrűségingadozásokból  (amelyek nyomait a mikrohullámú háttérsugárzás anizotrópiája őrzi, a kép bal szélén) létrejött akusztikus barionoszcillációk a fotonok lecsatolódásakor barionokban gazdag gömbhéjakban „fagytak be” (bal oldali fehér ellipszisek). Ebből a mintázatból indult ki a galaxisok keletkezése, s nyomai máig kimutathatók a galaxisok eloszlásában (jobbra) 

Ezek a finom fodrozódások azoknak a hanghullámokhoz hasonló barionoszcillációknak máig élő a lenyomatai, amelyek még a Világegyetem korai, nagyon sűrű és nagyon forró, elektronokból és barionokból (protonokból és neutronokból) álló plazmájában keletkeztek a gravitáció, illetve a vele ellentétes irányú, a fény és az anyag kölcsönhatása során létrejött nyomás hatására. A fény részecskéit, a fotonokat a plazma részecskéivel való folyamatos kölcsönhatások eleinte gyakorlatilag a plazmához láncolták. A Világegyetem tágulása és lehűlése során azonban, amikor (mintegy 380 ezer évvel a Nagy Bumm után) a hőmérséklet 3000 kelvin alá csökkent, az elektronok és a protonok semleges hidrogénatomokká álltak össze, amelyekkel a fotonok már alig hatottak kölcsön („lecsatolódtak”), s így szabadon terjedhettek a számukra hirtelen átlátszóvá vált Világegyetemben. Az ebben a pillanatban létezett piciny sűrűségfluktuációk lenyomatát őrzi a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban (CMB-ben) kimutatható parányi (10 milliomod rész nagyságrendű) anizotrópia, amelyet eddig legpontosabban a Wilkinson mikrohullámú anizotrópia-próba (WMAP) mért ki.

 A lecsatolódást megelőzően, egy-egy sűrűbb anyagcsomó körül a gravitációval ellentétes irányú nyomás hatására a barionok és a fotonok együtt mozogtak, a fotonok szabaddá válása után azonban a kifelé ható nyomás megszűnt, és a barionok a hirtelen felerősödő gravitáció hatására megtorpantak annál a gömbfelületnél, ahol éppen tartózkodtak (az úgynevezett hanghorizonton). Idővel ezekből a nagyobb barionsűrűségű héjakból jöttek létre a galaxisok, amelyeknek a mai eloszlása szintén ezt a mintázatot követeti.

Fantáziakép a korai Világegyetem akusztikus barionoszcillációiból az Univerzum fejlődése során kialakult galaxiseloszlási-mintázatról, illetve a mérések alapján meghatározható standard kozmológiai méterrúd (fehér szakasz)
KÉP: ZOSIA ROSTOMIAN, LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY

 Természetesen a kép ennél sokkal bonyolultabb, hiszen a korai Világegyetemben véletlenszerűen számtalan sűrűbb anyagcsomó jött létre, amelyek körül hasonló folyamatok mentek végbe, így számtalan, egymást átfedő nagyobb anyagsűrűségű gömbhéj jött létre. A kép ahhoz hasonlítható, amikor egy medencébe számtalan kavicsot dobunk, és a felületen szétgyűrűző vízhullámok összetalálkozva bonyolult mintázatot alakítanak ki: a létrejött mintázat adatainak pontos mérésével (ehhez szükséges a nagyon pontos standard méterrúd) és megfelelő statisztikai kiértékelésével a kozmológiai modellek közül kiválaszthatjuk azokat, amelyek a Világegyetemben megfigyelhető nagyléptékű szerkezeteket a valóságnak leginkább megfelelően írják le.

 A most közzétett eredmények az első olyan BAO méréseket is magukba foglalják, amelyek közeli galaxisok egy csoportjára vonatkoznak. Ez azért fontos, mert ennek alapján összehasonlítható, hogyan változott a Világegyetem tágulásának üteme az idő függvényében (6 milliárd évvel ezelőttől napjainkig), s így segíthat annak megfejtésében, hogy miért is gyorsult fel mintegy 6–7 milliárd évvel ezelőtt.

 Az eredményekből az is megállapítható, hogy a BOSS eddigi mérései összhangban állnak azzal a feltételezéssel, miszerint a sötét energia a Világegyetem fejlődése során állandó maradt – azaz formálisan valóban megfeleltethető az Einstein-féle kozmológiai állandónak (jóllehet a tudós annak idején egészen más megfontolásból feltételezte egy hasonló hatás létezését – amit utóbb élete legnagyobb baklövésének nevezett).

Forrás:http://www.sdss3.org/press/onepercent.php

2014/4