Κοσμολογική φάση μετάβασης:Ένα νέο μοντέλο προτείνει ότι η Σκοτεινή Ενέργεια ‘πάγωσε’ το Σύμπαν

Φανταστείτε μια εποχή που πάγωσε ολόκληρο το σύμπαν – σύμφωνα με ένα νέο μοντέλο για την σκοτεινή ενέργεια, που ουσιαστικά είναι αυτό που συνέβη περίπου πριν 11,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν το σύμπαν είχε το ένα τέταρτο του σημερινού του μεγέθους.

Μια κοσμολογική φάση μετάβασης, παρόμοια με την φάση της πήξης, είναι ένα από τα διακριτικά στοιχεία μιας τελευταίας προσπάθειας για να εξηγηθεί τι είναι η σκοτεινή ενέργεια. Η μυστηριώδης, αόρατη αρνητική δύναμη (δηλαδή μια αντιβαρυτική δύναμη), που ορισμένοι κοσμολόγοι λένε ότι αποτελεί πάνω από το 70% του συνόλου της ενέργειας και της ύλης στο σύμπαν και που αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται με ένα ολοένα και ταχύτερο ρυθμό.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό που διακρίνει τη νέα θεωρία, όπως λένε οι συγγραφείς της, είναι ότι κάνει ελέγξιμη πρόβλεψη όσον αφορά το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Επιπλέον, οι μικρο-εκρήξεις που δημιουργούνται στους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων θα πρέπει να διεγείρει το πεδίο της σκοτεινής ενέργειας και αυτές οι διεγέρσεις θα μπορούσαν να εμφανιστούν ως εξωτικά, που ποτέ δεν έχουμε δει ως τώρα, υποατομικό σωματίδια.

Το θεωρητικό αυτό μοντέλο δημοσιεύθηκε στο Physical Review D από τους Sourish Dutta και Robert Scherrer του Πανεπιστημίου Vanderbilt, σε συνεργασία με τους Stephen Hsu και David Reeb στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον.

“Πολλές από τις υπάρχουσες εξηγήσεις για την σκοτεινή ενέργεια είναι δύσκολο να τις ελέγξουμε”, λέει ο Scherrer, “Σχεδιάσαμε όμως ένα μοντέλο που μπορεί αυτή να αλληλεπιδράσει με την κανονική ύλη και έτσι έχει παρατηρήσιμες συνέπειες.”

Το μοντέλο συνδέει την σκοτεινή ενέργεια με την ενέργεια του κενού. Όπως και αρκετές από τις υπάρχουσες θεωρίες, κι αυτή προτείνει ότι ο ίδιος ο χώρος είναι η πηγή της απωστικής ενέργειας που αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται. Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι η ενέργεια του κενού χώρου κατά μέσο όρο είναι μηδέν. Όμως, η ανακάλυψη της κβαντομηχανικής άλλαξε αυτή την άποψη. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ο κενός χώρος είναι γεμάτος με ζεύγη «εικονικών» σωματιδίων που αυθόρμητα γεννιούνται και σβήνουν πολύ γρήγορα προτού να ανιχνευθούν.

Αυτή η υπο-ατομική δραστηριότητα είναι μια λογική πηγή για την σκοτεινή ενέργεια, διότι τα δύο (σκοτεινή ενέργεια και κενός χώρος) κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλο το διάστημα. Αυτή η κατανομή είναι σύμφωνη με στοιχεία που αποδεικνύουν ότι η μέση πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή, καθώς το σύμπαν επεκτείνεται. Η χαρακτηριστική αυτή ιδιότητα έρχεται σε άμεση αντίθεση με την συνήθη ύλη και την ενέργεια, η οποία καθίσταται όλο και πιο αραιή, με την διαστολή του σύμπαντος.

