Σκοτεινή ενέργεια: Κοιτάζοντας την καρδιά της άγνοιας

Κάθε τόσο οι κοσμολόγοι αποφασίζουν ότι το σύμπαν χρειάζεται ξανασχεδίαση. Μερικές φορές κάνουν τέλεια αποσυναρμολόγηση του, όπως όταν μετέθεσαν οι Κοπέρνικος και Κέπλερ τον ήλιο και τη γη για να ξεφορτωθούν όλους αυτούς τους επίκυκλους και να κάνουν τους πλανήτες να κινούνται σε απλές τροχιές. Μερικές φορές το εξωραΐζουν, όπως όταν αποφάσισε ο Αϊνστάιν ότι ο χώρος έπαιζε κάποιο ρόλο και έτσι εισήγαγε την ιδέα της παραμόρφωσης του χωροχρόνου.


Σύνθεση του σύμπαντος

Οι κοσμολόγοι πάλι ασχολούνται με το σύμπαν, αλλά αυτή τη φορά είναι κάτι διαφορετικό. Συνειδητοποιούν ότι τα ευρήματα τους δείχνουν σοβαρά προβλήματα με τα μοντέλα της δομής του Κόσμου. Αυτή η ανακάλυψη τους αναγκάζει να συλλογιστούν τολμηρές αλλαγές για να σταθεροποιήσουν τα προβλήματα.

Όταν αυτές οι αλλαγές γίνουν, το πιο πιθανό είναι ότι εμείς μετά βίας θα αναγνωρίσουμε την παλαιά θέση μας. Θα ξανασχεδιαστεί όχι μόνο η εικόνα μας για το Σύμπαν, αλλά ίσως και η σωματιδιακή φυσική, η βαρυτική φυσική και η θεωρία χορδών. Αυτό υποστηρίζει ο Edward (Rocky) Kolb ένας κοσμολόγος στο Fermilab.

Το πρόβλημα που έχουν οι κοσμολόγοι ακούει στο όνομα "σκοτεινή ενέργεια". Αυτή η αινιγματική οντότητα – που θα μπορούσε να είναι κάποιο είδος ουσίας, ή ένα πεδίο, ή ίσως κάτι εξ ολοκλήρου νέο – τη συνειδητοποίησαν οι κοσμολόγοι μόλις το 1998, όταν ανακάλυψαν οι αστρονόμοι ότι κάτι πρέπει να επιταχύνει την διαστολή του Κόσμου. Μια σχεδόν δεκαετία αργότερα, δεν έχει γίνει ακόμα κατανοητό τι είναι αυτή η περίφημη σκοτεινή ενέργεια. Το πρόβλημα έχει γίνει τόσο δυσεπίλυτο που πολλοί το θεωρούν τώρα ως τη μέγιστη πρόκληση που αντιμετωπίζει η φυσική.

Η κλίμακα του προβλήματος έχει σπρώξει τους αστρονόμους να δραστηριοποιηθούν με όλες τους τις δυνάμεις. Ανιχνεύοντας τους ουρανούς με ολοένα μεγαλύτερες λεπτομέρειες, οι παρατηρήσεις τους θα μπορούσαν σύντομα να μας οδηγήσουν στην προέλευση και τη φύση αυτής της ουσίας. Σύμφωνα δε με τους κοσμολόγους αποτελεί σχεδόν τα τρία τέταρτα του σύμπαντος και θα υπαγορεύσει τελικά τη μοίρα του Κόσμου. "Η σκοτεινή ενέργεια είναι περισσότερο μια πρόκληση για τους φυσικούς από ό,τι είναι για τους αστρονόμους", υποστηρίζει ο Kolb. "Οι αστρονόμοι μετρούν με ακρίβεια την επιτάχυνση του σύμπαντος αλλά οι φυσικοί πρέπει να εξηγήσουν τι είναι πραγματικά η σκοτεινή ενέργεια."

