Η σκοτεινή ενέργεια χρωματίζει μια κενή περιοχή του σύμπαντος

Πηγή: BBC, 24 Αυγούστου 2007

Βρέθηκε προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Ηριδανού μια περιοχή όπου δεν υπάρχει καμιά ύλη, είτε η ορατή είτε η αόρατη σκοτεινή ύλη. Βέβαια τέτοιες περιοχές κενές από οποιαδήποτε μορφή ύλης είχαν εντοπιστεί και άλλοτε, αλλά ποτέ δεν είχαν τέτοιο τεράστιο μέγεθος όσο αυτή, με πλάτος περίπου 1 δισεκατομμύριο έτη φωτός.

Η περιοχή αυτή είναι στο σημείο που είναι γνωστό ως WMAP  Cold Spot στην εικόνα της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας (CMB), όπως φαίνεται στην εικόνα. Για τον εντοπισμό δε της περιοχής αυτής χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από τη συστοιχία των 27 ραδιοτηλεσκοπίων Very Large Array στο Νέο Μεξικό.

Η ακτινοβολία CMB, που είναι η εξασθενημένη μικροκυματική ακτινοβολία - στους 160.2 gigahertz - κατάλοιπο από την εποχή του Big Bang, μας δίνει την πρώτη βρεφική εικόνα του σύμπαντος. Οι ανωμαλίες στην CMB δείχνουν δομές που υπήρχαν στο σύμπαν λίγες εκατοντάδες χιλιάδες χρόνια μετά το Big Bang.

Η τεράστια κενή περιοχή προς τον αστερισμό του Ηριδανού μπορεί να μας δίνει κάποιες νύξεις για τη λειτουργία της σκοτεινής ενέργειας στον απόμακρο Κόσμο.

Η περιοχή αυτή ξεχωρίζει στα στοιχεία του δορυφόρου WMAP επειδή είναι ελαφρώς πιο ψυχρή - μια διαφορά θερμοκρασίας στο επίπεδο εκατομμυριοστών του ενός βαθμού Κέλβιν. Έτσι, προκύπτουν δύο δυνατότητες για την κενή περιοχή: Είτε ότι το ψυχρό σημείο θα μπορούσε να είναι εγγενές στην ίδια την CMB, μια δομική ανωμαλία στον πρώιμο Κόσμο. Ή ότι θα μπορούσε να δείχνει κάτι μέσω του οποίου πέρασε η ακτινοβολία CMB κατά το δρόμο της μέχρι τους ανιχνευτές της CMB στη Γη.

Αλλά τώρα μια νέα μελέτη που χρησιμοποιεί στοιχεία από τα παρατηρητήρια VLA προσφέρει μια πιθανή επιβεβαίωση της τελευταίας δυνατότητας.

"Αν και τα εκπληκτικά αυτά αποτελέσματα χρειάζονται μια ανεξάρτητη επιβεβαίωση,  η ελαφρώς χαμηλότερη θερμοκρασία της CMB σε αυτήν την περιοχή εμφανίζεται να προκαλείται από μια τεράστια τρύπα απαλλαγμένη σχεδόν από ύλη, που κατά προσέγγιση είναι 6-10 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη", αναφέρει ο Lawrence Rudnick του Πανεπιστημίου της Minnesota.

Και πράγματι το γεγονός αυτό δεν είναι συνηθισμένο. Ο Κόσμος είναι γνωστό πως χαρακτηρίζεται από κενά κατά ένα μεγάλο μέρος άδεια από ύλη, αλλά καμιά δεν ήταν σε αυτήν την κλίμακα, ούτε δε οι προσομοιώσεις μας έδωσαν το μέγεθος αυτής της τρύπας. Οι ερευνητές εξετάζουν τώρα το μέγεθος αυτό να οφείλεται στη σκοτεινή ενέργεια. Η έλλειψη της ύλης δημιουργεί χαμηλότερες θερμοκρασίες στη CMB, υποστηρίζει η ομάδα, επειδή τα φωτόνια της CMB που περνούν μέσα από το κενό προτού φθάσουν στη γη θα πρέπει να έχουν λιγότερη ενέργεια από αυτά που περνούν μέσω του χώρου γεμάτα με μια κανονική κατανομή της ύλης.

Σε μια απλή διαστολή του Κόσμου, χωρίς καμιά σκοτεινή ενέργεια, τα φωτόνια που πλησιάζουν μια μεγάλη μάζα - όπως ένα υπερσμήνος γαλαξιών - κερδίζουν ενέργεια από τη βαρύτητά του. Και μόλις αυτά απομακρύνονται, η βαρύτητα μειώνει την ενέργειά τους. Έτσι, τελικά έχουν την ίδια ενέργεια με αυτή που άρχισαν.

Αλλά τα φωτόνια που περνούν μέσω ενός διαστήματος πλούσιου σε ύλη, όταν η σκοτεινή ενέργεια είναι κυρίαρχη, δεν επιστρέφουν πίσω στο αρχική ενεργειακή κατάσταση τους. Η σκοτεινή ενέργεια αντιδρά στην επίδραση της βαρύτητας και έτσι οι μεγάλες μάζες δεν μειώνουν τόσο πολύ την ενέργεια των φωτονίων καθώς αυτά απομακρύνονται. Κατά συνέπεια, αυτά τα φωτόνια φθάνουν στη Γη με μια ελαφρώς υψηλότερη ενέργεια, ή θερμοκρασία, από ότι σε έναν Κόσμο χωρίς σκοτεινή  ενέργεια.

Αντιθέτως, φωτόνια που περνούν μέσω ενός μεγάλου κενού 'νιώθουν' μια μείωση της ενέργειας τους.

