Η Πεμπτουσία σαν η αιτία της κοσμικής επιτάχυνσης

Θα φαινόταν πιο φυσικό για την σκοτεινή ενέργεια να ξεκινήσει με μια ενεργειακή πυκνότητα παρόμοια με την πυκνότητα της ύλης και της ακτινοβολίας στο αρχικό σύμπαν. Η σκοτεινή ενέργεια και η πυκνότητα της ύλης θα μπορούσαν και οι δύο έπειτα να μειωθούν με παρόμοια ποσοστά καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, με τη σκοτεινή ενεργειακή πυκνότητα να προσπερνά την πυκνότητα της ύλης μόνο αφού έχει σχηματιστεί η δομή στον κόσμο. Εντούτοις, εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας έχει αλλάξει, δεν μπορεί να αποτελείται από την ενέργεια του κενού. Άρα, η έννοια της πεμπτουσίας εισήχθη για να υπερνικήσει αυτό το πρόβλημα από τον Robert Caldwell του Κολλεγίου του Dartmouth και τον Rahul Dave, του πανεπιστημίου της Πενσυλβανίας κατά το 1998. Η πεμπτουσία είναι μια δυναμική μορφή ενέργειας - που εξελίσσεται στον χρόνο και εξαρτώμενη από τον χώρο - με αρνητική πίεση επαρκή για να οδηγήσει την διαστολή του σύμπαντος με επιτάχυνση. Εκτιμώντας ότι η κοσμολογική σταθερά Λ είναι μια πολύ ειδική μορφή ενέργειας - η ενέργεια του κενού - η πεμπτουσία καλύπτει μια μεγάλη γκάμα δυνατών μορφών.

Το απλούστερο μοντέλο (σύμφωνα με τον Rahul Dave και Robert Caldwell) προτείνει ότι η πεμπτουσία είναι ένα κβαντικό πεδίο με ένα πολύ μεγάλο μήκος κύματος, περίπου στο μέγεθος του αισθητού κόσμου. Αυτή η θεωρία προέκυψε μια σχεδόν δεκαετία νωρίτερα από τους Bharat Ratra και James Peebles του πανεπιστημίου του Princeton και από τον Chris Wetterich στο πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία. Ένα σωματίδιο θεωρείται συνήθως ως ένα άθροισμα ταλαντώσεων σε ένα κβαντικό πεδίο, αλλά δεδομένου ότι αυτό το άθροισμα είναι πολύ μεγαλύτερο από οποιαδήποτε συμβατική κλίμακα μήκους, αυτή η περιγραφή των σωματιδίων δεν είναι έτσι πρακτική.

Ξέρουμε ότι η ενέργεια αποτελείται από την κινητική ενέργεια, που εξαρτάται από το ρυθμό ταλαντώσεων στο πεδίο δυνάμεων και την δυναμική ενέργεια, η οποία εξαρτάται από την αλληλεπίδραση του πεδίου με τον εαυτό του και την ύλη. Η πίεση καθορίζεται από τη διαφορά μεταξύ της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας, με την κινητική ενέργεια (έχοντας θετική τιμή πάντα) να συμβάλλει θετικά στην πίεση. Πάντως, επειδή η ταλάντωση έχει ένα εξαιρετικά μεγάλο μήκος κύματος και περίοδο - ουσιαστικά το μέγεθος και την ηλικία του Κόσμου - η κινητική ενέργειά της είναι αμελητέα. Η συμπεριφορά του πεδίου της πεμπτουσίας επομένως εξαρτάται από το πώς αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Σαν ένα τεντωμένο ελατήριο, αυτή η ιδιο-αλληλεπίδραση οδηγεί στην αρνητική πίεση.

Μέσα σε ορισμένα μοντέλα που επιδιώκουν να ενοποιήσουν τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης υπάρχουν πεδία, τα οποία μπορούν να κάνουν την πεμπτουσία να συμπεριφερθεί κατ' αυτό τον τρόπο. Κατ' αρχάς, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στον πρώιμο κόσμο μπορεί να είναι συγκρίσιμη με την πυκνότητα της ύλης. Το μοντέλο δεν είναι ευαίσθητο στην ακριβή αρχική τιμή της επειδή οι δυναμικές εξισώσεις, που καθορίζουν τη χρονική εξέλιξη του ως άνω πεδίου, έχουν λύσεις που αναγκάζουν την ενέργεια να ακολουθήσουν την ίδια εξέλιξη, ανεξάρτητη από τις αρχικές συνθήκες. Ειδικότερα, η πυκνότητα της ενέργειας ακολουθεί από κοντά την πυκνότητα της ακτινοβολίας και της ύλης. Για το μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του σύμπαντος, η πεμπτουσία καταλαμβάνει ένα πολύ μικρό μέρος της κρίσιμης πυκνότητας, αλλά αυτό το κομμάτι αυξάνεται αργά έως ότου προφθάσει και προσπεράσει τελικά την πυκνότητα της ύλης. 

Φαίνεται φυσικό να αναρωτηθεί κάποιος εάν υπάρχουν οποιεσδήποτε άμεσες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, τότε οι δύο τους δεν αλληλεπιδρούν επειδή η ενέργεια του κενού είναι αδρανής και αμετάβλητη. Αλλά εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι η πεμπτουσία, μπορούν να αλληλεπιδράσουν υπό ορισμένους όρους. Τα συνηθισμένα σωματίδια είναι φυσικά πολύ μικρά σε σύγκριση με το μήκος κύματος Compton, λc = h/mc, των σωματιδίων της πεμπτουσίας. Έτσι τα μεμονωμένα σωματίδια έχουν μια απολύτως αμελητέα επίδραση στην πεμπτουσία (και το αντίστροφα). Αλλά, οι πολύ μεγάλες μάζες από συνηθισμένη ύλη - που καταλαμβάνουν μια περιοχή συγκρίσιμη με το μήκος κύματος Compton - μπορούν να αλληλεπιδράσουν βαρυτικά με την πεμπτουσία και να δημιουργήσουν τις ανομοιογένειες στην κατανομή της, μπορώντας έτσι να παραγάγει ανιχνεύσιμα σήματα στο κοσμικό υπόβαθρο των μικροκυμάτων. 
 

