Η Πεμπτουσία
Μια άλλη πρόταση για την αιτία της κοσμικής επιτάχυνσης
Μέρος 2ο

Άρθρο, Νοέμβριος 2006

1o μέρος, 3o μέρος, 4o μέροςΜέρος 3o

Η Σκοτεινή Ενέργεια και το επιταχυνόμενο σύμπαν

Πώς μπορεί λοιπόν να συμβαίνει η πυκνότητα της ύλης να είναι μόνο το ένα τρίτο της κρίσιμης τιμής, κι όμως ο κόσμος να είναι επίπεδος; Αυτό σημαίνει ότι η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν κάνει λάθος; Πιθανότατα όχι. Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του '90, βασισμένες στα αποτελέσματα των διαφόρων παρατηρήσεων, αρκετές ομάδες, συμπεριλαμβανομένης και αυτής του Jeremiah Ostriker του πανεπιστημίου Princeton, πρόβλεψαν το πρόβλημα και έδειξαν τη λύση του. Τα δύο τρίτα της κρίσιμης πυκνότητας που έλειπαν μπορεί να αποτελείται από μια εξωτική μορφή "σκοτεινής ενέργειας", αρκετά ευδιάκριτη από τη σκοτεινή ύλη δεδομένου ότι αυτή δεν συγκεντρώνεται στα σμήνη επιδρώντας σαν μια ελκυστική βαρυτική δύναμη, για να διαμορφώσει τους γαλαξίες και τη μεγάλης κλίμακας δομές. Ως εκ τούτου, η συνολική ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε να φτάσει μέχρι την κρίσιμη τιμή, σύμφωνη με τα στοιχεία για έναν επίπεδο κόσμο, αλλά οποιαδήποτε απογραφή της πυκνότητας της ύλης θα έβρισκε μόνο το ένα τρίτο της κρίσιμης τιμής.

Αυτή η πρόταση φάνηκε να ταιριάζει με όλα τα υπάρχοντα στοιχεία άριστα, επιλύοντας πολλές από τις αποκλίσεις που συνδέθηκαν με τα προηγούμενα μοντέλα. Εντούτοις, η πρόταση αυτή έκανε επίσης και μια συγκλονίζοντας πρόβλεψη. Αν και ξέρουμε σήμερα ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί τα δύο τρίτα της ενεργειακής πυκνότητας στον κόσμο, θα πρέπει να ήταν ένα ασήμαντο τμήμα πριν λίγο καιρό, διαφορετικά η απωστική βαρυτική της επίδραση θα εμπόδιζε τη συνηθισμένη ύλη να σχηματίσει τα αστέρια, τους γαλαξίες και τη μεγάλης κλίμακας δομή που βλέπουμε σήμερα στον κόσμο.

Σαν επακόλουθο είναι ότι οποιαδήποτε μορφή ενέργειας που εξουσιάζει σήμερα, αλλά ήταν ασήμαντη στο πρόσφατο παρελθόν, πρέπει να έχει μια πυκνότητα που να μειώνεται πιο αργά με το χρόνο από την πυκνότητα της ύλης. Δηλαδή καθώς ο διαστελλόμενος κόσμος διπλασιάζεται σε όγκο και η πυκνότητας της ύλης μειώνεται κατά έναν παράγοντα δύο, η πυκνότητα αυτής της σκοτεινής ενέργειας πρέπει να μειωθεί κατά έναν μικρότερο παράγοντα. Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, η σκοτεινή ενέργεια με αυτήν την ιδιότητα είναι αρκετά ισχυρή, αλλά πρέπει να έχει μια ασυνήθιστη ιδιότητα - πρέπει να είναι βαρυτικά αυτο-απωθητική.

Αντίθετα από τη κανονική ύλη, αυτή η αυτο-απωθητική σκοτεινή ενέργεια θα αναγκάσει την διαστολή του σύμπαντος να επιταχύνεται. Εάν η πρόταση για τη σκοτεινή ενέργεια ήταν σωστή, τότε ο κόσμος θα πρέπει σήμερα να επιταχύνεται - μια πρόβλεψη που ήρθε σε αντίθεση με την κοινή λογική, και τα στοιχεία, εκείνη την περίοδο.

