Η σκοτεινή ενέργεια γίνεται ασθενέστερη;

Πηγή: New Scientist, 10 Απριλίου 2009

Μετά από μερικά δισεκατομμύρια χρόνια ανεξέλεγκτης επέκτασης, αρχίζει το σύμπαν να επιβραδύνεται; Μια νέα ανάλυση των γειτονικών υπερκαινοφανών προτείνει ότι το διάστημα μπορεί να μην επεκτείνεται τόσο γρήγορα όσο κάποτε, μια προκλητική υποψία ότι η πηγή της σκοτεινής ενέργειας μπορεί να είναι πιο εξωτική από ό,τι νομίζαμε.

Πάνω από μια δεκαετία τώρα, οι αστροφυσικοί έχουν βρει ότι μια άγνωστη αντιβαρυτική δύναμη φαίνεται να σπρώχνει το σύμπαν μακριά με ένα διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό. Τι ακριβώς αποτελεί την σκοτεινή ενέργεια, υπεύθυνη για αυτή την κοσμική επιτάχυνση είναι άγνωστο", λέει ο Michael Turner στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Η πιο απλή ερώτηση που μπορούμε να κάνουμε είναι αν η 'σκοτεινή ενέργεια αλλάζει με την πάροδο του χρόνου;'"

Αυτή η εικόνα του Abell 520 σε πολλαπλά μήκη κύματος δείχνει τι επακολούθησε μετά από μια περίπλοκη σύγκρουση γαλαξιακών σμηνών, μερικά από τα πιο μεγάλα αντικείμενα στο σύμπαν. Σε αυτή την εικόνα, το θερμό αέριο που ανιχνεύθηκε από το διαστημικό παρατηρητήριο Chandra είναι χρωματισμένο κόκκινο.

Μέχρι στιγμής, τα αποδεικτικά στοιχεία προτείνουν πως η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή, αν και οι επιπτώσεις της στο σύμπαν έχουν γίνει πιο ισχυρά καθώς το σύμπαν επεκτείνεται και η βαρυτική δύναμη μεταξύ των αντικειμένων εξασθενεί με την απόσταση.

Νέα στοιχεία

Τελευταία όμως η ανάλυση των σουπερνόβα προτείνει ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί πράγματι να μειώνεται σε ισχύ. Σε μια δημοσίευση μια ομάδα με επικεφαλής τον Arman Shafieloo στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης εξέτασε ένα πρόσφατο κατάλογο υπερκαινοφανών εκρήξεων, συμπεριλαμβανομένου κι ενός αριθμού σχετικά πρόσφατων εκρήξεων στην γύρω περιοχή. Διαπίστωσαν λοιπόν ότι τα νέα δεδομένα ταιριάζουν καλύτερα με ένα σύμπαν στο οποίο η σκοτεινή ενέργεια χάνει την ισχύ της. "Φαίνεται η επιτάχυνση να επιβραδύνεται", λέει ο Shafieloo.

Τα πρώτα στοιχεία για την σκοτεινή ενέργεια προέκυψε το 1998, όταν δύο ομάδες αστρονόμων που παρατηρούσαν μακρινές υπερκαινοφανείς εκρήξεις είδαν ότι φαίνονταν πιο εξασθενημένες από όσο περίμεναν, και πιο μακριά. Η ανακάλυψη αυτή εξηγήθηκε ότι τα εκρηγνυόμενα άστρα (σουπερνόβες) υποχωρούσαν από τη Γη ταχύτερα από ό,τι αναμενόταν, συνεπώς και από το υπόλοιπο σύμπαν. Γι αυτή την εμφανή ανωμαλία είχε χρησιμοποιηθεί η παρουσία μιας 'σκοτεινής ενέργειας' για να την εξηγήσει. Από τότε, έχουν καταγραφεί περισσότερες σουπερνόβες, προκειμένου να δημιουργηθεί μια εικόνα του πώς διαστέλλεται το σύμπαν με τον χρόνο.

Το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων από σουπερνόβα κυκλοφόρησε στις αρχές αυτού του έτους από το Κέντρο Αστροφυσικής στο Harvard. Περιλαμβάνει στοιχεία για 147 σουπερνόβες που εξερράγησαν τα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια, πάνω δε από τις μισές ανακαλύφθηκαν πρόσφατα. Η ομάδα του Harvard, ανέλυσε τις νέες σουπερνόβες υποθέτοντας ότι η σκοτεινή ενέργεια παραμένει η ίδια.

