Η σκοτεινή ενέργεια κρύβεται στο Σύμπαν μας - ορίστε πώς θα τη βρούμε

Λίγο λιγότερο από 14 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, το Σύμπαν μας έκλεισε το μάτι σε ένα σημαντικό γεγονός γνωστό ως Big Bang. Εκεί που προηγουμένως δεν υπήρχε τίποτα –όχι ύλη, ούτε ενέργεια, ούτε καν ο χώρος και ο χρόνος όπως τους ξέρουμε– εμφανίστηκε ξαφνικά το υπερθερμασμένο έμβρυο από το οποίο αναπτύχθηκε το σημερινό Σύμπαν.

Σήμερα, ο χώρος του Σύμπαντος μας είναι απέραντος. Όταν οι αστρονόμοι κοιτάζουν τον νυχτερινό ουρανό μέσω των τηλεσκοπίων τους, οι πιο απομακρυσμένοι γαλαξίες που βλέπουν απέχουν πολλά δισεκατομμύρια έτη φωτός. Το διάστημα έφτασε σε αυτές τις εκπληκτικές διαστάσεις για έναν απλό λόγο - δηλαδή, επεκτείνεται. Αυτή η επέκταση προβλέφθηκε από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν (παρόλο που ο Αϊνστάιν αρχικά απέρριψε την ιδέα) και ανακαλύφθηκε αργότερα το 1929 από τον Αμερικανό αστρονόμο Έντουιν Χαμπλ και τον βοηθό του Μίλτον Χιούμασον.

Διαβάστε περισσότερα:

• Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;
• Το Άγνωστο Σύμπαν – 10 ερωτήσεις που εξακολουθούν να μπερδεύουν τους κοσμολόγους

Ο αγώνας ξεκίνησε τότε για να καταλάβουμε πόσο γρήγορα συμβαίνει η επέκταση. Αυτό θα καθόριζε βασικές ιδιότητες του Σύμπαντος μας, όπως η ηλικία του, το πώς σχηματίστηκαν δομές μεγάλης κλίμακας όπως οι γαλαξίες και, ίσως το πιο σημαντικό από όλα, πώς το Σύμπαν θα μπορούσε τελικά να τελειώσει τις μέρες του. Η προς τα μέσα βαρυτική έλξη ενός αργά διαστελλόμενου Σύμπαντος θα σταματήσει τελικά τη διαστολή και θα αναγκάσει το διάστημα να αναδιπλωθεί, κυριολεκτικά να πέσει πίσω στον εαυτό του και να εκραγεί σε ένα είδος αντίστροφης μεγάλης έκρηξης που έχει ονομαστεί Big Crunch.

Είναι μάλλον σαν μια μπάλα που εκσφενδονίζεται στον αέρα, η οποία πρέπει τελικά να ανταποκριθεί στη δύναμη της βαρύτητας και να πέσει πίσω στο έδαφος. Αλλά πετάξτε την μπάλα στον αέρα πολύ πιο γρήγορα και μπορεί να ξεφύγει από τη βαρύτητα του πλανήτη. Ένα ταχέως διαστελλόμενο Σύμπαν θα συμπεριφερόταν σχεδόν με τον ίδιο τρόπο, η διαστολή θα συνεχιζόταν για πάντα – οδηγώντας σε ένα αιώνιο Σύμπαν, αν και όλο και πιο αραιωμένο καθώς οι γαλαξίες εκτείνονται σε έναν συνεχώς αυξανόμενο όγκο διαστήματος.

Και όμως όσο περισσότερο οι αστρονόμοι κοιτούσαν τα τηλεσκόπια τους, τόσο πιο ξεκάθαρο γινόταν ότι ένα απλό Σύμπαν γεμάτο με ύλη που διαστέλλεται υπό τη δράση της βαρύτητας δεν ταίριαζε με τις παρατηρήσεις.

