Η Πεμπτουσία
Μια άλλη πρόταση για την αιτία της κοσμικής επιτάχυνσης
Μέρος 1ο

Άρθρο, Δεκέμβριος 2006 Πηγή PhysicsWorld

2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος

Πολλοί κοσμολόγοι έχουν προτείνει ότι μια μυστήρια ουσία, που ονομάστηκε πεμπτουσία, μπορεί να εξηγήσει γιατί το σύμπαν μας διαστέλλεται με επιτάχυνση. Στη φυσική η πεμπτουσία - ένας υποθετικός τύπος της σκοτεινής ενέργειας - θεωρείται ότι είναι ένα βαθμωτό πεδίο, όπως το σωματίδιο Higgs, αλλά με απίστευτα ασθενή αλληλεπίδραση με τα υπόλοιπα σωματίδια του καθιερωμένου μοντέλου. Έχει αρνητική πίεση με μία πυκνότητα και κατάσταση που αλλάζει χρονικά και χωρικά. Η πεμπτουσία από όσο ξέρουμε δεν συγκεντρώνεται στις μικρές κλίμακες και θα μπορούσε να τη συναντήσουμε με διάφορες μορφές.

Πολλά μοντέλα της πεμπτουσίας έχουν μια συμπεριφορά που αλλάζει, λύνοντας μερικά από τα προβλήματα της κοσμολογικής σταθεράς Λ. Σε αυτά τα μοντέλα, η τιμή της πεμπτουσίας ακολουθεί από κοντά (αλλά είναι μικρότερη από) την πυκνότητα της ακτινοβολίας έως ότου επήλθε η ισότητα της ύλης και ακτινοβολίας. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να ενεργοποιηθεί η πεμπτουσία και να ξεκινήσει τη συμπεριφορά της σαν σκοτεινή ενέργεια, κυριαρχώντας τελικά στο σύμπαν.

Από την άλλη μεριά η αντίπαλη θεωρία για την αιτία της επιτάχυνσης του σύμπαντος, η κοσμολογική σταθερά Λ, είναι στατική με μία σταθερή ενεργειακή πυκνότητα και w = −1.

Αλλά από τι αποτελείται; 

Μια επανάσταση πραγματοποιείται στην κοσμολογία. Νέες ιδέες καταλαμβάνουν τη θέση των παραδοσιακών εννοιών για τη σύνθεση του σύμπαντος, τη σχέση μεταξύ της γεωμετρίας και του πεπρωμένου, και για το μεγαλύτερο σφάλμα του Αϊνστάιν. Καθώς πολυάριθμες παρατηρήσεις και πειράματα αναδιαμορφώνουν αυτό το πεδίο, πολλοί κοσμολόγοι διερευνούν την πιθανότητα το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας στον κόσμο να είναι υπό μια μορφή, άγνωστης έως τώρα, ουσίας: της "πεμπτουσίας".

Η πεμπτουσία έχει το εντυπωσιακό φυσικό χαρακτηριστικό ότι αναγκάζει την διαστολή του κόσμου να επιταχύνεται. Οι περισσότερες μορφές ενέργειας, όπως η ύλη ή η ακτινοβολία, αναγκάζουν την διαστολή να επιβραδύνεται λόγω της ελκυστικής βαρυτικής δύναμης. Η πεμπτουσία, εντούτοις, είναι μια απωθητική βαρυτική δύναμη, και αυτό αναγκάζει την το σύμπαν να διαστέλλεται με επιτάχυνση.

Το όνομα αυτό έχει ιστορικό προηγούμενο. Στη φιλοσοφία, η πεμπτουσία αναφέρεται σαν το πέμπτο στοιχείο - μετά από τον αέρα, τη γη, τη φωτιά και το νερό - που προτάθηκε από τους αρχαίους Έλληνες για να περιγράψει μια θαυμάσια, τέλεια ουσία. 

