Οι «Σκοτεινές Δυνάμεις» που διαφεντεύουν το σύμπαν μας

26 February, 2019 ΑΡΘΡΑ

Οι «Σκοτεινές Δυνάμεις» που διαφεντεύουν το σύμπαν μας

Τα μυστήρια του σύμπαντος και οι δυνάμεις πίσω από αυτά.

Στο πολύ μακρινό παρελθόν, όταν το σύμπαν μας ήταν μόλις 100.000 ετών- μια διαστελλόμενη μάζα σωματιδίων και ακτινοβολίας- ένα περίεργο νέο πεδίο ενέργειας ενεργοποιήθηκε, «εμποτίζοντας» το Διάστημα με ένα είδος κοσμικής αντιβαρύτητας, και «πυροδοτώντας» τη διαστολή του. Επίσης, μετά από άλλες 100.000 χρόνια, το πεδίο αυτό απλά έσβησε, αφήνοντας πίσω του «μόνο» ένα σύμπαν το οποίο είχε επιταχύνει: Αυτή είναι η περίεργη θεωρία με την οποία ασχολούνται αστρονόμοι του Πανεπιστημίου Τζονς Χόπκινς, επιδιώκοντας να εξηγήσουν έναν αστρονομικό γρίφο: Το γιατί το σύμπαν φαίνεται να διαστέλλεται γρηγορότερα από ό,τι θα έπρεπε.

Όπως σημειώνεται σε εκτενές σχετικό δημοσίευμα των New York Times, το σύμπαν επεκτείνεται περίπου 9% από ό,τι επιτάσσει η θεωρία, ωστόσο αυτή η μικρή απόκλιση προκαλεί ερωτηματικά στους αστρονόμους- και τα τελευταία χρόνια επιστήμονες αναζητούν πού οφείλεται αυτή.

Σε πρόσφατη συνάντηση στο Σικάγο, ο Τζος Φρίντμαν, θεωρητικός στο Fermi National Accelerator Laboratory, έθεσε το ερώτημα: «Σε ποιο σημείο μιλάμε για ανακάλυψη νέας φυσικής;».

Νέες ιδέες εμφανίζονται, και κάποιοι ερευνητές θεωρούν πως το πρόβλημα θα μπορούσε να λυθεί συμπεραίνοντας την ύπαρξη προηγουμένως άγνωστων υποατομικών σωματιδίων. Άλλοι, όπως η ομάδα του Τζονς Χόπκινς, μιλάνε για νέα είδη ενεργειακών πεδίων- και μέσα σε όλα αυτά υπάρχει ήδη ένα ενεργειακό πεδίο, η αποκαλούμενη Σκοτεινή Ενέργεια, που κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται γρηγορότερα. Επίσης, μια νέα, αμφισβητούμενη αναφορά σημειώνει πως η Σκοτεινή Ενέργεια αυτή μπορεί να γίνεται ισχυρότερο και πιο πυκνή, οδηγώντας σε ένα μέλλον όπου τα άτομα θα αποσυντεθούν και ο χρόνος θα τελειώσει.

Μέχρι τώρα, αναφέρεται στο δημοσίευμα των New York Times, δεν υπάρχουν στοιχεία για τις περισσότερες από αυτές τις ιδέες. Εάν κάποιες αποδειχτεί ότι είναι σωστές, οι επιστήμονες θα πρέπει να ξαναγράψουν την ιστορία της προέλευσης, της ιστορίας και πιθανώς του τέλους του σύμπαντος.

Ολόκληρες γενιές αστρονόμων έχουν προβληματιστεί για θέματα μετρήσεων του σύμπαντος: Ένα άλλο θέμα είναι ένας αριθμός που αποκαλείται η σταθερά του Χαμπλ (από τον Έντουϊν Χαμπλ, τον αστρονόμο που το 1929 ανακάλυψε ότι το σύμπαν επεκτείνεται). Καθώς το Διάστημα διαστέλλεται, οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο- και όσο πιο μακριά είναι, τόσο πιο γρήγορα απομακρύνονται. Η σταθερά Χαμπλ λέει πόσο γρήγορα γίνεται αυτό, ωστόσο για τον υπολογισμό της οι αστρονόμοι βασίζονται σε κάποια σημεία αναφοράς, όπως εκρήξεις σουπερνόβα κλπ- και εδώ αρχίζουν οι διαφωνίες, καθώς μέχρι πριν λίγες δεκαετίες οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν να συμφωνήσουν στην αξία της: Είτε 50 είτε 100 χλμ/ δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ (ένα μεγαπαρσέκ είναι 3,26 εκατομμύρια έτη φωτός).