Ο Arman Shafieloo, ωστόσο, άλλαξε την άποψη του ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή για το σύνολο της ιστορίας της. Μαζί με τους Varun Sahni του Διαπανεπιστημιακό Κέντρου για την Αστρονομία και Αστροφυσική στο Pune της Ινδίας, και τον Alexei Starobinsky του Θεωρητικού Ινστιτούτου Φυσικής Landau στο Chernogolovka της Ρωσίας, ο Shafieloo χρησιμοποίησε μια προσέγγιση που λέει ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε γρήγορες αλλαγές.

Αρχίζοντας με παράγοντες όπως η μετατόπιση του μήκους κύματος προς το ερυθρό - ένα μέτρο του πόσο πολύ η διαστολή του χώρου έχει αυξήσει το μήκος κύματος του φωτός από κάθε έκρηξη - υπολόγισαν ένα αντιπροσωπευτικό αριθμό για την εποχή στην οποία συνέβη κάθε υπερκαινοφανής έκρηξη. Κάνοντας δε μετά ένα διάγραμμα όλων αυτών των αριθμών, βρήκαν ότι η άριστη εξήγηση τους θα ήταν ένα σενάριο στο οποίο η σκοτεινή ενέργεια έχει αποδυναμωθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων 2 δισεκατομμυρίων χρόνων, αναγκάζοντας έτσι την κοσμική επιτάχυνση να επιβραδυνθεί. Ο Shafieloo προειδοποιεί όμως ότι το αποτέλεσμα είναι προκαταρκτικό, και προσθέτει ότι θα μπορούσε να είναι καιρός να αρχίσει η επανεξέταση άλλων μοντέλων της σκοτεινής ενέργειας.

"Η προσέγγιση τους είναι λογική," αν και το αποτέλεσμα είναι ισχνό, λέει ο κοσμολόγος Dragan Huterer του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν στο Ann Arbor. "Αν αυτό είναι πραγματικό τότε θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη."

Πράγματι, θα αλλάξει τις ιδέες μας σχετικά με την πηγή της σκοτεινής ενέργειας. Μέχρι τώρα, όλες οι ενδείξεις δείχνουν ότι αυτή συνδέεται με την κοσμολογική σταθερά, που είναι και η πιο απλή εξήγηση για την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Αυτή η σταθερά είναι μια αμετάβλητη ενέργεια που προκύπτει από τις διακυμάνσεις του κβαντικού κενού του διαστήματος. "Η κοσμολογική σταθερά είναι το μόνο πράγμα που μοιάζει λογικό στους φυσικούς σωματιδίων τώρα", λέει ο Huterer.

Πεμπτουσία, πόλωση και άλλες αιτίες

Ωστόσο, αν η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει, δεν θα μπορούσε να είναι ο οδηγός μας η κοσμολογική σταθερά. Αντίθετα, θα ήταν μια πολύ πιο εξωτική φυσική στην υπηρεσία της σκοτεινής ενέργειας. Μπορεί να σημαίνει ακόμη ότι η σκοτεινή ενέργεια δεν υπάρχει καθόλου. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας εξωτικής προέλευσης είναι η "πεμπτουσία", ένα θεωρητικό πεδίο που διαποτίζει τον κβαντικό χώρο, όπως και το πεδίο ίνφλατον (που ακόμα δεν έχει ανακαλυφθεί) και θεωρείται υπεύθυνο για τον πληθωρισμό αμέσως μετά τη Μεγάλη έκρηξη. Το πεδίο αυτό θα μπορούσε να χάνει και να διαχέει ενέργεια προς τον χώρο, ενδεχομένως προκαλώντας την επιβράδυνση της διαστολής του σύμπαντος και την κατάρρευση του πίσω σε μια ανωμαλία - από όπου ξεκίνησε.

