Η Σκοτεινή Ενέργεια και το επιταχυνόμενο σύμπαν

Πώς μπορεί λοιπόν να συμβαίνει η πυκνότητα της ύλης να είναι μόνο το ένα τρίτο της κρίσιμης τιμής, κι όμως ο κόσμος να είναι επίπεδος; Αυτό σημαίνει ότι η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν κάνει λάθος; Πιθανότατα όχι. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του '90, βασισμένες στα αποτελέσματα των διαφόρων παρατηρήσεων, αρκετές ομάδες, συμπεριλαμβανομένης και αυτής του Jeremiah Ostriker του πανεπιστημίου Princeton, πρόβλεψαν το πρόβλημα και έδειξαν τη λύση του. Τα δύο τρίτα της κρίσιμης πυκνότητας που έλειπαν μπορεί να αποτελείται από μια εξωτική μορφή "σκοτεινής ενέργειας", αρκετά ευδιάκριτη από τη σκοτεινή ύλη δεδομένου ότι αυτή δεν συγκεντρώνεται στα σμήνη επιδρώντας σαν μια ελκυστική βαρυτική δύναμη, για να διαμορφώσει τους γαλαξίες και τη μεγάλης κλίμακας δομές. Ως εκ τούτου, η συνολική ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε να φτάσει μέχρι την κρίσιμη τιμή, σύμφωνη με τα στοιχεία για έναν επίπεδο κόσμο, αλλά οποιαδήποτε απογραφή της πυκνότητας της ύλης θα έβρισκε μόνο το ένα τρίτο της κρίσιμης τιμής.

Αυτή η πρόταση φάνηκε να ταιριάζει με όλα τα υπάρχοντα στοιχεία άριστα, επιλύοντας πολλές από τις αποκλίσεις που συνδέθηκαν με τα προηγούμενα μοντέλα. Εντούτοις, η πρόταση αυτή έκανε επίσης και μια συγκλονίζοντας πρόβλεψη. Αν και ξέρουμε σήμερα ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί τα δύο τρίτα της ενεργειακής πυκνότητας στον κόσμο, θα πρέπει να ήταν ένα ασήμαντο τμήμα πριν λίγο καιρό, διαφορετικά η απωστική βαρυτική της επίδραση θα εμπόδιζε τη συνηθισμένη ύλη να σχηματίσει τα αστέρια, τους γαλαξίες και τη μεγάλης κλίμακας δομή που βλέπουμε σήμερα στον κόσμο.

Σαν επακόλουθο είναι ότι οποιαδήποτε μορφή ενέργειας που εξουσιάζει σήμερα, αλλά ήταν ασήμαντη στο πρόσφατο παρελθόν, πρέπει να έχει μια πυκνότητα που να μειώνεται πιο αργά με το χρόνο από την πυκνότητα της ύλης. Δηλαδή καθώς ο διαστελλόμενος κόσμος διπλασιάζεται σε όγκο και η πυκνότητας της ύλης μειώνεται κατά έναν παράγοντα δύο, η πυκνότητα αυτής της σκοτεινής ενέργειας πρέπει να μειωθεί κατά έναν μικρότερο παράγοντα. Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, η σκοτεινή ενέργεια με αυτήν την ιδιότητα είναι αρκετά ισχυρή, αλλά πρέπει να έχει μια ασυνήθιστη ιδιότητα - πρέπει να είναι βαρυτικά αυτο-απωθητική.

Αντίθετα από τη κανονική ύλη, αυτή η αυτο-απωθητική σκοτεινή ενέργεια θα αναγκάσει την διαστολή του σύμπαντος να επιταχύνεται. Εάν η πρόταση για τη σκοτεινή ενέργεια ήταν σωστή, τότε ο κόσμος θα πρέπει σήμερα να επιταχύνεται - μια πρόβλεψη που ήρθε σε αντίθεση με την κοινή λογική, και τα στοιχεία, εκείνη την περίοδο.

Κατόπιν, το 1998, δύο ανεξάρτητες ομάδες - το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών και η Αναζήτηση Υπερκαινοφανών Υψηλής Μετατόπισης προς το Ερυθρό ή Ζ - ανήγγειλαν ένα θεαματικό αποτέλεσμα βασισμένο στις πιο ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής διαστολής που έγιναν ποτέ. Οι παρατηρήσεις τους για την αύξηση και μείωση της λαμπρότητας των απόμακρων σουπερνοβών τύπου 1a αποκάλυψαν ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται στην πραγματικότητα.

Τα συμπεράσματά τους στηρίχθηκαν στην ανακάλυψη ότι υπάρχει μια σχέση μεταξύ της εγγενούς φωτεινότητας μιας σουπερνόβας και του ρυθμού με τον οποίο αυξάνει ή μειώνει τη λαμπρότητα της. Έχοντας καθορίσει τη φωτεινότητα μιας σουπερνόβας μετρώντας τη "καμπύλης της ακτινοβολίας" της (δηλ. πώς η παρατηρηθείσα φωτεινότητα μεταβάλλεται με το χρόνο), η ροή των φωτονίων που μετρήθηκε χρησιμοποιείται για να καθορίσει την πραγματική απόσταση της σουπερνόβας. Έπειτα, με τη σύγκριση της απόστασης με τη μετατόπιση προς το ερυθρό z ή redshift (που μας λέει πόσο γρήγορα απομακρύνεται η σουπερνόβα από μας), αναδημιουργείται η ιστορία διαστολής του κόσμου, μια σουπερνόβα κάθε φορά.