Κατόπιν, το 1998, δύο ανεξάρτητες ομάδες - το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών και η Αναζήτηση Υπερκαινοφανών Υψηλής Μετατόπισης προς το Ερυθρό ή Ζ - ανήγγειλαν ένα θεαματικό αποτέλεσμα βασισμένο στις πιο ακριβείς μετρήσεις της κοσμικής διαστολής που έγιναν ποτέ. Οι παρατηρήσεις τους για την αύξηση και μείωση της λαμπρότητας των απόμακρων σουπερνοβών τύπου 1a αποκάλυψαν ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται στην πραγματικότητα.

Τα συμπεράσματά τους στηρίχθηκαν στην ανακάλυψη ότι υπάρχει μια σχέση μεταξύ της εγγενούς φωτεινότητας μιας σουπερνόβας και του ρυθμού με τον οποίο αυξάνει ή μειώνει τη λαμπρότητα της. Έχοντας καθορίσει τη φωτεινότητα μιας σουπερνόβας μετρώντας τη "καμπύλης της ακτινοβολίας" της (δηλ. πώς η παρατηρηθείσα φωτεινότητα μεταβάλλεται με το χρόνο), η ροή των φωτονίων που μετρήθηκε χρησιμοποιείται για να καθορίσει την πραγματική απόσταση της σουπερνόβας. Έπειτα, με τη σύγκριση της απόστασης με τη μετατόπιση προς το ερυθρό z ή redshift (που μας λέει πόσο γρήγορα απομακρύνεται η σουπερνόβα από μας), αναδημιουργείται η ιστορία διαστολής του κόσμου, μια σουπερνόβα κάθε φορά.

Οι μετρήσεις μας δείχνουν ότι οι απόμακρες σουπερνόβες είναι πιο αμυδρές από αυτό που οφείλουν να είναι εάν ο κόσμος επεκτεινόταν με έναν σταθερό ρυθμό. Έχουν δε καταβληθεί εξαντλητικές προσπάθειες για να δείξουν ότι κανένα συστηματικό αποτέλεσμα δεν συγχέει τις μετρήσεις, όπως η απόκρυψη από τη σκόνη ή τις μεταβολές στις ίδιες τις σουπερνόβες, αλλά δεν έχει βρεθεί μέχρι τώρα κανένα αποτέλεσμα, που να αλλάζει το συμπέρασμα.

Για τους κοσμολόγους που μελετούσαν πολύ το ζήτημα, αυτό το αποτέλεσμα των υπερκαινοφανών ήταν η τελευταία βασική παρατήρηση - κλειδί για να μπει στην θέση της θεωρίας.  Τώρα μπορεί να ειπωθεί ότι ένα κοσμολογικό μοντέλο βασισμένο στη Μεγάλη Έκρηξη, την πληθωριστική κοσμολογία, και ένα σύμπαν που αποτελείται από μια κανονική ύλη κατά το ένα τρίτο και μια σκοτεινή ενέργεια κατά τα δύο τρίτα είναι σύμφωνο με όλες τις τρέχουσες αστροφυσικές και κοσμολογικές μετρήσεις. Για την ευρύτερη επιστημονική κοινότητα και τον κόσμο σε μεγάλο βαθμό αυτή η ανακάλυψη, ότι ο κόσμος επιταχύνεται, αποτέλεσε μια φανταστική έκπληξη.