Στην κοσμολογία, η πεμπτουσία είναι μια πραγματική μορφή ενέργειας ευδιάκριτη από οποιαδήποτε κανονική ύλη ή ακτινοβολία, ή ακόμα και τη "σκοτεινή ύλη". Οι ιδιότητες της - ενεργειακή πυκνότητα, πίεση και ούτω καθ' εξής - οδηγούν σε νέα συμπεριφορά και ασυνήθιστα αστροφυσικά φαινόμενα. Μέχρι τώρα η ύπαρξή της έχει προκύψει μόνο έμμεσα από μια σειρά παρατηρήσεων, αλλά προγραμματίζονται νέα πειράματα που θα κάνουν άμεσες αναζητήσεις αυτής της αόριστης μορφής ενέργειας.

Η γεωμετρία είναι μοιραία για τη τύχη του κόσμου ή όχι;

Πριν περίπου 13,4 δισεκατομμύρια χρόνια, το σύμπαν γέμισε με ένα καυτό, πυκνό, ομοιόμορφα κατανεμημένο αέριο ύλης και ακτινοβολίας. Αργότερα το διάστημα (ο χώρος) απλώθηκε και καθώς το αέριο επεκτάθηκε για να γεμίσει τον αυξανόμενο όγκο, η ύλη συμπυκνώθηκε για να σχηματίσει τα άτομα, τα μόρια, τους πλανήτες, τα αστέρια, τους γαλαξίες και όλα τα άλλα που βλέπουμε στον κόσμο σήμερα. Αλλά προς τα πού πάνε όλά αυτά;

Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, η διαστολή του Κόσμου κυβερνάται από την ποσότητα και τον τύπο της ενέργειας στο σύμπαν, αλλά και από τη γεωμετρία του διαστήματος. Μέχρι σήμερα, οι κοσμολόγοι της Μεγάλης Έκρηξης υπέθεταν ότι σχεδόν όλη η ενέργεια στον κόσμο σήμερα αποτελείται από την ενέργεια της μάζας (E = mc2) που περιλαμβάνεται σε αυτόν.

Όσον αφορά τη γεωμετρία, το διάστημα μπορεί να είναι επίπεδο και να υπακούσει τους νόμους της ευκλείδιας γεωμετρίας, ή μπορεί να κάμπτεται. Η κυρτότητα βέβαια μπορεί να είναι είτε αρνητική, οπότε σ' αυτή την περίπτωση οι παράλληλες ακτίνες φωτός αποκλίνουν και ο Κόσμος είναι ανοικτός είτε μπορεί να είναι θετική, οπότε σ' αυτή την περίπτωση οι ακτίνες συγκλίνουν τελικά, όπως οι γραμμές του γεωγραφικού μήκους σε μια σφαίρα και ο κόσμος είναι κλειστός.

Καθώς διαστέλλεται ο Κόσμος, η ύλη διαδίδεται προς τα έξω, με την πυκνότητά της να μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα με τον όγκο. Η δύναμη που επιδρά στην κυρτότητα μειώνεται λιγότερο γρήγορα, αντιστρόφως ανάλογα με την επιφάνεια. Έτσι, στην τυποποιημένη εικόνα της κοσμολογίας, η γεωμετρία κερδίζει τελικά τον έλεγχο της διαστολής του Κόσμου.

Σχ.1 Στο διάγραμμα φαίνεται πως ο πληθωρισμός ­ μια εξαιρετικά μικρή περίοδος υπερ-διαστολής στις πρώτες-πρώτες στιγμές του σύμπαντος ­ λείανε τις ανομοιογένειες και άλλαξε το καμπυλωμένο σύμπαν, έτσι ώστε η γεωμετρία του σύμπαντος  να γίνει επίπεδη μετά τον πληθωρισμό.

Σε έναν επίπεδο ή ανοικτό σύμπαν, η επέκταση θα συνεχίζεται για πάντα, αν και με ένα ολοένα μειούμενο ρυθμό λόγω της βαρυτικής έλξης της ύλης. Σε έναν κλειστό σύμπαν, αφ' ετέρου, η επέκταση τελικά κάποτε θα σταματήσει και το σύμπαν θα ξεκινήσει τη συστολή. Σε αυτήν την καθιερωμένη εικόνα, το σύμπαν επιβραδύνεται σε όλες τις περιπτώσεις, και η τελευταία μοίρα του αποφασίζεται από την επιλογή της γεωμετρίας.

