O άλυτος κοσμολογικός γρίφος: Γιατί επιταχύνεται η απομάκρυνση των γαλαξιών και ο ρόλος της «σκοτεινής ύλης»

Πέμπτη, Ιανουαρίου 06, 2022 - Διάστημα

File Photo H λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια υπερτερεί της βαρύτητας και διαχωρίζει τον χωροχρόνο από μέσα. Screenshot via YouTube video Insane Curiosity

Εδώ και σχεδόν έναν αιώνα, οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται.

Ο χωρόχρονος διαστέλλεται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός, παρασύροντας τους γαλαξίες που βρίσκονται μέσα σε αυτόν. Εξετάζοντας το φαινόμενο της διαστολής, σε αντιπαράθεση με την τάση του σύμπαντος να καταρρεύσει κάτω από την ίδια του τη βαρύτητα, οι αστρονόμοι κατέληξαν σε δύο βασικά σενάρια για το πώς θα τελειώσει το σύμπαν.

Τα σενάρια αυτά ονομάζονται «Μεγάλη Σύνθλιψη» (Big Crunch) και «Μεγάλη Ψύχρα». Στο σενάριο της «Μεγάλης Σύνθλιψης», η διαστολή του σύμπαντος αντιστρέφεται, αρχίζει να συστέλλεται και τελικά, το περιεχόμενό του συνθλίβεται και καταρρέει, θυμίζοντας αντίστροφη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang).

Για ένα διάστημα, οι ερευνητές πίστευαν ότι η μοίρα του σύμπαντος έτεινε προς το δεύτερο σενάριο. Όμως, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν κάτι απροσδόκητο που άλλαξε την αντίληψή μας για το μέλλον του σύμπαντος. Οι πιο μακρινοί γαλαξίες δεν απομακρύνονταν απλώς από εμάς, αλλά επιταχύνονταν.

Ένας κοσμολογικός γρίφος

Το φαινόμενο αυτό ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από δύο ομάδες αστρονόμων που μετρούσαν μακρινούς υπερκαινοφανείς για να υπολογίσουν τον ακριβή ρυθμό με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν. Τρεις από αυτούς τους επιστήμονες – ο Saul Perlmutter, ο Adam Riess και ο Brian Schmidt – μοιράστηκαν το 2011, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψή τους.

Οι παρατηρήσεις τους προήλθαν από μια έρευνα μακρινών υπερκαινοφανών τύπου 1a. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτές οι εκρήξεις πυροδοτούνται όταν ένας λευκός νάνος – το πυκνό απομεινάρι ενός άστρου που μοιάζει με τον Ήλιο – συσσωρεύει ύλη που τον ωθεί πάνω από ένα φυσικό όριο μάζας. Αυτό το όριο είναι το ίδιο για όλους τους λευκούς νάνους, που σημαίνει ότι όλοι οι υπερκαινοφανείς τύπου 1a, έχουν την ίδια απόλυτη λαμπρότητα και έτσι χρησιμεύουν ως δείκτες-υπολογιστές τεράστιων (κοσμολογικών) αποστάσεων στο σύμπαν.

Οι δύο ομάδες αναζητούσαν απαντήσεις που να εξηγούν την έναρξη της κοσμικής επιβράδυνσης. Έψαχναν για το χρονικό σημείο κατά το οποίο η βαρύτητα κέρδισε έναντι της ραγδαίας επιτάχυνσης του σύμπαντος, μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η στιγμή θα σηματοδοτούσε μια στροφή, καθώς η βαρύτητα θα άρχιζε επιτέλους να επιβραδύνει τον ρυθμό με τον οποίο οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών απομακρύνονται μεταξύ τους εξαιτίας της διαστολής του σύμπαντος.

Εφόσον οι επιστήμονες γνωρίζουν την απόλυτη λαμπρότητα των «πρότυπων κεριών» όπως ονομάζονται αυτοί οι υπερκαινοφανείς, θα μπορούσαν να προβλέψουν πόσο φωτεινοί θα ήταν, εάν επιβραδυνόταν η διαστολή. Αντ’ αυτού, όμως, διαπίστωσαν ότι οι παρατηρούμενοι σουπερνόβα τύπου 1a ήταν κατά 25% πιο αμυδροί από ό,τι αναμενόταν, αποδεικνύοντας ότι η διαστολή του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται, αλλά αντίθετα επιταχύνεται.

Μέχρι το τέλος του 1998, και οι δύο ομάδες είχαν καταθέσει σε ακαδημαϊκά περιοδικά, άρθρα που περιέγραφαν λεπτομερώς τα ευρήματά τους. Η ομάδα του Perlmutter δημοσίευσε την εργασία της στην επιστημονική επιθεώρηση «The Astrophysical Journal» και η ομάδα των Riess και Schmidt, στο «The Astronomical Journal».