Το μεγάλο λάθος του Αϊνστάιν ή το μυστήριο της πεμπτουσίας;

Αν και οι κοσμολόγοι μπορούν να είναι δίκαια υπερήφανοι για το μοντέλο τους που ταιριάζει με μια σπουδαία σειρά παρατηρήσεων, δεν μπορούν όμως να στηριχτούν για πολύ εκεί.  Ένα νέο μυστήριο προκύπτει αμέσως. Ποια είναι η σκοτεινή ενέργεια που συνθέτει τα δύο τρίτα της σημερινής ενέργειας στον κόσμο;

Ένα αληθινό γεγονός που ξέρουμε για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ότι έχει αρνητική πίεση: η κοσμική επιτάχυνση μπορεί να εμφανιστεί μόνο εάν η πίεση είναι αρκετά αρνητική. Ο λόγος για αυτό βρίσκεται στη γενική σχετικότητα, η οποία μας λέει ότι η ενέργεια και η ορμή, και επομένως η πίεση, όλες είναι ελκυστικές. Πράγματι, η εκτροπή του φωτός από τη βαρύτητα χρησιμοποιείται από τους αστρονόμους σε μια καθιερωμένη τεχνική, γνωστή σαν βαρυτικός εστιασμός. Η δύναμη αυτής της βαρυτικής δύναμης καθορίζεται από το rho + 3P, όπου το rho είναι η ενεργειακή πυκνότητα (συμπεριλαμβανομένων όλων των μορφών ενέργειας) και το  P είναι η πίεση.

Κανονικά, η πίεση είναι αρκετά αμελητέα έναντι της ενεργειακής πυκνότητας, (rho), έτσι όσο μεγαλύτερη είναι η ενεργειακή πυκνότητα, τόσο πιο ελκυστική είναι η δύναμη. Μια μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα επομένως θα αναγκάσει το χώρο να καμφθεί και να περιοριστεί γύρω από αυτή - όπως σχηματίζονται και οι μαύρες τρύπες. Αλλά, εάν το rho + 3P είναι αρνητικό - που μπορεί να συμβεί για αρνητικές πιέσεις - τότε η δύναμη της βαρύτητας γίνεται απωστική.

Όταν το εφαρμόζουμε στο σύμπαν, διαπιστώνουμε ότι μια πανταχού παρούσα ενεργειακή ουσία με αρνητική πίεση αναγκάζει το διάστημα να απωθεί τον εαυτό του: κάθε σημείο στο διάστημα διαφεύγει από τα γειτονικά του και η κοσμική επέκταση επιταχύνεται. Το κάτω όριο για την πεμπτουσία είναι ότι η πίεσή της πρέπει να είναι αρκετά αρνητική για να υπερνικήσει την ελκυστική βαρυτική δύναμη όλης της ενεργειακής πυκνότητας στον κόσμο.

Η αρνητική πίεση μπορεί να φαίνεται εξαιρετικά εξωτική, αλλά μπορεί πραγματικά να προκληθεί με μάλλον απλές φυσικές διαδικασίες. Ένα συνηθισμένο αέριο που αποτελείται από άτομα και ακτινοβολία ενεργεί όπως ένα συμπιεσμένο ελατήριο, που ωθείται εξωτερικά προς όλες τις κατευθύνσεις. Όμως, μια φυσαλίδα ατόμων αερίου που αλληλεπιδρούν σε μια ασταθή κατάσταση (δηλ. με μια υψηλότερη ενέργεια από το περιβάλλον αέριο), μπορεί να ενεργήσει σαν ένα τεντωμένο ελατήριο κάτω από μια τάση και να ασκήσει μια εσωτερική δύναμη ή με μία αρνητική πίεση.

Αριστερά σχήμα 4ο: Σύμφωνα με την Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, το βαρυτικό δυναμικό που οφείλεται σε μία απομονωμένη πηγή είναι ανάλογη με rho + 3P, όπου rho είναι η πυκνότητα της ενέργειας και P είναι η πίεση της ακτινοβολίας. Για τη μη σχετικιστική ύλη η πίεση είναι αρνητική και μικρή, λαμβάνοντας υπ' όψιν για την πίεση της ακτινοβολίας P = rho/3. Επομένως, για την ίδια τιμή της πυκνότητας της ενέργειας, η ακτινοβολία παράγει ένα βαθύτερο και πιο ελκυστικό βαρυτικό δυναμικό (αριστερά) από ό,τι η μη-σχετικιστική μάζα (κέντρο). Αν rho + 3P είναι αρνητικό, όπως στην περίπτωση της πεμπτουσίας ­ στο παράδειγμα P = ­2rho/3 ­ το είδος του βαρυτικού πεδίου μετασχηματίζεται από ελκτικό γίνεται απωστικό (δεξιά).