Δεν υπάρχει κανένας τρόπος να ανιχνεύσουμε τη σκοτεινή ενέργεια άμεσα, κι έτσι πρέπει να μετρήσουμε τα αποτελέσματά της. Τα πιο προφανές αποτέλεσμα είναι ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται.
Κοσμική πανάκεια

Η ανακάλυψή της ήρθε περίπου ως εξής. Δύο ανεξάρτητες ομάδες αστρονόμων χρησιμοποιούσαν το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και ένα πλήθος μεγάλων επίγειων τηλεσκοπίων για να ανακαλύψουν σουπερνόβες στον απόμακρο Κόσμο. Μετρώντας το μήκος κύματος και την ένταση του φωτός από αυτά τα άστρα είναι δυνατό να δούμε την κοσμική ιστορία και να υπολογίσουμε πόσο γρήγορα έχει επεκταθεί ο Κόσμος τα προηγούμενα λίγα δισεκατομμύρια έτη. Αυτό που ο καθένας θα ανέμενε ήταν ότι η διαστολή, που άρχισε με τη Μεγάλη Έκρηξη, θα επιβραδυνόταν, καθώς η βαρύτητα του υπόλοιπου σύμπαντος θα ανάγκαζε τους εξωτερικούς μεμονωμένους γαλαξίες να μειώνουν την επιτάχυνση της διαστολής τους. Με έκπληξη είδαν ότι οι υπολογισμοί και των δύο ομάδων έδειξαν ότι συνέβαινε το αντίθετο: ο ρυθμός της διαστολής στην πραγματικότητα αυξανόταν.

Αν και το γεγονός αυτό πήγαινε ενάντια σε ότι νόμιζαν ότι ήξεραν για τον Κόσμο, τα αποτελέσματα ήταν αναμφισβήτητα. "Το γεγονός ότι δύο ανεξάρτητες ομάδες κατέληξαν στο ίδιο συμπέρασμα έσπρωξε βεβαίως τον καθένα μας να τα εμπιστευτούν", λέει ο Adam Reiss που καθοδήγησε τη μία από τις ομάδες.

Ακόμη και πριν από αυτά τα καταπληκτικά αποτελέσματα, οι κοσμολόγοι έβλεπαν με ανησυχία κάποιος υπαινιγμούς ότι κάτι πήγαινε λάθος με τα μοντέλα, για το πώς λειτουργεί του σύμπαν. Ένας από αυτούς προήλθε από λεπτομερείς παρατηρήσεις της ακτινοβολίας που απελευθερώθηκε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο μόνος τρόπος για να ταιριάζουν οι παρατηρήσεις με τα υπάρχοντα κοσμολογικά μοντέλα ήταν να στρεβλωθεί ελαφρώς ο ιστός του χωροχρόνου. Τέτοια στρέβλωση όμως είναι αδύνατο να εξηγηθεί εκτός κι αν υπάρχει κάτι εκτός από την κανονική ύλη, τα νετρίνα, τη σκοτεινή ύλη και την ακτινοβολία που ξέρουμε. Η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται τώρα να ταιριάζει με το λογαριασμό.

Προς στιγμή, οι κοσμολόγοι ονειρεύονταν ότι η σκοτεινή ενέργεια θα έλυνε επίσης διάφορα άλλα προβλήματα. Αυτή εξηγούσε γιατί ορισμένα αστέρια φάνηκαν ότι ήταν παλαιότερα από το ίδιο το σύμπαν. Παρείχε πιθανές ενδείξεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης που φαίνεται να συγκρατεί ενωμένους μεμονωμένους γαλαξίες, και ίσως θα μπορούσε να εξηγήσει "τον πληθωρισμό", μια ξαφνική επιτάχυνση στην διαστολή του σύμπαντος, που συνέβη μέσα σε ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Σκοτεινή ενέργεια υπό δοκιμή

Αν και η σκοτεινή ενέργεια είναι πανταχού παρούσα στις συνομιλίες των κοσμολόγων, κανένας δεν ξέρει τι είναι στην πραγματικότητα. Όπως λέει και ο Kolb : Η ονομασία αυτή δεν εξηγεί τίποτα.

Αν και υπάρχουν άφθονες αβέβαιες εξηγήσεις, που η κάθε μια φαίνεται να πάσχει από κάποια μοιραία ρωγμή. Η απλούστερη από τις λύσεις είναι η κοσμολογική σταθερά. Είναι μια ενέργεια που συνδέεται με τον χωρόχρονο, και που αρχικά την επικαλέσθηκε ο Αϊνστάιν στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητάς του. Αντιπροσωπεύει μια κοσμική άπωση, που ο Αϊνστάιν όρισε με ακρίβεια για να εμποδίσει το σύμπαν – που εκείνη την εποχή δεν γνώριζε ότι επεκτεινόταν – από το να καταρρεύσει στον ίδιο τον εαυτό του ως αποτέλεσμα όλης της βαρύτητας που παραγόταν από τα διάφορα ουράνια αντικείμενα.