Γιατί συμβαίνει τώρα στην ιστορία του σύμπαντος;

Αυτό που οι κοσμολόγοι βρίσκουν πιο δύσκολο να εξηγήσουν είναι γιατί η επιτάχυνση θα πρέπει να ξεκινήσει σε αυτήν την ιδιαίτερη στιγμή στην κοσμική ιστορία. Είναι μια σύμπτωση που, όταν εξελίχθηκαν τα νοήμονα όντα, το σύμπαν ξαφνικά υπερ-διαστέλλεται; Η κατάσταση είναι ειδική επειδή η ενέργεια που συνδέεται με την κοσμολογική σταθερά ή την πεμπτουσία είναι πολύ μικροσκοπική, λιγότερο από 1 meV. Εάν είναι υπεύθυνη η εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας φυσική, πρέπει να έχει παρατηρηθεί ήδη και σε άλλα πειράματα. 

Κάποιοι φυσικοί και αστρονόμοι έχουν προτείνει ένα ανθρωπικό επιχείρημα. Ίσως υπάρχει ένα πλήθος κόσμων, όλοι τους με διαφορετικές τιμές για την πυκνότητα ενέργειας του κενού, με τις μεγαλύτερες τιμές να είναι πιθανότερες από τις μικρότερες τιμές. Τότε οι κόσμοι με μια ενέργεια του κενού πολύ μεγαλύτερη από ένα meV θα ήταν πιο πιθανοί, αλλά τότε θα επεκτείνονταν πάρα πολύ γρήγορα και δεν θα μπορούσαν να διαμορφώσουν αστέρια, πλανήτες ή ζωή. Συγχρόνως, οι κόσμοι με τις πολύ μικρότερες τιμές είναι λιγότερο πιθανοί. Το ανθρωπικό επιχείρημα θα έλεγε γι αυτό το ζήτημα ότι ο κόσμος μας έχει την καλύτερη τιμή της ενέργειας του κενού. Οι φυσικοί διαφωνούν για αυτό το είδος της εξήγησης, που κάνει τολμηρές υποθέσεις για την ύπαρξη των κόσμων που δεν μπορούν ποτέ να εξεταστούν, και για την κατανομή της πιθανότητας της κενής ενέργειας, ότι είναι μια αποδεκτή εξήγηση. 

Ίσως μια πιο ικανοποιητική πιθανότητα είναι ότι η επιτάχυνση προκαλείται από φυσικά γεγονότα στην πρόσφατη ιστορία του σύμπαντος. Σύμφωνα με το μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, η ενεργειακή πυκνότητα στον κόσμο ήταν κυρίως υπό μορφή καυτών, σχετικιστικών σωματιδίων έως ότου το σύμπαν έγινε ηλικίας μερικών δεκάδων χιλιάδων ετών. Εκείνη την περίοδο, ο κόσμος είχε ψυχθεί αρκετά, τόσο, που η ενέργεια της μάζας των μη-σχετικιστικών σωματιδίων έγινε σημαντικότερη και από την κινητική ενέργειά τους και την ενέργεια της ακτινοβολίας, με συνέπεια να συμβεί μια αλλαγή στον κοσμικό ρυθμό της διαστολής. Το γεγονός αυτό χαρακτήρισε την αρχή της εποχής στην οποία εξουσίαζε η ύλη. Μόνο τότε θα μπορούσε η βαρύτητα να αρχίσει να συγκεντρώνει την ύλη για να σχηματιστούν τα αστέρια, οι γαλαξίες και η μεγάλης κλίμακας δομή (σμήνη γαλαξιών). Είναι πιθανόν αυτή η μετάβαση να προκλήθηκε από την πεμπτουσία; 

Η ενεργειακή πυκνότητα της ύλης (μπλε), της ακτινοβολίας (κόκκινης) και των πεδίων ιχνηλατών (πράσινων) αλλάζουν με το χρόνο ή, ισοδύναμα με την ερυθρή μετατόπιση. Εάν η ενέργεια σχεδιαστεί σε έναν λογαριθμικό άξονα, η ενεργειακή πυκνότητα της ακτινοβολίας μειώνεται ευθύγραμμα καθώς ο κόσμος επεκτείνεται. Η ενεργειακή πυκνότητα της ύλης μειώνεται επίσης, με ένα πιο αργό ρυθμό. Στο αρχικό σύμπαν η ενεργειακή πυκνότητα ενός πεδίου πεμπτουσίας μπορεί να ξεκίνησε από ένα ευρύ φάσμα αρχικών όρων (πράσινες τελείες), οι οποίοι όλοι μαζί ενώνονται σε μια κοινή πορεία προτού να προσπεράσει η πυκνότητα της ύλης την πυκνότητα της ακτινοβολίας στην αρχή της εποχής της ύλης. Στην περίπτωση της πεμπτουσίας (Κ-ουσίας), η κυριαρχία της ύλης προκαλεί μια αλλαγή στη συμπεριφορά του πεδίου αυτού που αναγκάζει την ενέργειά του να μειωθεί και να παγώσει έπειτα σε μια τιμή που παραμένει σχεδόν σταθερή με το χρόνο. Τελικά, η Κ-ουσία (πεμπτουσία) προσπερνά την πυκνότητα της ύλης και αρχίζει την κοσμική επιτάχυνση.