Οι μετρήσεις μας δείχνουν ότι οι απόμακρες σουπερνόβες είναι πιο αμυδρές από αυτό που οφείλουν να είναι εάν ο κόσμος επεκτεινόταν με έναν σταθερό ρυθμό. Έχουν δε καταβληθεί εξαντλητικές προσπάθειες για να δείξουν ότι κανένα συστηματικό αποτέλεσμα δεν συγχέει τις μετρήσεις, όπως η απόκρυψη από τη σκόνη ή τις μεταβολές στις ίδιες τις σουπερνόβες, αλλά δεν έχει βρεθεί μέχρι τώρα κανένα αποτέλεσμα, που να αλλάζει το συμπέρασμα.

Για τους κοσμολόγους που μελετούσαν πολύ το ζήτημα, αυτό το αποτέλεσμα των υπερκαινοφανών ήταν η τελευταία βασική παρατήρηση - κλειδί για να μπει στην θέση της θεωρίας.  Τώρα μπορεί να ειπωθεί ότι ένα κοσμολογικό μοντέλο βασισμένο στη Μεγάλη Έκρηξη, την πληθωριστική κοσμολογία, και ένα σύμπαν που αποτελείται από μια κανονική ύλη κατά το ένα τρίτο και μια σκοτεινή ενέργεια κατά τα δύο τρίτα είναι σύμφωνο με όλες τις τρέχουσες αστροφυσικές και κοσμολογικές μετρήσεις. Για την ευρύτερη επιστημονική κοινότητα και τον κόσμο σε μεγάλο βαθμό αυτή η ανακάλυψη, ότι ο κόσμος επιταχύνεται, αποτέλεσε μια φανταστική έκπληξη.

Το μεγάλο λάθος του Αϊνστάιν ή το μυστήριο της πεμπτουσίας;

Αν και οι κοσμολόγοι μπορούν να είναι δίκαια υπερήφανοι για το μοντέλο τους που ταιριάζει με μια σπουδαία σειρά παρατηρήσεων, δεν μπορούν όμως να στηριχτούν για πολύ εκεί.  Ένα νέο μυστήριο προκύπτει αμέσως. Ποια είναι η σκοτεινή ενέργεια που συνθέτει τα δύο τρίτα της σημερινής ενέργειας στον κόσμο;

Ένα αληθινό γεγονός που ξέρουμε για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ότι έχει αρνητική πίεση: η κοσμική επιτάχυνση μπορεί να εμφανιστεί μόνο εάν η πίεση είναι αρκετά αρνητική. Ο λόγος για αυτό βρίσκεται στη γενική σχετικότητα, η οποία μας λέει ότι η ενέργεια και η ορμή, και επομένως η πίεση, όλες είναι ελκυστικές. Πράγματι, η εκτροπή του φωτός από τη βαρύτητα χρησιμοποιείται από τους αστρονόμους σε μια καθιερωμένη τεχνική, γνωστή σαν βαρυτικός εστιασμός. Η δύναμη αυτής της βαρυτικής δύναμης καθορίζεται από το rho + 3P, όπου το rho είναι η ενεργειακή πυκνότητα (συμπεριλαμβανομένων όλων των μορφών ενέργειας) και το  P είναι η πίεση.

Κανονικά, η πίεση είναι αρκετά αμελητέα έναντι της ενεργειακής πυκνότητας, (rho), έτσι όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα, τόσο πιο ελκυστική είναι η δύναμη. Μια μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα επομένως θα αναγκάσει το χώρο να καμφθεί και να περιοριστεί γύρω από αυτή - όπως σχηματίζονται και οι μαύρες τρύπες. Αλλά, εάν το rho + 3P είναι αρνητικό - που μπορεί να συμβεί για αρνητικές πιέσεις - τότε η δύναμη της βαρύτητας γίνεται απωστική.

Όταν το εφαρμόζουμε στο σύμπαν, διαπιστώνουμε ότι μια πανταχού παρούσα ενεργειακή ουσία με αρνητική πίεση αναγκάζει το διάστημα να απωθεί τον εαυτό του: κάθε σημείο στο διάστημα διαφεύγει από τα γειτονικά του και η κοσμική επέκταση επιταχύνεται. Το κάτω όριο για την πεμπτουσία είναι ότι η πίεσή της πρέπει να είναι αρκετά αρνητική για να υπερνικήσει την ελκυστική βαρυτική δύναμη όλης της ενεργειακής πυκνότητας στον κόσμο.

Η αρνητική πίεση μπορεί να φαίνεται εξαιρετικά εξωτική, αλλά μπορεί πραγματικά να προκληθεί με μάλλον απλές φυσικές διαδικασίες. Ένα συνηθισμένο αέριο που αποτελείται από άτομα και ακτινοβολία ενεργεί όπως ένα συμπιεσμένο ελατήριο, που ωθείται εξωτερικά προς όλες τις κατευθύνσεις. Όμως, μια φυσαλίδα ατόμων αερίου που αλληλεπιδρούν σε μια ασταθή κατάσταση (δηλ. με μια υψηλότερη ενέργεια από το περιβάλλον αέριο), μπορεί να ενεργήσει σαν ένα τεντωμένο ελατήριο κάτω από μια τάση και να ασκήσει μια εσωτερική δύναμη ή με μία αρνητική πίεση.