|
Η σκοτεινή ενέργεια όχι μόνο είναι η αιτία της επιταχυνόμενης
διαστολής του σύμπαντος, αλλά κάνει επίσης έναν ασφυκτικό κλοιό στο σχήμα
και στο περιβάλλον διάστημα των γαλαξιών.
Και γιατί για να το μάθουμε μας πήρε τόσο χρόνο; Μόλις το
1998 οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι δεν είχαμε δει σχεδόν τα τρία τέταρτα
του περιεχομένου του σύμπαντος, την αποκαλούμενη σκοτεινή ενέργεια -- μια
άγνωστη μορφή ενέργειας που περιβάλλει τον κάθε ένα από μας, και που η
μοίρα του σύμπαντος είναι στο χέρι της, αλλά για την προέλευση της οποίας
είμαστε σχεδόν τυφλοί. Μερικοί ερευνητές λένε ότι η ανίχνευση της είναι
μεταξύ των πιο επαναστατικών ανακαλύψεων στην κοσμολογία του 20ού αιώνα.
Και μάλιστα όχι μόνο η σκοτεινή ενέργεια εμφανίζεται να αποτελεί τον κύριο
όγκο του σύμπαντος, αλλά η ύπαρξή της, εάν αντέξει στη δοκιμή του χρόνου,
θα απαιτήσει πιθανώς την ανάπτυξη νέων θεωριών της φυσικής.
Οι επιστήμονες είναι μόλις στην αρχή μιας μακροχρόνιας
διαδικασίας για να βρουν τι είναι η σκοτεινή ενέργεια και ποιες είναι οι
επιπτώσεις της. Μια πραγματικότητα ήδη έχει αναδειχθεί: αν και η σκοτεινή
ενέργεια πρόδωσε την παρουσία της μέσω της επίδρασης που είχε συνολικά στο
σύμπαν, μπορεί επίσης να είχε συνεισφέρει στην εξέλιξη των 'κατοίκων' του
σύμπαντος -- τα αστέρια, τους γαλαξίες, τα σμήνη των γαλαξιών. Οι
αστρονόμοι μπορεί να είχαν ασχοληθεί με αυτά τα σώματα για δεκαετίες χωρίς
όμως να το είχαν αναγνωρίσει.
Και το περίεργο είναι ότι η ίδια η διεισδυτικότητα της
σκοτεινής ενέργειας ήταν που την έκανε τόσο δύσκολη να την αναγνωρίσουμε.
Η σκοτεινή ενέργεια, αντίθετα από την ύλη, δεν συγκεντρώνεται κάπου σε
μεγαλύτερες ποσότητες περισσότερο από κάποιες άλλες. Από την ίδια την φύση
της, διαδίδεται ομαλά παντού. Οπουδήποτε -- είτε στην κουζίνα σας ή
στο διαγαλαξιακό διάστημα -- έχει την ίδια πυκνότητα, περίπου
10-26
kg ανά κυβικό μέτρο, ισοδύναμο με μια χούφτα ατόμων υδρογόνου. Όλη η
σκοτεινή ενέργεια στο ηλιακό σύστημά μας ανέρχεται στην μάζα ενός μικρού
αστεροειδούς, κάνοντας την εντελώς αδύνατη να επηρεάσει τον χορό των
πλανητών. Τα αποτελέσματά της ξεχωρίζουν μόνο όταν αντιμετωπίζεται σε
απέραντες αποστάσεις και εκτάσεις του χρόνου.
Από την εποχή του αμερικανού αστρονόμου Edwin Hubble, οι
παρατηρητές ξέρουν ότι σχεδόν οι κοντινότεροι γαλαξίες απομακρύνονται από
μας με ένα γρήγορο ρυθμό. Αυτός ο ρυθμός είναι ανάλογος προς την απόσταση:
όσο πιο απόμακρος είναι ένας γαλαξίας, τόσο πιο γρήγορη είναι η υποχώρησή
του από μας. Ένα τέτοιο σχέδιο υπονοεί ότι οι γαλαξίες δεν κινούνται στον
χώρο υπό τη συμβατική έννοια, αλλά απομακρύνονται γιατί ο ίδιος ο ιστός
του χώρου τεντώνεται. Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι αγωνίστηκαν να
απαντήσουν στην προφανή ακόλουθη ερώτηση: Πώς αλλάζει ο ρυθμός διαστολής
του σύμπαντος με την πάροδο του χρόνου; Σκέφτηκαν ότι θα πρέπει να
μειώνεται, καθώς η εσωτερική έλξη της βαρύτητας που ασκείται μεταξύ των
γαλαξιών θα πρέπει να είχε αντιδράσει στην εξωτερική διαστολή.
Η πρώτη σαφής παρατηρητική ένδειξη για τις αλλαγές στο ρυθμό διαστολής
προήλθε από τις απόμακρες σουπερνόβες, ογκώδη αστέρια που μπορούν να
χρησιμοποιηθούν σαν δείκτες της κοσμικής διαστολής. Αυτές οι παρατηρήσεις
κατέστησαν σαφές ότι η διαστολή ήταν πιο αργή στο παρελθόν από όσο σήμερα
και επομένως αυτή επιταχύνεται. Πιο συγκεκριμένα, κάποτε επιβραδύνθηκε
αλλά σε κάποιο σημείο υποβλήθηκε σε μια αλλαγή και άρχισε να επιταχύνεται.