Όταν ο Αϊνστάιν έμαθε τα της ανακάλυψης του Edwin Hubble, ότι δηλαδή το διάστημα διαστέλλεται πράγματι, συνειδητοποίησε ότι η κοσμολογική σταθερά ήταν περιττή και τότε είπε το περίφημα "ήταν το μεγαλύτερο μου σφάλμα". Τώρα η επιταχυνόμενη διαστολή του Κόσμου αναγκάζει τους αστρονόμους να διερωτώνται εάν μπορεί τελικά να υπάρξει μια κοσμολογική σταθερά, που να οδηγεί την επιτάχυνση του Κόσμου.

Δυστυχώς, οι φυσικοί έχουν πρόβλημα να ανακαλύψουν έναν τρόπο να ταιριάξουν μια κοσμολογική σταθερά στις καλύτερες υπάρχουσες θεωρίες τους. "Μια μικρή μη μηδενική σκοτεινή ενέργεια είναι δυσκολότερο να εξηγηθεί από τη μηδενική", λέει ο Sean Carroll, κοσμολόγος από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας στην Πασαντένα. "Κι έτσι οδηγούμαστε σε πιο άγριες ιδέες."

Μία από αυτές τις άγριες ιδέες είναι η πεμπτουσία, η οποία θέτει ως αίτημα την ύπαρξη ενός έως τώρα ανυποψίαστου κβαντικού πεδίου που διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν. Επειδή αυτό υπονοεί ότι θα υπάρχει επίσης και μια νέα θεμελιώδης δύναμη της φύσης, η ιδέα αυτή κάνει μερικούς φυσικούς να σκεφτούν: αντί της προσθήκης μιας νέας δύναμης, γιατί να μην τροποποιήσουμε μια παλιά; Ίσως να υπάρχουν απροσδόκητες ιδιότητες της βαρύτητας, που να εμφανίζονται σε γιγάντιες αποστάσεις που η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν δεν προβλέπει.

Οι υπερασπιστές της γενικής σχετικότητας επισημαίνουν ότι το πρόβλημα δεν οφείλεται στη γενική σχετικότητα, αλλά με μια ακόμα πιο θεμελιώδη πτυχή του Κόσμου μας. Επισημαίνουν ότι για σχεδόν έναν αιώνα έχει υποτεθεί ότι το σύμπαν είναι το ίδιο προς κάθε κατεύθυνση. Αν αφήσουμε αυτή την υπόθεση τότε θα μπορούσαμε να να οδηγηθούμε στην επιτάχυνση της διαστολής χωρίς την ανάγκη για την σκοτεινή ενέργεια.

Αντιμέτωπο με αυτές τις διαφορετικές προσεγγίσεις, για να μην αναφέρουμε και τις διάφορες παραλλαγές που υπάρχουν μέσα στην κάθε μία, δεν προκαλεί κατάπληξη ότι οι κοσμολόγοι ξύνουν τα κεφάλια τους διερωτώμενοι ποιά μπορεί να είναι η καλύτερη. Πέρυσι, δύο ανεξάρτητες επιτροπές από κορυφαίους κοσμολόγους συγκεντρώθηκαν για να απαντήσουν σε αυτήν την ερώτηση. Ο Kolb προήδρευσε της ομάδας εργασίας για τη Σκοτεινή Ενέργεια, η οποία υπέβαλε μια έκθεση στο αμερικανικό υπουργείο ενέργειας, τη NASA και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστήμης. Η σύστασή της ομάδας είναι ένα "επιθετικό πρόγραμμα για να ερευνηθεί η σκοτεινή ενέργεια όσο το δυνατόν πληρέστερα, επειδή είναι πρόκληση για την κατανόηση των θεμελιωδών φυσικών νόμων και τη φύση του Κόσμου". Στην Ευρώπη, ο John Peacock του πανεπιστημίου του Εδιμβούργου, συγκάλεσε μια επιτροπή υπό την αιγίδα της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA) και του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητήριου. Η τελευταία επιτροπή κατέληξε σε ένα παρόμοιο συμπέρασμα. Από όλες τις προκλήσεις στην κοσμολογία, η ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας "κατέχει τη μέγιστη πρόκληση για τη φυσική", επειδή δεν υπάρχει καμία "εύλογη ή φυσική" εξήγηση για αυτήν, λέει η επιτροπή του Peacock.