Η νέα θεωρία είναι από αυτές που αποδίδουν την σκοτεινή ενέργεια σε ένα εντελώς νέο πεδίο που ονομάζεται πεμπτουσία. Η πεμπτουσία είναι συγκρίσιμη με άλλα βασικά πεδία, όπως η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός, αλλά έχει μερικές μοναδικές ιδιότητες. Εν πρώτοις, έχει την ίδια ισχύ σε όλο το σύμπαν. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι ότι ενεργεί σαν ένα μέσον αντιβαρύτητας, αναγκάζοντας τα αντικείμενα να απομακρύνονται το ένα από το άλλο, αντί να να έλκει, όπως η βαρύτητα.

Στην απλούστερη μορφή της, η ισχύς του πεδίου της πεμπτουσίας παραμένει σταθερή με την πάροδο του χρόνου. Στην περίπτωση αυτή παίζει το ρόλο της κοσμολογικής σταθεράς, ένας όρος που προστέθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, στη θεωρία της γενικής σχετικότητας, ώστε το σύμπαν να παραμείνει στατικό και να μην συστέλλεται κάτω από την δύναμη της βαρύτητας. Όταν αποδείχθηκε ότι το σύμπαν επεκτείνεται ο Αϊνστάιν εγκατέλειψε αυτή την ιδέα, καθώς το διαστελλόμενο σύμπαν είναι μια λύση στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας. Έπειτα, στα τέλη του ’90, μελέτες των σουπερνόβα (οι θεαματικές αστρικές εκρήξεις που είναι τόσο ισχυρές ώστε να μπορούν πολύ σύντομα να είναι ορατές σε όλο τον γαλαξία που αποτελείται από εκατομμύρια αστέρια) ανέφεραν ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά και ότι ο ρυθμός της διαστολής επιταχύνεται αντί να επιβραδύνεται όπως οι επιστήμονες ανέμεναν.

Το γεγονός αυτό έριξε τους κοσμολόγους σε μια ατέρμονη συζήτηση επειδή αυτοί θεωρούσαν ότι η βαρύτητα ήταν η μόνη δύναμη μεγάλων αποστάσεων, που δρα μεταξύ των αστρονομικών αντικειμένων. Έτσι, δεν είχαν ιδέα τι θα μπορούσε ενδεχομένως να αναγκάζει τα πάντα να απομακρύνονται. Ο απλούστερος τρόπος να εξηγήσουν αυτό το περίεργο φαινόμενο, ήταν να φέρουν πίσω την κοσμολογική σταθερά Αϊνστάιν με τις αντιβαρυτικές της ιδιότητες. Δυστυχώς, η εξήγηση αυτή πάσχει από ορισμένα σοβαρά μειονεκτήματα, έτσι οι φυσικοί ψάχνουν με πείσμα για άλλους παράγοντες αντιβαρύτητας.

Οι εν λόγω παράγοντες αντιβαρύτητας (που ονομάζονται από τους φυσικούς ‘μοντέλα σκοτεινής ενέργειας’) συνήθως επικαλούνται την πεμπτουσία ή ακόμη πιο εξωτικά πεδία. Επειδή δεν έχουν εντοπιστεί στη φύση κανένα από αυτά τα εξωτικά πεδία, γι αυτό οι  υποστηρικτές τους γενικότερα υποθέτουν ότι δεν αλληλεπιδρούν σημαντικά με την κοινή ύλη και την ακτινοβολία.

Η φάση μετάβασης του πεδίου της πεμπτουσίας και η σκοτεινή ακτινοβολία

Μία από τις λογικές συνέπειες που επιτρέπει να αλληλεπιδρά η πεμπτουσία με την κοινή ύλη είναι η πιθανότητα αυτό το πεδίο να πέρασε από μια φάση μετάβασης – να πάγωσε – όταν το σύμπαν είχε θερμοκρασία που να αντιστοιχεί σε μια ηλικία 2,2 δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang. Ως αποτέλεσμα αυτής της κατάστασης, η ενεργειακή πυκνότητα του πεδίου της πεμπτουσίας θα παρέμεινε σε ένα σχετικά υψηλό επίπεδο έως ότου η ενέργεια της φάσης μετάβασης μειώθηκε απότομα σε ένα σημαντικά χαμηλότερο επίπεδο, που από τότε έχει παραμείνει εκεί.