Αυτό το εντυπωσιακό αποτέλεσμα έχει επαληθευθεί από τότε από ανεξάρτητες
μελέτες της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, παραδείγματος
χάριν, με το δορυφόρο ανισοτροπίας μικροκυμάτων Wilkinson (WMAP).
Ένα πιθανό συμπέρασμα είναι ότι ισχύουν διαφορετικοί νόμοι
της βαρύτητας στις υπεργαλαξιακές κλίμακες απ' ό,τι στις μικρότερες, έτσι
ώστε η βαρύτητα των γαλαξιών, στην πραγματικότητα, να αντιστέκεται στη
διαστολή. Αλλά η γενικότερα αποδεκτή υπόθεση είναι ότι οι νόμοι της
βαρύτητας είναι καθολικοί και ότι κάποια μορφή ενέργειας, που προηγουμένως
ήταν άγνωστη στην επιστήμη, αντιτάσσεται και συντρίβει την αμοιβαία έλξη
μεταξύ των γαλαξιών, ωθώντας τους να απομακρύνονται ολοένα και
γρηγορότερα. Αν και η σκοτεινή ενέργεια είναι ανακόλουθη μέσα στο Γαλαξία
μας συγκαταλέγεται στην ισχυρότερη δύναμη στον σύμπαν.
Κοσμικός γλύπτης
Καθώς οι αστρονόμοι ερευνούν αυτό το νέο φαινόμενο, έχουν
διαπιστώσει ότι, όχι μόνο είναι η αιτία του γενικού ρυθμού διαστολής του
σύμπαντος, αλλά ότι η σκοτεινή ενέργεια έχει μακροπρόθεσμες συνέπειες για
τις μικρότερες κλίμακες. Αν μεγεθύνετε μια περιοχή ολόκληρου του αισθητού
σύμπαντος, το πρώτο πράγμα που παρατηρείται είναι ότι η ύλη στις κοσμικές
κλίμακες κατανέμεται σε ίνες, μήκους δεκάδες εκατομμυρίων ετών φωτός, που
διανθίζονται με κενά παρόμοιου μεγέθους. Οι προσομοιώσεις μάλιστα δείχνουν
ότι απαιτείται η παρουσία της ύλης αλλά και της σκοτεινής ενέργειας για να
εξηγηθεί το μοτίβο αυτό.
Εν τούτοις, αυτή η ανακάλυψη δεν είναι τρομερά εκπληκτική. Οι ίνες και τα
κενά δεν είναι κατανοητά αντικείμενα, όπως για παράδειγμα ένας πλανήτης.
Αυτά δεν έχουν αποσυνδεθεί από τη γενική κοσμική διαστολή και έχουν
καθιερώσει τη δική τους εσωτερική ισορροπία δυνάμεων. Μάλλον αυτά τα
μοτίβα είναι χαρακτηριστικά γνωρίσματα που σχηματίζονται από τον
ανταγωνισμό μεταξύ της κοσμικής διαστολής (και οποιουδήποτε φαινομένου που
έχει επιπτώσεις σε αυτήν) και της βαρύτητάς τους. Στο σύμπαν μας, κανένας
φορέας σε αυτήν την σύγκρουση δεν είναι συντριπτικά κυρίαρχος. Εάν η
σκοτεινή ενέργεια ήταν ισχυρότερη, τότε η διαστολή θα είχε κερδίσει και η
ύλη θα είχε διασκορπίσει αντί να ήταν συγκεντρωμένη στις ίνες. Εάν η
σκοτεινή ενέργεια ήταν πιο ασθενής, η ύλη θα συγκεντρωνόταν ακόμη
περισσότερο.
Η κατάσταση γίνεται πιο περίπλοκη καθώς συνεχίζετε να
μεγεθύνετε σε ένα τομέα του σύμπαντος και φθάσετε στην κλίμακα των
γαλαξιών και των σμηνών των γαλαξιών. Οι γαλαξίες, συμπεριλαμβανομένου και
του Γαλαξία μας, δεν διαστέλλονται στον χρόνο. Το μέγεθός τους ελέγχεται
από μια ισορροπία μεταξύ της βαρύτητας και της στροφορμής των άστρων, του
αερίου και των άλλων υλικών που τους αποτελούν. Μεγαλώνουν μόνο από το νέο
υλικό που προέρχεται από το διαγαλαξιακό διάστημα ή με κατά τη συγχώνευση
τους με άλλους γαλαξίες. Η κοσμική διαστολή έχει μια ασήμαντη επίδραση
πάνω τους. Κατά συνέπεια, δεν είναι καθόλου προφανές ότι η σκοτεινή
ενέργεια πρέπει να έχει ρόλο στο πώς διαμορφώνονται οι γαλαξίες. Το ίδιο
πράγμα ισχύει και για τα σμήνη των γαλαξιών, τα μεγαλύτερα κανονικά
αντικείμενα στο σύμπαν -- συναθροίσεις χιλιάδων γαλαξιών που
ενσωματώνονται σε ένα απέραντο νέφος καυτού αερίου και που συνδέονται από
τη βαρύτητα.