Η αντίθετη διαισθητική όψη είναι η βαρυτική απάντηση, η οποία είναι ένα παραγνωρισμένο χαρακτηριστικό γνώρισμα της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν (σχήμα 4). Αν γεμίσουμε το σύμπαν με ένα ρευστό (π.χ. ύλη και ακτινοβολία) που έχει θετική πίεση και ένα θετικά rho + 3P τότε επιβραδύνουν την διαστολή. Αφ' ετέρου, ένα ρευστό με  αρκετά μεγάλη αρνητική πίεση θα έχει ένα αρνητικά rho + 3P, και αυτό θα αναγκάσει την διαστολή να επιταχύνεται.

Το άλλο μέρος των πληροφοριών που ξέρουμε για τη σκοτεινή ενέργεια είναι ότι αντιστέκεται κάπως στην έλξη της βαρύτητας των γαλαξιών. Η αρνητική πίεση είναι επαρκής για να εξηγήσει γιατί η σκοτεινή ενέργεια είναι ομοιόμορφη στο χώρο κατά μέσον όρο, αλλά γιατί δεν αυξάνονται οι μικρές ανομοιογένειες, παραδείγματος χάριν, στις πυκνές περιοχές στα κέντρα των γαλαξιών;

Δεν υπάρχει μία και μοναδική απάντηση σε αυτήν την ερώτηση, αλλά φαίνεται πιθανό ότι τα σωματίδια που συνθέτουν αυτήν την σκοτεινή ενέργεια είναι τόσο ελαφρά και σχετικιστικά που κανένα είδος μιας μαύρης τρύπας δεν μπορεί να τα ενοχλήσει.

Ίσως η σκοτεινή ενέργεια δεν αποτελείται καθόλου από σωματίδια. Ένας υποψήφιος γι αυτή τη σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, η ενέργεια του κενού χώρου. Ο Αϊνστάιν εισήγαγε αυτήν την ιδιότητα το 1917 κατά την πρώτη του προσπάθεια να εφαρμόσει τη νέα θεωρία της βαρύτητας στην κοσμολογία. Ο Αϊνστάιν πείστηκε ότι ο κόσμος ήταν στατικός, αλλά δεν θα μπορούσε να κατασκευάσει έναν στατικό κόσμο εάν υπήρχε μόνο ύλη και κυρτότητα, επειδή το rho + 3P ήταν θετικό. Επομένως εισήγαγε έναν πρόσθετο όρο στη θεωρία του, την αποκαλούμενη κοσμολογική σταθερά ή Λάμδα. Αυτή ήταν μια μορφή ενέργειας με σταθερή αρνητική πίεση P = -rho και, επομένως, αρνητική η τιμή της rho + 3P. Επιλέγοντας προσεκτικά την ποσότητα της ύλης και την τιμή της κοσμολογικής σταθεράς, θα μπορούσε να ισορροπήσει τις δυνάμεις για να λάβει ένα στατικό σύμπαν. Αρκετά χρόνια αργότερα, αφότου έδειξε ο Hubble ότι το σύμπαν επεκτεινόταν αληθινά, ο Αϊνστάιν περιέγραψε την κοσμολογική σταθερά σαν "το μεγαλύτερο σφάλμα της ζωής του".

