Είναι η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν πράγματι σταθερά;
Μελέτη για τις εξάρσεις ακτίνων γάμμα φαίνεται ότι αποκλείει ότι είναι σταθερά

Πηγή: NewScientist, 11 Ιανουαρίου 2006

Η σκοτεινή ενέργεια - η μυστήρια δύναμη που ευθύνεται για την επιτάχυνση του σύμπαντος - αλλάζει κατά τη διάρκεια του χρόνου, προτείνουν νέοι αλλά αμφισβητούμενοι υπολογισμοί.

Οι επιστήμονες ξέρουν πολύ λίγα για τη μυστήρια απωστική δύναμη που ονομάστηκε "σκοτεινή ενέργεια" και που φαίνεται ότι είναι η αιτία της διαστολής του σύμπαντος αλλά, σύμφωνα με τον καθηγητή της φυσικής και αστρονομίας Bradley Schaefer, ένα πράγμα φαίνεται να είναι αληθινό: Η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται μέσα στον χρόνο, μια ιδέα που προκαλεί την άποψη του Αϊνστάιν για μια αμετάβλητη δύναμη, που την ονόμασε "κοσμολογική σταθερά."

Ένα πολύτιμο εργαλείο για τη μέτρηση του σύμπαντος είναι το διάγραμμα Hubble, που ονομάστηκε έτσι από τον Edwin Hubble, ο οποίος ανακάλυψε την επέκταση του σύμπαντος στη δεκαετία του '20. Αυτό το διάγραμμα είναι μια γραφική παράσταση που συγκρίνει την απόσταση ενός αντικειμένου με τη μετατόπιση προς το ερυθρό z (redshift) ή το βαθμό που η ενέργεια του φωτός μετατοπίζεται προς τις χαμηλότερες ενέργειες λόγω της επέκτασης του σύμπαντος. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο μεγαλύτερο είναι το redshift z, καθώς το μήκος κύματος του φωτός 'διαστέλλεται' στο μακρύ ταξίδι του προς εμάς. Η μορφή της καμπύλης σε ένα διάγραμμα Hubble απεικονίζει την ιστορία επέκτασης του σύμπαντος και ως εκ τούτου τη δομή του ίδιου του χωροχρόνου.

Αστρονόμοι το 1999 παρατήρησαν σουπερνόβες μέχρι μία μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) 1, ή περίπου 7,7 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, και διαπίστωσαν ότι οι σουπερνόβες αυτές ήταν πιο αμυδρές από αυτό που αναμενόταν. Κάτι που σήμαινε ότι το σύμπαν επεκτεινόταν γρηγορότερα από αυτό που αναμενόταν (και μάλιστα επιταχύνεται), οδηγώντας μας πιο μακριά από την αρχική πηγή του φωτός.

Τελικά οι αστρονόμοι επικαλέσθηκαν την έννοια της σκοτεινής ενέργειας για να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις των υπερκαινοφανών. 

Αλλά δεν είναι ακόμα σαφές ποια είναι η σκοτεινή ενέργεια. Οι θεωρίες κυμαίνονται από μια ενέργεια του 'κενού' του ίδιου του χώρου που είναι η τιμή της σταθερή - μια ιδέα που ο Αϊνστάιν πρότεινε ως "κοσμολογική σταθερά" - έως πιο εξωτικές πιθανότητες, όπως είναι η πεμπτουσία - ένας τύπος ενεργειακού πεδίου που μπορεί να ποικίλει μέσα στο χώρο και το χρόνο.

Μέχρι τώρα, οι μελέτες σουπερνοβών έχουν υποστηρίξει την κοσμολογική σταθερά - μια πρόσφατη μελέτη 70 σουπερνοβών ανέφερε ότι η απωστική δύναμη από τη σκοτεινή ενέργεια δεν θα μπορούσε να έχει αλλάξει περισσότερο από, περίπου, 20% κατά τη διάρκεια των προηγούμενων οκτώ δισεκατομμύριο ετών.

Αξιόπιστα στοιχεία

Αλλά οι υπερκαινοφανείς είναι πάρα πολύ αμυδροί για να φανούν σε πιο μεγάλες κοσμικές αποστάσεις. Έτσι, μερικοί αστρονόμοι υποστηρίζουν ότι οι εξάρσεις ακτίνων γάμμα (GRB) - βίαιες, εφήμερες εξάρσεις ή εκρήξεις που συνοδεύουν το θάνατο μερικών τεράστιων άστρων - είναι ο καλύτερος καθοδηγητής. Είναι περίπου 100 φορές φωτεινότερες από τις σουπερνόβες, και μπορούν έτσι να φανούν σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις.

Τώρα, ο αστρονόμος Bradley Schaefer του πολιτειακού πανεπιστημίου της Λουιζιάνας στο Baton Rouge, έχει χρησιμοποιήσει τις παρατηρήσεις 52 τέτοιων πηγών GRB για να προτείνει ότι η σκοτεινή ενέργεια έχει μεταβληθεί κατά τη διάρκεια του χρόνου.