Ακόμα και τώρα φαίνεται ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να είναι ο βασικός
σύνδεσμος μεταξύ διάφορων πτυχών του σχηματισμού των γαλαξιών και των
σμηνών που πριν από λίγο καιρό φαίνονταν ανεξάρτητες. Ο λόγος είναι ότι ο
σχηματισμός και η εξέλιξη αυτών των συστημάτων καθοδηγούνται μερικώς από
τις αλληλεπιδράσεις και τις συγχωνεύσεις μεταξύ των γαλαξιών, που εν
συνεχεία μπορεί να είχαν οδηγηθεί ισχυρά από τη σκοτεινή ενέργεια.
Για να καταλάβετε την επιρροή της σκοτεινής ενέργειας στο σχηματισμό των
γαλαξιών, θεωρήστε αρχικά πώς σκέφτονται οι αστρονόμοι τη μορφή των
γαλαξιών. Οι τρέχουσες θεωρίες είναι βασισμένες στην ιδέα ότι η ύλη
έρχεται σε δύο βασικά είδη. Κατ' αρχάς, υπάρχει η συνηθισμένη ύλη, της
οποίας τα σωματίδια αλληλεπιδρούν εύκολα το ένα με το άλλο και, εάν είναι
φορτισμένα, με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οι αστρονόμοι την
ονομάζουν βαρυονική ύλη, γιατί τα βαρυόνια (πρωτόνια και νετρόνια), είναι
τα κύρια συστατικά της. Δεύτερον, υπάρχει η σκοτεινή ύλη (που είναι
ευδιάκριτη από τη σκοτεινή ενέργεια), η οποία αποτελεί το 85% όλης της
ύλης και η εμφανής ιδιότητα της οποίας είναι ότι περιλαμβάνει σωματίδια
που δεν αντιδρούν με την ακτινοβολία. Βαρυτικά, η σκοτεινή ύλη
συμπεριφέρεται ακριβώς όπως και η συνηθισμένο ύλη.
Σύμφωνα με τα μοντέλα, η σκοτεινή ύλη άρχισε να συγκεντρώνεται αμέσως μετά
από το big bang, σχηματίζοντας σφαιρικές σταγόνες στις οποίες οι
αστρονόμοι αναφέρονται ως "φωτοστέφανοι" ή άλως. Τα βαρυόνια, αντίθετα,
αρχικά δεν συγκεντρώθηκαν σε μεγάλα τμήματα, παρέμειναν σε μια καυτή,
αεριώδη φάση. Και σαν το σύμπαν επεκτάθηκε, αυτό το αέριο ψύχθηκε και τα
βαρυόνια ήταν σε θέση να συγκεντρωθούν μαζί. Τα πρώτα αστέρια και οι
γαλαξίες συγχωνεύτηκαν από αυτό το ψυχρό αέριο μερικές εκατοντάδες
εκατομμύρια έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Και το πιο σπουδαίο, δεν
βρέθηκαν σε τυχαίες θέσεις αλλά στα κέντρα των φωτοστεφάνων της σκοτεινής
ύλης, που είχαν πάρει ήδη τη μορφή τους.
Από τη δεκαετία του '80 διάφοροι θεωρητικοί έχουν κάνει λεπτομερείς
προσομοιώσεις αυτής της διαδικασίας στους υπολογιστές (όπως η ομάδα
του Simon White του Ινστιτούτου Max Planck για την αστροφυσική και του
Carlos Frenk του πανεπιστημίου Durham στην Αγγλία). Έχουν δείξει ότι οι
περισσότερες από τις πρώτες δομές ήταν φωτοστέφανοι χαμηλής μάζας από
σκοτεινή ύλης. Επειδή το πρώιμο σύμπαν ήταν πολύ πυκνό, αυτοί οι χαμηλής
μάζας φωτοστέφανοι (και οι γαλαξίες που αυτοί περιείχαν) συγχωνεύτηκαν ο
ένας με τον άλλο για να διαμορφώσουν συστήματα μεγάλης μάζας. Κατ' αυτό
τον τρόπο, η κατασκευή των γαλαξιών ήταν μία διαδικασία από κάτω προς τα
πάνω, όπως γίνεται η οικοδόμηση ενός σπιτιού με τούβλα. (Η εναλλακτική
λύση θα ήταν μία διαδικασία από πάνω προς τα κάτω, στην οποία αρχίζετε με
το σπίτι και το συνθλίβετε για να κάνετε τα τούβλα.) Εδώ και αρκετό καιρό
έχω επιδιώξει να εξετάσω αυτά τα μοντέλα εξετάζοντας τους απόμακρους
γαλαξίες και πώς αυτοί έχουν συγχωνευτεί κατά τη διάρκεια του κοσμικού
χρόνου.