Η μετάβαση αυτή με τη μείωση της ενέργειας του πεδίου θα έχει ελευθερώσει ένα κλάσμα της σκοτεινής ενέργειας που υπήρχε μέσα στο πεδίο, με τη μορφή της σκοτεινής ακτινοβολίας Σύμφωνα με το νέο θεωρητικό μοντέλο, η σκοτεινή ακτινοβολία είναι πολύ διαφορετική από το φως, τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα και τα άλλα είδη των απλών ακτινοβολίας: Αυτή είναι απολύτως μη ανιχνεύσιμη με κάθε γνωστό μέσο στον άνθρωπο.

Ωστόσο, η φύση μας προσφέρει μία μέθοδο ανίχνευσης της σκοτεινής ακτινοβολίας. Σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας, η βαρύτητα προκύπτει από την κατανομή της ενέργειας και της ορμής. Έτσι, οι μεταβολές της καθαρής ενέργειας και η ορμή που προκλήθηκε από την ξαφνική εισαγωγή της σκοτεινή ακτινοβολία θα πρέπει να έχουν επηρεάσει το βαρυτικό πεδίο του σύμπαντος με τρόπο που να έχει επιβραδυνθεί η διαστολή με ένα χαρακτηριστικό (διακριτό) τρόπο.

Για τα επόμενα 10 χρόνια, οι μεγάλες αστρονομικές έρευνες που θα χαρτογραφήσουν την διαστολή του σύμπαντος μετρώντας τη φωτεινότητα των πιο απομακρυσμένων υπερκαινοφανών, θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν αυτή την επιβράδυνση του ρυθμού διαστολής που προβλέπει το μοντέλο. Ταυτόχρονα, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων – που πλησιάζει η έναρξη λειτουργία του – έχει πολύ μεγάλη ενέργεια, που θεωρητικά είναι αρκετή ώστε να διεγείρει το πεδίο της πεμπτουσίας και οι διεγέρσεις του θα μπορούσαν να εμφανίζονται με τη μορφή νέων εξωτικών σωματιδίων, λένε οι οι ερευνητές.

Πολλοί κοσμολόγοι πιστεύουν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, που εκφράζεται από την κοσμολογική σταθερά Λ. Όμως στο σημείο αυτό πρέπει να αναφέρουμε το λεγόμενο πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς Λ (cosmological constant problem).

Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας, όλα τα κβαντικά πεδία, ακόμα και όταν βρίσκονται στη βασική μη διεγερμένη  κατάσταση, έχουν μη μηδενική ενέργεια. Απλοί υπολογισμοί της κβαντικής θεωρίας πεδίου οδηγούν σε τιμές για την πυκνότητα της ενέργειας του κενού (δηλαδή για την κοσμολογική σταθερά Λ), να είναι 120 τάξεις μεγέθους (10¹²⁰) μεγαλύτερη από την πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης (όπως παρατηρείται σήμερα στο σύμπαν).

Όμως πρώτον, μια τόσο μεγάλη πυκνότητα ενέργειας του κενού χώρου θα προκαλούσε πολύ νωρίς στην ιστορία του Κόσμου μια εκθετικά επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή, που θα διέλυε όλους τους ηλεκτροστατικούς και πυρηνικούς δεσμούς, οι οποίοι συγκρατούν τους πυρήνες, τα άτομα και τα μόρια.

Και δεύτερον μετρήσεις στο χώρο της κοσμολογίας δίνουν ένα αρνητικό αποτέλεσμα, δείχνοντας έτσι έναν ανώτερο όριο της κοσμολογικής σταθεράς Λ, που είναι

Ωστόσο, η τελευταία τιμή υπονοεί ότι στην συνολική κλίμακα του σύμπαντος, τα φαινόμενα των διακυμάνσεων του κενού ακυρώνονται. Κι αυτή η αξιολόγηση έρχεται και σε μία εποχή, που οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν συνεισφορές της διακύμανσης του κενού από τα κουάρκ με μια τάξη 10^-6 m^-2.

Και το ερώτημα παραμένει: Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;