Πώς σκοπεύουν να την αντιμετωπίσουν; Είναι απλό: με ακόμα μεγαλύτερη έρευνα για το σύμπαν, για να δούμε εάν η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει με το χρόνο και, εάν αλλάζει, πόσο γρήγορα αλλάζει. Εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι μια εκδήλωση της κοσμολογικής σταθεράς, θα είναι αμετάβλητη. Σε αντίθεση, η πεμπτουσία είναι μεταβλητή και θα μπορούσε να αλλάξει κατά τη διάρκεια του χρόνου, ή από μέρος σε μέρος μέσα στο σύμπαν. Η τροποποιημένη βαρύτητα έχει παρόμοια, αν και όχι ίδια, χαρακτηριστικά.

Οι αστρονομικές έρευνες θα δείξουν τα διαστρεβλωμένα αποτελέσματα που η σκοτεινή ενέργεια έχει πάνω στην κατανομή των γαλαξιών σε όλο το σύμπαν. Όσο περισσότερους γαλαξίες εξετάζουν οι αστρονόμοι, τόσο πιο σωστά θα είναι αυτά τα αποτελέσματα. Και όσο πιο μακριά φθάσει η έρευνα στο σύμπαν, τόσο πιο εύκολο θα είναι να δούμε εάν η σκοτεινή ενέργεια έχει αλλάξει με το χρόνο.

Η πιο περιεκτική μελέτη πρόκειται να αρχίσει το 2012, όταν το Μεγάλο Συνοπτικό Τηλεσκόπιο Ερευνών (LSST ή Large Synoptic Survey Telescope) αρχίσει να λειτουργεί από το Cerro Pachσn στη Χιλή. Με το επιβλητικό κάτοπτρο της φωτογραφικής μηχανής του των 8.4 μέτρων, το LSST θα είναι ένα τέρας που θα ‘καταβροχθίσει’ τον ουρανό. Θα βλέπει μια περιοχή του ουρανού 400 φορές μεγαλύτερη από την περιοχή του γεμάτου φεγγαριού κάθε φορά, ενώ θα παίρνει μια εικόνα κάθε 15 δευτερόλεπτα. Σε ακριβώς τρεις ημέρες θα είναι σε θέση να καταγράψει ολόκληρο τον ορατό ουρανό της νύχτας

Τελικά η αναζήτηση θα κινηθεί στο διάστημα για ακόμα μεγαλύτερες ακρίβεια και ευαισθησία. Η NASA χρηματοδοτεί τρία σχέδια μελέτης για μια διαστημική αποστολή αναζήτησης της σκοτεινής ενέργειας (Joint Dark Energy Mission), που ελπίζουμε ότι θα προωθεί κάποτε μεταξύ του 2011 και 2017. Ο Peacock υποστηρίζει ότι και η ESA πρέπει επίσης να μελετήσει ένα τέτοιο πρόγραμμα.

Ακόμη και προτού να αρχίσουν αυτά τα μέγα-προγράμματα, μπορούμε να αρχίσουμε να παίρνουμε απαντήσεις. Οι αστρονόμοι έχουν ήδη το μεγαλύτερο μέρος του εξοπλισμού για να αρχίσουν τη μεγάλη έρευνά τους, όπως τα παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο με ξεπερασμένα τηλεσκόπια. Περίπου πριν 15 έτη, τα τηλεσκόπια των 4 μέτρων ήταν στην κορυφή της έρευνας, αλλά τώρα θεωρούνται ξεπερασμένα μπροστά στη νέα γενεά των μεγαλύτερων οργάνων.