Ο σχηματισμός των γαλαξιών εξαντλείται σταδιακά
Λεπτομερείς μελέτες δείχνουν ότι ένας γαλαξίας αλλάζει σχήμα
όταν συγχωνεύεται με έναν άλλο γαλαξία. Οι πρώτοι γαλαξίες που μπορούμε να
δούμε γεννήθηκαν όταν το σύμπαν ήταν 1 δισ. ετών, και πολλοί από αυτούς
πράγματι εμφανίζονται να είναι τέτοιας ηλικίας. Καθώς ο χρόνος περνούσε,
όμως, η συγχώνευση των ογκωδών γαλαξιών έγινε λιγότερο σύνηθες. Μεταξύ δύο
δισεκατομμυρίων και έξι δισεκατομμυρίων ετών μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη --
δηλαδή πάνω από το πρώτο μισό της κοσμικής ιστορίας -- το κλάσμα των
ογκωδών γαλαξιών που υποβάλλονται σε συγχώνευση μειώθηκε από το μισό
σχεδόν στο μηδέν. Από τότε, η κατανομή των μορφών των γαλαξιών έχει
παγώσει, μια ένδειξη ότι οι διασπάσεις και οι συγχωνεύσεις έχουν γίνει
σχετικά ασυνήθιστες.
Στην πραγματικότητα, το 98% των μεγάλων γαλαξιών στο σημερινό σύμπαν είναι
είτε ελλειπτικοί είτε σπειροειδείς, με τις μορφές τους να αναστατώνονται
από μια τυχόν συγχώνευση. Αυτοί οι γαλαξίες είναι σταθεροί και
περιλαμβάνουν συνήθως τα παλαιά αστέρια, κάτι που μας λέει ότι πρέπει να
έχουν σχηματιστεί νωρίς και έχουν παραμείνει σε μια κανονική μορφολογική
μορφή εδώ και αρκετό καιρό. Μερικοί γαλαξίες συγχωνεύονται και σήμερα,
αλλά είναι χαμηλής μάζας κυρίως.
Η διακοπή των συγχωνεύσεων δεν είναι το μόνο που παρατηρούμε στο σύμπαν
από τότε που ήταν στη μισή ηλικία του. Ο σχηματισμός των άστρων, επίσης,
έχει εξασθενίσει. Τα περισσότερα από τα αστέρια που υπάρχουν σήμερα
γεννήθηκαν στο πρώτο μισό της κοσμικής ιστορίας, όπως πειστικά δείχθηκε
από διάφορες ομάδες στη δεκαετία του '90. Πολύ πρόσφατα, οι ερευνητές
έμαθαν πώς εμφανίστηκε αυτή η τάση. Όταν ο σχηματισμός των αστεριών στους
ογκώδεις γαλαξίες διακόπηκε νωρίς. Όταν το σύμπαν ήταν στη μισή τρέχουσα
ηλικία του, μόνο τα ελαφριά συστήματα έχουν συνεχίσει να δημιουργούν
αστέρια με ένα σημαντικό ρυθμό. Αυτή η μετατόπιση του σχηματισμού των
άστρων από τους ογκώδεις στους μικρούς γαλαξίες καλείται συρρίκνωση
γαλαξιών. Φαίνεται παράδοξο. Η θεωρία του σχηματισμού των γαλαξιών
προβλέπει ότι πρώτα σχηματίζονται οι μικροί γαλαξίες και καθώς
συγχωνεύονται, προκύπτουν οι ογκώδεις. Ακόμα η ιστορία του σχηματισμού των
αστεριών παρουσιάζει την αντιστροφή: οι ογκώδεις γαλαξίες είναι αρχικά τα
κύρια αστρικά βρεφοκομεία, και κατόπιν αναλαμβάνουν οι μικρότεροι.
Μια άλλη παραξενιά είναι ότι η συγκέντρωση των υπερβαρέων
μαύρων οπών, που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών, φαίνεται να έχει
επιβραδυνθεί αρκετά. Τέτοιες μαύρες τρύπες τροφοδοτούν τα κβάζαρ και
άλλους τύπους ενεργών γαλαξιών, οι οποίοι είναι σπάνιοι στο σύγχρονο
σύμπαν. Οι μαύρες τρύπες στο Γαλαξία μας και αλλού είναι ήρεμες.
Σχετίζονται μήπως κάποιες από αυτές τις τάσεις στην εξέλιξη των γαλαξιών;
Είναι πραγματικά πιθανόν η σκοτεινή ενέργεια να είναι η πρωταρχική αιτία;
Η σταθερή λαβή της σκοτεινής ενέργειας
Μερικοί αστρονόμοι έχουν προτείνει ότι οι εσωτερικές
διαδικασίες στους γαλαξίες, όπως η ενέργεια που απελευθερώθηκε από τις
μαύρες τρύπες και τις σουπερνόβες, σταμάτησαν το σχηματισμό των γαλαξιών
και των άστρων. Αλλά έχει προκύψει ότι η σκοτεινή ενέργεια να είναι
ενδεχομένως ο πιο θεμελιώδης ένοχος για αυτό το γεγονός, αυτή που μπορεί
να συνδέεται με όλα. Το κεντρικό μέρος των αποδεικτικών στοιχείων είναι η
γενική σύμπτωση στο συγχρονισμό μεταξύ του τέλους του σχηματισμού των
περισσότερων γαλαξιών και των σμηνών και της αρχής της κυριαρχίας της
σκοτεινής ενέργειας. Και τα δύο συνέβησαν όταν το σύμπαν ήταν στη μισή
σημερινή ηλικία του.
