Κοσμολόγοι ελέγχουν τη μυστήρια σκοτεινή ενέργεια με το Τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου

Πηγή: ScienceDaily, 3 Απριλίου 2008

Κάτι αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται. Τι άραγε να είναι και πού θα μας πάει από εδώ; Οι επιστήμονες στο Ίδρυμα Kavli για την Κοσμολογική Φυσική (KICP), στο πανεπιστήμιο του Σικάγου, επιδιώκουν να απαντήσουν σε αυτές τις ερωτήσεις με το πρόσφατο Τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου.

Ψυχρός και τελείως ξηρός, με έξι μήνες νύχτας κάθε χρόνο, ο Νότιος Πόλος είναι μια απαγορευτική θέση για να ζήσει ή να εργαστεί κάποιος. Αλλά για τους ίδιους λόγους, είναι ένα από τα καλύτερα σημεία στον πλανήτη για την έρευνα της εξασθενημένης κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB), που έμεινε κατάλοιπο από το Big Bang. Το τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου, που παρατηρεί στην περιοχή των μικροκυμάτων 10 μέτρων (SPT), που άρχισε τον Φεβρουάριο του 2007, μελετά τη CMB για να συλλέξει κάποιες ενδείξεις για τη γέννηση, την εξέλιξη και την ενδεχόμενη μοίρα του Κόσμου.

Το πρόγραμμα SPT, που καθοδηγείται από τους ερευνητές στο Ίδρυμα Kavli στοχεύει να βοηθήσει να λυθεί ένα κοσμολογικό μυστήριο λεπτομερώς - αυτό της σκοτεινής ενέργειας. Πολύ λίγα ξέρουμε για αυτή την δύναμη, εκτός του ότι είναι αντι-βαρυτική και εμφανίζεται να επιταχύνει την διαστολή του Κόσμου. Αντίθετα από την ενέργεια όπως την ξέρουμε (και τη μετράμε), η σκοτεινή ενέργεια δεν φαίνεται να δρα μέσω οποιασδήποτε από τις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, εκτός από τη βαρύτητα.

Δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα, παραδείγματος χάριν, μέσω του φωτός ή άλλων εκδηλώσεων της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Τα δεδομένα για τη σκοτεινή ενέργεια είναι έμμεσα. Η ύπαρξή της που προτάθηκε αρχικά το 1998 από τους επιστήμονες που ήθελαν να εξηγήσουν τα απροσδόκητα στοιχεία από τους απόμακρους υπερκαινοφανείς. Από τότε η έρευνα, με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble και άλλων οργάνων, έχει επισημάνει την δράση της σκοτεινής ενέργειας περίπου πριν εννέα δισεκατομμύρια χρόνια, όταν ο Κόσμος ήταν μόλις πέντε δισεκατομμυρίων ετών και οι γαλαξίες άρχισαν να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον με έναν γρηγορότερο ρυθμό.

Κατανοήστε το παρελθόν, προβλέψτε το μέλλον

Από τη μελέτη της CMB και τι μας λέει για τη γεωμετρία του Κόσμου, οι επιστήμονες υπολογίζουν ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί το 70% 75% όλης της υλο-ενέργειας του Κόσμου. Αυτή είναι περίπου τριπλάσια από τη σκοτεινή ύλη, που δεν μπορεί να ανιχνευθεί από το φως ή άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλλά ασκεί μια ισχυρή βαρυτική έλξη πάνω στους γαλαξίες. Μόνο περίπου το 4% του Κόσμου είναι η συνηθισμένη ύλη, την ουσία από την οποία αποτελούμαστε και η ουσία που μπορούμε να δούμε.

Έτσι οτιδήποτε κι αν είναι η σκοτεινή ενέργεια, η επίδρασή της είναι ισχυρότερη από οτιδήποτε άλλο στις μεγάλες κλίμακες. Μπορεί, επίσης, να καθορίσει και το μέλλον του Κόσμου. Μπορεί να αυξάνει συνέχεια η ισχύς της και να τελειώσει το σύμπαν διαχωρίζοντας όλη την ύλη - ακόμη και τα άτομα από τους πυρήνες (αυτό οι κοσμολόγοι το λένε η "Μεγάλη Σχισμή"). Ή να αποδυναμωθεί και να επιτρέψει στη βαρύτητα να πάρει το πάνω χέρι, όποτε ο Κόσμος μας θα συρρικνώνεται αντί να διαστέλλεται προς μια αποκαλούμενη "Μεγάλη Σύνθλιψη", με συνέπεια να καταλήξει κάτι σαν το απείρως πυκνό σημείο της Μεγάλης Έκρηξης. Ή ίσως η σκοτεινή ενέργεια θα αφήσει απλώς να συνεχιστεί η τρέχουσα διαστολή, έως ότου τα περισσότερα αστέρια και γαλαξίες γίνουν πάρα πολύ απόμακροι για να φανούν από μας εδώ στη Γη.

Τι μπορεί λοιπόν να μας πει το SPT για το παρελθόν και το μέλλον της σκοτεινής ενέργειας; Ο John Carlstrom, διευθυντής του KICP και καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο πανεπιστήμιο του Σικάγου, λέει ότι το τηλεσκόπιο εξετάζει τα σμήνη των γαλαξιών για να καταλάβει τι ρόλο έπαιξε η σκοτεινή ενέργεια στην εξέλιξή τους.

