Μπορεί η Σκοτεινή Ενέργεια να σκοτώσει τους γαλαξίες;
Το σύμπαν δεν διαστέλλεται απλώς. επιταχύνεται. Όταν οι κοσμολόγοι το αντιλήφθηκαν για πρώτη φορά το 1998, ήταν ανησυχητικό. Η ελκυστική βαρυτική έλξη της ύλης θα πρέπει να προκαλέσει την επιβράδυνση της διαστολής. Αλλά αυτό δεν είναι αυτό που βλέπουμε. Οι γαλαξίες στο σύμπαν όχι μόνο απομακρύνονται από εμάς, αλλά απομακρύνονται γρηγορότερα σήμερα από χθες.
Δεν είμαστε σίγουροι τι προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής, γι' αυτό την ονομάσαμε «σκοτεινή ενέργεια». Οι καλύτερες θεωρίες μας για το τι είναι η ύλη και μας δίνουν έναν υποψήφιο για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ενέργεια - κάτι που ονομάζεται ενέργεια κενού. Είναι η ενέργεια σε μια περιοχή του διαστήματος, που περιέχεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και στα ξαδέρφια του, ακόμα και όταν δεν υπάρχουν σωματίδια. Αλλά όταν οι φυσικοί προσπάθησαν να υπολογίσουν την ποσότητα της ενέργειας του κενού, έπαθαν ένα σοκ. Η απάντηση ήταν περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από την πραγματική τιμή που μάθαμε από την παρατήρηση. Αυτό είναι ένα πρόβλημα.
Ακόμη και πριν από την παρατηρητική επιβεβαίωση της σκοτεινής ενέργειας, ο Steven Weinberg, ο νομπελίστας φυσικός, είχε παλέψει με τη θεωρητική υπερεκτίμηση και είχε προτείνει μια αξιοσημείωτη λύση. Σημείωσε ότι η ποσότητα της ενέργειας του κενού μπορεί να ποικίλλει από μέρος σε μέρος, ανάλογα με το πώς όλα τα διαφορετικά πεδία στο σύμπαν προσθέτουν και αφαιρούν. Στην περιοχή του διαστήματος μας, η ποσότητα της ενέργειας του κενού είναι ελάχιστη, απαιτώντας όλα αυτά τα πεδία να ακυρώνουν το ένα το άλλο σε απίστευτο βαθμό. Αυτό φαίνεται εξαιρετικά απίθανο, αλλά σε οποιοδήποτε αρκετά μεγάλο σύστημα, ακόμη και το πιο απίθανο γεγονός θα συμβεί κάπου. Στη συντριπτική πλειοψηφία των κοσμικών περιοχών, η περίσσεια της σκοτεινής ενέργειας απορρίπτει την ισορροπία των δυνάμεων που επιτρέπει σε γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες και ανθρώπους να σχηματιστούν. Βλέπουμε μια απίθανη ακριβή ακύρωση γνωστών και άγνωστων πεδίων επειδή δεν θα μπορούσαμε να υπάρχουμε διαφορετικά.
Δοκιμάζουμε την ιδέα του Weinberg σε προσομοιώσεις υπολογιστή και διαπιστώνουμε ότι οι γαλαξίες είναι πιο ισχυροί από ό,τι πιστεύαμε. Ελέγχονται περισσότερο από την εσωτερική τους ισορροπία δυνάμεων παρά από την εξωτερική επίδραση της σκοτεινής ενέργειας. Εάν αυτό είναι αλήθεια, τότε η ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας που παρατηρούμε δεν μπορεί να εξηγηθεί ως αποτέλεσμα επιλογής και έχουμε επιστρέψει στην αρχή όσον αφορά την κατανόηση της σκοτεινής ενέργειας.
Το κοσμικό μας περιβάλλον είναι το αποτέλεσμα μιας λεπτής ισορροπίας κοσμικών δυνάμεων - βαρύτητα και πίεση, ψύξη και θέρμανση, διαστολή και κατάρρευση. Το τελικό προϊόν, όταν όλες αυτές οι ωθήσεις και οι έλξεις έρχονται σε ισορροπία, είναι ο Γαλαξίας μας, όπου σχηματίζονται αστέρια σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο αερίου και ένα διάχυτο φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης.
Για να κατανοήσουμε τη διαδικασία πολλαπλών σταδίων με την οποία σχηματίζονται οι γαλαξίες και τα αστέρια, οι προσομοιώσεις μας υποδιαιρούν την ύλη σε μικρά κομμάτια που ωθούνται γύρω από τη βαρύτητα, την πίεση και άλλες δυνάμεις. Τοποθετούμε αυτά τα κομμάτια σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν και υπολογίζουμε τη βαρυτική τους έλξη το ένα πάνω στο άλλο. Η πρώτη ισορροπία που πρέπει να αναλύσουμε είναι μεταξύ της βαρύτητας και της διαστολής. το ένα τραβάει το υλικό μαζί, το άλλο το χωρίζει. Η βαρύτητα θα κερδίσει σε περιοχές που είναι αρκετά πυκνές. Αυτά τα μέρη του σύμπαντος θα συλλέξουν ακόμη περισσότερη ύλη από τις γειτονιές τους. Οι πλούσιοι γίνονται πλουσιότεροι, οι μεγάλοι γίνονται μεγαλύτεροι και το αρχικά ομαλό σύμπαν μας αναπτύσσει δομή.
Η βαρύτητα συγκεντρώνει την ύλη σε στρογγυλές «φωτοστέφανες». Και αυτά, επίσης, επιτυγχάνουν μια ισορροπία, αυτή τη φορά μεταξύ της βαρύτητας και της τυχαίας, χαοτικής κίνησης της ύλης. Για να διαταραχθεί αυτή η ισορροπία και να επιτραπεί στους γαλαξίες να πάρουν σχήμα, χρειαζόμαστε ψύξη αερίου. Το αέριο στα στρογγυλά φωτοστέφανα είναι καυτό—τόσο καυτό, στην πραγματικότητα, που λάμπει. Αυτή η λάμψη διαρρέει θερμική ενέργεια, η οποία μπορεί να διαταράξει την ισορροπία. Η βαρύτητα τελικά κερδίζει και η ύλη καταρρέει μέχρι να φτάσει στην τελική της διαμόρφωση ισορροπίας, υποστηριζόμενη από περιστροφική κίνηση. Καθώς τα σωματίδια παρασύρονται στον σχηματιζόμενο δίσκο, γεννιέται ένας γαλαξίας. Μέσα σε αυτόν τον δίσκο, μπορούν να σχηματιστούν αστέρια.
Κατά ειρωνικό τρόπο, οι προσομοιώσεις που περιλαμβάνουν τη φυσική που συζητήθηκε μέχρι τώρα είναι επίσης καλοί στο να φτιάχνουν γαλαξίες και αστέρια, πολύ καλύτερα από πραγματικούς γαλαξίες. Το κομμάτι που λείπει είναι η ανάδραση:Καθώς σχηματίζονται τα αστέρια, αντλούν ενέργεια πίσω στη γειτονιά τους, θερμαίνοντας το αέριο. Όταν τα μεγάλα αστέρια τελειώνουν από καύσιμα, εκρήγνυνται, κάτι που μπορεί να στείλει την ύλη πίσω από τους γαλαξίες. Τα αστέρια αναστέλλουν το σχηματισμό άστρων, επιτρέποντας την επίτευξη της ισορροπίας που παρατηρούμε.
Με αυτή τη φυσική, και εβδομάδες έως μήνες σε χιλιάδες συνδεδεμένους υπολογιστές, αυτές οι προσομοιώσεις αποκαλύπτουν έναν συμπυκνωμένο ιστό κοσμικής δομής, με τη σκοτεινή ύλη και τη συνηθισμένη ύλη να ενώνονται για να παράγουν εντυπωσιακά ρεαλιστικούς γαλαξίες. Εάν ο Weinberg έχει δίκιο, αυτή η διαδικασία θα πρέπει όχι εργάζονται σε περιοχές του σύμπαντος που έχουν περισσότερη σκοτεινή ενέργεια.
Για να δούμε γιατί άλλες περιοχές θα μπορούσαν να αποτύχουν να σχηματίσουν γαλαξίες, ας εντοπίσουμε την ύλη που προορίζεται να γίνει ένας γαλαξίας όπως ο Γαλαξίας μας. Στο προσομοιωμένο μας σύμπαν, αυτό το κομμάτι ύλης πρώτα θραύσματα σε μικρότερα κομμάτια, μερικά από τα οποία περιέχουν μικρούς γαλαξίες. Ο νεαρός Γαλαξίας αναπτύσσεται τόσο συλλέγοντας περισσότερο αέριο για να δημιουργήσει αστέρια όσο και αυξάνοντας μικρότερους γαλαξίες. Γύρω από τον Γαλαξία μας σήμερα βλέπουμε μακριά, λεπτά ρεύματα αστεριών, υπολείμματα μικρότερων γαλαξιών, εδώ και καιρό τεμαχισμένα.
Τι συμβαίνει καθώς αυξάνουμε την ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας; Η επιταχυνόμενη φάση της διαστολής του σύμπαντος ξεκινά νωρίτερα. Στον ανταγωνισμό μεταξύ της βαρύτητας και της κοσμικής διαστολής, η τελευταία αρχίζει να κερδίζει νωρίτερα και τελικά σταματά τον σχηματισμό της δομής. Οι μικρότεροι γαλαξίες που θα έπεφταν στον νεαρό Γαλαξία μας παρασύρονται από την επέκταση του διαστήματος. Το αέριο που θα τροφοδοτούσε τον σχηματισμό άστρων δεν μπαίνει ποτέ στη βαρυτική έλξη του γαλαξία. Ο νεαρός Milky Way απομονώνεται και φτωχαίνει. Με περιορισμένο καύσιμο, καίγεται και μπαίνει στη γήρανση.
Κάνοντας σμίκρυνση, βλέπουμε ένα σύμπαν αραιοκατοικημένο από μικρούς γαλαξίες, με το ενδιάμεσο αέριο να είναι πολύ λεπτό για να δημιουργήσει αστέρια και πολύ μακριά από τον πλησιέστερο γαλαξία για να συρθεί μέσα. Η εποχή σχηματισμού δομής του σύμπαντος, η δημιουργική του φάση, έχει τελειώσει.
Αν συνεχίσουμε να αυξάνουμε τη σκοτεινή ενέργεια, ο σχηματισμός της δομής παγώνει πριν ακόμη σχηματιστούν οι μικρότεροι γαλαξίες. Καμία ύλη στο σύμπαν δεν καταφέρνει να σχηματιστεί σε γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες ή ανθρώπους. Ολόκληρο το σύμπαν γεννιέται νεκρό - ένα διάχυτο, διαστελλόμενο αέριο σωματιδίων που πολύ περιστασιακά αναπηδούν το ένα από το άλλο, αλλά δεν κάνουν κάτι άλλο. Δεν υπάρχει ζωή, γιατί δεν υπάρχει δομή ή πολυπλοκότητα.
Εκ πρώτης όψεως, τα αποτελέσματα που βρίσκουμε υποστηρίζουν την υπόθεση του Weinberg. Αλλά υπάρχει μια ανατροπή στο έπος.
Στο σύμπαν μας, ο σχηματισμός άστρων ήταν πιο αποτελεσματικός λίγα δισεκατομμύρια χρόνια πριν από Η σκοτεινή ενέργεια άρχισε να οδηγεί σε επιταχυνόμενη διαστολή. Μέχρι τη στιγμή που οι γαλαξίες απομονώθηκαν από την κοσμική επιτάχυνση, η παραγωγή αστεριών ούτως ή άλλως μειώνονταν. Η αστρική ανατροφοδότηση είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο το σύμπαν δεν σχηματίζει αστέρια πολύ αποτελεσματικά. Η σκοτεινή ενέργεια είναι μόνο ένας δευτερεύων κακός.
Ως αποτέλεσμα, η προσθήκη ακόμη και 10 φορές περισσότερης σκοτεινής ενέργειας δεν κάνει μεγάλη διαφορά. Μόνο με σημαντικά περισσότερη σκοτεινή ενέργεια—εξετάζουμε ακόμη πόσο περισσότερο—η κοσμική επιτάχυνση σκοτώνει πραγματικά τον σχηματισμό άστρων.
Δεν έχουμε ακόμη δημοσιεύσει τα ευρήματά μας, αλλά αν επιμείνουν, το επιχείρημα του Weinberg φαίνεται τρανταχτό. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν άλλες περιοχές του σύμπαντος με περισσότερη ή λιγότερη σκοτεινή ενέργεια από αυτήν που έχουμε. Ουσιαστικά, κάθε περιοχή επιλέγει έναν αριθμό μεταξύ μηδέν και 10, σε μια κλίμακα όπου η δική μας περιοχή επέλεξε το 1. Τώρα φανταστείτε να πάρετε το πρόχειρο της έρευνάς σας για να ελέγξετε τις μορφές ζωής που εξελίχθηκαν σε αυτές τις περιοχές. αν συναντήσετε ένα, ρωτήστε πόση σκοτεινή ενέργεια βλέπουν. Οι περισσότερες περιοχές είναι νεκρές, φυσικά, κάτι που εξηγεί γιατί δεν υπάρχει κανείς να σας πει:«Η περιοχή μου διάλεξε 10 ή 10». Αλλά υπάρχουν πολλοί παρατηρητές που βλέπουν 10 ή 100 ή περισσότερους, οπότε μπορεί να αναρωτηθούμε γιατί είμαστε οι ακραίες τιμές που βλέπουν την τιμή 1. Εάν η θεωρία λέει "περιμένουμε περίπου 100", αλλά βλέπουμε 1, δεν μπορούμε να εξηγήσουμε την αξία μας ως απλό αποτέλεσμα επιλογής.
Είναι πρώτες μέρες. Ακόμα αναλύουμε. Ο υπολογιστής μας συνεχίζει να στριφογυρίζει. Αλλά, συνολικά, ίσως θα έπρεπε να συνεχίσουμε να εξετάζουμε άλλες επιλογές για να εξηγήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια.
Ο Luke A. Barnes είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ινστιτούτο Αστρονομίας του Σίδνεϊ στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ. Εστιάζει στον σχηματισμό γαλαξιών. Το βιβλίο του με τον Geraint Lewis, A Fortunate Universe:Life in a Finely Tuned Cosmos, δημοσιεύτηκε πρόσφατα από το Cambridge University Press.