Η ιδέα που υπάρχει είναι ότι μέχρι εκείνο το σημείο στην κοσμική ιστορία,
η πυκνότητα της ύλης ήταν τόσο υψηλή που οι δυνάμεις βαρύτητας μεταξύ των
γαλαξιών είχαν την κυριαρχία πάνω στα αποτελέσματα της σκοτεινής
ενέργειας. Οι γαλαξίες αλληλεπίδρασαν ο ένας με τον άλλο, και συχνά
συγχωνεύτηκαν. Νέα αστέρια σχηματίστηκαν καθώς τα νέφη του αερίου μέσα
στους γαλαξίες συγκρούστηκαν, και οι μαύρες τρύπες αυξήθηκαν όταν
οδηγήθηκε αέριο προς τα κέντρα αυτών των συστημάτων. Και σαν περνούσε ο
χρόνος και ο χώρος επεκτάθηκε, η ύλη αραιώθηκε και η βαρύτητά του
αποδυναμώθηκε, ενώ η δύναμη της σκοτεινής ενέργειας παρέμεινε σταθερή (ή
σχεδόν έτσι). Η αδυσώπητη μετατόπιση στην ισορροπία μεταξύ των δύο τελικά
ανάγκασε το ρυθμό διαστολής να αλλάξει, και από την επιβράδυνση να βρεθεί
στην επιτάχυνση. Οι δομές μέσα στις οποίες κατοικούν οι γαλαξίες
απομακρύνθηκαν, και κατά συνέπεια είχαμε μια βαθμιαία μείωση στο
ρυθμό της συγχώνευσης μεταξύ των γαλαξιών. Επιπλέον, το διαγαλαξιακό αέριο
ήταν λιγότερο ικανό να 'ρέει' προς τους γαλαξίες. Στερημένες έτσι από
καύσιμα, οι μαύρες τρύπες έγιναν ηρεμότερες.
Αυτή η ακολουθία των γεγονότων θα μπορούσε ίσως να αποτελέσει την αφορμή
για τη συρρίκνωση του πληθυσμού των γαλαξιών. Οι πιο ογκώδεις φωτοστέφανοι
από σκοτεινή ύλη, καθώς επίσης και οι ενσωματωμένοι γαλαξίες τους, είναι
επίσης και οι πιο συγκεντρωμένοι. Αυτοί βρίσκονται πολύ κοντά σε άλλους
ογκώδεις φωτοστεφάνους. Κατά συνέπεια, είναι πιθανό να συγκρουστούν με
τους γείτονές τους νωρίτερα από ότι τα συστήματα χαμηλής μάζας. Όταν
συγκρούονται, υπάρχει μια έκρηξη σχηματισμού άστρων. Τα νέα αστέρια
ανάβουν και έπειτα εκρήγνυνται, θερμαίνοντας έτσι το αέριο και
αποτρέποντας το να καταρρεύσει σχηματίζοντας νέα αστέρια. Κατ' αυτό τον
τρόπο, ο σχηματισμός των άστρων πνίγεται: τα αστέρια θερμαίνουν το αέριο
από το οποίο προέκυψαν, αποτρέποντας τον σχηματισμό νέων. Η μαύρη τρύπα
στο κέντρο ενός τέτοιου γαλαξία ενεργεί ως μια άλλη διάταξη απόσβεσης στο
σχηματισμό άστρων. Μια συγχώνευση γαλαξιών τροφοδοτεί με αέριο τη μαύρη
τρύπα, αναγκάζοντας την να εκτοξεύει πίδακες που θερμαίνουν το γύρω αέριο
στο σύστημα και αποτρέποντας έτσι από το να ψυχθεί το αέριο για να
σχηματίσει νέα αστέρια.
Προφανώς, μόλις διακοπεί ο σχηματισμός των άστρων στους ογκώδεις γαλαξίες,
δεν ξεκινά πάλι -- πιθανότατα επειδή το αέριο σε αυτά τα συστήματα
μειώνεται ή γίνεται τόσο καυτό που δεν μπορεί να ψυχθεί αρκετά γρήγορα.
Αυτοί οι ογκώδεις γαλαξίες ακόμα μπορούν να συγχωνευτούν, αλλά προκύπτουν
λίγα νέα αστέρια ελλείψει ψυχρού αερίου. Καθώς λιμνάζουν οι μεγάλοι
γαλαξίες, οι μικρότεροι γαλαξίες συνεχίζουν να συγχωνεύονται και να
σχηματίζουν αστέρια. Η σκοτεινή ενέργεια ίσως διαμόρφωσε αυτήν την
διαδικασία καθορίζοντας τον βαθμό συγκέντρωσης των γαλαξιών και τον ρυθμό.
