Ρίχνουν φως στη σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος

Πηγή: ScienceDaily, 21 Οκτωβρίου 2008

Αν και οι άνθρωπο μπορεί να πιστεύουν ότι γνωρίζουν πολλά για το Σύμπαν, εξακολουθούν όμως να υπάρχουν πολλά φαινόμενα που πρέπει να εξηγηθούν. Μια ομάδα κοσμολόγων από το Πανεπιστήμιο της Χώρας των Βάσκων ψάχνουν για το μοντέλο που εξηγεί καλύτερα την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Τα κατάλοιπα της σουπερνόβας του Kepler

Συνήθως έχουμε μια εικόνα επιστημόνων που μελετούν το Σύμπαν με τη βοήθεια ενός τηλεσκοπίου. Και, πράγματι, αυτό κάνουν οι αστροφυσικοί: συλλέγουν στοιχεία σχετικά με τα φαινόμενα που παρατηρούν στο σύμπαν. Ωστόσο, για να ερμηνεύσουν αυτά τα δεδομένα, δηλαδή για να εξηγήσουν την πλειοψηφία των φαινομένων που συμβαίνουν στο Σύμπαν, απαιτούνται περίπλοκοι υπολογισμοί με έναν υπολογιστή, που θα πρέπει να βασίζονται σε κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα. Αυτό κάνει η ερευνητική ομάδα Gravitation and Cosmology του Πανεπιστημίου της Χώρας των Βάσκων, που εμπλέκεται σε ανάλυση μοντέλων ικανών να εξηγήσουν την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Σουπερνόβες μάρτυρες της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος

Ένα από τα φαινόμενα που τα Καθιερωμένα Μοντέλα της φυσικής δεν έχουν ακόμη κατορθώσει να εξηγήσουν, είναι η επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Αν και ο Αϊνστάιν πρότεινε κάποτε ένα στατικό μοντέλο για να περιγράψει τον Κόσμο, σήμερα είναι γνωστό σε όλους, χάρις και σε ορισμένου τύπου σουπερνόβες, ότι στην πραγματικότητα ο Κόσμος διαστέλλεται, Οι σουπερνόβες είναι πολύ λαμπρές αστρικές εκρήξεις που, ακριβώς λόγω αυτής, παρέχει χρήσιμα στοιχεία για την εξερεύνηση πολύ απομακρυσμένων περιοχών του Σύμπαντος. Μετρώντας την ποσότητα του φωτός που φτάνει σε μας από μια σουπερνόβα, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση τους από εμάς, και το χρώμα του δείχνει την ταχύτητα με την οποία απομακρύνεται από εμάς - όσο πιο ερυθρό είναι, τόσο πιο γρήγορα αυτό κινείται.

Με άλλα λόγια, όταν συγκρίνουμε δύο υπερκαινοφανείς τότε αυτός που απομακρύνεται πιο αργά από εμάς θα έχει πιο μπλε χρώμα. Σύμφωνα με παρατηρήσεις από αστροφυσικούς, εκτός τούτου οι σουπερνόβες απομακρύνονται ολοένα και πιο γρήγορα από εμάς, δηλαδή με επιτάχυνση, όπως και το υπόλοιπο υλικό του σύμπαντος.

Ψάχνοντας για τη σκοτεινή ενέργεια

Η γνωστή ενέργεια που υπάρχει στο Σύμπαν, ωστόσο, δεν είναι αρκετή για να προκαλέσει τέτοια επιτάχυνση. Έτσι, η θεωρία που γίνεται πλέον ευρύτατα αποδεκτή εντός της επιστημονικής κοινότητας είναι ότι υπάρχει μια «σκοτεινή ενέργεια», δηλαδή μια ενέργεια που δεν μπορεί να εντοπίσουμε, εκτός από τη βαρυτική δύναμη που παράγει. Μάλιστα, πιστεύεται ότι το 73% της ενέργειας του σύμπαντος είναι σκοτεινή. Η συζήτηση για την σκοτεινή ενέργεια δεν είναι απλώς μια θεωρία: η ύπαρξή της δεν έχει αποδειχθεί αλλά, χωρίς αυτή, τα καθιερωμένα μοντέλα της φυσικής δεν θα είναι σε θέση να εξηγήσουν πολλά από τα φαινόμενα που συμβαίνουν στο Σύμπαν.

Λοιπόν, τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ενέργεια; Ποια είναι τα χαρακτηριστικά της και αυτές οι ιδιότητες της ήταν ίδιες πάντοτε ή έχουν αλλάξει με την πάροδο του χρόνου; Αυτά είναι τα ερωτήματα, μεταξύ των άλλων, που επιδιώκουν να απαντήσουν οι ερευνητές στη Σχολή Επιστήμης και Τεχνολογίας, υπό την διεύθυνση του Alexander Feinstein.

Το μοναδικό χαρακτηριστικό της σκοτεινής ενέργειας που μας είναι γνωστό ότι διαθέτει είναι η απωστική (αντί για ελκτική) βαρυτική δύναμη. Είναι απωστική, σε αντίθεση με την βαρύτητα που γνωρίζουμε στη Γη, και τείνει να απομακρύνει μεταξύ τους τα αστέρια, τους γαλαξίες και τις υπόλοιπες δομές του σύμπαντος. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί η διαστολή του Σύμπαντος δεν είναι σταθερή, αλλά επιταχύνεται. Ωστόσο, το φαινόμενο αυτό, μπορεί να ανιχνευθεί μόνο όταν παρατηρηθούν αντικείμενα σε τεράστιες, σχεδόν αδιανόητες, αποστάσεις. Γι 'αυτό και είναι τόσο δύσκολο να κατανοήσουμε τη φύση της σκοτεινής ενέργειας.