Ο πιο φιλόδοξος χάρτης του ουρανού είναι μέχρι σήμερα η Ψηφιακή Έρευνα Ουρανού Sloan. Χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο των 2,5 μέτρων μόνο στο Apache Pointτου Νέου Μεξικού κατά τη διάρκεια των προηγούμενων πέντε χρόνων έχει συλλέξει το φως από 675.000 γαλαξίες. Ένα τηλεσκόπιο των 4 μέτρων θα μπορούσε όχι μόνο να εργαστεί γρηγορότερα από αυτό, αλλά και να φθάσει πιο πίσω στην ιστορία του Κόσμου. Όλα όσα απαιτούνται για να αρχίσουν την έρευνα είναι μια ευρυγώνια κάμερα για να πάρουν εικόνες από μεγάλες περιοχές του ουρανού ταυτόχρονα.

Ο Ofer Lahav του πανεπιστημιακού κολεγίου στο Λονδίνο έχει ένα σχέδιο για να πραγματοποιήσει ακριβώς αυτό. Ο ίδιος καθοδηγεί μια κοινοπραξία αστρονόμων που προγραμματίζουν να χτίσουν το είδος της ευρυγώνιας κάμερας που είναι απαραίτητη για την έρευνα τους.

"Η έρευνά μας θα μπορούσε να δει 500 εκατομμύρια γαλαξίες", λέει ο Lahav. Αυτοί οι γαλαξίες θα κατανέμονταν στα τρία τέταρτα του ορατού Κόσμου. Για να αντιμετωπίσει την πλημμύρα των στοιχείων, η ομάδα του Lahav έχει χρησιμοποιήσει τις υπάρχουσες εικόνες του ουρανού για να εκπαιδεύσει ένα νευρωνικό δίκτυο για να αναγνωρίσει τους γαλαξίες και να υπολογίσει έτσι τις αποστάσεις τους.

Η ομάδα αυτή έχει επίσης την άδεια να χρησιμοποιήσει την κάμερα της από κοινού με το τηλεσκόπιο Blanco των 4 μέτρων στο Cerro Tololo της Χιλής, και ψάχνει τώρα τα 20 έως 30 εκατομμύρια δολάρια που θα απαιτηθούν για να χτίσουν τα ιδιαίτερα περίπλοκα οπτικά και να χρησιμοποιήσουν μετά το τηλεσκόπιο.

Ο Peacock θα ήθελε να έβλεπε περισσότερες τέτοιες προσπάθειες και σύντομα. "Πρέπει να αρχίσουμε τώρα", τονίζει. Είναι ένας μεγάλος ουρανός και υπάρχουν πολλά τηλεσκόπια για να κάνει κανείς αυτή την εργασία, επισημαίνει.

Έφυγαν οι μέρες όταν αντιμετωπίζονταν οι αστρονομικές έρευνες σαν εγκόσμιες, θεωρητικές μικροδουλειές. Δίνοντας μας λεπτομερείς μετρήσεις της επιτάχυνσης των διαφορετικών μερών του σύμπαντος, η επόμενη γενεά των ερευνών θα μπορούσε να αποκαλύψει τη φύση του κυρίαρχου συστατικού του Κόσμου. Οτιδήποτε αποδειχθεί θα είναι μεγάλη είδηση. "Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι ο αιθέρας του 21ου αιώνα", λέει ο Carroll. Ακόμα κι αν την εξηγήσουμε αργά, θα μάθουμε κάτι βαθύ για τον κόσμο.

Αυτή είναι μια άποψη κοινή στους κοσμολόγους παντού. "Βλέπουμε σίγουρα κάτι επιπλέον στον κόσμο, που δεν ξέρουμε πώς να το ερμηνεύσουμε ακόμα", βεβαιώνει ο Lahav. Και αυτό έχει δώσει στους κοσμολόγους μια νέα αίσθηση. Έρχεται ένας σεισμός πάνω στην γνώση μας για το σύμπαν. Πόσο σύντομα θα φθάσει και από ποιά κατεύθυνση θα προέλθει – είναι ακόμα μια εικασία.