Στη μεγαλύτερη μελέτη αυτών των πηγών GRB του είδους του, ο Schaefer διαπίστωσε ότι οι 12 από τις πιο απόμακρες πηγές ακτίνων γάμμα GRB - που βρίσκονται σχεδόν 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά - ήταν όλες τους φωτεινότερες από ό,τι αναμενόταν, κάτι που δείχνει ότι το σύμπαν επεκτεινόταν τότε με ένα πιο αργό ρυθμό από όσο είναι σήμερα. Οι εκρήξεις αυτές ανιχνεύονται από δορυφόρους, όπως είναι ο HETE της NASA.

Μάλιστα ανακοίνωσε ότι το γεγονός ότι και οι 12 υπερκαινοφανείς ήταν φωτεινότεροι από αυτό που προβλεπόταν από μια σταθερή κοσμολογική σταθερά, αυξάνει την εμπιστοσύνη του στα δεδομένα. "Είναι σαν να ρίχνετε ένα νόμισμα και παίρνετε 12 γράμματα στη σειρά", λέει ο Schaefer. 

Όταν οι αποστάσεις των εκρήξεων σε συνάρτηση με την ερυθρή μετατόπιση (redshift) σχεδιαστούν πάνω σε ένα διάγραμμα Hubble, η μορφή της καμπύλης αποκαλύπτει την ιστορία επέκτασης του σύμπαντος μέχρι 12,8 δισεκατομμύρια έτη πριν. Η ανάλυση του Schaefer δείχνει ότι το διάγραμμα Hubble κάμπτεται σημαντικά προς τα κάτω στις μεγάλες αποστάσεις, έναντι της πρόβλεψης που βασίζεται στην κοσμολογική σταθερά. Αυτό υποστηρίζει ότι το σύμπαν δεν κυβερνιέται από την κοσμολογική σταθερά. Η Σκοτεινή Ενέργεια αλλάζει με το χρόνο καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Στο νεαρό δε σύμπαν η διαστολή επιβραδυνόταν περισσότερο από όσο αναμενόταν.

Τι αυτό σημαίνει για τη μοίρα του σύμπαντος δεν είναι σαφές, αλλά φαίνεται να ανοίγει το κουτί της Πανδώρας για εξωτικές μορφές της σκοτεινής ενέργειας. Ο δε Schaefer υποστηρίζει: "Με την πεμπτουσία, μπορείτε να κάνετε ό,τι θέλετε".

Καθιερωμένα κοσμικά κεριά

Όμως άλλοι ερευνητές ακόμα δεν πείθονται. Οι σουπερνόβες όλες του τύπου 1a εκρήγνυνται με την ίδια εγγενή ενέργεια, που τις κάνει ιδανικά "καθιερωμένα κοσμικά κεριά" για τη μέτρηση των αποστάσεων. Αλλά οι πηγές ακτίνων-γ GRB εκρήγνυνται με διάφορες ενέργειες. Έτσι ο Schaefer χρησιμοποίησε πέντε παρατηρημένες ιδιότητες των εκρήξεων - όπως το πώς αλλάζει η φωτεινότητά τους κατά τη διάρκεια του χρόνου - για να υπολογίσει την εγγενή φωτεινότητά τους, και από εκεί την απόστασή τους.

Αλλά ο ειδικός στις GRB Dale Frail, του Εθνικού Ραδιοπαρατηρητήριου Αστρονομίας στο Νέο Μεξικό, λέει ότι οι GRB μεταβάλλονται πάρα πολύ και δεν είναι αρκετά  κατανοητές για να βγουν τέτοια συμπεράσματα. "Σκέφτομαι ότι είναι πρόωρο να αρχίσουμε να θεωρούμε τις GRB σαν καθιερωμένα 'κεριά' όπως τις σουπερνόβες", ανέφερε.

Ο Robert Kirshner, ένας αστρονόμος στο πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ στο Καίμπριτζ της Μασαχουσέτης, και πρωτοπόρος των μελετών των σουπερνοβών για την σκοτεινή ενέργεια, συμφωνεί: "Πήρατε ένα χοντρό εργαλείο για να μετρήσετε μια πολύ λεπτή επίδραση".

Ο Schaefer αναγνωρίζει ότι η έρευνα είναι προκαταρκτική, αλλά λέει ότι η ανάλυση θα βελτιωθεί καθώς ανακαλύπτονται και μελετώνται περισσότερες πηγές GRB. Για παράδειγμα ο δορυφόρος Swift τα δύο επόμενα χρόνια αναμένεται να βρει κάπου 50 τέτοιες πηγές που η ένταση του φωτός τους θα τοποθετηθεί στο Διάγραμμα Hubble, για να βρεθεί τελικά αν η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν μεταβάλλεται με τον χρόνο.

Η έρευνα παρουσιάστηκε σε μια συνεδρίαση του 2006 της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης στην Ουάσιγκτον.