Αλλά η σκοτεινή ενέργεια θα εξηγούσε επίσης και την εξέλιξη
των σμηνών των γαλαξιών. Αρχαία σμήνη, που βρέθηκαν όταν το σύμπαν ήταν
λιγότερο από τη μισή σημερινή ηλικία του, ήταν ήδη τόσο μεγάλα όσο και τα
σημερινά σμήνη. Δηλαδή τα σμήνη των γαλαξιών δεν έχουν αυξηθεί σημαντικά
κατά τα προηγούμενα έξι έως οκτώ δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή η έλλειψη
αύξησης είναι μια ένδειξη ότι η συγκέντρωση γαλαξιών σε σμήνη έχει
περιοριστεί από τότε που το σύμπαν είχε τη μισή από την τρέχουσα ηλικία
του -- ένα άμεσο σημάδι ότι η σκοτεινή ενέργεια επηρεάζει τον τρόπο που οι
γαλαξίες αλληλεπιδρούν στις μεγάλες κλίμακες. Οι αστρονόμοι ήξεραν από τα
μέσα της δεκαετίας του '90 ότι τα σμήνη των γαλαξιών δεν είχαν αυξηθεί
κατά πολύ στα προηγούμενα οκτώ δισεκατομμύρια χρόνια, και το απέδωσαν σε
μια χαμηλότερη πυκνότητα της ύλης από θεωρητικά επιχειρήματα που είχαν
προβλέψει. Η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας επίλυσε την ένταση μεταξύ
της παρατήρησης και της θεωρίας.
Ένα παράδειγμα για το πώς η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει την ιστορία των
σμηνών των γαλαξιών είναι η μοίρα των γαλαξιών που βρίσκονται στην
γειτονιά μας, γνωστή και ως τοπική ομάδα των γαλαξιών. Μόλις πριν λίγα
χρόνια, μερικοί αστρονόμοι σκέφτηκαν ότι ο Γαλαξίας και η Ανδρομέδα, ο πιο
κοντινός μεγάλος γείτονάς του, μαζί με την ακολουθία των δορυφόρων τους,
θα έπεφταν μέσα στο κοντινό σμήνος της Παρθένου. Αλλά τώρα φαίνεται ότι θα
δραπετεύσουμε από αυτή τη μοίρα και ποτέ δεν θα γίνουμε μέρος ενός μεγάλου
σμήνους γαλαξιών. Και η αιτία είναι η εξής: Η σκοτεινή ενέργεια επεκτείνει
το διάστημα ανάμεσα στην τοπική ομάδα μας και το σμήνος της Παρθένου, πολύ
γρηγορότερα από ό,τι η τοπική ομάδα μας μπορεί να το διασχίσει.
Εκτός από τον έλεγχο της ανάπτυξης των σμηνών, η σκοτεινή ενέργεια ελέγχει
επίσης και την κατασκευή των γαλαξιών μέσα στις σμήνη. Το περιβάλλον των
σμηνών διευκολύνει το σχηματισμό ενός 'ζωολογικού κήπου' γαλαξιών όπως
αυτούς που ονομάζονται φακοειδείς, γιγαντιαίοι ελλειπτικοί αλλά και νάνοι
ελλειπτικοί. Η σκοτεινή ενέργεια ρυθμίζοντας την δυνατότητα να ενωθούν οι
γαλαξίες σε σμήνη, υπαγορεύει και τη σχετική αφθονία αυτών των τύπων
γαλαξιών.
Αυτή είναι μια καλή ιστορία, αλλά είναι όμως αληθινή; Οι
συγχωνεύσεις των γαλαξιών, η δραστηριότητα των μαύρων οπών και ο
σχηματισμός των αστεριών που μειώνονται με το χρόνο, πολύ πιθανά
συσχετίζονται με κάποιο τρόπο. Αλλά οι αστρονόμοι πρέπει να ακολουθήσουν
ακόμα την πλήρη ακολουθία γεγονότων. Οι τρέχουσες έρευνες με το διαστημικό
τηλεσκόπιο Hubble, το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X, τα ευαίσθητα
επίγεια παρατηρητήρια καθώς και η φασματοσκοπία θα διερευνήσουν αυτές τις
συνδέσεις στα επόμενα χρόνια. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι να γίνει
μια καλή απογραφή των απόμακρων ενεργών γαλαξιών και να καθοριστεί ο
χρόνος στον οποίο υποβλήθηκαν τελευταία αυτοί οι γαλαξίες σε συγχώνευση. Η
ανάλυση θα απαιτήσει την ανάπτυξη νέων θεωρητικών εργαλείων, αλλά πρέπει
να είναι μέσα στον έλεγχό μας στα επόμενα χρόνια.
Βρίσκοντας μια μέση λύση
Ένας σύμπαν επιταχυνόμενο που εξουσιάζεται από τη σκοτεινή
ενέργεια ((σήμερα πιστεύουμε ότι η κοσμολογική παράμετρος ή η πυκνότητα
της σκοτεινής ύλης είναι ΩΛ=0.75), είναι
ένας φυσικός τρόπος για να παραχθούν όλες οι παρατηρηθείσες αλλαγές στον
πληθυσμό των γαλαξιών -- συγκεκριμένα, την διακοπή των συγχωνεύσεων και
πολλών άλλων γεγονότων που προέρχονται από αυτό, όπως η απώλεια του
σχηματισμού άστρων και το τέλος της γαλαξιακής μεταμόρφωσης. Εάν η
σκοτεινή ενέργεια δεν υπήρχε (Δηλαδή αν η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης
είναι ΩΛ=0), τότε οι συγχωνεύσεις των
γαλαξιών πιθανώς θα είχαν συνεχιστεί για περισσότερο χρόνο, και σήμερα το
σύμπαν θα περιείχε πολλούς περισσότερους μεγάλους γαλαξίες με παλαιούς
αστρικούς πληθυσμούς. Επιπλέον, θα είχε λιγότερα συστήματα χαμηλής μάζας,
και οι σπειροειδείς γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας θα ήταν σπάνιοι (επειδή
οι σπείρες δεν μπορούν να επιζήσουν της διαδικασίας της συγχώνευσης των
γαλαξιών). Οι μεγάλης κλίμακας δομές των γαλαξιών. τα σμήνη, θα είχαν
συγκεντρωθεί πιο κοντά, και θα είχαν εμφανιστεί περισσότερες συγχωνεύσεις
τέτοιων δομών.