Για αρχή, φαινόταν ότι υπήρχε περισσότερο υλικό στο διάστημα από το να αθροίζονται απλώς όλα τα φωτεινά, ορατά πράγματα που θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν. Στη δεκαετία του 1930, οι αστρονόμοι που ερευνούσαν σμήνη γαλαξιών διαπίστωσαν ότι ορισμένοι από τους γαλαξίες σε ένα σμήνος φαινόταν να κινούνται τόσο γρήγορα που θα μπορούσαν να ξεφύγουν από τη βαρύτητα του σμήνος. Το απλό γεγονός ότι οι γαλαξίες δεν πετούσαν όλοι στο διάστημα σήμαινε ότι πρέπει να υπάρχει αρκετή βαρύτητα στο σμήνος για να τους κρατήσει όλους μαζί ως δεσμευμένο σύστημα – αλλά δεν φαινόταν να υπάρχει αρκετή ύλη για να γίνει αυτό.

Αργότερα, στη δεκαετία του 1970, οι μελέτες βρήκαν την ίδια ακριβώς ασυμφωνία σε μεμονωμένους γαλαξίες και στη συνέχεια στο Σύμπαν γενικότερα, υποδηλώνοντας ότι οπουδήποτε μεταξύ 50 και 95 τοις εκατό του υλικού στο Σύμπαν ήταν φτιαγμένο από αυτό το μυστηριώδες αόρατο υλικό - το οποίο βαφτίστηκε. σκοτεινή ύλη». Κανείς δεν ήταν σίγουρος για το τι είναι (και αυτό εξακολουθεί να ισχύει σήμερα), αν και για ένα πράγμα ήταν σίγουροι - όλη η επιπλέον βαρύτητα αυτής της ύλης που έλειπε φαινόταν έτοιμη να θέσει τα φρένα στην κοσμική επέκταση.

Αλλά τα πράγματα έμελλε να γίνουν πολύ περίεργα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, η αυξανόμενη διχόνοια μεταξύ των αστρονομικών παρατηρήσεων και των θεωρητικών υπολογισμών οδήγησε τους αστροφυσικούς να πιστέψουν ότι η σκοτεινή ύλη δεν ήταν το μόνο κρυμμένο συστατικό του Σύμπαντος. Και το 1998, αυτές οι υποψίες επιβεβαιώθηκαν. Δύο ομάδες αστρονόμων, που εργάζονται ανεξάρτητα, διαπίστωσαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος δεν επιβραδύνεται καθόλου από τη βαρύτητα. Στην πραγματικότητα, ακριβώς το αντίστροφο – επιταχύνεται.

Διαβάστε περισσότερα:

• 10 μελλοντικές διαστημικές αποστολές που πρέπει να περιμένουμε
• Όλοι οι γαλαξίες περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση;

Αυτό το συμπέρασμα προέκυψε από μελέτες υπερκαινοφανών – τεράστιες εκρήξεις που σηματοδοτούν κάθε μια τον θάνατο ενός τεράστιου άστρου. Είναι εξαιρετικά φωτεινά, ξεπερνώντας για λίγο το φως από όλα τα αστέρια του γαλαξία που φιλοξενούν μαζί – γεγονός που τα καθιστά ιδανικά για την κοσμολογία, όπου οι στόχοι παρατήρησης πρέπει να είναι ορατοί από δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Συγκεκριμένα, οι αστρονόμοι εξέτασαν μια κατηγορία υπερκαινοφανών γνωστών ως τύπου 1a (που εμφανίζονται σε δυαδικά συστήματα αστεριών - ζεύγη αστεριών σε τροχιά το ένα γύρω από το άλλο). Αυτά είναι ιδιαίτερα επειδή η διάρκεια της βολίδας σουπερνόβα μπορεί να συνδεθεί με μια φόρμουλα με την εγγενή τους φωτεινότητα. Και αυτό σημαίνει ότι η μέτρηση της φαινομενικής φωτεινότητάς τους όπως φαίνεται από τη Γη αποκαλύπτει πόσο το φως τους έχει μειωθεί με την απόσταση, και επομένως πόσο μακριά βρίσκονται στην πραγματικότητα αυτοί και οι γαλαξίες τους.

