Οι ακτίνες Χ των γαλαξιακών σμηνών επιβεβαιώνουν την σκοτεινή ενέργεια και την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος

Από το NewScientist και το RedNova, 18 Μαΐου 2004

Νέες παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου  των ακτίνων-Χ Chandra της NASA έχουν επιβεβαιώσει μια για πάντα ότι το σύμπαν εξουσιάζεται από τη σκοτεινή ενέργεια. Η έρευνα θα δημοσιευτεί στο Monthly Notices της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.

Μια ομάδα αστροφυσικών χρησιμοποίησε το Chandra για να μετρήσει τις ακτίνες X που προέρχονται από 26 σμήνη γαλαξιών, με αποστάσεις μεταξύ ενός και οκτώ δισεκατομμυρίων ετών φωτός.

Αυτά τα στοιχεία που συνέλεξαν εκτείνονται στο χρόνο, όταν η διαστολή του σύμπαντος επιβραδυνόταν, πριν από την εποχή που επιταχύνθηκε και πάλι λόγω της απωστικής επίδρασης της σκοτεινής ενέργειας.

Οι παρατηρήσεις υπονοούν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται. Για να συμβαίνει αυτό, η συνηθισμένη βαρύτητα πρέπει να εξουδετερώνεται από μια απωθητική δύναμη - τη λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια.

Τα νέα αποτελέσματα του Chandra προτείνουν ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας δεν αλλάζει γρήγορα με το χρόνο και μπορεί ακόμη και να είναι σταθερή, σύμφωνα με την "κοσμολογική σταθερά",  έννοια που εισήχθηκε πρώτα από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν. Σε αυτή την περίπτωση, το Σύμπαν αναμένεται να συνεχίσει την διαστολή του για πάντα, έτσι ώστε σε πολλά δισεκατομμύρια χρόνια μόνο ένα μικρό μέρος των γνωστών γαλαξιών θα είναι αισθητοί.

Εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι σταθερή, τότε θα αποφευχθούν πιο δραματικές συνέπειες για το Σύμπαν Αυτές περιλαμβάνουν το λεγόμενο "Μεγάλο Σχίσμα" (Big Rip), όπου η σκοτεινή ενέργεια αυξάνεται τόσο έως ότου διαχωριστούν τελικά οι γαλαξίες, τα αστέρια, οι πλανήτες και τελικά τα άτομα. Μια άλλη υπόθεση για τη "Μεγάλη Σύνθλιψη" (Big Crunch), όπου το Σύμπαν καταρρέει τελικά στον ίδιο τον εαυτό του, επίσης, αποκλείεται .

Το σχήμα δείχνει τις τρεις δυνατότητες εξέλιξης που έχει το Σύμπαν, ανάλογα με τη συμπεριφορά της σκοτεινής ενέργειας, με το χρόνο. Φαίνεται καθαρά πως μετά την αρχική φάση της επιτάχυνσης της διαστολής ακολούθησε μια φάση επιβράδυνσης (πριν από 6 δισ. έτη) και τώρα συνεχίζετε η φάση της επιτάχυνσης.

Αυτή η επιτάχυνση επισημάνθηκε αρχικά στη δεκαετία του '90 όταν οι αστροφυσικοί εξέτασαν απόμακρες εκρήξεις υπερκαινοφανών. Αυτή η θεωρία υποστηρίχτηκε αργότερα όταν αποκωδικοποιήθηκε λεπτομερώς το μοτίβο των σημείων στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το λυκόφως του Big Bang.

"Η σκοτεινή ενέργεια είναι ίσως το μεγαλύτερο μυστήριο στη φυσική", λέει ο Steve Allen του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ στη Βρετανία, επικεφαλής της ομάδας. "Έτσι, είναι εξαιρετικά σημαντικό που έγινε μια ανεξάρτητη δοκιμή της ύπαρξης και των ιδιοτήτων της".

Αλλά και οι δύο αυτές μέθοδοι που αναφέρθηκαν στηρίζονται σε αβέβαιη φυσική. "Ένας υπερκαινοφανής ή σουπερνόβα είναι ένα σύνθετο πράγμα", λέει ο Allen. Εξηγεί ότι η προσέγγισή τους είναι "απλή - είναι ακριβώς η φυσική των θερμών αερίων".

