Η αρχή του τέλους του Σύμπαντος: Το μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας

Το σύμπαν δεν διαστέλλεται απλώς, αλλά επιταχύνεται.

Οι αστρονόμοι, εδώ και έναν αιώνα περίπου, γνωρίζουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Ο χωροχρόνος επεκτείνεται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός, χωρίζοντας στο εσωτερικό του τους γαλαξίες όπως ένα σταφιδόψωμο απομακρύνει τις σταφίδες μεταξύ τους όσο αυτό φουσκώνει μέσα στον φούρνο. Αυτή η συνεχής διαστολή, που ανταγωνίζεται την παρόρμηση που έχει το σύμπαν να καταρρεύσει κάτω από την δική του βαρύτητα, μας δίνει δύο βασικά σενάρια για το πώς μπορεί να τελειώσει το σύμπαν.

Αυτά τα σενάρια είναι γνωστά ως Big Crunch (Μεγάλη Σύνθλιψη), κατά το οποίο η βαρύτητα υπερνικά τη διαστολή, οπότε και έχουμε ένα αντίστροφο Big Bang (Μεγάλη Έκρηξη), και Big Freeze (Μεγάλο Πάγωμα), το οποίο συμβαίνει όταν η βαρύτητα χάνει από την διαστολή, και τότε όλη η ύλη απομονώνεται λόγω των απροσμέτρητων αποστάσεων.

Ένα κοσμολογικό παζλ

Για κάποιο διάστημα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι η μοίρα του σύμπαντος έγερνε προς την πρώτη περίπτωση. Όμως, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν κάτι απροσδόκητο που άλλαξε την κατανόησή μας για το μέλλον του σύμπαντος: οι πιο μακρινοί γαλαξίες δεν απομακρύνονταν, απλώς, από εμάς. Απομακρύνονταν επιταχυνόμενα.

Το φαινόμενο ανακάλυψαν δύο ομάδες αστρονόμων -ανεξάρτητα η μία από την άλλη- που μετρούσαν μακρινούς υπερκαινοφανείς για να υπολογίσουν τον ακριβή ρυθμό με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, προσδοκώντας να το βρουν να επιβραδύνεται. Τρεις από αυτούς τους επιστήμονες – ο Saul Perlmutter, ο Adam Riess και ο Brian Schmidt – μοιράστηκαν το Νόμπελ Φυσικής 2011 για την ανακάλυψή τους.

Οι παρατηρήσεις έγιναν κατά τη διάρκεια μιας έρευνας χαρτογράφησης μακρινών υπερκαινοφανών τύπου Ia. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι αυτές οι εκρήξεις συμβαίνουν όταν ένας λευκός νάνος -ένα πυκνό υπόλειμμα ενός αστέρα σαν τον Ήλιο- συσσωρεύει από τον συνοδό του αστέρα αρκετή ύλη, τόση ώστε να τον οδηγήσει πάνω από το όριο κρίσιμης μάζας. Με δεδομένο πως το όριο αυτό είναι το ίδιο για όλους τους λευκούς νάνους (περίπου 1,4 φορές την ηλιακή μάζα), όλοι οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia εμφανίζουν την ίδια απόλυτη λαμπρότητα. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990, αυτό το χαρακτηριστικό κατέστησε τους υπερκαινοφανείς ιδανικούς πρότυπους δείκτες απόστασης ή αλλιώς standard candles (πρότυπα κεριά).

Οι δύο ομάδες έψαχναν πίσω στο χρόνο για την έναρξη της κοσμικής επιβράδυνσης: Αναζητούσαν το χρονικό σημείο εκείνο, όπου η βαρύτητα πήρε το πάνω χέρι από την την ταχεία επιτάχυνση του σύμπαντος η οποία ακολούθησε τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η στιγμή θα σηματοδοτούσε μια ανατροπή, καθώς η βαρύτητα θα άρχιζε τελικά να επιβραδύνει τον ρυθμό με τον οποίο οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών απομακρύνονται το ένα από το άλλο λόγω της διαστολής του σύμπαντος.

Εφόσον γνωρίζουν την πραγματική λαμπρότητα των τυπικών κεριών, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να προβλέψουν το πόσο φωτεινοί θα ήταν αυτοί οι μακρινοί υπερκαινοφανείς εάν η διαστολή επιβραδύνετο. Αντίθετα, βρήκαν ότι οι παρατηρούμενοι υπερκαινοφανείς τύπου Ia ήταν 25% πιο αμυδροί από το αναμενόμενο, αποδεικνύοντας ότι η διαστολή του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται, αλλά αντίθετα επιταχύνεται.

Μέχρι το τέλος του 1998, και οι δύο ομάδες είχαν υποβάλει τις εργασίες τους σε ακαδημαϊκά περιοδικά, αναλύοντας λεπτομερώς τα ευρήματά τους. Η ομάδα του Perlmutter δημοσίευσε την εργασία της στο “The Astrophysical Journal” και η ομάδα των Riess και Schmidt δημοσιεύτηκε στο “The Astronomical Journal”.

Το συμπέρασμα και των δύο: Ένα μεγάλο ποσοστό του σύμπαντος αποτελείται από κάτι απροσδόκητο, που δεν είχε ανακαλυφθεί προηγουμένως. Και ότι αυτή η ονομαζόμενη σκοτεινή ενέργεια υπερισχύει της βαρύτητας και σπρώχνει τον χωροχρόνο εκ των έσω.

Λείπουν πολλά κομμάτια

Είναι εκπληκτικά δύσκολος ο προσδιορισμός της σύνθεσης του σύμπαντος. Πέρα 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 εξίσου μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια αποτελούν το 26% και 69%, αντίστοιχα. Με άλλα λόγια, οι αστρονόμοι δεν κατανοούν από τι πραγματικά αποτελείται το 95% του σύμπαντος.