Η πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός σημαίνει ότι οι γαλαξίες πολύ μακριά στην απόσταση φαίνονται όπως ήταν πολύ πίσω στο χρόνο. Η μελέτη ενός γαλαξία που απέχει δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη δίνει στους αστρονόμους μια στιγμιότυπο του πως ήταν το Σύμπαν δισεκατομμύρια χρόνια στο παρελθόν. Και αυτό επέτρεψε στις δύο ομάδες αστρονόμων να δημιουργήσουν μια εικόνα για το πώς η επέκταση άλλαξε με την πάροδο του χρόνου στην κοσμική ιστορία. Τα ευρήματά τους έδειξαν ξεκάθαρα ότι ο ρυθμός διαστολής αυξανόταν σταθερά καθώς το Σύμπαν μεγάλωνε.

Τι μπορεί όμως να το προκαλεί; Οι φυσικοί έσπευσαν να βρουν ένα όνομα - «σκοτεινή ενέργεια» - αν και το να καταλάβουμε από τι ακριβώς αποτελείται ήταν ένα άλλο θέμα. Ο Αϊνστάιν είχε κάνει την καλύτερη πρόταση. Είπε ότι το Σύμπαν διαποτίστηκε από αυτό που ονόμασε «κοσμολογική σταθερά» (ονομάστηκε έτσι επειδή εκδηλώθηκε ως σταθερός όρος στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας), το οποίο δημιούργησε το ίδιο ακριβώς φαινόμενο επιτάχυνσης που παρατηρήθηκε στις παρατηρήσεις των σουπερνόβα. Αυτό ήταν όταν ο Αϊνστάιν προσπαθούσε να «διορθώσει» την πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας ότι το διάστημα διαστέλλεται – η επιτάχυνση ήταν ακριβώς αυτή που χρειαζόταν για να ακυρώσει τη βαρύτητα και να κρατήσει το Σύμπαν στατικό. Αλλά όταν η ανακάλυψη των Hubble και Humason ότι το διάστημα διαστέλλεται έσπασε, έστειλε γρήγορα την κοσμολογική σταθερά στον κάδο.

Οι κβαντικοί φυσικοί - επιστήμονες που μελετούν τη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων της ύλης - έχουν υπολογίσει ότι ένα φαινόμενο που μοιάζει με κοσμολογική σταθερά θα πρέπει να προκύπτει από το κενό του κενού χώρου. Η κβαντική θεωρία προβλέπει ότι το κενό είναι γεμάτο με «εικονικά σωματίδια» που εμφανίζονται μέσα και έξω από την ύπαρξη σε πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα. Και η προκύπτουσα «ενέργεια κενού» που δημιουργούν όλα αυτά τα φανταστικά σωματίδια, όταν συνδέονται με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, οδηγεί σε ένα φαινόμενο κοσμικής επιτάχυνσης που θα μπορούσε να εξηγήσει τη σκοτεινή ενέργεια. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας που προβλέπεται από την κβαντική θεωρία είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που επιτρέπουν οι παρατηρήσεις.

Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι προϊόν του ίδιου του κενού χώρου, αλλά ενός πεδίου ύλης ή ενέργειας που γεμίζει χώρο. Σε αυτό το πλαίσιο, η σκοτεινή ενέργεια δεν θα ήταν σταθερή αλλά θα εξελισσόταν δυναμικά καθώς το Σύμπαν επεκτεινόταν. Οι κοσμολόγοι έχουν επινοήσει τον όρο «πεμπτουσία» για να περιγράψουν το πεδίο της ύλης που οδηγεί τα μοντέλα όπως αυτό, μια αναφορά στο πέμπτο από τα κλασικά στοιχεία από τα οποία οι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι πίστευαν ότι αποτελείται το Σύμπαν.

Το Quintessence είναι ελκυστικό γιατί θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός προβλήματος στην κοσμολογία που εμφανίστηκε πρόσφατα, όπου οι σημερινές μετρήσεις του ρυθμού κοσμικής διαστολής είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις εκτιμήσεις που λαμβάνονται με τη λήψη μετρήσεων του νεαρού Σύμπαντος και την εξέλιξή τους στο χρόνο χρησιμοποιώντας τα καλύτερα κοσμολογικά μοντέλα. Μια λύση είναι ένα μοντέλο που μοιάζει με πεμπτουσία στο οποίο όχι μόνο επιταχύνεται η διαστολή του Σύμπαντος αλλά και ο ρυθμός επιτάχυνσης επιταχύνεται επίσης – δηλαδή, η κοσμική επιτάχυνση αυξάνεται με το χρόνο. Η επιπλέον επιτάχυνση που δημιουργεί αυτή η εξωτική ποικιλία σκοτεινής ενέργειας, γνωστή ως «ενέργεια φάντασμα», θα ενίσχυε την κοσμική διαστολή, ευθυγραμμίζοντάς την με τις παρατηρήσεις.