Γιγάντιες συναθροίσεις

Απλή είναι  φυσικά ένας σχετικός όρος. Τα σμήνη των γαλαξιών είναι γιγάντιες συναθροίσεις εκατοντάδων γαλαξιών, που περιέχουν απέραντα ποσά αερίου σε θερμοκρασίες περίπου 100 εκατομμυρίων βαθμών, που είναι αρκετά θερμή για να εκπέμψουν ακτίνες-X.

Αν γίνει συγχρόνως μέτρηση και της συχνότητας και της φωτεινότητας των ακτίνων-X, και γνωρίζοντας την απόσταση του σμήνους, είναι δυνατό να υπολογιστεί πόσο αέριο και πόση μάζα σκοτεινής ύλης υπάρχει ως ποσοστό της συνολικής μάζας του σμήνους.

Η απόσταση του σμήνους, όμως, εξαρτάται και από την κυρτότητα του διαστήματος και από το ποσό της σκοτεινής ενέργειας στο Σύμπαν.

Επειδή τα σμήνη των γαλαξιών είναι πάρα πολύ μεγάλα, θεωρούνται ότι αντιπροσωπεύσουν ένα σωστό δείγμα της περιεχόμενης ύλης στον κόσμο. Σε αυτή την περίπτωση, το ποσοστό του θερμού αερίου και της σκοτεινής ύλης είναι πιθανόν να είναι τα ίδια σχεδόν για όλα τα σμήνη.

Κάνοντας λοιπόν αυτή την υπόθεση η ομάδα κατάφερε η ομάδα του Allen να υπολογίσει την απόσταση κάθε σμήνους. Τότε χαράζοντας αυτές τις αποστάσεις κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου, διαπίστωσαν ότι η διαστολή του σύμπαντος άρχισε να επιταχύνεται, περίπου, πριν 6 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αυτό συμφωνεί με τις μετρήσεις των υπερκαινοφανών αλλά και της μικροκυματικής ακτινοβολίας. Και οι τρεις μέθοδοι υπονοούν ότι περίπου το 75% της ενέργειας στο Σύμπαν είναι σε αυτή την απωστική μορφή. "Το αποτέλεσμα μας κάνει σίγουρους ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι πραγματική", λέει ο Steve Allen.

Χρησιμοποιώντας στοιχεία από τα σμήνη, το WMAP και τους υπερκαινοφανείς, ο  Άλλεν και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 75% του σύμπαντος, η  σκοτεινή ύλη το 21%, και η ορατή ύλη 4%.

Κενό διάστημα

Αλλά τι είναι στην πραγματικότητα η σκοτεινή ενέργεια; Οι νέες μετρήσεις είναι σύμφωνες με ένα είδος σκοτεινής ενέργειας που δεν μεταβάλλεται με το χρόνο πάρα πολύ. Θα μπορούσε να είναι μια ενέργεια έμφυτη στο κενό διάστημα, η "κοσμολογική σταθερά" του Einstein.

Αλλά δεν υπάρχουν μεγάλοι περιορισμοί για το τι μπορεί να είναι, αφήνοντας έτσι πολυάριθμες εναλλακτικές λύσεις. Αυτές περιλαμβάνουν ένα είδος εξασθένισης του πεδίου της σκοτεινής ενέργειας της που λέγεται πεμπτουσία. Μια άλλη επιλογή είναι ένα είδος ενέργειας που γίνεται ολοένα και πιο ισχυρή, που θα μπορούσε τελικά να γίνει τόσο ισχυρή που θα αποσχιστούν όλα, ακόμη και τα άτομα.

Μπορεί ακόμη και να είναι κάτι ακόμα πιο εξωτικό. Η ομάδα Allen ισχύει τώρα να χρησιμοποιήσει το Chandra για να παρατηρήσει περισσότερα σμήνη, τα οποία ελπίζουν ότι θα ελαχιστοποιήσουν τον αριθμό των δυνατοτήτων.