Και οι δυο ομάδες κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα. Ένα μεγάλο ποσοστό του σύμπαντος αποτελείται από κάτι ανεξερεύνητο και απροσδόκητο. Και αυτή η λεγόμενη σκοτεινή ενέργεια υπερτερεί της βαρύτητας και διαχωρίζει τον χωροχρόνο από μέσα.

via Astronomy

Η σύνθεση του σύμπαντος είναι εκπληκτικά δύσκολο να προσδιοριστεί. Εκτός από τη σκοτεινή ενέργεια, το διάστημα είναι επίσης γεμάτο με μια αόρατη μορφή ύλης, γνωστή ως σκοτεινή ύλη. Οι αστρονόμοι γνωρίζουν τώρα ότι η κανονική, ορατή ύλη αποτελεί μόλις το 5% του σύμπαντος, ενώ η αινιγματική σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, αποτελούν το 26% και το 69%, αντίστοιχα. Με άλλα λόγια, οι αστρονόμοι δεν καταλαβαίνουν πραγματικά από τι αποτελείται περίπου το 95% του σύμπαντος.

«Η κατανόηση και η μέτρηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας είναι δύσκολη», εξηγεί ο Riess. «Φανταστείτε να χοροπηδάτε σε ένα σκοτεινό δωμάτιο, να αγγίζετε περιστασιακά έναν ελέφαντα, χωρίς όμως να ξέρετε πώς μοιάζει, και να προσπαθείτε να καταλάβετε τι είναι».

Ωστόσο το σκοτεινό δωμάτιο έχει το μέγεθος του σύμπαντος και αντί να αγγίξουν τον ελέφαντα, οι αστρονόμοι μπορούν να δουν μόνο τις επιδράσεις του σε άλλα αντικείμενα. Οι αστρονόμοι μπορούν να δουν ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά βαρυτικά με την ορατή, οπότε υποψιάζονται ότι αποτελείται από ένα ή περισσότερα άγνωστα σωματίδια. Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη του σύμπαντος. (Οι γνωστές είναι τέσσερις: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρή και ασθενής πυρηνική).

Οι ακριβείς ιδιότητές της όμως, εξακολουθούν να αποτελούν ένα μυστήριο, ειδικά από τη στιγμή που η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να έχει ενεργοποιηθεί τυχαία. Ο Riess λέει ότι οι πιο πρόσφατες μετρήσεις δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια ξεκίνησε πραγματικά αυτή την επιτάχυνση πριν από περίπου 5 με 6 δισεκατομμύρια χρόνια, και από τότε είναι η κυρίαρχη δύναμη.

Η απλούστερη εξήγηση είναι ότι πρόκειται για την εγγενή ενέργεια του ίδιου του χώρου. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εισήγαγε αρχικά μια τέτοια έννοια για να εξηγήσει ένα επίπεδο σύμπαν όταν έθεσε τη θεωρία της σχετικότητας. Η λεγόμενη κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν είναι μια απωστική δύναμη που αντισταθμίζει την ελκτική δύναμη της βαρύτητας, ώστε να υπάρξει ένα σύμπαν που ούτε καταρρέει ούτε διαστέλλεται. Τελικά ο Αϊνστάιν απέρριψε αυτή τη θεωρία, αφού ο Έντουιν Χαμπλ παρατήρησε ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Η βραβευμένη με Νόμπελ έρευνα για τους υπερκαινοφανείς αστέρες, τη δεκαετία του 1990, αναβίωσε την κοσμολογική σταθερά και τη συσχέτισε με τη σκοτεινή ενέργεια.

Οι καλύτεροι θεωρητικοί φυσικοί του κόσμου έχουν προσπαθήσει να εκπονήσουν μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία της φυσικής που να εξηγεί πλήρως όλες τις πτυχές του σύμπαντος. Αλλά μέχρι στιγμής, η βαρύτητα και η κβαντική φυσική δεν φαίνεται να το κάνουν, παρά το γεγονός ότι οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι η ενοποίησή τους είναι απαραίτητη για οποιαδήποτε θεωρία που θα εξηγεί και τη σκοτεινή ενέργεια.

Ένα πράγμα που έχουν καταφέρει να καταλάβουν οι ερευνητές ωστόσο, είναι ο σημαντικός αντίκτυπος που θα έχει η σκοτεινή ενέργεια στο σύμπαν στο απώτερο μέλλον. Εάν η συμβολή της σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται καθώς το σύμπαν γερνάει, τότε αυτό θα διαστέλλεται όλο και ταχύτερα με την πάροδο του χρόνου. Άλλοι γαλαξίες πέρα από τον δικό μας – οι οποίοι θα έχουν συγχωνευτεί σε έναν ενιαίο γιγάντιο γαλαξία που είναι γνωστός με το παρατσούκλι Milkomeda – θα απομακρυνθούν τόσο μακριά που δεν θα είναι ορατοί στους μελλοντικούς κάτοικους του ηλιακού μας συστήματος.

«Αν χαθούν όλα τα αρχεία, οι μελλοντικοί πολιτισμοί μπορεί να μην μάθουν ποτέ για άλλους γαλαξίες. Γι’ αυτούς, το σύμπαν θα είναι ένα κρύο, σκοτεινό και μοναχικό μέρος», λέει ο Alexei Filippenko, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ, ο οποίος έχει συνεργαστεί και με τις δύο ομάδες που ανακάλυψαν τη σκοτεινή ενέργεια.