Αλλά ίσως η γεωμετρία δεν είναι μια ελεύθερη επιλογή. Στη δεκαετία του '80 ο Alan Guth του ΜΙΤ εισήγαγε την πληθωριστική θεωρία του κόσμου για να εξετάσει διάφορες ρωγμές στην καθιερωμένη εικόνα της Μεγάλης Έκρηξης. Σύμφωνα με την πληθωριστική άποψη, ο κόσμος υποβλήθηκε σε μια φανταστική έκρηξη υπερδιαστολής κατά τη διάρκεια των πρώτων στιγμών μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, με ένα 'άπλωμα' του χώρου πολύ γρηγορότερα από αυτήν που πρόβλεπε η συμβατική εικόνα. Αυτή η υπερ-διαστολή μπορεί να εξηγήσει αφενός γιατί η ενέργεια διαδίδεται τόσο ομοιόμορφα σε όλο τον κόσμο και αφετέρου πώς  μπορούν να προκύψουν οι μικροσκοπικές αποκλίσεις από την τέλεια ομοιομορφία. Αυτές οι αποκλίσεις οδήγησαν τελικά στο σχηματισμό των γαλαξιών και της μεγάλης κλίμακας δομής (σμήνη, υπερσμήνη).

Ένα αποτέλεσμα της υπερδιαστολής είναι ότι η γεωμετρία του κόσμου εξαφανίζεται (στο σχήμα 1) και το διάστημα γίνεται εξαιρετικά επίπεδο. Επειδή η γεωμετρική επίδραση στην επέκταση είναι σήμερα αμελητέα, μόνο η ύλη φταίει για τον σημερινό ρυθμό διαστολής του κόσμου. Επομένως, με τη μέτρηση του ρυθμού διαστολής, η πυκνότητα της ύλης μπορεί να προβλεφθεί από τη γενική σχετικότητα ότι είναι περίπου 10-29  γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστόμετρο. Αυτή η τιμή είναι γνωστή ως κρίσιμη πυκνότητα, ρcritical = 3H02/8¼G, όπου H0 είναι η σταθερά του Hubble (που συσχετίζεται πολύ με το ρυθμό διαστολής) και G είναι η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας. Οι κοσμολόγοι θα μπορούσαν να ηρεμήσουν λοιπόν ξέροντας ότι ο πληθωρισμός είχε καθυποτάξει τη γεωμετρία, καθόρισε την πυκνότητα της ύλης, και αποφάσισε τη μοίρα του κόσμου: το διάστημα θα διαστέλλεται για πάντα με ένα ρυθμό συνεχώς επιβραδυνόμενο.

Τρεις νέες ανακαλύψεις

Εν τούτοις, στην τελευταία δεκαετία, τρεις νέες ανακαλύψεις έχουν δείξει στους κοσμολόγους την πιθανότητα ότι μία από τις βασικές υποθέσεις τους για τη σύνθεση και τη συμπεριφορά του σύμπαντος μπορεί να είναι λάθος. Ενώ είχαν αυξηθεί τα στοιχεία για έναν επίπεδο σύμπαν και την πληθωριστική θεωρία, έχει προστεθεί τελευταία ένα νέο στοιχείο που σπάζει την αλυσίδα της λογικής μεταξύ του πληθωρισμού, της γεωμετρίας και της μοίρας του κόσμου. Αυτό το στοιχείο είναι η σκοτεινή ενέργεια.