Οι σημερινοί κοσμολόγοι βρίσκουν την αιτία της κοσμικής επιτάχυνσης, το Λάμδα, να είναι εξίσου απαράδεκτο, αλλά για έναν διαφορετικό λόγο. Όλα τα κβαντικά πεδία κατέχουν ένα πεπερασμένο ποσό μηδενικής ενέργειας του κενού ως αποτέλεσμα της αρχής της αβεβαιότητας. Μια αφελής εκτίμηση της ενέργειας του σημείου μηδέν προβλέπει μια ενεργειακή πυκνότητα του κενού να είναι 120 μεγέθη μεγαλύτερη από την ενεργειακή πυκνότητα όλης της άλλης ύλης στο Σύμπαν. Εάν η ενεργειακή πυκνότητα του κενού είναι πραγματικά τόσο τεράστια, θα προκαλούσε μια πολύ γρήγορη (εκθετική) διαστολή του σύμπαντος, με αποτέλεσμα να μην μπορούν οι ηλεκτροστατικές και πυρηνικές δυνάμεις να εφαρμοστούν στα άτομα και τα μόρια. Δεν θα υπήρχαν λοιπόν γαλαξίες, αστέρια ή ζωή. Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να αγνοήσουμε την κβαντομηχανική, κάποιος άλλος μηχανισμός πρέπει να ακυρώνει αυτήν την ενέργεια του κενού. Ένας από τους σημαντικότερους στόχους των ενοποιημένων θεωριών της βαρύτητας ήταν να εξηγηθεί γιατί η κενή ενέργεια είναι μηδέν.

Το μεγαλύτερο σφάλμα του Αϊνστάιν έχει 'αναστηθεί' για να αποτελέσει την πιθανή λύση στο πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας. Ίσως υπάρχει ένας θαυμαστός μηχανισμός ακύρωσης, αλλά ίσως είναι ελαφρά ατελής. Αντί να κάνει το Λάμδα ακριβώς μηδέν, ο μηχανισμός ακυρώνει μόνο έως 120 δεκαδικές θέσεις. Τότε, η κενή ενέργεια θα περιελάμβανε τα ελλείποντα δύο τρίτα της κρίσιμης πυκνότητας. Εν τούτοις, φαίνεται παράξενο ότι απαιτείται. Κάποια σταθερά - που είναι φυσικά τεράστια - πρέπει να περικοπεί κατά 120 τάξεις μεγέθους, αλλά με τέτοια ακρίβεια που σήμερα έχει απλώς τη σωστή τιμή για να αποτελέσει την ενέργεια που λείπει.

Αν πάμε πίσω στον χρόνο, στην εποχή του πρώιμου σύμπαντος, η ιστορία φαίνεται ακόμα πιο παράξενη. Όταν ο όγκος του σύμπαντος ήταν 100 τάξεις μεγέθους μικρότερο, για παράδειγμα, η πυκνότητα της μάζας ήταν 100 τάξεις μεγαλύτερη, αλλά η ενεργειακή πυκνότητα του κενού έπρεπε να έχει την ίδια τιμή με σήμερα. Με άλλα λόγια, η ενεργειακή πυκνότητα του κενού παρέμεινε σταθερή καθώς το σύμπαν επεκτεινόταν, αλλά η συνολική ενέργεια του κενού αυξήθηκε επίσης, καθώς ο όγκος του διαστήματος αυξήθηκε. Αυτή η πρόσθετη ενέργεια προήλθε από τη βαρυτική δυναμική ενέργεια του σύμπαντος. Οποιεσδήποτε φυσικές διαδικασίες δημιούργησαν την αρχική ενέργεια στον κόσμο έπρεπε να τακτοποιηθεί για μια εκθετικά μεγάλη διαφορά μεταξύ των δύο μορφών ενέργειας, αλλά για κάποιο αόριστο λόγο αυτή η διαφορά έπρεπε να έχει ακριβώς τη σωστή τιμή για την ενέργεια του κενού για να γίνει σημαντική 14 δισεκατομμύρια έτη αργότερα.

Πηγές: PhysicsWorld, δίκτυο

1o μέρος, 3o μέρος, 4o μέροςΜέρος 3o