Ωστόσο το 2001 ομάδα επιστημόνων υπό τον Φρίντμαν, χρησιμοποιώντας το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Χαμπλ, ανέφερε αξία 72: Για κάθε μεγαπαρσέκ που βρίσκεται πιο μακριά από εμάς, ένας γαλαξίας κινείται κατά 72 χλμ/ δευτερόλεπτο γρηγορότερα. Πιο πρόσφατες έρευνες από τον Άνταμ Ρις, του Τζονς Χόπκινς και του Space Telescope Science Institute, καθώς και άλλους, απέδωσαν παρόμοιους αριθμούς, και τώρα οι αστρονόμοι λένε πως η αβεβαιότητα στη σταθερά Χαμπλ έχει μειωθεί στο 2,4%. Ωστόσο πλέον έχει προκύψει νέο ζήτημα, καθώς αυτά τα αποτελέσματα έρχονται σε αντίθεση με αυτά του ευρωπαϊκού διαστημικού τηλεσκοπίου Πλανκ, που προβλέπει σταθερά Χαμπλ 67. Η απόκλιση αυτή – 9%- φαίνεται μεγάλη, αλλά ίσως να μην είναι εν τέλει, δεδομένου ότι το Πλανκ και οι άνθρωποι αστρονόμοι κάνουν διαφορετικού τύπου παρατηρήσεις- και η σταθερά Χαμπλ του Πλανκ βασίζεται σε μια «βρεφική» εικόνα του σύμπαντος.

Γενικότερα μιλώντας, οι κοσμολόγοι προσπαθούν να διορθώσουν το μοντέλο του πρώιμου σύμπαντος, έτσι ώστε να το κάνουν να διαστέλλεται λίγο γρηγορότερα, χωρίς να καταστραφεί εντελώς το υπάρχον μοντέλο. Μία προσέγγιση για αυτό, σύμφωνα με τους αστροφυσικούς, είναι να προστεθούν περισσότερα ήδη ελαφρών σωματιδίων στο πρώιμο σύμπαν, καθώς θα παρείχαν χώρο για αποθήκευση περισσότερης ενέργειας. Μια άλλη, πιο τολμηρή θεωρία, από την ομάδα του Τζονς Χόπκινς, περιλαμβάνει πεδία εξωτικής αντιβαρυτικής ενέργειας, αξιοποιώντας ένα μέρος της Θεωρίας Χορδών.

Η Θεωρία Χορδών, με τη σειρά της, προτείνει πως το Διάστημα διέπεται από εξωτικά ενεργειακά πεδία, που σχετίζονται με ελαφρά σωματίδια ή δυνάμεις που μας παραμένουν άγνωστες. Τα πεδία αυτά (συλλογικά χαρακτηρίζονται quintessence, πεμπτουσία), θα μπορούσαν να ενεργούν αντίθετα στη βαρύτητα, και να αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου. Οι ερευνητές επικεντρώνονται συγκεκριμένα στις επιπτώσεις πεδίων που σχετίζονται με υποθετικά σωματίδια, τα άξιον. Εάν ένα τέτοιο πεδίο είχε εμφανιστεί όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας 100.000 ετών, θα μπορούσε να είχε παράξει τη σωστή ποσότητα ενέργειας για να καλύψει τα κενά, ανέφεραν σε σχετικό paper οι ερευνητές πέρυσι, χαρακτηρίζοντας αυτή τη θεωρητική δύναμη ως «πρώιμη σκοτεινή ενέργεια». Ωστόσο, η θεωρία αυτή δεν έχει γίνει ακόμα αποδεκτή, αν και αναγνωρίζεται ο καινοτόμος χαρακτήρας της.

Η πρώιμη Σκοτεινή Ενέργεια φαντάζει ελκυστική σε κάποιους κοσμολόγους επειδή υποδεικνύει σχέση με, ή μεταξύ, δύο μυστηριωδών επεισοδίων στην ιστορία του σύμπαντος. Το πρώτο από αυτά έλαβε χώρα όταν το σύμπαν είχε ηλικία μικρότερη του ενός τρισεκατομμυριοστού του ενός τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου: Σε ένα τέτοιο κλάσμα δευτερολέπτου, αυτό το γεγονός («πληθωρισμός») «ομαλοποίησε» το αρχικό χάος, στο σημερινό, πιο συντεταγμένο σύμπαν που ξέρουμε σήμερα. Κανείς δεν γνωρίζει τι προκάλεσε τον πληθωρισμό.

Το δεύτερο επεισόδιο είναι σε εξέλιξη σήμερα: Η κοσμική διαστολή επιταχύνεται, για άγνωστο λόγο. Το ζήτημα προέκυψε το 1998, όταν δύο ανταγωνιστικές ομάδες αστρονόμων ρώτησαν εάν η συλλογική βαρύτητα των γαλαξιών μπορεί να επιβραδύνει την επέκταση αρκετά για να σύρει κάποια ημέρα τα πάντα σε ένα «Big Crunch» (το αντίθετο του «Big Bang»).

Προς έκπληξή τους, ανακάλυψαν το αντίθετο: Η διαστολή επιταχυνόταν, υπό την επιρροή μιας αντιβαρυτικής δύναμης που αργότερα χαρακτηρίστηκε Σκοτεινή Ενέργεια. Οι δύο ομάδες κέρδισαν Νόμπελ.