Επειδή η σκοτεινή ενέργεια προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος, αντί να το τραβάει πίσω στον εαυτό του, φαίνεται πιθανό ότι ένα Σύμπαν που φιλοξενεί αυτό το υλικό θα συνεχίσει να διαστέλλεται για την αιωνιότητα, αποκλείοντας την πιθανότητα ενός Μεγάλου Τραγίσματος. Αν και ένα χρονικά μεταβαλλόμενο πεδίο πεμπτουσίας θα μπορούσε να τα αλλάξει όλα αυτά, επιτρέποντας ίσως στο Σύμπαν να αναρριχηθεί στο μέλλον, παρόλο που τώρα κάνει το εντελώς αντίθετο.

Απαιτούνται περισσότερες αστρονομικές παρατηρήσεις και προγραμματίζονται αρκετά έργα για την περαιτέρω διερεύνηση της φύσης της σκοτεινής ενέργειας. Το 2020, το Large Synoptic Survey Telescope (LSST), στη Χιλή, θα ξεκινήσει μια 10ετή μελέτη μακρινών γαλαξιών. Επίσης εκείνο το έτος, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος πρόκειται να εκτοξεύσει το διαστημικό τηλεσκόπιό του Ευκλείδη. Και στα μέσα της δεκαετίας του 2020 η NASA εκτοξεύει το δικό της διαστημικό παρατηρητήριο, το Τηλεσκόπιο Υπέρυθρων Ευρευμένου Πεδίου (WFIRST). Οι τρέχουσες εκτιμήσεις για τη φύση της σκοτεινής ενέργειας επιβεβαιώνουν ότι συμπεριφέρεται όπως η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν με ακρίβεια 10%. Ο Ευκλείδης, το WFIRST και το LSST θα το ενισχύσουν έως και περίπου 3 τοις εκατό - ή, ίσως πιο ενδιαφέρον, μπορεί να αποκαλύψουν στοιχεία που δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα εντελώς διαφορετικό ζώο. Θα πρέπει απλώς να περιμένουμε και να δούμε.

Σήμερα, τα στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας είναι αρκετά σιδερένια. Οι καλύτερες παρατηρήσεις δείχνουν ότι αποτελεί το 69 τοις εκατό του Σύμπαντος μας. Περίπου το 26 τοις εκατό είναι η σκοτεινή ύλη, ενώ τα άτομα και τα μόρια - το υλικό από το οποίο κατασκευάζονται τα αστέρια και οι πλανήτες, και εσύ κι εγώ - αντιπροσωπεύουν ένα μάλλον ασήμαντο 5 τοις εκατό. Το 2011, οι αστρονόμοι που έκαναν τις πρωτοποριακές παρατηρήσεις σουπερνόβα που επιβεβαίωσαν την ύπαρξή του τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής.

Η σκοτεινή ενέργεια είναι κεντρική σε πολλά από αυτά που δεν καταλαβαίνουμε στην κοσμολογία. Η διάρρηξη αυτού του αινίγματος θα μας πει από τι αποτελείται η μερίδα του λέοντος στο Σύμπαν, μπορεί να αποκαλύψει νέες λεπτομέρειες σχετικά με τη φυσική των θεμελιωδών σωματιδίων, πιθανότατα θα δώσει ενδείξεις για τη φύση του Big Bang και σχεδόν σίγουρα θα καθορίσει πώς το Σύμπαν τελικά θα πεθάνει.

Και γι' αυτό η διάλυση αυτού του αινίγματος παραμένει μια από τις πιο επείγουσες προτεραιότητες για τους κοσμολόγους στον 21ο αιώνα.

Η αρχή και το τέλος των πάντων:Από τη Μεγάλη Έκρηξη έως το τέλος του Σύμπαντος από τον Dr Paul Parsons είναι διαθέσιμο τώρα (16,99 £, Michael O'Mara)

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard