Μακροχρόνια η παρουσία της μυστήριας σκοτεινής ενέργειας

Πηγή: BBC, 17 Νοεμβρίου 2006

Η σκοτεινή ενέργεια - η μυστήρια δύναμη που επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος - φαίνεται ότι δρούσε και πριν εννέα δισεκατομμύρια  χρόνια τουλάχιστον.  Αυτό είναι το συμπέρασμα των αστρονόμων που το παρουσίασαν μετά από μια τρίχρονη μελέτη με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble.

Η ανακάλυψη αυτή μπορεί να αποκλείσει μερικές ανταγωνιστικές θεωρίες που προβλέπουν την ισχύ της σκοτεινής ενέργειας να αλλάζει κατά τη διάρκεια του χρόνου.

Ως γνωστόν η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 70% του σύμπαντος. Το υπόλοιπο είναι σκοτεινή ύλη (25%) και κανονικό ύλη (5%).

"Φαίνεται ότι αυτή η σκοτεινή ενέργεια ήδη ωθούσε την διαστολή του σύμπαντος τουλάχιστον εννέα δισεκατομμύρια έτη πριν", αναφέρει ο Adam Riess, ένας από τους ερευνητές από το Ίδρυμα Επιστήμης Διαστημικών Τηλεσκοπίων στη Βαλτιμόρη.

"Κι αυτό συμβαίνει για έναν Κόσμο που η ηλικία του είναι περίπου 13,7 δισεκατομμυρίων ετών - δηλαδή η διαστολή συμβαίνει για το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του."

Τα συμπεράσματα είναι σύμφωνα με την ιδέα της σκοτεινής ενέργειας ότι συμπεριφέρεται σαν την κοσμολογική σταθερά Λ του Αλβέρτου Αϊστάιν. Η κοσμολογική σταθερά Λ περιγράφει την άποψη ότι ο 'κενός' χώρος συνδέεται με μια πυκνότητα και μια πίεση.

Σε αυτό το σενάριο, η σκοτεινή ενέργεια δεν αλλάζει ποτέ: έχει τις ίδιες ιδιότητες σε όλη τη ζωή του σύμπαντος.

Απωστική δύναμη

Ο Einstein πρώτος συνέλαβε την ιδέα μιας απωστικής δύναμης η οποία να προέρχεται από τον κενό χώρο, στην προσπάθειά του να κάνει το Σύμπαν να είναι στατικό. Επειδή η δύναμη της βαρύτητας ανάγκαζε το σύμπαν να συγκεντρώνεται έπρεπε να υπάρχει, όπως έλεγε, μια απωστική δύναμη ώστε να ισορροπήσει την βαρυτική έλξη.

Η κοσμολογική σταθερά του παρέμεινε μια περίεργη υπόθεση έως το 1998, όταν χρησιμοποίησαν οι αστρονόμοι τις παρατηρήσεις των σουπερνοβών από τα επίγεια τηλεσκόπια και το Hubble για να δείξουν ότι η διαστολή του διαστήματος επιταχύνεται.

Αυτά τα ευρήματα πρότειναν ότι πραγματικά υπάρχει μια απωστική μορφή της βαρύτητας στο διάστημα, μια δύναμη που σύντομα ονομάστηκε "σκοτεινή ενέργεια".

Έχουν γίνει δε πολλές προσπάθειες για να εξηγηθεί η φύση αυτής της σκοτεινής ενέργειας.

Μία εξήγηση από αυτές είναι ότι συμπεριφέρεται σαν την κοσμολογική σταθερά. Μια άλλη είναι ότι η σκοτεινή ενέργεια συμπεριφέρεται σαν ένα πεδίο που αλλάζει κατά τη διάρκεια του χρόνου. Η τρίτη εξήγηση προτείνει αλλαγές στις θεωρίες της βαρύτητας για να εξηγήσει τη μυστήρια δύναμη.

Τα πιο πρόσφατα στοιχεία από το Hubble έρχονται σε αντίθεση με τις θεωρίες ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να συμπεριφερόταν διαφορετικά δισεκατομμύρια έτη πριν από το πώς συμπεριφέρεται τώρα, ή ακόμη και να μην υπήρχε παλιά. Κάποιοι αστρονόμοι είχαν σκεφτεί ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να μιμηθεί οτιδήποτε ήταν η κυρίαρχη δύναμη στον κόσμο εκείνη την εποχή, όπως η ύλη παραδείγματος χάριν.