Ακόμη και δεκαετίες μετά την ανακάλυψή τους, οι επιστήμονες εξακολουθούν να γνωρίζουν ελάχιστα στοιχεία για τις «σκοτεινές» δυνάμεις που κυβερνούν το σύμπαν μας. «Είναι δύσκολη η κατανόηση και η μέτρηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας», λέει ο Riess. «Φανταστείτε να χτυπάτε στους τοίχους ενός σκοτεινού δωματίου, περιστασιακά να αγγίζετε έναν ελέφαντα -ενώ δεν έχετε δει ποτέ ελέφαντα στη ζωή σας- και [να προσπαθείτε να καταλάβετε] τι είναι, πώς μοιάζει.»

Όμως το σκοτεινό δωμάτιο έχει το μέγεθος του σύμπαντος και -αντί να είναι σε θέση να αγγίξουν τον ελέφαντα- οι αστρονόμοι μπορούν μόνο να δουν το πως επιδρά σε άλλα αντικείμενα. Οι αστρονόμοι βλέπουν ότι η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά βαρυτικά με την ορατή ύλη, οπότε υποψιάζονται πως αποτελείται από ένα ή περισσότερα άγνωστα σωματίδια. Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι μια πέμπτη θεμελιώδης δύναμη του σύμπαντος (οι γνωστές τέσσερις είναι: η ασθενής πυρηνική, η ισχυρή πυρηνική, η βαρυτική και η ηλεκτρομαγνητική). Ωστόσο, οι ακριβείς ιδιότητές της παραμένουν μυστήριο, ιδιαιτέρως λόγω του ότι -όπως φαίνεται- η σκοτεινή ενέργεια ενεργοποίησε τυχαία, κάποια στιγμή, τον εαυτό της. Ο Riess λέει ότι οι πιο πρόσφατες μετρήσεις δείχνουν πως η σκοτεινή ενέργεια ξεκίνησε αυτή την επιτάχυνση πριν από περίπου 5 έως 6 δισεκατομμύρια χρόνια, και από τότε αποτελεί την κυρίαρχη δύναμη.

Η απλούστερη ερμηνεία για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ότι αποτελεί την εγγενή ενέργεια του ίδιου του διαστήματος. Ο Einstein αρχικά, εισήγαγε μια τέτοια έννοια για το επίπεδο σύμπαν, κατά την δόμηση της θεωρίας της σχετικότητας. Η αποκαλούμενη κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν είναι μια απωστική δύναμη που εξουδετερώνει την ελκτική δύναμη της βαρύτητας, καταλήγοντας σε ένα σύμπαν που ούτε καταρρέει ούτε διαστέλλεται. Τελικά, όμως, ο Αϊνστάιν απέρριψε την ιδέα του, αφού ο Edwin Hubble παρατήρησε πως το σύμπαν διαστέλλεται. Η βραβευμένη με Νόμπελ έρευνα για τους υπερκαινοφανείς, την δεκαετίας του 1990, ανέστησε την κοσμολογική σταθερά και τη συσχέτισε με τη σκοτεινή ενέργεια.

Τι βρίσκεται ακόμη μπροστά

Για να μπορέσει, τελικά, να λυθεί αυτό το παζλ της σκοτεινής ενέργειας, ο Riess λέει ότι οι επιστήμονες θα χρειαστούν περισσότερα από απλώς και μόνο μετρήσεις. Οι καλύτεροι θεωρητικοί φυσικοί του κόσμου έχουν προσπαθήσει να αναπτύξουν μια μεγάλη θεωρία ενοποίησης της φυσικής, που να ερμηνεύει πλήρως όλες τις πτυχές του σύμπαντος. Όμως, μέχρι στιγμής, η βαρύτητα και η κβαντική φυσική δεν φαίνεται να ταιριάζουν, παρά το γεγονός ότι οι θεωρητικοί πιστεύουν πως η ενοποίησή τους είναι απαραίτητη για οποιαδήποτε θεωρία που είαι σε θέση να ερμηνεύσει την σκοτεινή ενέργεια.

Ωστόσο, αυτό που οι επιστήμονες έχουν καταλάβει, είναι η βαθιά επίδραση που θα έχει η σκοτεινή ενέργεια στο σύμπαν στο μακρινό μέλλον.

Εάν η συνεισφορά της σκοτεινής ενέργειας αυξάνεται με την ηλικία του σύμπαντος, τότε το σύμπαν θα διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα με την πάροδο του χρόνου. Οι γαλαξίες που βρίσκονται πέρα ​​από την Τοπική μας Ομάδα -η οποία θα έχει συγχωνευθεί σε έναν ενιαίο γιγάντιο γαλαξία με το παρατσούκλι Milkomeda- τελικά θα μεταφερθούν σε τόσο μεγάλες αποστάσεις, που οι μελλοντικοί κάτοικοι του ηλιακού μας συστήματος δεν θα μπορούν να τους δουν.

Στην πραγματικότητα, όπως λέει ο Alexei Filippenko, αστρονόμος στο University of California, Berkeley, ο οποίος έχει εργαστεί και με τις δύο ομάδες που ανακάλυψαν τη σκοτεινή ενέργεια: «Αν χαθούν όλα τα αρχεία, οι μελλοντικοί πολιτισμοί μπορεί να μην μάθουν ποτέ για τους άλλους γαλαξίες.» Για αυτούς, «[Το σύμπαν] θα είναι ένα κρύο, σκοτεινό, μοναχικό μέρος.»

Πηγή:
https://astronomy.com/