Η Σκοτεινή Ενέργεια αποτελεί το 70% της μάζας- ενέργειας του σύμπαντος, και συμπεριφέρεται πολύ σαν έναν παράγοντα γνωστό ως κοσμολογική σταθερά- μια κοσμική δύναμη απώθησης που ο Αϊνστάιν έβαλε στις εξισώσεις του έναν αιώνα πριν, θεωρώντας πως θα εμπόδιζε το σύμπαν να καταρρεύσει υπό το ίδιο του το βάρος. Αργότερα εγκατέλειψε την ιδέα (ίσως πολύ νωρίς).

Υπό την επίδραση της Σκοτεινής Ενέργειας, το σύμπαν τώρα διπλασιάζεται σε μέγεθος κάθε 10 δισεκατομμύρια χρόνια- ποιο θα είναι το αποτέλεσμα αυτού, ουδείς γνωρίζει.

Η πρώιμη σκοτεινή ενέργεια- η δύναμη στην οποία αναφέρθηκε η ομάδα του Τζονς Χόπκινς, ίσως να αντιπροσωπεύει ένα τρίτο επεισόδιο της αντιβαρύτητας, που προκαλεί επιτάχυνση του σύμπαντος. Ίσως τα τρία αυτά επεισόδια να αποτελούν διαφορετικές εκδοχές της ίδιας τάσης του σύμπαντος να επιταχύνει από μόνο του περιστασιακά. Εάν ισχύει κάτι τέτοιο, τότε αυτό θα σήμαινε πως η παρούσα εκδήλωση της Σκοτεινής Ενέργειας δεν είναι τελικά η σταθερά του Αϊνστάιν- και θα μπορούσε να εκλείψει κάποια στιγμή, απαλλάσσοντας τους αστρονόμους από έναν υπαρξιακό προβληματισμό σχετικά με το σύμπαν και το μέλλον του: Αν η Σκοτεινή Ενέργεια παραμένει σταθερή, τα πάντα έξω από τον γαλαξία μας θα απομακρύνονται από εμάς γρηγορότερα από το φως, και δεν θα είναι πλέον ορατά. Στο σύμπαν θα κυριαρχούσε το απόλυτο σκοτάδι. Ωστόσο, αν η Σκοτεινή Ενέργεια είναι προσωρινή, τότε ίσως να υπάρχει μέλλον.

Προς το παρόν πάντως, η Σκοτεινή Ενέργεια στο σύμπαν μας φαίνεται να έχει αυξηθεί με το πέρασμα του κοσμικού χρόνου, σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη στο Nature Astronomy. Εάν αυτό συνεχιστεί, τότε το σύμπαν κάποια στιγμή θα μπορούσε να καταλήξει στο «Big Rip», με τα άτομα και τα βασικά σωματίδια να αποσυντίθενται- ίσως στην απόλυτη κοσμική καταστροφή. Το σενάριο αυτό προκύπτει από τη δουλειά του Γκουΐντο Ρισαλίτι, του Πανεπιστημίου της Φλωρεντίας, και της Ελισαμπέτα Λούσο, του Πανεπιστημίου Durham στην Αγγλία: Τα τελευταία χρόνια, εξετάζουν τη βαθιά ιστορία του σύμπαντος, χρησιμοποιώντας μακρινούς «κατακλυσμούς», τα κβάζαρ, ως ορόσημα.

Τα κβάζαρ προκύπτουν από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο του γαλαξία: Είναι τα φωτεινότερα αντικείμενα στη φύση, μα ως ορόσημα δεν είναι ιδανικά, καθώς οι μάζες τους ποικίλλουν. Όπως και να έχει, οι ερευνητές διαπίστωσαν κάποιες αποκλίσεις στις εκπομπές των κβάζαρ, επιτρέποντας την «ανάγνωση» της ιστορίας του σύμπαντος σε βάθος 12 δισεκατομμυρίων ετών. Οι ερευνητές διαπίστωσαν πως η έκταση της κοσμικής διαστολής απείχε σε σχέση με τις εκτιμήσεις. Μια ερμηνεία για αυτό είναι πως η Σκοτεινή Ενέργεια δεν αποτελεί σταθερά, μα αλλάζει, καθώς γίνεται πιο πυκνή και πιο ισχυρή στο πέρασμα του χρόνου. Τα κακά νέα πάνω σε αυτό είναι πως, εάν αυτό το μοντέλο είναι σωστό, τότε ίσως να βρίσκεται σε μια μορφή που αποκαλείται «ενέργεια φάντασμα» (phantom energy), η ύπαρξη της οποίας θα σήμαινε ότι τα πράγματα μπορούν να χάνουν ενέργεια επιταχύνοντας, πχ. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η ώθηση από την ενέργεια- φάντασμα θα γινόταν απεριόριστη, κάποια στιγμή ξεπερνώντας τη βαρύτητα και αποσυνθέτοντας τη Γη πρώτα και μετά τα άτομα.