Η θεωρία της ενέργειας φάντασμα

Έως ποιό σημείο μπορεί το Σύμπαν να διαστέλλεται; Εάν αυτή η απωστική δύναμη γίνεται ολοένα και πιο έντονη, μπορεί να γίνει άπειρη; Αυτό είναι ένα από τα προβλήματα στα οποία εστιάζονται οι πιο πάνω ερευνητές. Τέτοια ισχυρή σκοτεινή ενέργεια είναι γνωστή ως ενέργεια φάντασμα, με την οποία το Σύμπαν είναι σε θέση να επεκτείνετε σε τέτοιο βαθμό, ώστε οι μεγάλες δομές του σύμπαντος (γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών) που γνωρίζουμε σήμερα, κάποτε θα εξαφανιστούν.

Η ερευνητική αυτή ομάδα θεωρεί ότι το μοντέλο της ενέργειας φάντασμα (που προβλέπει μεταξύ των άλλων και το Μεγάλο Σχίσμα), μπορεί να είναι το πλέον κατάλληλο για να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Μεταξύ άλλων, η ομάδα έχει έρθει σε αυτό το συμπέρασμα μετά από την ανάλυση της κατανομής των γαλαξιών και της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, που γέμισε όλες τις περιοχές του Κόσμου λίγο μετά το Big Bang. Αυτά τα κύματα ταξιδεύουν προς κάθε κατεύθυνση και θα επιτρέψουν την εξερεύνηση της ιστορίας του σύμπαντος. Τι συνέβη δηλαδή σε εξαιρετικά απομακρυσμένες στιγμής στο χρόνο, στιγμές κοντά στο Big Bang.

Το Μεγάλα Σχίσμα (Big Rip) και τα διάφορα κοσμολογικά μοντέλα

Στο καλύτερα γνωστό μοντέλο, η "κοσμολογική σταθερά Λ" στις διάσημες εξισώσεις του Einstein της γενικής σχετικότητας αντιστοιχεί στην ενέργεια και την πίεση του συμπαντικού κβαντικού κενού, και είναι σταθερή στο χώρο και το χρόνο. Εδώ η τιμή της ενεργειακής πυκνότητας της σκοτεινής ενέργειας w είναι -1. Όμως σε ένα δεύτερο δημοφιλές μοντέλο, το μοντέλο της πεμπτουσίας (quintessence), η σκοτεινή ενέργεια συνδέεται με ένα συμπαντικό κβαντικό πεδίο που μεταβάλλεται αργά προς κάποια τελική κατάσταση. Εδώ η ενεργειακή πυκνότητα και η πίεση της σκοτεινής ενέργειας μειώνονται αργά με το χρόνο, και η τιμή του w είναι κάπου μεταξύ του 1/3 και -1 (το w πρέπει να είναι μικρότερο από το 1/3 για να εμφανίζεται η κοσμική επιτάχυνση).

Στο μοντέλο της "ενέργειας φάντασμα" του Caldwell από το Caltech, δεν υπάρχει καμιά σταθερή κατάσταση κβαντικού κενού και η ενεργειακή πυκνότητα και η διαστολική πίεση που ασκούνται στο Σύμπαν φαίνονται να αυξάνουν ακόμα και όταν ο ίδιος ο χωρόχρονος επεκτείνεται (στα συνηθισμένα αέρια όταν διαστέλλονται πέφτει η πίεση). Σε αυτό το σενάριο το w είναι μικρότερο από -1. Οι επιπτώσεις αυτού του νέου τύπου κοσμολογίας είναι ότι τα συνδεδεμένα συστήματα θα πρέπει κατά τη διάρκεια του χρόνου να σχίζονται.

Παραδείγματος χάριν, με μια τιμή του w=-1,5 το Σύμπαν θα διαρκούσε μόνο για 35 δισεκατομμύρια χρόνια πριν από το μεγάλο θρυμματισμό ή σχίσμα. Περίπου 60 εκατομμύρια χρόνια πριν από το τέλος, ο Γαλαξίας θα διαχωριζόταν. Περίπου 3 μήνες πριν από το τέλος το ηλιακό σύστημα θα εκραγεί. Περίπου 30 λεπτά πριν από αυτό η Γη θα εκρηγνυόταν. Και περίπου 10-19 δευτερόλεπτα πριν από την τελευταία μοιραία στιγμή, τα άτομα θα απομακρυνθούν μεταξύ τους.

Δηλαδή στο μοντέλο της Μεγάλης Σχισμής ή Θρυμματισμού, η "ενέργεια φάντασμα", ένα ιδιαίτερο είδος σκοτεινής ενέργειας που τροφοδοτεί υποθετικά την επιταχυνομένη διαστολή του Σύμπαντος, όσο περνάει ο χρόνος, θα ανατρέψει όλες τις συνδεδεμένες καταστάσεις που επικρατούν στη φύση. Κατ' αυτό τον τρόπο οι γαλαξίες θα χάσουν τα αστέρια τους. Τα πιο πρόσφατα αστρικά συστήματα, όπως το ηλιακό, θα διασπώνταν. Και στο τέλος ακόμα και τα άτομα θα χωρίζονταν δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια δεν θα συγκρατιόνταν πλέον από τους πυρήνες τους.

Και σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Pedro Gonzalez-Diaz η εποχή του Big Rip θα έρθει μετά από 22 δισεκατομμύρια χρόνια.