1. Μια νέα μορφή ενέργειας



Το πώς μοιάζει ο χωροχρόνος εξαρτάται από τη φύση της σκοτεινής ενέργειας : Εδώ το σύμπαν με κοσμολογική σταθερά

Ο ίδιος ο Αϊνστάιν φλέρταρε με μια παράξενη μορφή ενέργειας που μπορεί απλώς να ταιριάζει με τα νούμερα. Την ονόμασε κοσμολογική σταθερά. Αυτές τις μέρες οι φυσικοί προτιμούν το όνομα ενέργεια κενού, και τους αρέσει να την θεωρούν ως το "κόστος" του ελεύθερου χώρου. Έτσι αυτό σημαίνει ότι κάθε κυβικό μέτρο του διαστήματος, ανεξάρτητα από το πόσο ψυχρός ή κενός είναι, περιέχει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας. Σύμφωνα με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, αυτή η ενέργεια καθοδηγεί την διαστολή του Κόσμου.

Αλλά πολλοί φυσικοί δεν είναι ευχαριστημένοι από την κοσμολογική σταθερά. Ένας λόγος για αυτό είναι ότι η κβαντική θεωρία προβλέπει μια ενέργεια του κενού, που είναι 120 μεγέθη μεγαλύτερη από αυτή που στην πράξη απαιτείται για να προκαλέσει την παρατηρηθείσα επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Αυτή η κολοσσιαία απόκλιση είναι ένας λόγος για τον οποίο οι φυσικοί διατύπωσαν την θεωρία της υπερσυμμετρίας, η οποία εξουδετερώνει την ενέργεια του κενού εντελώς.

Το πρόβλημα είναι, ότι το σύμπαν έχει άλλες απόψεις: εάν η σκοτεινή ενέργεια που ωθεί τους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών να απομακρύνονται μεταξύ τους είναι η ενέργεια του κενού, τότε η μικρή ποσότητα της ενέργειας αυτής που υπάρχει είναι εξοργιστικά δύσκολο να εξηγηθεί. Βεβαίως, κερδίζει μέχρις στιγμής οποιοδήποτε άλλο υπάρχον μοντέλο.

2. Μια νέα δύναμη της φύσης



Εδώ το σύμπαν με την πεμπτουσία

Όταν οι φυσικοί δεν καταλαβαίνουν κάτι, εφευρίσκουν ένα νέο πεδίο για να το εξηγήσουν, γι αυτό και οι αστρονόμοι επίσης το έμαθαν αυτό το τέχνασμα. Στην περίπτωση του μυστηρίου της σκοτεινής ενέργειας, το αποτέλεσμα αυτής της τακτικής είναι ένα κβαντικό πεδίο που ονομάζεται πεμπτουσία. Όπως η κοσμολογική σταθερά, έτσι και η πεμπτουσία λέγεται πως έχει εισχωρήσει σε όλο το σύμπαν, αλλά μια από τις βασικές διαφορές της από την κοσμολογική σταθερά είναι ότι μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με τον χρόνο και τον τόπο. Οι διάφορες εκδόσεις της εξαρτώνται ανάλογα με το πόσο γρήγορα μεταβάλλονται. Μια έκδοση της, που καλείται φανταστική ενέργεια (ή ενέργεια φάντασμα), χτίζεται με τον χρόνο, κάτι που αναγκάζει την διαστολή να γίνεται ολοένα και πιο γρήγορα, έως ότου τελικά το σύμπαν σχιστεί σε κομμάτια.

Το Νοέμβριο του 2006 μια ομάδα με επικεφαλής τον αστρονόμο Adam Reiss, ανήγγειλε ότι είχαν ανιχνεύσει πως ήταν η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας στο σύμπαν πριν 9 δισεκατομμύρια έτη. Ο Reiss απέκλεισε τότε μετά τις παρατηρήσεις του ότι η πεμπτουσία αλλάζει γρήγορα. Δεδομένου ότι οι περισσότερες έρευνες της σκοτεινής ενέργειας είναι εν εξελίξει, ελπίζουν οι κοσμολόγοι ότι θα στενέψουν τα όρια του πεδίου ακόμη περισσότερο, αναγκάζοντας τελικά όλους να συγκλίνουν σε μια ενιαία λύση.

Υπάρχουν, επίσης, κάποια θεμελιώδη προβλήματα κι έτσι κάθε λύση που περιλαμβάνει την πεμπτουσία ως συστατικό της σκοτεινής ενέργειας θα πρέπει οπωσδήποτε να υπερνικήσει. Στα πιο γνωστά κβαντικά πεδία, οι διακυμάνσεις στο πεδίο φανερώνονται σαν σωματίδια. Στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, παραδείγματος χάριν, τέτοιες διακυμάνσεις εμφανίζονται ως φωτόνια.