"Ένα από τα σημαντικά πράγματα που πρέπει να μάθουμε για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ποιά επίδραση είχε στη δομή του Κόσμου," λέει ο Carlstrom. Εάν οι επιστήμονες μπορούν να μάθουν πώς άλλαξε η πυκνότητα των σμηνών με τον χρόνο, τότε υποστηρίζει ότι αυτοί μπορούν να καθορίσουν "τους περιορισμούς στην εξίσωση της κατάστασης της σκοτεινής ενέργειας." Δηλαδή μπορούν να έχουν μια ακριβέστερη ιδέα για το εάν η σκοτεινή ενέργεια μας οδηγεί προς μια Μεγάλη Σχισμή, μια Μεγάλη Σύνθλιψη ή κάτι το ενδιάμεσο.

Το τηλεσκόπιο κοιτάζει συγκεκριμένα για το φαινόμενο Sunyaev-Zel’dovich (SZ), μια διαστρέβλωση της ακτινοβολίας CMB που προκαλείται από το, ιδιαίτερα ενεργητικό, αέριο των μηνών των γαλαξιών. Όταν τα φωτόνια που προέρχονται από την ακτινοβολία υποβάθρου CMB διαπερνούν τα σμήνη των γαλαξιών αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια και τείνουν να σκεδαστούν, δημιουργώντας μικρές παραλλαγές στη θερμοκρασία -- κάποιες αδιόρατες σκιές στο μικροκυματικό υπόβαθρο - που το τηλεσκόπιο SPT ανιχνεύει με μια συστοιχία 1.000 αισθητήρων που καταψύχονται κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Το νέο τηλεσκόπιο SPT θα ερευνήσει το 1/5 ολόκληρου του νότιου ουρανού και αναμένεται να ανιχνεύσει χιλιάδες σμήνη. Αναλύοντας ακολούθως τα στοιχεία από τα οπτικά τηλεσκόπια, οι επιστήμονες θα καθορίσουν τη μάζα, την απόσταση και την ηλικία των σμηνών. Θα χαρτογραφήσουν έπειτα τα σμήνη στο διάστημα και το χρόνο για να να φανεί πώς εξελίσσονται η πυκνότητα και η δομή τους κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών, κάτω από τον ανταγωνισμό της ελκτικής βαρύτητας και της σκοτεινής ενέργειας. Ελπίζουν έτσι να μάθουν πόση δύναμη άσκησε στο πρόωμο σύμπαν η σκοτεινή ενέργεια, πώς εξελίχθηκε για να εξουσιάζει σήμερα τον Κόσμο, και κατ' επέκταση, πόση δύναμη μπορεί να ασκήσει στο μέλλον.

Πίσω στο Big Bang

Η δραστηριότητα του SPT δεν θα τελειώσει με αυτήν την έρευνα για τα σμήνη των γαλαξιών. Ένα άλλο πρότζεκτ θα χρησιμοποιήσει το τηλεσκόπιο για να ανιχνεύσει την μικροκυματική ακτινοβολία CMB λείψανο του Big Bang για μικροσκοπικές διακυμάνσεις στην πόλωσή του. Όπως και το ορατό φως, η μικροκυματική ακτινοβολία έχει κύματα που κινούνται στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία σε διαφορετικές γωνίες, μερικές πάνω κάτω και άλλα αριστερά δεξιά. Παρατηρήσεις με ένα άλλο όργανο στο Νότιο Πόλο, το συμβολόμετρο DASI, έχουν επιβεβαιώσει ότι η CMB είναι πολωμένη, όπως αναμενόταν από τις επικρατούσες θεωρίες για τη φυσική της Μεγάλης Έκρηξης. Οι ερευνητές θέλουν τώρα να χρησιμοποιήσουν το πιο ευαίσθητο SPT για να ψάξουν για μικρές παραλλαγές στην πόλωση της CMB που θα σηματοδοτούν την παρουσία τεράστιων κυμάτων βαρύτητας.

Η πόλωση στη CMB παράχθηκε όταν το κοσμικό φως αλληλεπίδρασε για τελευταία φορά με την ύλη σχεδόν πριν 13 δισεκατομμύρια χρόνια ή όταν το σύμπαν ήταν μόνο 380.000 ετών, δηλαδή όταν η ύλη και το φως άρχιζαν να διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Αυτό που είναι μοναδικό με την πόλωση, είναι πως μετράει άμεσα τη δυναμική του νεαρού Σύμπαντος. Το περισσότερο φως δεν είναι πολωμένο, καθώς το ηλεκτρικό πεδίο του μεταβάλλεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, όταν η ακτινοβολία ταξιδεύει προς τη Γη. Γίνεται πολωμένο όταν αυτό ανακλάται ή σκεδάζεται -- με τον ίδιο τρόπο που τα πολωτικά γυαλιά ηλίου επιτρέπουν να τα διαπεράσουν κύματα φωτός μόνο ίδιου επιπέδου για να φθάσουν στο μάτι μας, απαλείφοντας την μη πόλωση.

Ο Stephan Meyer, βοηθός διευθυντής του KICP και καθηγητής στην αστρονομία και την αστροφυσική στο πανεπιστήμιο του Σικάγου, τονίζει ότι αυτά τα κύματα θα έχουν μήκος ένα εύλογο κλάσμα του μεγέθους του σύμπαντος, ενώ θα είχαν παραχθεί στη "πληθωριστική εποχή" της Μεγάλης Έκρηξης. Τότε η ηλικία του Κόσμου ήταν ένα κλάσμα μόνο του δευτερολέπτου και η ύλη δεν είχε συγχωνευτεί ακόμα σε νετρόνια και πρωτόνια. "Δεν καταλαβαίνουμε πραγματικά τη φυσική εκείνης της εποχής," λέει ο Meyer.

Τελευταία, ένα νέο σύνολο αισθητήρων ικανό να ανιχνεύσει την πόλωση καθώς επίσης και τη θερμότητα, φτιάχνεται από το πανεπιστήμιο του Σικάγου και θα πρέπει να είναι έτοιμο για εγκατάσταση στο SPT μέχρι το χειμώνας του 2009-10.