Η σκοτεινή ενέργεια βρέθηκε να καταπνίγει την ανάπτυξη στο σύμπαν

Πηγή: Reuters, 16 Δεκεμβρίου 2008

Για πρώτη φορά, αστρονόμοι έχουν σαφώς δει τις επιπτώσεις της «σκοτεινής ενέργειας» στα μεγαλύτερα αντικείμενα του σύμπαντος, τα γαλαξιακά σμήνη, με τη χρήση του Παρατηρητηρίου Chandra των ακτίνων-Χ της NASA. Ανιχνεύοντας πως η σκοτεινή ενέργεια έχει καταστείλει την ανάπτυξη ορισμένων γαλαξιακών σμηνών, μαζί με κάποιες προηγούμενες μελέτες, οι επιστήμονες έλαβαν ακόμα καλύτερες ενδείξεις για το τι είναι η σκοτεινή ενέργεια και ποια θα μπορούσε να είναι η μοίρα του σύμπαντος δεδομένου ότι η σκοτεινή ενέργεια θα αναγκάζει το Σύμπαν να διαστέλλεται επ' αόριστον.

Η εργασία αυτή που πήρε χρόνια για να ολοκληρωθεί, είναι ξεχωριστή από τις άλλες μεθόδους έρευνας για την σκοτεινή ενέργεια, όπως είναι οι σουπερνόβες. Τα νέα αυτά αποτελέσματα με τη βοήθεια των ακτίνων-Χ είναι μια κρίσιμη ανεξάρτητη δοκιμασία για το ρόλο της σκοτεινής ενέργειας, που από καιρό επιδίωκαν οι επιστήμονες. Το τεστ αυτό είδε τον τρόπο που η βαρύτητα αντιτίθεται στην επιταχυνόμενη διαστολή κατά την αύξηση των κοσμικών δομών. Οι γνωστές τεχνικές που βασίζονται σε μακρινές μετρήσεις, όπως γίνεται με τις σουπερνόβες, δεν έχουν την ιδιαίτερη ευαισθησία αυτής της μεθόδου.

Οι επιστήμονες πιστεύουν πως η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή απωθητικής βαρύτητας, που κυριαρχεί σήμερα στον Κόσμο, αν και δεν έχουν σαφή εικόνα για το τι ακριβώς είναι. Μάλιστα, η κατανόηση της φύσης της σκοτεινής ενέργειας αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα στον τομέα της επιστήμης. Οι δυνατότητες που υπάρχουν είναι να πρόκειται για την κοσμολογική σταθερά, η οποία ισοδυναμεί με την ενέργεια του κενού χώρου, ή να μπορεί να εξηγηθεί με μια τροποποίηση της Γενικής Σχετικότητας στις μεγαλύτερες κλίμακες, ή να είναι ένα γενικότερο φυσικό πεδίο.

Βέβαια για την εξήγηση της απαιτείται ένας νέος τρόπος θεώρησης της σκοτεινής ενέργειας. Κι αυτό γίνεται παρατηρώντας με ποιο τρόπο η κοσμική επιτάχυνση επηρεάζει την ανάπτυξη των γαλαξιακών σμηνών με την πάροδο του χρόνου.

"Αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε να περιγραφεί ως 'συλλαμβανόμενη εξέλιξη του σύμπαντος", λέει ο Alexey Vikhlinin του Κέντρου Αστροφυσικός στο Cambridge, ο οποίος ηγήθηκε των ερευνών. "Οτιδήποτε αναγκάζει την διαστολή του σύμπαντος να επιταχύνεται, επίσης, την αναγκάζει να επιβραδυνθεί".

Ο Vikhlinin και οι συνάδελφοι του χρησιμοποιούν το Chandra για την παρατήρηση των θερμών αερίων σε 86 σμήνη γαλαξιών, που είναι η μεγαλύτερη συλλογή αντικειμένων στο σύμπαν. Τα σμήνη αυτά που περιέχουν εκατοντάδες έως χιλιάδες γαλαξίες είναι γεμάτα με αέριο 100 εκατομμυρίων βαθμών, που είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί με τηλεσκόπια ακτίνων-Χ.  Ορισμένες από τις εν λόγω ομάδες γαλαξιών είναι σχετικά κοντά μας ενώ άλλες είναι πάνω από το μισό όλου του σύμπαντος.

Η ερευνητική ομάδα υπολόγισε ότι το συνολικό βάρος του κάθε σμήνους καθώς και την απόστασή τους από τη Γη. Αν δεν υπήρχε η σκοτεινή ενέργεια, τότε η έλξη της βαρύτητας θα πρέπει να έχει προκαλέσει αύξηση του συνολικού αριθμού των σμηνών με ένα συντελεστή 50 κατά τα τελευταία 5,5 δισεκατομμύρια χρόνια.

Αντίθετα, κάτι φαίνεται να αντισταθμίζει τη δύναμη της βαρύτητας καθώς ο αριθμός των σμηνών αυξήθηκε μόνο κατά ένα συντελεστή 10. "Αυτή είναι μια ολοφάνερη υπογραφή της σκοτεινής ενέργειας," πιστεύει ο Vikhlinin.

Τα αποτελέσματα λοιπόν αποδεικνύουν ότι η αύξηση της μάζας των σμηνών με την πάροδο του χρόνου ευθυγραμμίζεται με ένα σύμπαν που κυριαρχείται από την σκοτεινή ενέργεια. Είναι πιο δύσκολο για αντικείμενα όπως τα γαλαξιακά σμήνη να αυξάνονται όταν το διάστημα 'τεντώνεται', όπως προκαλείται από την σκοτεινή ενέργεια. Ο Vikhlinin και η ομάδα του βλέπουν αυτό το αποτέλεσμα σαφώς στα δεδομένα τους. Τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά συνεπή με εκείνα από τις μετρήσεις της απόστασης, που αποκαλύπτουν ότι ισχύει η Γενική Σχετικότητα, όπως άλλωστε αναμενόταν, στις μεγάλες κλίμακες.