Αυτό σημαίνει μήπως ότι το ίδιο πρέπει να συμβαίνει και στην πεμπτουσία; Απολύτως, λέει ο κοσμολόγος Sean Carroll. Οι διακυμάνσεις στο πεδίο της πρέπει να οδηγούν σε σωματίδια τα οποία θα μπορούν να μεταφέρουν τη δύναμη της πεμπτουσίας σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. Αυτή η δύναμη λοιπόν θα ενεργούσε μεταξύ μεμονωμένων αντικειμένων και θα ήταν ευδιάκριτη από τη γενική επιτάχυνση του Κόσμου η οποία προκαλείται από το συνολικό πεδίο της πεμπτουσίας.

Το πρόβλημα εδώ είναι, ότι καμία τέτοια δύναμη πεμπτουσίας δεν έχει παρουσιαστεί. Πρέπει δε να βρεθεί ως μια μετρήσιμη απόκλιση στην κίνηση των ουράνιων αντικειμένων. Αν όμως υπήρχε θα έπρεπε ήδη να την είχαν ανιχνεύσει οι επιστήμονες. Και το γεγονός αυτό αναγκάζει τους θεωρητικούς να προσπαθούν να ορίσουν με ακρίβεια τις προσδοκίες τους για να μειώσουν τη δύναμη της πεμπτουσίας μεταξύ μεμονωμένων αντικειμένων, διατηρώντας όμως τον κυρίαρχο χαρακτήρα της σε όλο το σύμπαν. Ασφαλώς είναι δύσκολο να καταλάβουμε αυτή τη διαφορά.

3. Τροποποιώντας μια παλαιά δύναμη



Εδώ ένα σύμπαν με τροποποιημένο το νόμο της βαρύτητας

Πολλοί επιστήμονες αντί να ψάχνουν για μια νέα μορφή ενέργειας ή νέα μορφή δύναμης για να ανακαλύψουν τη σκοτεινή ενέργεια, παραμένουν δύσπιστοι. Για παράδειγμα ο Adam Reiss, επισημαίνει, ότι η βαρύτητα ενεργοποιείται με τον ίδιο τρόπο στις μεγάλες κλίμακες όπως και στις μικρές. Αλλά αν τελικά δεν είναι έτσι τα πράγματα; Εάν υπάρχει κάποια απροσδόκητη επίδραση της βαρύτητας. που να έχει παραμείνει μη ανιχνεύσιμη μέχρι τώρα, τότε η σκοτεινή ενέργεια δεν χρειάζεται στις καθόλου θεωρίες μας.

Αυτή την ιδέα ότι μπορεί να τροποποιηθεί ο νόμος της βαρύτητας συνέλαβε ο Sean Carroll του Caltech για μια στιγμή, αλλά βρήκε σύντομα ότι δεν ήταν εύκολο να βρει λύση. Αποδείχθηκε πολύ πιο δύσκολο από όσο φαντάστηκε να βρει μια τροποποίηση στο νόμο της βαρύτητας που να εξηγεί τη σκοτεινή ενέργεια.

Κι αυτό επειδή η τροποποίηση του νόμου της βαρύτητας με σκοπό να δώσει τη μεγάλης κλίμακας επιτάχυνση της διαστολής οδηγεί, επίσης, σε ανεπιθύμητες μικρής κλίμακας αλλαγές, όπως αποκλίσεις στον τρόπο που οι πλανήτες στρέφονται γύρω από τον ήλιο στο ηλιακό σύστημα. Ο Carroll διευκρινίζει ότι απομακρύνεται τώρα από τις τροποποιημένες θεωρίες της βαρύτητας για να εξηγήσει τη σκοτεινή ενέργεια.

Μπορεί να σταμάτησε ο Carroll αλλά συνέχισε τις σκέψεις του ο γνωστός θεωρητικός στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης Gia Dvali. Ο τελευταίος έχει αναπτύξει μια τροποποιημένη θεωρία της βαρύτητας στην οποία ο χωροχρόνος δεν είναι τόσο άμορφος όσο νομίζουμε. Σύμφωνα με τη θεωρία, που ανέπτυξε μαζί με τους συναδέλφους του Gregory Gabadadze και Massimo Porrati, ο χωροχρόνος έχει ένα περιορισμένο υποκείμενο – ελλοχεύον – σχήμα που τον κάνει να μοιάζει σαν να τον στρεβλώνει μια παράξενη μορφή ενέργειας.