Αντιθέτως, εάν η σκοτεινή ενέργεια ήταν ακόμα ισχυρότερη από όσο είναι
(Δηλαδή αν η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης είναι ΩΛ=0.99),
το σύμπαν θα είχε λιγότερες συγχωνεύσεις και έτσι λιγότερους ογκώδεις
γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών. Οι νάνοι ανώμαλοι γαλαξίες χαμηλής μάζας
καθώς και οι σπειροειδείς θα ήταν πιο συνηθισμένοι, επειδή θα είχαν
εμφανιστεί λιγότερες συγχωνεύσεις γαλαξιών σε όλο το χρόνο, και τα σμήνη
των γαλαξιών θα είχαν πολύ λιγότερη μάζα ή ίσως δεν θα υπήρχαν καν. Είναι
επίσης πιθανό ότι θα είχαν σχηματιστεί λιγότερα αστέρια και ένα μεγαλύτερο
μέρος της βαρυονικής μάζας του σύμπαντος θα ήταν ακόμα σε μια αεριώδης
κατάσταση.
Αν και αυτές οι διαδικασίες μπορούν να φαίνονται μακρυνές, ο τρόπος που
σχηματίζονται οι γαλαξίες έχει επίδραση στην ύπαρξή μας. Είναι χρήσιμα τα
αστέρια για να παραγάγουν στοιχεία βαρύτερα από το λίθιο, τα οποία
χρησιμοποιούνται για να φτιάξουν τους γήινους πλανήτες και φυσικά τη ζωή.
Εάν υπήρχε χαμηλότερο ποσοστό σχηματισμού των άστρων αυτό σήμαινε ότι αυτά
τα στοιχεία δεν θα σχηματίζονταν σε μεγάλη αφθονία, ότι το σύμπαν δεν θα
είχε πολλούς πλανήτες, και η ίδια η ζωή μπορεί να μην έχει προκύψει ποτέ.
Κατ' αυτό τον τρόπο, η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να έχει μια βαθιά
επίδραση σε πολλές διαφορετικές και φαινομενικά ανεξάρτητες πτυχές του
σύμπαντος, και ίσως ακόμη και στη λεπτομερή ιστορία του πλανήτη μας.
Η σκοτεινή ενέργεια δεν έχει με κανένα τρόπο τελειώσει την δουλειά της.
Μπορεί να εμφανιστεί ότι ωφελεί τη ζωή: η επιτάχυνση θα αποτρέψει την
ενδεχόμενη κατάρρευση, που ανησυχούσε τους αστρονόμους όχι πολύ καιρό
πριν. Αλλά η σκοτεινή ενέργεια φέρνει κι άλλους κινδύνους. Το λιγότερο,
ωθεί μακριά τους απόμακρους γαλαξίες, κάνοντας τους να υποχωρούν τόσο
γρήγορα που θα τους χάσουμε από τα μάτια μας για τα καλά. Το διάστημα θα
μείνει άδειο, κάνοντας το Γαλαξία μας και στους άμεσους γείτονές του ένα
όλο και περισσότερο απομονωμένο Νησί. Τα σμήνη, οι γαλαξίες ακόμη και τα
αστέρια με κατεύθυνση το διαγαλαξιακό διάστημα θα έχουν τελικά μια
περιορισμένη σφαίρα βαρυτικής επιρροής όχι πολύ μεγαλύτερη από τα
μεμονωμένα μεγέθη τους.
Και το χειρότερο, η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να παίζει ρόλο. Μερικά
μοντέλα προβλέπουν ότι εάν η σκοτεινή ενέργεια γίνεται ολοένα και πιο
κυρίαρχη κατά τη διάρκεια του χρόνου, θα απομακρύνει τα συνδεδεμένα σήμερα
αντικείμενα με τη βαρύτητα, όπως τα σμήνη των γαλαξιών και τους γαλαξίες.
Τέλος, η Γη θα απογυμνωθεί από τον ήλιο και θα θρυμματιστεί, ενώ όλα τα
κομμάτια θα πέσουν πάνω σε αυτόν. Ακόμη και τα άτομα θα διαλυθούν. Η
σκοτεινή ενέργεια, που έμεινε κάποτε στη σκιά της ύλης, θα έχει πάρει την
τελική εκδίκησή της.
Αποδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας
 1.
