Η διαστολή του Σύμπαντος-Η κοσμολογική σταθερά

Άρθρο βασισμένο  στο Scientific American

Η κοσμολογική σταθερά

Η μοίρα του Σύμπαντος είναι άρρηκτα συνυφασμένη με την κρίσιμη πυκνότητα όπως προβλέπει η γενική θεωρία της σχετικότητας. Αν οι γαλαξίες θα συνεχίσουν να απομακρύνονται ή θα αρχίσουν κάποτε να συρρικνώνονται εξαρτάται μόνον από την πυκνότητα του Σύμπαντος.
Υπάρχει δε μια κρίσιμος πυκνότητα για την οποία το Σύμπαν μόλις θα καταφέρει να διαστέλλεται επ' άπειρον και η τιμή αυτή είναι ρ₀=(3Η2)/(8πG).   Όπου Η=σταθερά του Hubble και G=η σταθερά της παγκόσμιας έλξης.

Αν σταθερά του Hubble H=50km/sec/Mpc  βρίσκουμε πως η ρ₀=5.10^-30gr/cm³ ή ρ₀=3 πρωτόνια/m³

Η θεωρία λοιπόν χρειάζεται τις παρατηρήσεις των αστρονόμων, και την κατασκευή τέλειων οργάνων για να διαπιστώσει τη τιμή της κρίσιμης πυκνότητας.

• Αν η πυκνότητα ρ>ρ₀ τότε η διαστολή θα σταματήσει, και το σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται και ίσως αρχίσει το αντι-Big-Bang.

• Αν η πυκνότητα ρ=ρ₀ τότε η ολική του ζωή θα είναι άπειρη, θα διαστέλλεται συνεχώς με το μικρότερο ρυθμό.

• Αν η πυκνότητα ρ<ρ₀ τότε η διαστολή του Σύμπαντος θα συνεχιστεί επ'απειρον αλλά το σύμπαν συνεχώς θα αραιώνει και η ζωή του θα είναι άπειρη.

Στην πρώτη περίπτωση ο χώρος είναι πεπερασμένος και θετικά καμπυλωμένος (Το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι μεγαλύτερο  του 180)
Στην δευτέρα περίπτωση ο χώρος είναι άπειρος και επίπεδος, η δε γεωμετρία του ευκλείδιος.
Και τέλος στην τρίτη περίπτωση με ρ<ρ₀ ο χώρος είναι πάλι άπειρος και αρνητικά καμπυλωμένος. (Το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι μικρότερο  του 180, από ένα σημείο μάλιστα περνούν περισσότερες ευθείες παράλληλες προς μια άλλη ευθεία).

Τελικά οι απαντήσεις από το πείραμα 'Supernava Cosmology Project' του 1998 μάλλον συγκλίνουν προς την τρίτη περίπτωση. Η παρατηρούμενη σήμερα πυκνότητα δίνει σαν μέση πυκνότητα   ρ=5.10^-31gr/cm³ που υποστηρίζει την άποψη πως το Σύμπαν διαστέλλεται με επιτάχυνση.

Οι κοσμολόγοι σήμερα χρησιμοποιούν και μια άλλη μεταβλητή, την ωμέγα Ω, που ισούται με τον λόγο της βαρυτικής ενέργειας προς την κινητική ενέργεια (την ενέργεια που περιέχεται στην κίνηση της ύλης καθώς ο χώρος διαστέλλεται). Η μεταβλητή αυτή είναι ανάλογη προς τη πυκνότητα της ύλης στο σύμπαν--υψηλώτερη πυκνότητα σημαίνει ισχυρότερη βαρύτητα και συνεπώς μεγαλύτερο Ω.
Εαν το Ω ισούται με ένα (Ω=1) τότε θα συνεχίζει να είναι μονάδα για πάντα, όπως στην αρχή της δημιουργίας.
Εαν το Ω<1 (αρχική τιμή) τότε θα έπρεπε μετά από δισεκατομμύρια χρόνια από τη δημιουργία, να ήταν ή μηδέν ή άπειρο. Αλλά σήμερα δεν είναι ούτε μηδέν ούτε άπειρο. Αρα τη στιγμή της δημιουργίας το Ω θα έπρεπε να ήταν ακριβώς ένα ή πολύ κοντά στο ένα.  

Και ενώ η θεωρία του Big Bang δεν το εξηγεί, η θεωρία του πληθωρισμού στις αρχές του 1980 δέχεται πως το νεαρό Σύμπαν πέρασε μια περίοδο ταχύτατης διαστολής. Η οποία πληθωριστική διαστολή επιταχύνεται μέχρι σήμερα.
Η συνολική διαστολή του σύμπαντος κυβερνάται από την τιμή του Ω. Αν το Ω>1 το σύμπαν έχει θετική καμπυλότητα, αν το Ω<1 τότε έχει αρνητική καμπυλότητα ενώ αν είναι Ω=1 τότε είναι ένα επίπεδο σύμπαν.

Ο πληθωρισμός όμως κάνει το Σύμπαν να φαίνεται επίπεδο (όπως μας φαίνεται η Γη), και κάνει να φαίνεται το Ω πως ισούται με την μονάδα. Τις περασμένες δεκαετίες παρατηρούσαμε ένα επίπεδο Σύμπαν, σήμερα όμως ξέρουμε πως η βαρύτητα δεν είναι τόσο ισχυρή για να ανασχέσει την διαστολή. Πρέπει λοιπόν η πυκνότητα της ύλης να είναι μικρότερη από την προβλεπόμενη και το Ω=0,3. Δηλαδή ένα Σύμπαν καμπυλωμένο και ανοικτό.

Η ερμηνεία του φαινομένου αυτού καταλήγει στο να δεχθούμε πως το Σύμπαν επιταχύνεται, μέσω της ύπαρξης στο σύμπαν μιας επιπλέον ενέργειας που εμφανίζεται με τη μορφή της 'κοσμολογικής σταθεράς'. Είναι η 'παράξενη σκοτεινή ύλη' που έχουμε αναφέρει.

Τέλος οι παρατηρήσεις της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου για την μεταβλητή Ω (από τις έρευνες του αερόστατου Boomerang το συνολικό Ω λόγω της ορατής ύλης αλλά και της σκοτεινής είναι περίπου μονάδα), δείχνουν πως  το Σύμπαν είναι επίπεδο (δείτε και τα σχετικά άρθρα Επιβεβαιώθηκε ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο).
Και αυτό γιατί οι μεγαλύτερες διακυμάνσεις φαίνονται να έχουν έκταση μιας μοίρας.  Εαν επαληθευτούν αυτές οι παρατηρήσεις τότε η θεωρία του ανοικτού πληθωρισμού είναι λανθασμένη.

Επικρατεί λοιπόν μια μεγάλη αβεβαιότητα, αν το Σύμπαν είναι επίπεδο ή υπερβολικό.  Και γι' αυτό χρειάζονται οι επιστήμονες τις επερχόμενες δορυφορικές διατάξεις όπως το SNAP, για να ξεχωρίσουν τι ιδιότητες έχει τελικά το Σύμπαν μας, ποιά θεωρία είναι σωστή, αυτή της κοσμολογικής σταθεράς ή του ανοικτού πληθωρισμού.
"Δεν υπάρχει καλύτερη στιγμή για να φτιάξουμε αυτό το δορυφόρο", ισχυρίζεται ο Andreas Albrect, φυσικός καθηγητής στο UC Davis.