Αστροφυσική, Διάστημα Θεωρίες φυσικής

Η σκοτεινή ενέργεια πρέπει να υπάρχει παρά τις πρόσφατες αναφορές για το αντίθετο

Written by Δ.Μ.

Μόλις πριν από 20 χρόνια η εικόνα μας για το Σύμπαν αναθεωρήθηκε εκπληκτικά. Όλοι γνωρίζαμε ότι το σύμπαν μας επεκτεινόταν, ότι ήταν γεμάτο από ύλη και ακτινοβολία και ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης εκεί έξω δεν μπορούσε να φτιαχτεί από τα ίδια, φυσιολογικά άτομα, με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι. Προσπαθούσαμε να προσδιορίσουμε, με βάση το πώς διαστελλόταν το Σύμπαν, ποιά θα ήταν η μοίρα μας: θα κατέρρεε πάλι από εκεί που ξεκίνησε, θα διαστελλόμαστε για πάντα ή θα βρισκόμασταν ακριβώς στα σύνορα μεταξύ των δύο;

Share

Μόλις πριν από 20 χρόνια η εικόνα μας για το Σύμπαν αναθεωρήθηκε εκπληκτικά. Όλοι γνωρίζαμε ότι το σύμπαν μας επεκτεινόταν, ότι ήταν γεμάτο από ύλη και ακτινοβολία και ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης εκεί έξω δεν μπορούσε να φτιαχτεί από τα ίδια, φυσιολογικά άτομα, με τα οποία είμαστε  εξοικειωμένοι. Προσπαθούσαμε να προσδιορίσουμε, με βάση το πώς διαστελλόταν το Σύμπαν, ποιά θα ήταν η μοίρα μας: θα κατέρρεε πάλι από εκεί που ξεκίνησε, θα διαστελλόμαστε για πάντα ή θα βρισκόμασταν ακριβώς στα σύνορα μεταξύ των δύο; dark-energy

Οι διαφορετικές πιθανές μοίρες του Σύμπαντος, με την πραγματική, επιταχυνόμενη μοίρα μας, να εμφανίζεται στα δεξιά. Αφού περάσει αρκετός χρόνος, η επιτάχυνση θα διαλύσει κάθε γαλαξιακή ή υπεργαλαξιακή δομή και θα την αφήσει απομονωμένη στο Σύμπαν, καθώς όλες οι άλλες δομές επιταχύνονται αμετάκλητα. Μπορούμε μόνο να κοιτάξουμε το παρελθόν για να συμπεράνουμε την παρουσία της σκοτεινής ενέργειας.

Οι μακρινές σουπερνόβες συγκεκριμένου τύπου ήταν το εργαλείο που θα χρησιμοποιούσαμε για να αποφασίσουμε. Το 1998, υπήρχαν αρκετά δεδομένα από δύο ανεξάρτητες ομάδες και ιδού τα εκπληκτικά αποτελέσματα τους: το σύμπαν δεν θα διαστελλόταν απλώς για πάντα, αλλά αυτή η διαστολή  επιταχύνεται.

Για να είναι αλήθεια αυτό, το Σύμπαν χρειάζεται μια νέα μορφή ενέργειας: τη σκοτεινή ενέργεια. Εκεί όπου η ύλη συσσωματώνεται μαζί υπό την επίδραση της βαρύτητας, η σκοτεινή ενέργεια διεισδύει εξ ολοκλήρου στο χώρο, από τα πυκνά σμήνη των γαλαξιών μέχρι το βαθύτερο, κενό κοσμικό κενό. Ενώ η ύλη γίνεται ολοένα και λιγότερο πυκνή, καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται, και αφού ο ίδιος αριθμός σωματιδίων καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο, εν τούτοις η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή με το χρόνο. Γιατί η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας εγγενής στον ίδιο το χώρο, το διάστημα.

density-changesΕνώ η ύλη και η ακτινοβολία γίνονται λιγότερο πυκνές καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται εξαιτίας του αυξανόμενου όγκου του, η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας εγγενής στο ίδιο το διάστημα. Καθώς δημιουργείται νέος χώρος στο διευρυνόμενο σύμπαν, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή, άρα η ποσότητα της αυξάνεται συνεχώς. Έτσι επιταχύνεται η διαστολή του σύμπαντος αφού προστίθεται συνεχώς νέα ενέργεια. 

Μάλιστα η συνολική ποσότητα ενέργειας στο Σύμπαν καθορίζει ποιός είναι ο ρυθμός διαστολής. Καθώς περνά ο χρόνος και η πυκνότητα της ύλης πέφτει,  πυκνότητα όμως της σκοτεινής ενέργειας δεν αλλάζει. Άρα η σκοτεινή ενέργεια γίνεται όλο και πιο σημαντική σε σχέση με οτιδήποτε άλλο. Επομένως, ένας μακρινός γαλαξίας δεν θα φαίνεται απλώς να απομακρύνεται από μας, αλλά όσο πιο μακρινός είναι ο γαλαξίας, ολοένα πιο γρήγορα θα φαίνεται να υποχωρεί από εμάς, με την ταχύτητα του να αυξάνεται όσο περνάει ο καιρός.

