Με ποιό τρόπο μπορούμε να εξετάσουμε την Σκοτεινή Ενέργεια;

Άρθρο, Μάρτιος 2006

Ποια είναι η μυστήρια σκοτεινή ενέργεια που προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος; Είναι κάποια μορφή της διάσημης κοσμολογικής σταθεράς Λ του Αϊνστάιν ή είναι μια εξωτική απωθητική δύναμη, που ονομάστηκε "πεμπτουσία", και η οποία αποτελεί τα τρία τέταρτα του κόσμου; Οι επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλευ και το κολλέγιο Dartmouth θεωρούν ότι υπάρχει ένας τρόπος να το ανακαλύψουμε.

Αριστερά: Ο δορυφόρος SuperNova Acceleration Probe ή SNAP, είναι σχεδιασμένος για να μελετήσει την σκοτεινή ενέργεια μέσω της ανακάλυψης και της ακριβούς μέτρησης της απόστασης 6.000 σουπερνοβών (καινοφανών) -- πολλοί από τους οποίους βρίσκονται πολύ μακρύτερα από την περιοχή που μπορούμε σήμερα να δούμε -- Αλλά οι μετρήσεις του SNAP, που θα συνεργαστεί φυσικά και με άλλα επίγεια μέσα παρατηρήσεων, θα μας δώσουν συγχρόνως σπουδαίες παραμέτρους, όπως η ολική πυκνότητα ενέργειας, με μια ακρίβεια λίγων εκατοστών.

Οι φυσικοί Eric Linder του εργαστηρίου του Μπέρκλευ και Robert Caldwell του Dartmouth δείχνουν ότι τα μοντέλα της φυσικής για την σκοτεινή ενέργεια μπορούν να διαχωριστούν σε ευδιάκριτα σενάρια, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκλείσουν την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν και να εξηγήσουν τη φύση της σκοτεινής ενέργειας. Και μάλιστα, οι επιστήμονες θα είναι σε θέση να καθορίσουν ποιο από αυτά τα σενάρια είναι το σωστό με τα πειράματα που προγραμματίζονται με την διαστημική αποστολή για τη σκοτεινή ενέργεια (JDEM) που έχει προταθεί από τη NASA και το Αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας.

Οι επιστήμονες αναρωτιούνται συχνά με πόση ακρίβεια πρέπει να μετρήσουν τη σκοτεινή ενέργεια προκειμένου να ξέρουν τι είναι, λέει ο Linder. Γι΄ αυτό και οι δύο τους έχουν προτείνει τα όρια ακρίβειας για αυτές τις μετρήσεις, που μπορούν να γίνουν με την αποστολή JDEM, που σχεδιάζεται για το 2011.

Οι Linder και Caldwell είναι και οι δύο τους μέλη της επιστημονικής ομάδας της NASA για την αποστολή JDEM. Ο Linder είναι ο επικεφαλής της θεωρητικής ομάδας για το διαστημικό όχημα SNAP — SuperNova/Acceleration Probe — ένα από τα προτεινόμενα διαστημικά οχήματα για την αποστολή JDEM. Ο Caldwell, που είναι καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας στο Dartmouth, είναι ένας από τους δημιουργούς της έννοιας πεμπτουσίας.

Τα δύο σενάρια που έχουν βρει, το ένα ονομάζεται "ξεπαγώματος" και το άλλο λέγεται του "παγωμένου", που δείχνουν προς ευδιάκριτη διαφορετική μοίρα για το μόνιμα διαστελλόμενο σύμπαν. Κάτω από το πρώτο σενάριο του ξεπαγώματος, η επιτάχυνση της διαστολής θα μειωθεί βαθμιαία και θα τελικά θα σταματήσει. Η διαστολή θα μπορεί να συνεχιστεί πιο αργά, ή το σύμπαν μπορεί ακόμη και να καταρρεύσει. Κάτω από το άλλο σενάριο του παγωμένου, η επιτάχυνση θα συνεχίζεται συνεχώς. Ο κόσμος θα γίνεται όλο και περισσότερο αραιός ή διάχυτος, έως ότου τελικά θα βρισκόταν ο Γαλαξίας μόνος στο διάστημα, αφού οι υπόλοιποι θα είχαν απομακρυνθεί τόσο που δεν θα τους βλέπαμε.