Οι προηγούμενες παρατηρήσεις του Hubble των πιο απόμακρων γνωστών υπερκαινοφανών είχαν αποκαλύψει ότι το πρώιμο σύμπαν είχε κυριαρχηθεί από την ύλη, η βαρύτητα του οποίου επιβράδυνε το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος.

Δυναμική διελκυστίνδα

Οι παρατηρήσεις, επίσης, επιβεβαίωσαν ότι η σκοτεινή ενέργεια υπήρχε εδώ και εννέα δισεκατομμύρια και έχει ενεργήσει με έναν συνεπή τρόπο από τότε. Τα στοιχεία μάλιστα προτείνουν ότι η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας ήταν μάλλον αδύνατη μέχρι, περίπου, πέντε έως έξι δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν τότε επικράτησε της βαρύτητας σε μια "κοσμική διελκυστίνδα" ανάμεσα  τους, ενώ ο ρυθμός διαστολής  άρχισε τότε να αυξάνεται.

"Φανταστείτε ότι είχατε μια διελκυστίνδα και το άλλο άκρο του σχοινιού εξαφανίζεται πίσω από μια κουρτίνα. Κάτι φυσικά έλκει το άλλο άκρο. Κι αυτό το ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια", λέει ο Δρ Riess.

"Το 1998, είδαμε ότι το πράγμα πίσω από την κουρτίνα κέρδιζε, τραβούσε δυνατότερα και το σύμπαν επιτάχυνε.

"Το 2004, δείξαμε ότι δεν συνέβαινε πάντα το ίδιο. Υπήρξε μια εποχή που κέρδιζε η συνηθισμένη ύλη. Το σύμπαν επιβραδυνόταν. Τώρα, έχουμε δείξει ότι, ακόμη και εκείνη την περίοδο, το κρυμμένο πράγμα στο άλλο άκρο του σχοινιού άρχιζε να τραβά."

Η ανακάλυψη προέρχεται από τις παρατηρήσεις 23 άστρων που έχουν εκραγεί, ή σουπερνόβες. Χρησιμοποιώντας το Hubble οι αστρονόμοι, με σκοπό να κοιτάξουν πολύ μακριά στο σύμπαν, ήταν σε θέση να βλέπουν σε μια εποχή που η ηλικία του σύμπαντος ήταν λιγότερη από τη μισή της σημερινής του.

"Αυτές οι σουπερνόβες παίζουν το ρόλο των κοσμικών δεικτών, επιτρέποντας μας να μετρήσουμε το ρυθμό αύξησης του σύμπαντος πριν περίπου εννέα δισεκατομμύρια έτη", τονίζει ο Adam Riess.

Η κατανόηση της φύσης της σκοτεινής ενέργειας είναι αμφισβητήσιμα το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει σήμερα η φυσική, λέει ο Mario Livio του Ινστιτούτου Επιστήμης Διαστημικών Τηλεσκοπίων.

Ο Sean Carroll, κοσμολόγος στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας που δεν ανήκει στην ομάδα, είπε: "Βρήκαν ότι η εξέλιξη δεν ήταν σταθερή, που θα ήταν μια απίστευτα σεισμική ανακάλυψη. Κοίταξαν εκεί όπου κανένας δεν ήταν σε θέση να κοιτάξει πριν."

Κατά τα προηγούμενα πέντε χρόνια, η μυστήρια ιστορία της σκοτεινής ύλης πήρε ακόμα μια παράξενη στροφή. Μόλις οι κοσμολόγοι αποφάσισαν ότι το σύμπαν είναι γεμάτο από μια παράξενη αόρατη ύλη, ακολούθως συνειδητοποίησαν ότι το διάστημα ήταν ακόμη πιο παράξενο από όσο νόμιζαν.

Αφού έκαναν μια πλήρη απογραφή όλων των ορατών γαλαξιών στο σύμπαν, οι αστρονόμοι υπολόγισαν ότι η συνολική μάζα τους (συμπεριλαμβανομένης και της  κρυμμένης σκοτεινής ύλης τους) αποτελούσε μόνο το ένα τρίτο της κρίσιμης πυκνότητας, που έπρεπε να ικανοποιεί την καλύτερη σημερινή θεωρία για το πρώιμο σύμπαν (δηλαδή τον πληθωρισμό).

Αρχικά, οι κοσμολόγοι σκέφτηκαν ότι ο πληθωρισμός πρέπει να κάνει κάπου λάθος. Αλλά έπειτα τα πρόσθετα στοιχεία από τις μετρήσεις του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων έδειξαν ότι η συνολική πυκνότητα του σύμπαντος έφτανε μέχρι αυτήν την ειδική κρίσιμη πυκνότητα, κι έτσι ο πληθωρισμός θα μπορούσε να διατηρηθεί σαν θεωρία και έπρεπε να βρεθεί μια άλλη λύση. Έτσι, ακόμα και μετά από τις καλύτερες προσπάθειές τους να ανακαινίσουν το κοσμικό σπίτι μας, το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος παρέμεινε ακόμα αόριστη.