Κατ' αρχάς, μια απογραφή της συνολικής πυκνότητας της ύλης του κόσμου έχει αποκαλύψει ότι προσθέτει αρκετά λιγότερο από όσο αναμενόταν. Οι κοσμολόγοι ξέρουν επί δεκαετίες ότι η ποσότητα όλης της συνηθισμένης ή "βαρυονικής" ύλης - είναι η ύλη φτιαγμένη από πρωτόνια και νετρόνια - είναι περίπου μόνο το 5% της κρίσιμης τιμής που προβλέπεται για έναν επίπεδο Κόσμο. Οι πολυάριθμες μετρήσεις, που χρονολογούνται μέχρι τη δεκαετία του '30, έχουν δείξει ότι πρέπει να υπάρχει κι άλλη ύλη αόρατη ή σκοτεινή ύλη στον κόσμο, για να εξηγήσουν, παραδείγματος χάριν, πώς παραμένουν τα αστέρια σε γρήγορη τροχιά γύρω από τους γαλαξίες και πώς οι γαλαξίες στρέφονται γύρω από τα σμήνη των γαλαξιών.

Αυτή η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από εξωτικά νέα στοιχειώδη σωματίδια που προτάθηκαν από διάφορες ενοποιημένες θεωρίες της σωματιδιακής φυσικής, και μπορεί να φτάσει μέχρι το υπόλοιπο 95% που απαιτείται για να φθάσει στην κρίσιμη πυκνότητα. Εντούτοις, μια σειρά διαφορετικών μετρήσεων έχει συγκλίνει στο κοινό συμπέρασμα ότι ενώ κάποιο "εξωτική" σκοτεινή ύλη υπάρχει, αυτή φτάνει σε λιγότερη από τη μισή από την κρίσιμη πυκνότητα. (Κάποιο βαρυονική ύλη, όπως αυτή των αστεροειδών ή οι καφέ νάνοι στους απόμακρους γαλαξίες δεν λάμπει και είναι επομένως "σκοτεινή", αλλά η πυκνότητά της είναι ασήμαντη αν συγκριθεί με την εξωτική σκοτεινή ύλη).

Μια από τις απλούστερες παρατηρητικές μεθόδους εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι τα σμήνη των γαλαξιών, τα μεγαλύτερα αντικείμενα στον κόσμο, περιέχουν ένα καλό δείγμα των σχετικών ποσοστών της σκοτεινής ύλης και των βαρυονίων. Η αναλογία της κοσμολογικής σκοτεινής ύλης με τη βαρυονική ύλη μπορεί να προκύψει από τη βαρυτική μάζα του σμήνους (που είναι η συνολική ποσότητα της βαρυονικής και της σκοτεινής ύλης) και της φωτεινότητάς του (που καθορίζεται μόνο από τη βαρυονική ή τη συνηθισμένη ύλη). Γνωρίζοντας ότι η βαρυονική ύλη αποτελεί το πολύ-πολύ το 5% της κρίσιμης πυκνότητας, οι αστρονόμοι ανέμεναν τα σμήνη των γαλαξιών να περιέχουν τουλάχιστον 20 φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από τη συνηθισμένη ύλη. Όμως, η παρατηρηθείσα αναλογία είναι μόνο δέκα προς μία περίπου. Επομένως, το συνολικό ποσό της ύλης όλων των ειδών στον κόσμο είναι λιγότερο από τη μισή κρίσιμη πυκνότητα.

Η εμπιστοσύνη στον πληθωρισμό και την πρόβλεψή της για ένα επίπεδο κόσμο μπορεί να είχε τιναχτεί στον αέρα εάν δεν είχαν κάνει την εμφάνιση τους στις αρχές της δεκαετίας του '90 οι ακριβείς μετρήσεων του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων, που υποστήριξε έντονα τις πληθωριστικές προβλέψεις (σχήμα 2). Το υπόβαθρο μικροκυμάτων είναι ένα λουτρό της ακτινοβολίας που άρχισε να εκπέμπεται όταν ο κόσμος ήταν ακριβώς 380.000 ετών και το καυτό πλάσμα των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων, συμπυκνώθηκαν για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα - αφήνοντας πίσω τους το υδρογόνο, το ήλιο και τα ίχνη άλλων ελαφρών στοιχείων, καθώς επίσης και τα φωτόνια - σε ένα γεγονός γνωστό ως επανασυνδυασμός.