Προσομοίωση της ανάπτυξης μεγάλων δομών

VIDEO: Η προσομοίωση δείχνει πώς το Σύμπαν εξελίχθηκε λίγο μετά από το Big Bang έως σήμερα. Καθώς επεκτείνεται το Σύμπαν και ψύχεται, η ύλη άρχισε να συγκεντρώνεται μαζί λόγω της επίδρασης της βαρύτητας, κι έτσι σχηματίστηκαν οι μεγάλες δομές όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη σε ένα διάστημα δισεκατομμυρίων ετών. Αυτή η ανάπτυξη κατασταλεί τα τελευταία 7 δισ. χρόνια από την σκοτεινή ενέργεια, καθώς η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται, έτσι που οι παρατηρήσεις της ανάπτυξης των γαλαξιακών σμηνών με το Chandra σε αυτό το χρονικό διάστημα μπορούν να μετρήσουν τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας

"Για χρόνια, οι επιστήμονες ήθελαν να ξεκινήσουν δοκιμές για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα στις μεγάλες κλίμακες και τώρα, το έχουμε", είπε ο αστροφυσικός William Forman, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. "Αυτή είναι μια δοκιμή που η Γενική Σχετικότητα θα μπορούσε να αποτύχει."

Όταν τα αποτελέσματα αυτά συνδυάζονται και με άλλα στοιχεία - σουπερνάβες, μελέτη του μικροκυματικού κοσμικού υπόβαθρου και την κατανομή των γαλαξιών - δίνουν την καλύτερη εικόνα έως σήμερα στους επιστήμονες για τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας.

Η μελέτη ενισχύει τις ενδείξεις ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η κοσμολογική σταθερά λ. Αν και είναι η καλύτερη υποψήφια εξήγηση για την σκοτεινή ενέργεια, η θεωρία μας πρότεινε ότι θα πρέπει να είναι 10¹²⁰ περίπου φορές μεγαλύτερη από ότι έχει παρατηρηθεί. Γι αυτό και ήταν υπό διερεύνηση κάποιες εναλλακτικές θεωρίες για τη Γενική Σχετικότητα, όπως είναι οι θεωρίες που αφορούν κρυφές διαστάσεις.

"Βάζοντας όλα αυτά τα στοιχεία μαζί μας δίνεται η ισχυρότερη απόδειξη μέχρι τώρα ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι η κοσμολογική σταθερά, ή με άλλα λόγια, ότι 'το τίποτα ζυγίζει κάτι', εξηγεί ο Vikhlinin. Είναι γνωστό πως η σωματιδιακή Φυσική προβλέπει ότι ακόμη και το άδειο κενό του διαστήματος περιέχει ενέργεια.

"Απαιτείται βέβαια κι άλλη δοκιμή, αλλά μέχρι στιγμής η θεωρία του Αϊνστάιν είναι τόσο καλή όσο ποτέ."

Τα αποτελέσματα αυτά έχουν συνέπειες και για την πρόβλεψη της τελικής μοίρας του σύμπαντος. Αν η σκοτεινή ενέργεια εξηγείται από την κοσμολογική σταθερά, η επέκταση του σύμπαντος θα συνεχίσει να επιταχύνεται, και ο Γαλαξίας μας όπως και ο γειτονικός μας γαλαξίας, Ανδρομέδα, ποτέ δεν θα συγχωνευθούν με το σμήνος της Παρθένου. Στην περίπτωση αυτή, περίπου σε εκατό δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, όλοι οι άλλοι γαλαξίες, τελικά, θα εξαφανιστούν από μπροστά μας και, τελικά, το τοπικό υπερσμήνος των γαλαξιών θα διαλυθεί.

Η κύρια υποψήφια μορφή της σκοτεινής ενέργειας είναι η ενέργεια του κενού που προκύπτει από την εισαγωγή της κοσμολογικής σταθεράς (Λ) στις εξισώσεις του Einstein. Είναι ένας όρος που ο Einstein την είχε προσθέσει αρχικά στις εξισώσεις του για να εξισορροπήσει τη βαρυτική επίδραση, προκειμένου να διαμορφωθεί ένα στατικό σύμπαν, όπως πρόβλεπαν τότε οι κοσμολόγοι. Αλλά όταν οι αστρονομικές παρατηρήσεις βρήκαν ότι το σύμπαν δεν είναι στατικό, την απέρριψε. Τα πρόσφατα μοντέλα επανεισάγουν την κοσμολογική σταθερά εξηγούν καλά τα αποτελέσματα της σκοτεινής ενέργειας. Σύμφωνα με την θεωρία αυτή η "Σκοτεινή Ενέργεια" είναι μια ενέργεια με σταθερή πυκνότητα που γεμίζει ομοιόμορφα το χώρο.

Αντιθέτως η πεμπτουσία, είναι ένα δυναμικό πεδίο ενέργειας του οποίου η πυκνότητα μπορεί να μεταβάλλεται στο χώρο και το χρόνο.

Ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο εναλλακτικών αυτών μορφών απαιτεί μετρήσεις υψηλής ακριβείας για τη διαστολή του σύμπαντος ώστε να καταλάβουμε πώς η ταχύτητα της διαστολής μεταβάλλεται στο χρόνο.