Η στρέβλωση αυτή συμβαίνει επειδή τα γκραβιτόνια ή βαρυτόνια – τα μέχρι τώρα άγνωστα σωματίδια που θεωρούνται ότι μεταφέρουν τη βαρύτητα – έχει μια μικρή μάζα, και διασπάται σε άλλες διαστάσεις με χρόνο ημιζωής 15 δισεκατομμύρια έτη. Αυτός ο χρόνος είναι κατά περίεργο τρόπο παρόμοιος με την ηλικία του σύμπαντος. Και όπως λέει ο Dvali "Δεν ξέρουμε εάν αυτό είναι απλώς μια αξιοπρόσεκτη σύμπτωση ή το αποτέλεσμα κάτι πιο θεμελιώδους".

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τοτ Dvali, μια τέτοια τροποποίηση της βαρύτητας θα εξηγούσε την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Θα άλλαζε, επίσης, την τροχιά του φεγγαριού κατά ένα χιλιοστό πιο μακριά από όσο υπολογίζει η γενική σχετικότητα. Μια ομάδα αστρονόμων από το πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και το πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, προγραμματίζουν να κάνουν αυτή την μέτρηση χρησιμοποιώντας τα κάτοπτρα που άφησαν πίσω τους στη σεληνιακή επιφάνεια οι αστροναύτες του Απόλλωνα.

4. Εισάγοντας την πολυπλοκότητα



Και τέλος εδώ το σύμπαν δεν είναι ομοιογενές σε μεγάλες κλίμακες

Ίσως η πιο εξωφρενική – και όμως κατά παράδοξα τρόπο η πιο συντηρητική – λύση είναι να αλλάξει μια υπόθεση τόσο ριζωμένη στην κοσμολογία που οι περισσότεροι κοσμολόγοι έχουν ξεχάσει ότι υπάρχει. Η κοσμολογική αρχή αυτή δηλώνει, στην ουσία, ότι αν κοιτάξουμε σε αρκετά μεγάλη κλίμακα το σύμπαν δεν έχει καμία προτιμητέα κατεύθυνση ή προτιμητέες θέσεις. "Έχουμε ζήσει με αυτήν την υπόθεση χωρίς να την εξετάζουμε επί 85 χρόνια", λέει ο κοσμολόγος Edward ή Rocky Kolb.

Η υπόθεση αυτή εισήχθη στη δεκαετία του ’20 από τον Alexander Friedman για να κάνει βολικές τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας. Αυτό σήμαινε ότι ο Friedman θεωρούσε τους γαλαξίες ως σωματίδια σε ένα ομοιόμορφο ρευστό που γεμίζει το διάστημα. Οι κοσμολόγοι έχουν κολλήσει με την ιδέα αυτή του Friedman, παρά την ανακάλυψη ακόμα μεγαλύτερων διαφοροποιήσεων της πυκνότητας σε όλο το σύμπαν. Μπορεί τώρα να είναι η εποχή για να αλλάξει αυτή η υπόθεση, προτείνει ο Kolb.

Εάν το σύμπαν δεν είναι πλέον το ίδιο παντού, φαινόμενα της γενικής σχετικότητας που είναι αμελητέα σε έναν ομοιόμορφο σύμπαν μπορούν τελικά να γίνουν περισσότερο σημαντικά. "Είναι ακριβώς μια σκέψη προς το παρόν, αλλά αργά ή γρήγορα πρέπει να κάνουμε υπολογισμούς και να κάνουμε μια πρόβλεψη", συμπληρώνει ο Kolb.

"Είναι δύσκολο, επειδή θα μας χρειαστεί να ανακαλύψουμε έναν τρόπο για να συγχωνεύσουμε κάπως τη γενική σχετικότητα με τη θεωρία πολυπλοκότητας. Δεν μπορούμε να το κάνουμε ακόμα, αλλά μια μέρα ένας έξυπνος μεταπτυχιακός φοιτητής θα δει πώς να κάνει τους υπολογισμούς. Ελπίζω απλώς ότι θα εργάζεται για μένα", τονίζει ο Kolb.