Καθένα από αυτά τα δύο σενάρια αποκλείει την κοσμολογική σταθερά Λ του Αϊνστάιν. Οι Linder και Caldwell τελικά παρουσιάζουν για πρώτη φορά την ιδέα διαχωρισμού της κοσμολογικής σταθεράς από τις άλλες δυνατότητες. Όμως, κάτω από οποιοδήποτε σενάριο η σκοτεινή ενέργεια είναι μια δύναμη που πρέπει να ληφθεί σοβαρά υπόψη.

Επειδή η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 70% του περιεχομένου του σύμπαντος, εξουσιάζει την ύλη. Κι αυτό σημαίνει ότι η σκοτεινή ενέργεια κυβερνά την επέκταση και, τελικά, καθορίζει τη μοίρα του κόσμου.

Σήμερα το σύμπαν διαστέλλεται με ένα αυξανόμενο ρυθμό επειδή η σκοτεινή ενέργεια αντιδρά με τη δύναμη της βαρύτητας. Στο νεαρό σύμπαν η ύλη ήταν πιο συγκεντρωμένη, πιο κοντά, και η βαρύτητα ακόμα καθυστερούσε την διαστολή.

Το 1998, δύο ερευνητικές ομάδες συντάραξαν τον κόσμο της κοσμολογίας με τις ανεξάρτητες ανακοινώσεις τους, ότι η επέκταση του σύμπαντος επιταχύνεται. Μετρώντας την μετατόπιση προς το ερυθρό (Z) ή redshift του φωτός από τις σουπερνόβες τύπου Ia, τα αστέρια που εκρήγνυνται στο βαθύ διάστημα με μια χαρακτηριστική τρομακτική ενέργεια, το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών του Εργαστηρίου του Μπέρκλεϋ καθώς και η δεύτερη ομάδα της Αναζήτησης Σουπερνοβών Υψηλού-Z, καθόρισαν ότι η επέκταση του κόσμου πραγματικά επιταχύνεται, κι όχι επιβραδύνεται. Στην άγνωστη δύναμη πίσω από αυτήν την επιταχυνόμενη επέκταση δόθηκε το όνομα "σκοτεινή ενέργεια".

Πριν από την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας, η συμβατική επιστημονική άποψη υποστήριζε ότι η Μεγάλη Έκρηξη είχε οδηγήσει σε μια διαστολή το σύμπαν, που αργότερα θα επιβραδυνόταν βαθμιαία από τη βαρύτητα. Εάν η ύλη που περιέχεται στον κόσμο πρόσφερε αρκετή βαρύτητα, μια ημέρα η διαστολή θα σταματούσε συνολικά και ο κόσμος θα ξαναγύριζε πίσω από αυτό που ξεκίνησε, με μια Μεγάλη Κρίσιμη Σύνθλιψη. Εάν όμως η βαρύτητα από την ύλη ήταν ανεπαρκής να σταματήσει εντελώς την επέκταση, τότε ο κόσμος θα συνέχιζε να απομακρύνεται για πάντα.

Από τις ανακοινώσεις τόσο του 1998 όσο και των επόμενων μετρήσεων, ξέρουμε ότι η επιταχυνόμενη επέκταση του κόσμου άρχισε κατά τα τελευταία 10 δισεκατομμύρια χρόνια.

Οι κοσμολόγοι εν συνεχεία προσπάθησαν να καθορίσουν τι είναι ακριβώς αυτή η σκοτεινή ενέργεια. Το 1917 ο Αϊνστάιν τροποποίησε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητάς του προσθέτοντάς της μια κοσμολογική σταθερά Λ, η οποία, εάν η τιμή της ήταν σωστή, θα επέτρεπε στον κόσμο να υπάρχει σε μια τέλεια ισορροπημένη, στατική κατάσταση. Αν και ο διασημότερος φυσικός της ιστορίας ονόμασε αργότερα την προσθήκη αυτής της σταθεράς σαν το "μεγαλύτερο σφάλμα του", η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας έχει αναβιώσει την ιδέα αυτή της κοσμολογικής σταθεράς Λ.

"Η κοσμολογική σταθερά ήταν μια ενέργεια του κενού χώρου που αντιτίθεται στην βαρύτητα για να μην 'τραβήξει' το σύμπαν προς τα μέσα", λέει ο Linder. "Ένα πρόβλημα με την κοσμολογική σταθερά είναι ότι είναι σταθερή, με την ίδια πυκνότητα της ενέργειας, την ίδια πίεση, και την ίδια εξίσωση της κατάστασης σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Η σκοτεινή ενέργεια, εντούτοις, έπρεπε να είναι αμελητέα στα πιο αρχικά στάδια του σύμπαντος διαφορετικά οι γαλαξίες και όλα τα αστέρια τους δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ."

Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια εξωτική απωστική δύναμη που μπορεί να αποτελεί τα τρία τέταρτα όλου του κόσμου. Μεταξύ των άλλων οι λύσεις για το πρόβλημα είναι: η κοσμολογική σταθερά Λ και η δυναμική πεμπτουσία, που και οι δύο είναι βαθμωτά πεδία, σαν ένα πεδίο ελατηρίων που σκεπάζουν κάθε σημείο στο χώρο. Για μια κοσμολογική σταθερά (αριστερά), κάθε ελατήριο θα έχει το ίδιο μήκος και χωρίς κίνηση. Για τη πεμπτουσία (δεξιά), κάθε ελατήριο θα είναι τεντωμένο με ένα διαφορετικό μήκος.

Η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν Λ για να μπορέσει να οδηγήσει τον κόσμο σε αυτό που βλέπουμε σήμερα, η ενεργειακή κλίμακα θα έπρεπε να είναι πολλές τάξεις μικρότερη από οτιδήποτε  άλλο στον κόσμο. Ενώ αυτό μπορεί να είναι πιθανό, ο Linder λέει, ότι δεν φαίνεται να είναι πιθανό. Γι αυτό και δόθηκε μια άλλη ιδέα, της πεμπτουσίας, που έτσι ονομαζόταν το πέμπτο στοιχείο των αρχαίων Ελλήνων. Μετά τον αέρα, τη γη, τη φωτιά, και το νερό το θεώρησαν σαν τη δύναμη που κρατούσε το φεγγάρι και τα αστέρια στη θέση τους.

Η πεμπτουσία όμως δεν είναι σταθερή αλλά είναι μια δυναμική - εξαρτώμενη από τον χρόνο και τον χώρο - μορφή ενέργειας με αρνητική πίεση επαρκή για να οδηγήσει στην επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Και ενώ η κοσμολογική σταθερά είναι μια πολύ συγκεκριμένη μορφή ενέργειας - η ενέργεια του κενού - η πεμπτουσία καλύπτει μια μεγάλη κατηγορία πιθανών ουσιών.

Για να περιορίσουν αυτές τις πιθανότητες για την πεμπτουσία και να δώσουν ευδιάκριτους στόχους στις βασικές δοκιμές που θα επιβεβαίωναν επίσης αυτήν ως πηγή της σκοτεινής ενέργειας, οι Linder και Caldwell χρησιμοποίησαν ένα βαθμωτό πεδίο ως πρότυπό τους. Ένα βαθμωτό πεδίο έχει μια τιμή σε κάθε σημείο αλλά δεν είναι ίδια για όλα τα σημεία στο διάστημα. Με αυτήν την προσέγγιση, οι κοσμολόγοι ήταν σε θέση να παρουσιάσουν την πεμπτουσία ως ένα βαθμωτό πεδίο που ξεκινά την δυναμική ενέργειά του από μια ελάχιστη τιμή. Για την κατανόηση της έννοιας της πεμπτουσίας, σκεφτείτε ένα σύνολο ελατηρίων κάτω από μια τάση - με διαφορετικό μήκος σε κάθε σημείο του χώρου - και την άσκηση μιας αρνητικής πίεσης που αντιδρά στη θετική πίεση της βαρύτητας.