Αυτό το τελευταίο μέρος, όπου η ταχύτητα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, συμβαίνει μόνο όταν υπάρχει κάποια μορφή σκοτεινής ενέργειας στο Σύμπαν.

candles-and-rulers

Τα πρότυπα κεριά (L) και οι τυπικοί χάρακες (R) είναι δύο διαφορετικές τεχνικές που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για να μετρήσουν την διαστολή του χώρου σε διάφορους χρόνους / αποστάσεις στο παρελθόν. Με βάση το πώς μεταβάλλονται μεγέθη σαν τη φωτεινότητα ή το γωνιακό μέγεθος με την απόσταση, μπορούμε να συμπεράνουμε το ιστορικό της διαστολής του Σύμπαντος.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1990, τόσο το Κοσμολογικό Πρόγραμμα Supernova όσο και η ομάδα αναζήτησης High-z Supernova ανακοίνωσαν τα αποτελέσματά τους σχεδόν ταυτόχρονα, με τις δύο ομάδες να φτάνουν στο ίδιο συμπέρασμα: οι μακρινές σουπερνόβες είναι σύμφωνες με ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από σκοτεινή ενέργεια και είναι ασυμβίβαστο με ένα Σύμπαν που δεν έχει καθόλου σκοτεινή ενέργεια.

Τώρα, 20 χρόνια αργότερα, έχουμε πάνω από 700 από αυτά τα σουπερνόβα και παραμένουν μεταξύ των καλύτερων αποδεικτικών στοιχείων που έχουμε για την ύπαρξη και τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας. Όταν ένας λευκός νάνος – το πτώμα ενός αστέρα – είτε αυξάνει με κάποιο τρόπο η ύλη του είτε συγχωνεύεται με έναν άλλο λευκό νάνο, μπορεί να ενεργοποιήσει μια σουπερνόβα Τύπου Ια, η οποία είναι αρκετά φωτεινή ώστε να παρατηρούμε αυτά τα κοσμικά σπάνια φαινόμενα από δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά .

merger_accretion

Δύο διαφορετικοί τρόποι δημιουργίας ενός σουπερνόβα Τύπου Ια: το σενάριο αύξησης (L) και το σενάριο συγχώνευσης (R). Αλλά ανεξάρτητα από το πώς το αναλύετε, αυτοί οι δείκτες εξακολουθούν να δείχνουν ένα επιταχυνόμενο Σύμπαν.

Μέσα στα μέσα της πρώτης δεκαετίας του 2000, αποκλείστηκαν όλες οι εύλογες εναλλακτικές εξηγήσεις για αυτό το παρατηρούμενο φαινόμενο και η σκοτεινή ενέργεια ήταν ένα συντριπτικά αποδεκτό μέρος του σύμπαντος μας από την επιστημονική κοινότητα. Σε τρεις από τους πιο σημαντικούς επιστήμονες από αυτές τις δύο ομάδες – τον επικεφαλής της SCP Saul Perlmutter και ο συμπρωταγωνιστής της HZT Brian Schmidt, μαζί με τον ερευνητή Adam Riess – απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το 2011 για αυτό το αποτέλεσμα.

Και όμως, δεν έχουν όλοι πειστεί για την επιτάχυνση της διαστολής. Πριν λίγες μέρες, ο Subir Sarkar της Οξφόρδης, μαζί με μερικούς συνεργάτες, δημοσίευσαν μια έρευνα υποστηρίζοντας ότι ακόμα και σήμερα, με 740 υπερκαινοφανείς τύπους Ia να δουλεύουν, τα αποδεικτικά στοιχεία των σουπερνόβα υποστηρίζουν μόνο τη σκοτεινή ενέργεια στο επίπεδο εμπιστοσύνης 3-σ : πολύ μακριά από ό, τι απαιτείται στη φυσική.

CMB_Timeline300_no_WMAPΤο σύνηθες μοντέλο ενός σύμπαντος που επεκτείνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό βασίζεται σε ένα αποτέλεσμα που θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι είναι σύμπτωση, σύμφωνα με τον καθηγητή Subir Sarkar

Δυστυχώς, ο Sarkar δεν είναι μόνο λάθος, αλλά κάνει λάθος με πολύ συγκεκριμένο τρόπο. Κάθε φορά που εργάζεστε σε ένα πεδίο που δεν είναι δικό σας (αυτός είναι φυσικός σωματιδίων, όχι αστροφυσικός), πρέπει να καταλάβετε πώς το πεδίο λειτουργεί διαφορετικά από το δικό σας. Εάν παραμελείτε αυτές τις υποθέσεις, παίρνετε λάθος απάντηση, και έτσι πρέπει να είστε προσεκτικοί για το πώς κάνετε την ανάλυσή σας.