Οι επιστήμονες αναφέρονται σε αυτό το φαινόμενο ως Integrated Sachs-Wolfe Effect και ένα αντίστοιχο "θερμό σημείο" στην CMB που συνδέθηκε με ένα χώρο του διαστήματος στο οποίο υπήρχε ένα υπερσμήνος γαλαξιών προσδιορίστηκε πριν μερικά χρόνια.

"Στην ουσία, αυτή η μελέτη μας δίνει μια πολύ κομψή επίδειξη της ύπαρξης της σκοτεινής ενέργειας με έναν τρόπο που είναι πολύ πειστικός", σχολίασε ο καθηγητής Carlos Frenk, διευθυντής του ιδρύματος για την υπολογιστική κοσμολογία στο πανεπιστήμιο Durham.

"Συνεχίζουμε να παίρνουμε στοιχεία για τη σκοτεινή ενέργεια, αυτό το συστατικό του Κόσμου που ενώ κυριαρχεί στο Σύμπαν, έχουμε όμως μόνο ένα μικροσκοπικό αμυδρό φως του τι μπορεί να είναι."

Ο λόγος που το κενό υπάρχει δεν είναι γνωστός. "Αυτό που βλέπουμε είναι μια πρόκληση για τους ανθρώπους που εργάζονται πάνω στην ανάπτυξη της δομής στον Κόσμο. Είναι ένα πολύ καυτό θέμα στην κοσμολογία", σχολιάζει ο καθηγητής Rudnick. Ίσως οι κοσμικές τρύπες να δημιουργούνται όταν η βαρύτητα περιοχών με μεγάλη πυκνότητα ύλης έλκει υλικό από πιο αραιές περιοχές και τις αδειάζει.

Αλλά αυτή η εργασία, όπως τόνισε ο Rudnick, χρειάζεται και επιβεβαίωση. Όπως λέει το μέλος της ομάδας Liliya Williams, "αυτό που έχουμε βρει δεν είναι κανονικό, βασισμένο είτε στις παρατηρητικές μελέτες είτε στις προσομοιώσεις της Μεγάλης Κλίμακας Εξέλιξης του Κόσμου."

Μπορεί δε το μέγεθος αυτού του κενού μαζί με τα υπόλοιπα στοιχεία του WMAP να μας δώσει αναμφίβολα νέες εκπλήξεις. Ας ελπίσουμε ότι έχει επίσης να μας πει περισσότερα για την ίδια την σκοτεινή ενέργεια.

Η εργασία θα δημοσιευτεί στο Αστροφυσικό Περιοδικό (Astrophysical Journal).

Η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου CMB ανακαλύφθηκε αρχικά στα μέσα της δεκαετίας του '60 από τους ερευνητές Arno Penzias και Robert Wilson των εργαστηρίων Bell. Ενώ δούλευαν πάνω σε μια έρευνα με ραδιοκύματα, η αντένα τους σε σχήμα κεράτου έλαβε έναν παράξενο σήμα, ένα θόρυβο που ερχόταν από το διάστημα. Αμέσως εξέθεσαν αυτό το φαινόμενο στο φυσικό Robert Dicke του πανεπιστημίου του Princeton, ο οποίος υπολόγισε τη θερμοκρασία του σήματος και διαπίστωσε ότι ταίριαζε με τις προβλέψεις της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Αυτή η ανακάλυψη επιβεβαίωσε την ύπαρξη μιας εξαιρετικά καυτής αρχής στο σύμπαν. Δεν ήταν αρκετά ακριβές, εντούτοις, το σήμα ώστε να αποκαλύψει τις λεπτές λεπτομέρειες της αρχέγονης κατανομής της ύλης και της ενέργειας.

Στις αρχές της δεκαετίας του '90, χάρις στην εργασία των John Mather και George Smoot, που κέρδισε Νόμπελ φυσικής, που βασίστηκε στα δεδομένα του Εξερευνητή Κοσμικού Υποβάθρου της NASA (COBE), χαρτογραφήθηκε η ακριβής κατανομή της συχνότητας της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και καθορίστηκε, πέρα από κάθε αμφιβολία, ότι ταίριαζε ακριβώς με την ακτινοβολία που αναμενόταν να υπάρχει στον ουρανό από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης, και η οποία ψύχθηκε κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών.

Ο Smoot και η ομάδα του ανακάλυψαν ένα μωσαϊκό μικρών διακυμάνσεων της θερμοκρασίας (που λέγονται ανισοτροπίες) σε όλο τον ουρανό, δείχνοντας έτσι τις λεπτές πρώιμες διαφορές στις πυκνότητες των διάφορων περιοχών του Κόσμου. Αυτές οι διακυμάνσεις επέδειξαν πώς στο δημιουργούμενο Κόσμο υπήρξαν οι ελαφρώς πυκνότεροι "σπόροι", που θα προσέλκυαν όλο και περισσότερη μάζα και θα αυξάνονταν τελικά στις ιεραρχικές δομές (αστέρια, γαλαξίες, σμήνη των γαλαξιών, και ούτω καθ' εξής), τις οποίες παρατηρούμε σήμερα.

Το αίτημα για την χαρτογράφηση των κυματισμών της CMB με ολοένα περισσότερη ακρίβεια έχει συνεχιστεί καθ' όλη τη διάρκεια των προηγούμενων δύο δεκαετιών. Μεμονωμένα δε, αυτοί οι κυματισμοί δίνουν έναν πλούτο προσιτών πληροφοριών για την κατάσταση του σύμπαντος πολλά δισεκατομμύρια έτη πριν. Είναι σαν μια σπάνια σφηνοειδή επιγραφή που, με τη βελτίωση των γνώσεων μας πάνω στην αρχαία γλώσσα, μας δίνει ολοένα πιο πλούσιες ιδέες για την αρχαία ιστορία κάθε φορά που διαβάζεται.