Το πρόβλημα έχει να κάνει ότι αυτό το νέο συστατικό φαίνεται ακόμα πιο παράξενο από τη σκοτεινή ύλη. Όχι μόνο είναι αόρατο όπως ακριβώς η σκοτεινή ύλη, αλλά πρέπει να έχει μια απωστική δύναμη, διαφορετικά θα είχε απορροφηθεί στους γαλαξίες και θα είχε επιπτώσεις στην κίνησή τους (όπως η σκοτεινή ύλη). Έτσι αυτή η μυστήρια ουσία έχει ονομαστεί "σκοτεινή ενέργεια" και είναι ένα είδος κοσμικής αντιβαρυτικής δύναμης, που αντιδρά στην ελκυστική δύναμη της βαρύτητας. Αυτό σημαίνει ότι αντί η διαστολή του σύμπαντος να επιβραδύνεται, στην πραγματικότητα, επιταχύνεται.

Οι πρόσφατες μετρήσεις των απόμακρων σουπερνοβών ή υπερκαινοφανών τύπου 1a (που παίζουν το ρόλο των κοσμικών δεικτών για την εύρεση των αποστάσεων) συμφώνησαν με αυτό το συμπέρασμα, διαπιστώνοντας ότι ο σύμπαν επεκτεινόταν πράγματι με αυξανόμενο ρυθμό. Οι επιστήμονες που κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα ήταν σε δύο ομάδες. Η μία με επικεφαλής τον Saul Perlmutter του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϋ, και η άλλη με επικεφαλής το Brian Schmidt του Mount Stromlo στην Αυστραλία.

Αλλά τα επίγεια τηλεσκόπια που οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν θα μπορούσαν να παρακολουθήσουν τις σουπερνόβες σε αποστάσεις μόνο επτά δισεκατομμυρίων ετών φωτός, που αντιστοιχούν στη μισή ηλικία του σύμπαντος και τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να έχουν μολυνθεί από τη σκόνη ή μια μικρή αλλαγή στη φύση των υπερκαινοφανών εκρήξεων.

Από τότε, ο Riess, που ήταν τότε μέλος της ομάδας του Schmid χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble για να εξερευνά τους υπερκαινοφανείς και τη σκοτεινή ύλη πολύ πιο πίσω στον χρόνο και στο διάστημα.

Είναι ενδιαφέρον, ότι αυτό είχε προβλεφθεί ήδη με ένα κακότεχνο ποσό. Αλλά αυτή δεν ήταν μια πρόχειρη εργασία ενός απλού σπουδαστή, ήταν ένας υπολογισμός από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν. Ήταν το 1917 και προσπαθούσε να απλοποιήσει τη δυναμική ολόκληρου του σύμπαντος με ένα σύνολο μαθηματικών τύπων. Τα αποτελέσματά του έκαναν ένα υπαινιγμό ότι το σύμπαν διαστελλόταν. Εντούτοις, όπως η μεγάλη πλειοψηφία των ανθρώπων στην εποχή του, ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι το σύμπαν ήταν στατικό. Έτσι, για να σταματήσει το σύμπαν του να αυξάνεται, εφηύρε έναν αριθμό που τον είπε "κοσμολογική σταθερά", και τον οποίο παρέμβαλε στις εξισώσεις του, με σκοπό να αποκαταστήσει την ασφαλή, σταθερή φύση του στατικού σύμπαντος του.

Μόλις όμως διαπίστωσε ο Edwin Hubble ότι το σύμπαν πράγματι διαστελλόταν, ο Αϊνστάιν απέσυρε γρήγορα την κοσμολογική σταθερά Λ από τις εξισώσεις, λέγοντας ότι ήταν το "μεγαλύτερό του σφάλμα". Αλλά δεν έπρεπε να βιαστεί και τόσο, επειδή τώρα, σχεδόν 80 χρόνια αργότερα, έχει επανέλθει για να αποτελέσει αυτήν την μυστήρια σκοτεινή ενέργεια, που προσπερνά τη βαρύτητα. Τα νέα αυτά συμπεράσματα βοηθούν τους κοσμολόγους να εξετάσουν το μέλλον και να προβλέψουν το πεπρωμένο ολόκληρου του σύμπαντος.

Πρόσθετα: NASA