Σχ. 2: Μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) από τον δορυφόρο COBE το 1992 αλλά και του WMAP έδωσαν ισχυρές αποδείξεις για τις προβλέψεις του πληθωριστικού μοντέλου και του επίπεδου σύμπαντος.

Αυτά τα φωτόνια, που παρατηρούνται τώρα στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων και τις τις ραδιοσυχνότητες, έχουν μια μέση ενέργεια που αντιστοιχεί σε ένα φάσμα ενός μέλανος σώματος θερμοκρασίας Τ = 2,726 Κ. Το πιο εντυπωσιακό, καθώς κάποιος ανιχνεύει πέρα στον ουρανό, είναι ότι υπάρχουν μικρές παραλλαγές στη θερμοκρασία σε επίπεδο 1 μέρους προς 105. Αυτές οι διακυμάνσεις οφείλονται στις διάφορες συνθήκες στην κατανομή της ύλης που υπήρξε στον επανασυνδυασμό. Στην πραγματικότητα, αυτά τα φωτόνια του μικροκυματικού υποβάθρου παρέχουν ένα στιγμιότυπο των ανομοιογενειών στη σκόνη και την ακτινοβολία, που κατέρρευσαν αργότερα για να διαμορφώσουν τα σμήνη και τους γαλαξίες.

Ο πληθωρισμός δίνει μια πολύ συγκεκριμένη, λεπτομερή πρόβλεψη για το διάγραμμα των καυτών και ψυχρών τμημάτων της μικροκυματικής ακτινοβολίας στον ουρανό: προβλέπει πόσα τμήματα πρέπει να είναι ανάλογα με το γωνιακός μέγεθος, πόσο πιο ζεστά ή ψυχρά είναι από τη μέση θερμοκρασία, και ούτω καθ' εξής. Η σημαντικότερη πάντως πρόβλεψη είναι η γωνιακή κλίμακα των πιο θερμών και των πιο ψυχρών τμημάτων.

Αυτά τα καυτά και ψυχρά σημεία οφείλονται στα φωτόνια που ξέφυγαν από τις πιο υπέρπυκνες και πιο χαμηλής πυκνότητας περιοχές στον επανασυνδυασμό. Το χαρακτηριστικό μέγεθος αυτών των περιοχών μπορεί να υπολογιστεί, βασισμένος στο μήκος Jeans (που καθορίζεται από την ισορροπία μεταξύ της βαρύτητας και της πίεσης) στον επανασυνδυασμό.

Η σχέση μεταξύ του φυσικού μεγέθους και του φαινομένου γωνιακού μεγέθους, όπως παρατηρείται στον ουρανό, εξαρτάται κατά κύριο λόγο από τη γεωμετρία του χωρόχρονου. Εάν ο κόσμος είναι επίπεδος, τα σημεία εκτείνονται σε μια γωνία περίπου 1º στον ουρανό. Πάντως, η αρνητική χωρική κυρτότητα κάνει το φαινόμενο μέγεθος στον ουρανό μικρότερο, ενώ η θετική κυρτότητα το καθιστά μεγαλύτερο. Το 1999 το πείραμα MAT/TOCO πάνω στη γη παρατήρησε ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα. Ότι τα θερμότερα και πιο ψυχρά σημεία έχουν ένα γωνιακό μέγεθος ακριβώς ίσο με μια επίπεδη, ευκλείδια γεωμετρία (σχήμα 3). Αυτό επιβεβαιώθηκε αργότερα με καλύτερη ακρίβεια από τα πειράματα BOOMERANG και MAXIMA που έγιναν με ειδικά μπαλόνια σαν τα μετεωρολογικά (βλ. τον περαιτέρω κόσμο Ιούλιος 2000 pp23-24 ανάγνωσης και φυσικής).

2o μέρος, 3o μέρος, 4o μέρος