ΕΚΡΗΞΕΙΣ ΣΟΥΠΕΡΝΟΒΩΝ
Σε έναν σύμπαν που επεκτείνεται, οι γαλαξίες κινούνται μακριά ο ένας από
τον άλλο με μια ταχύτητα που εξαρτάται από την μεταξύ τους απόσταση. Οι
σουπερνόβες προσφέρουν έναν τρόπο για να μετρήσουμε αυτό το φαινόμενο: Η
μετατόπιση προς το ερυθρό των φασμάτων τους αποκαλύπτει την ταχύτητα που
έχουν οι γαλαξίες μέσα στους οποίους βρίσκονται, και η φωτεινότητά τους
αποκαλύπτει την απόσταση. Αποδεικνύεται πως οι γαλαξίες δισεκατομμύρια έτη
πριν κινούνταν πιο αργά, από ότι ο σημερινός ρυθμός επέκτασης θα
υπονοούσε. Ο ρυθμός διαστολής πρέπει να έχει αυξηθεί από την εποχή που
παρατηρούμε τους υπερκαινοφανείς μέχρι σήμερα - Κι αυτή είναι η
σφραγίδα της σκοτεινής ενέργειας.
Αριστερά: Η σκοτεινή ενέργεια γίνεται σημαντική:
Όλες αυτές οι παρατηρήσεις μπορούν να αφορούν ένα απλό γεγονός: ότι
καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, η ύλη διασκορπίστηκε σε πολύ περισσότερο χώρο,
και μόλις η πυκνότητά της πλησίασε αυτή της σκοτεινής ενέργειας (η
πυκνότητα της οποίας είναι σταθερή στο πιο απλό μοντέλο), ο ρυθμός
διαστολής άρχισε να μεταπηδά από την επιβράδυνση στην επιτάχυνση. Οι
γαλαξίες απομακρύνονται γρηγορότερα και έγινε λιγότερο πιθανό να
συγκρουστούν ή να απορροφήσουν αέριο σαν καύσιμο για το σχηματισμό νέων
άστρων.
2. ΚΟΣΜΙΚΗ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ
 Εικόνες
της ακτινοβολίας υποβάθρου περιέχουν σημεία των οποίων το προφανές μέγεθος
αντανακλά τη γενική γεωμετρία του χώρου και επομένως την πυκνότητα του
Κόσμου. Αυτή η ποσότητα ξεπερνά το ποσό της ύλης (και την συνηθισμένη και
την εξωτική σκοτεινή ύλη), έτσι η διαφορά πρέπει να οφείλεται σε ένα κρυφό
συστατικό, όπως η σκοτεινή ενέργεια. Επιπλέον, η ακτινοβολία υποβάθρου
έχει ελαφρώς αναθεωρηθεί από τα πεδία βαρύτητας των κοσμικών δομών. Το
ποσό της αναθεώρησης εξαρτάται από τον τρόπο με τον οποίο έχει αλλάξει ο
ρυθμός διαστολής κατά τη διάρκεια του χρόνου και ταιριάζει με το ρόλο της
σκοτεινής ενέργειας.
3. ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΓΑΛΑΞΙΩΝ
Οι γαλαξίες δεν διασκορπίζονται τυχαία μέσα στον ουρανό. Αντίθετα
τακτοποιούνται με μοτίβα, ένα από τα οποία μοιάζει με τα σημεία στο
υπόβαθρο μικροκυμάτων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσουμε τη
συνολική μάζα του Κόσμου και επιβεβαιώνει την ανάγκη για τη σκοτεινή
ενέργεια.
4. ΒΑΡΥΤΙΚΟΣ ΕΣΤΙΑΣΜΟΣ
Μια συμπαγής μάζα μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας φακός. Το φως κάμπτεται
από τη βαρύτητα. Ένας τέτοιος φακός μπορεί να παραγάγει πολλαπλάσιες
εικόνες του πρωτότυπου, όπως ένας καθρέφτης σε ένα τσίρκο, εάν το φως
προέρχεται από μια πηγή που είναι ακριβώς πίσω από αυτό το αντικείμενο
(φακό), μια ευθυγράμμιση που γίνεται περισσότερο πιθανό όσο μεγαλύτερος
είναι ο Κόσμος, κάτι που εξαρτάται στη συνέχεια από την ποσότητα της
σκοτεινής ενέργειας. Ένας πιο ασθενής φακός μπορεί ακόμα να κάμψει το φως
με μια μικρή γωνία, που εξαρτάται από τη μάζα του. Μελέτες αυτής της
διαδικασίας μας έχουν αποκαλύψει με ποιο τρόπο μεγάλες εκτάσεις από ύλη
έχουν αυξηθεί κατά τη διάρκεια του χρόνου, και έχουν βρει τη σφραγίδα από
τη σκοτεινή ενέργεια.
5. ΣΜΗΝΗ ΓΑΛΑΞΙΩΝ
Οι παρατηρήσεις με ακτίνες X επισημαίνουν την εξέλιξη της μάζας των σμηνών
των γαλαξιών. Και είναι αναγκαία η παρουσία της σκοτεινής ενέργειας για να
εξηγήσει πότε και πώς διαμορφώθηκαν.
Πηγή: Scientific American τεύχος Φεβρουαρίου 2007 |