Η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν αντιθέτως κάθε ελατήριο θα είχε το ίδιο μήκος και θα ήταν ακίνητο.

Με το σενάριο του 'ξεπαγώματος', η δυναμική ενέργεια του πεδίου της πεμπτουσίας ήταν "παγωμένη" στο χώρο έως ότου η μειούμενη πυκνότητα της ύλης του διαστελλόμενου σύμπαντος βαθμιαία την ελευθέρωσε. Στο σενάριο του 'παγωμένου' το πεδίο της πεμπτουσίας έχει κυλήσει προς την ελάχιστη δυναμική του ενέργεια καθώς το σύμπαν  υποβλήθηκε στη διαδικασία του πληθωρισμού, αλλά καθώς άρχισε να εξουσιάζει τον κόσμο, αυτή γίνεται βαθμιαία σταθερή.

Η πρόταση για το SNAP είναι στη διαδικασία της έρευνας και της αξιολόγησης από φυσικούς, αστρονόμους, και μηχανικούς στο εργαστήριο του Μπέρκλεϋ, σε συνεργασία με επιστήμονες από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλευ και πολλά άλλα ιδρύματα. Το διαστημικό παρατηρητήριο SNAP χρειάζεται ένα τηλεσκόπιο τριών κατόπτρων των 2 μέτρων,  σε τροχιά στο βαθύ διάστημα, που θα χρησιμοποιηθεί για να βρει και να μετρήσει χιλιάδες σουπερνόβες τύπου Ia κάθε χρόνο.

Με αυτό το πρότζεκτ αναμένεται να συλλεχθούν δεδομένα από 300 εκατομμύρια γαλαξίες που καλύπτουν τα δύο τρίτα της ιστορίας του σύμπαντος. Έτσι, θα μάθουμε όχι μόνο τη σύνθεση της ύλης στο νεαρό σύμπαν, αλλά θα διακρίνουμε κα ποιο μοντέλο ισχύει: το μοντέλο της ενέργειας του κενού ή το μοντέλο της πεμπτουσίας.

Επίσης, αν ισχύει το μοντέλο της πεμπτουσίας οι μετρήσεις πρέπει να μας δώσουν αρκετές πληροφορίες για να δείξουν σαφώς ποιό σενάριο είναι το επικρατέστερο: του 'ξεπαγώματος' ή του 'παγωμένου' - είτε και κάτι άλλο εξ ολοκλήρου νέο και άγνωστο.

Και όπως λένε οι εμπνευστές του πειράματος εάν τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις με το SNAP βρίσκονται έξω από τα δύο σενάρια, τότε πρέπει να κοιτάξουμε πέρα από την πεμπτουσία, ίσως ακόμη και στην πιο εξωτική φυσική, όπως μια τροποποίηση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας για να εξηγήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια."

Αλλά μερικοί αστρονόμοι δεν πιστεύουν πως αυτή η κάμερα του SNAP θα μας αποκαλύψει πολλά από τα μυστικά του Σύμπαντος προς όφελος της μιας ή της άλλης θεωρίας. Από το Πανεπιστήμιο του Princeton, άλλοι ερευνητές πιστεύουν πως τα λάθη από τις μετρήσεις, πολλαπλασιάζονται από τις εξισώσεις, σε βαθμό που ένα λάθος μετρήσεων 1% γίνεται 40% λόγω κακών υπολογισμών στις εξισώσεις.

Άρθρο των R.R. Caldwell and Eric V. Linder

Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Τι είναι η πεμπτουσία;
Ο Αϊνστάιν και η κοσμολογική σταθερά Λ