Στη φυσική των σωματιδίων, υπάρχουν πάντα υποθέσεις που κάνετε σχετικά με το ρυθμό των γεγονότων, τα υπόβαθρα και τι περιμένετε να δείτε. Για να κάνετε μια νέα ανακάλυψη, πρέπει να αφαιρέσετε το αναμενόμενο σήμα από όλες τις άλλες πηγές και, στη συνέχεια, να συγκρίνετε αυτό που βλέπετε με αυτό που παραμένει. Έτσι ανακαλύψαμε κάθε νέο σωματίδιο, συμπεριλαμβανομένου, πιο πρόσφατα, του Higgs.

Αν δεν κάνετε αυτές τις υποθέσεις, δεν θα είστε σε θέση να πειράξετε το νόμιμο σήμα από το θόρυβο. θα υπάρξουν πάρα πολλά πράγματα, και η δουλειά σας θα είναι πολύ χαμηλή. Στην αστρονομία και την αστροφυσική, υπάρχουν και υποθέσεις που κάνουμε, για να κάνουμε τις ανακαλύψεις μας. Όπως υποθέτουμε την εγκυρότητα των σωματιδίων που μετρήσαμε και τις καλά μετρημένες αλληλεπιδράσεις τους για την ανακάλυψη νέων, κάνουμε υποθέσεις για το Σύμπαν.

Υποθέτουμε ότι η Γενική Σχετικότητα είναι σωστή ως θεωρία της βαρύτητας. Υποθέτουμε ότι το Σύμπαν είναι γεμάτο με ύλη και ενέργεια που έχει σχεδόν την ίδια πυκνότητα παντού. Υποθέτουμε ότι ο νόμος του Hubble είναι έγκυρος. Και υποθέτουμε ότι αυτές οι σουπερνόβες είναι καλοί δείκτες απόστασης για το πώς το Σύμπαν επεκτείνεται. Ο Sarkar κάνει και αυτός αυτές τις υποθέσεις.

Οι συγγραφείς υπογραμμίζουν ότι ναι μεν τα δεδομένα υποστηρίζουν το αποδεκτό μοντέλο – ένα Σύμπαν που είναι περίπου 2/3 σκοτεινή ενέργεια και 1/3 ύλη – όμως η τυπική απόκλιση 3σ είναι μακριά από το αποδεκτό όριο 5σ.  Όπως λέει ο Subir Sarkar,

Αναλύσαμε τον τελευταίο κατάλογο των σουπερνόβων 740 Τύπου Ιa και διαπιστώσαμε  ότι τα αποδεικτικά στοιχεία για επιταχυνόμενη επέκταση είναι το πολύ αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν τυπική απόκλιση «3 σ». Αυτό είναι πολύ μικρότερο από το πρότυπο «5 σ» που απαιτείται για να διεκδικήσει μια ανακάλυψη θεμελιώδους σημασίας.

Σίγουρα, παίρνετε ‘3 σ’ αν κάνετε μόνο αυτές τις υποθέσεις. Αλλά τι γίνεται με τις υποθέσεις που δεν έκανε ο Subir Sarkar, που θα έπρεπε πραγματικά να κάνει;

Από τη στιγμή που επέστρεψαν τα πρώτα δεδομένα του WMAP, της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου, αναγνωρίσαμε ότι το Σύμπαν ήταν σχεδόν απόλυτα χωρικά επίπεδο. Εάν προσθέσετε τα δεδομένα αυτά, εντελώς ανεξάρτητα από τα δεδομένα των σουπερνόβα, που δείχνει ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο, διαπιστώνετε ότι ο μόνος τρόπος να αποκτήσετε ένα Σύμπαν χωρίς επιτάχυνση είναι να έχετε μια υπερβολικά υψηλή πυκνότητα ουσίας, κάτι που δεν σχετίζεται καθόλου με τα δεδομένα των σουπερνόβα. Σημειώστε ότι ακόμη και χωρίς σουπερνόβα, θα χρειαζόμασταν σκοτεινή ενέργεια.

Ακόμα κι αν όλα τα δεδομένα των σουπερνόβα φύγουν και αγνοηθούν, έχουμε σήμερα αρκετά περισσότερα στοιχεία για να είμαστε εξαιρετικά σίγουροι ότι το Σύμπαν επιταχύνεται και φτιαγμένο από περίπου 2/3 σκοτεινή ενέργεια.

Συμπέρασμα: Το σύμπαν μας περιέχει ύλη, είναι τουλάχιστον κοντά σε ένα χωρικά επίπεδο σύμπαν και έχει υπερκαινοφανείς που μας επιτρέπουν να καθορίσουμε τον τρόπο με τον οποίο επεκτείνεται. Όταν βάζουμε αυτές τις εικόνες μαζί, τότε είναι αναπόφευκτο ένα Σύμπαν όπου κυριαρχεί η σκοτεινή ενέργεια .

Πηγή Ethan Siegel  αστροφυσικός.

About the author

Δ.Μ.

Share