Μια πιο πιθανή εξήγηση για την ομάδα της έρευνας των υπερκαινοφανών είναι μια ελαφρά πόλωση στα νέα δεδομένα των υπερκαινοφανών, λέει ο Huterer. Ο Robert Kirshner, μέλος της ομάδας του Harvard, συμφωνεί. "Νομίζω ότι αυτοί είναι σοβαρά άτομα των οποίων η ανάλυση θα πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη, αλλά μπορεί και να υπάρχουν περισσότερες από μία αιτίες για το εμφανές φαινόμενο", σχολιάζει.

Για παράδειγμα, μια πιθανή πόλωση είναι δυνατόν να έχει εισαχθεί χάρη σε εξασθενημένα αντικείμενα που είναι ευκολότερο να τα δούμε αν είναι εδώ κοντά. Είναι πιθανό ότι η ομάδα του Χάρβαρντ συνέβη να παρατηρήσει ένα δυσανάλογα μεγάλο αριθμό κοντινών υπερκαινοφανών που ήταν εξασθενημένα ή επισκιάζονταν από την σκόνη. Οι αστρονόμοι θα πρέπει να διορθώνουν την εξασθένηση λόγω της επίδρασης της σκόνης και άλλων μικροσκοπικών φαινομένων, για να εκτιμήσουν την αληθινή μέγιστη φωτεινότητα ενός σουπερνόβα. Όμως, η ομάδα αυτή μπορεί να έχει αντισταθμίσει περισσότερο αυτή την διόρθωση, παρουσιάζοντας έναν κατάλογο με κοντινούς υπερκαινοφανείς που είναι ελαφρώς πιο λαμπροί για την απόσταση τους. Κι αυτό θα μπορούσε να δημιουργήσει την ψευδαίσθηση ότι η επιτάχυνση του σύμπαντος επιβραδύνεται.

Θα πρέπει να γίνουν νέες παρατηρήσεις από άλλες ομάδες για να εξετάσουν το ίδιο φαινόμενο, λέει ο Kirshner, για να διαπιστωθεί κατά πόσον η αλλαγή της σκοτεινής ενέργειας θα μπορούσε να διαρκέσει λίγο. Πολλές φορές στα τηλεσκόπια παραποιούνται οι πολύ μικρές λεπτομέρειες των σουπερνόβα κι αυτό μπορεί να παραποιήσει τα αποτελέσματα, πιστεύει ο Huterer..

Κάποιες προσεχείς έρευνες ακριβείας, όπως η Dark Energy Survey, η οποία θα χρησιμοποιήσει μια υπερευαίσθητη κάμερα 500 megapixel σε ένα τηλεσκόπιο 4 μέτρων στο Δια-Αμερικανικό Παρατηρητηρίου Cerro Tololo στη Χιλή, αποσκοπούν να μειώσουν ορισμένες από τις πηγές αβεβαιότητας. Ένας από τους στόχους του πρότζεκτ είναι η μέτρηση κάποιων πιο πρόσφατων γεγονότων του σύμπαντος, με την καταγραφή περίπου 2000 σουπερνόβα που εξερράγησαν κατά τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια.

Άλλα παρόμοια ευαίσθητα διαστημικά προγράμματα είναι η Αμερικανική Joint Dark Energy Mission και η Ευρωπαϊκή Ευκλείδης (Euclid). Ορισμένοι αστρονόμοι υποψιάζονται τελικά ότι θα γίνει μια κοινή αποστολή.

Είναι πρακτικά αδύνατον να ανακαλύψουμε οριστικά αν η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή. "Δεν υπάρχει ούτε ένας 'στόχος για να τον πυροβολήσουμε' ώστε να μάθουμε τι συμβαίνει" , λέει ο κοσμολόγος Sean Carroll του Caltech. "Δεν είναι εύκολο να δούμε αν η σκοτεινή ενέργεια είναι σταθερή. "

Ωστόσο, τα επόμενα στάδια της έρευνας θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν με λεπτομέρειες, για το αν η σκοτεινή ενέργεια έχει αλλάξει. "Θα ήταν έκπληξη αν διαπιστωθεί ότι η σκοτεινή ενέργεια ήταν διαφορετική με την πάροδο του χρόνου", συμπληρώνει ο Carroll, "αλλά είναι πολύ σημαντικό ότι αξίζει περισσότερη μελέτη."

Νέες παράξενες θεωρίες

Ορισμένοι ισχυρίζονται θεωρίες για να εξηγήσει την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος χωρίς να καταφεύγουν στη σκοτεινή ενέργεια.

Κάποιοι άλλοι λένε πως η κοσμική επιτάχυνση είναι το αποτέλεσμα της κατάρρευσης της γενικής σχετικότητας κατά την οποία ο χώρος είναι αναγκασμένος να απομακρύνεται σε μεγάλες κλίμακες. Αν συνέβαινε αυτό, θα πρέπει να εμφανιστούν διαφορές μεταξύ των μετρήσεων της διαστολής του σύμπαντος και του αριθμού των σμηνών των γαλαξιών, που χρησιμοποιήθηκαν για να υπολογιστεί το πόσο εύκολα μπορούν να αναπτυχθούν μεγάλες δομές του σύμπαντος. Τέτοια στοιχεία όμως είναι ανύπαρκτα.

Επιπλέον, οι περισσότερες τέτοιες θεωρίες δυσκολεύονται να εξηγήσουν την επιτάχυνση του σύμπαντος χωρίς την εισαγωγή άλλων συνεπειών, όπως είναι η αστάθεια που θα μπορούσε να εμποδίζει το σχηματισμό των άστρων και των γαλαξιών. "Καμιά τέτοια ιδέα δεν στέκει", λέει ο Sean Carroll του Caltech.

Μια άλλη πιθανή λύση στο πρόβλημα της κοσμικής επιτάχυνσης είναι ότι η ύλη δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη σε μεγάλες κλίμακες, και ότι η Γη είναι μέσα σε μια τεράστια φούσκα του διαστήματος που είναι σχετικά άνευ ύλης. Έτσι, η βαρύτητα θα έχει μικρότερη έλξη σε μια τέτοια φούσκα, γι αυτό και αυτή θα επεκτείνεται γρήγορα. Αυτή η διαστολή θα επηρεάζει το φως που θα φθάνει σε μας από μακρινές σουπερνόβες, γεγονός που σημαίνει ότι αυτά φαίνονται να απομακρύνονται από εμάς όλο και πιο γρήγορα, και έτσι δεν είναι ανάγκη να επικαλείται καμιά σκοτεινή ενέργεια.

Το σενάριο αυτό φαίνεται απίθανο, λέει ο Alexei Starobinsky του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Landau της Ρωσίας. Αλλά το αντίθετο - μια μικρότερη περιοχή με μια ελαφρά υπέρβαση της ύλης - θα μπορούσε να δημιουργήσει μια έλξη που να μοιάζει με μια αργή εξασθένηση της σκοτεινής ενέργειας.

"Τούτο το φαινόμενο θα μπορούσε να εξηγήσει αυτή την διαφορά", πιστεύει ο Starobinsky.

Σκοτεινή ενέργεια: οι ύποπτοι

Χρησιμοποιούνται οι πιθανές τιμές της παραμέτρου w = p_dark/ρ_dark, όπου p_dark είναι η μέση πίεση και ρ_dark είναι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν, για να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια. Η νέα αυτή εξίσωση είναι παρόμοια με την καταστατική εξίσωση ενός αερίου. 

• Κοσμολογική σταθερά (παράμετρος w = -1)
Εισήχθη αρχικά από τον Albert Einstein, και αργότερα υποστηρίχτηκε από τον Yakov Zel'dovich ότι η κβαντική ενέργεια του κενού θα παρήγαγε μια σταθερή πυκνότητα ενέργειας και πίεση. Οι θεωρητικές προβλέψεις όμως, δίνουν μια κοσμολογική σταθερά που είναι 120 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την παρατηρούμενη τιμή. Ανεξάρτητα από την κοσμολογία, η κβαντική ενέργεια του κενού, υπάρχει. Αν η κοσμική συνεισφορά της είναι πράγματι μηδέν ή έχει μια τελείως συγκεκριμένη τιμή, είναι μια από τις ανοιχτές προκλήσεις της φυσικής. 

• Πεμπτουσία (παράμετρος w > -1)
Ένας τύπος ενέργειας με αρνητική πίεση που μεταβάλλεται στο χώρο και το χρόνο. Η πεμπτουσία είναι δυναμικό μέγεθος, αντίθετα προς την κοσμολογική σταθερά, και η μέση ενεργειακή πυκνότητα και πίεση ελαττώνονται αργά με τον χρόνο. Το χαρακτηριστικό αυτό μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση της ξαφνικής έναρξης της κοσμικής επιτάχυνσης. Η πεμπτουσία θεωρείται ως βαθμωτό πεδίο και προβλέπει διάφορες διεγέρσεις που αντιστοιχούν σε σωματίδια με μάζες περίπου 10^-33 eV. 

• Άλλου τύπου ενέργεια κενού (παράμετρος w < -1)
Εκτός αν είμαστε θύματα μιας συνομωσίας συστηματικών φαινομένων, η περίπτωση  w < -1 είναι σημάδι πραγματικά εξωτικής φυσικής. Σε κάποιο μοντέλο, τα κβαντικά φαινόμενα ενός πεδίου που μοιάζει με την πεμπτουσία, μας οδηγεί σε τροποποιήσεις της γενικής σχετικότητας, ενώ άλλα μοντέλα δείχνουν ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται πραγματικά με τον χρόνο, προκαλώντας πιθανόν τελικά ένα καταστροφικό "Μεγάλο Σχίσμα". Άλλες νέες ιδέες περιλαμβάνουν ένα εξωτικό πεδίο που προκαλεί μια επιτάχυνση σαν αυτή της κοσμολογικής σταθεράς, αλλά μεταβάλλεται στον χώρο. 

• Τροποποίηση της Γενικής Σχετικότητας
Πολλές προσπάθειες έχουν γίνει για να τροποποιηθεί η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Einstein, και συνεπώς να αποφευχθεί η ανάγκη για μια εξωτική ύλη που θα προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής. Ενώ μερικές από αυτές δεν ξεχωρίζουν εύκολα από την πεμπτουσία, πολλές προβλέπουν παραβιάσεις της αρχής της ισοδυναμίας (η οποία είναι η βάση της Γενικής Σχετικότητας) ή αποκλίσεις από το παγκόσμιο δυναμικό της βαρύτητας που θεωρούμε ότι είναι ανάλογο του 1/r.

Στο καλύτερα γνωστό μοντέλο (το 1ο μοντέλο) η "κοσμολογική σταθερά Λ" στις διάσημες εξισώσεις του Einstein αντιστοιχεί στην ενέργεια και την πίεση του συμπαντικού κβαντικού κενού, και είναι σταθερή στο χώρο και στο χρόνο. Στο μοντέλο αυτό η τιμή της παράμετρος w είναι -1.

Στο 2ο δημοφιλές μοντέλο, το μοντέλο της πεμπτουσίας (quintessence), η σκοτεινή ενέργεια συνδέεται με ένα συμπαντικό κβαντικό πεδίο που μεταβάλλεται αργά - αργά προς κάποια τελική κατάσταση. Εδώ η ενεργειακή πυκνότητα και η πίεση της σκοτεινής ενέργειας μειώνονται αργά με το χρόνο, και η τιμή της w είναι κάπου μεταξύ του  -1 και του 1/3 (η παράμετρος w πρέπει να είναι μικρότερη από το 1/3 για να εμφανίζεται η κοσμική επιτάχυνση).

Στο 3ο 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 η w είναι μικρότερο από -1. Οι επιπτώσεις αυτού του νέου τύπου κοσμολογίας είναι ότι τα συνδεδεμένα συστήματα (άτομα, μόρια, γαλαξίες κλπ) θα πρέπει κατά τη διάρκεια του χρόνου να αποσχίζονται.

Παραδείγματος χάριν, με μια τιμή της παραμέτρου της καταστατικής εξίσωσης w=-1,5 το Σύμπαν θα είχε άλλα 35 δισεκατομμύρια χρόνια μόνο πριν από το Μεγάλο 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 εκραγεί. 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 (πχ την ηλεκτροστατική δύναμη Κουλόμπ ή τη δύναμη της βαρύτητας) που επικρατούν στη φύση. Κατ' αυτό τον τρόπο οι γαλαξίες θα χάσουν τα αστέρια τους. Τα πιο πρόσφατα αστρικά συστήματα, όπως το ηλιακό, θα διασπαστεί. 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.