Από τότε που ο Arthur Eddington ταξίδεψε το 1919 στο νησί Príncipe έξω από την Αφρική, για τη μέτρηση της κάμψης μιας ακτίνας μακρινού αστρικού φωτός γύρω από τον ήλιο κατά τη διάρκεια μιας έκλειψης, οι αποδείξεις για την ισχύ της θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας γίνονται ολοένα και πιο ισχυρές. Θα μπορούσε όμως τώρα το φως από μακρινούς γαλαξίες να “φωτίσει” κάποιες ρωγμές στα θεμέλια της θεωρίας; Το φως των άστρων συμπεριφέρεται παράξενα
Πάρα πολλά στον κόσμο μας, από την ιδέα της μαύρης τρύπας έως τον συγχρονισμό με GPS οφείλουν ένα χρέος προς τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η οποία περιγράφει πώς η βαρύτητα προκύπτει από τη γεωμετρία του χώρου και του χρόνου. Το βαρυτικό πεδίο του ήλιου, για παράδειγμα, κάμπτει τις ακτίνες φωτός άλλων άστρων καθώς περνούν κοντά του, γιατί η μάζα του στρεβλώνει τον περιβάλλοντα χωρόχρονο. Αυτή η θεωρία έχει αντέξει σε δοκιμές ακριβείας στο ηλιακό μας σύστημα και ακόμα πιο πέρα, ενώ εξήγησε τα πάντα, από την περίεργη τροχιά του Ερμή έως τον τρόπο που ζεύγη άστρων νετρονίων εκτελούν την μεταξύ τους χορευτική φιγούρα.
Ωστόσο, δεν είναι ακόμη σαφές το πόσο καλά τα πάει η γενική σχετικότητα σε κοσμικές κλίμακες, σε αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες από το διάστημα ανάμεσα σε γαλαξίες. Τώρα τελευταία βρέθηκε η πρώτη, ένα δειλό ίχνος, απόκλιση από τη γενική σχετικότητα. Αν και τα επιβεβαιωτικά στοιχεία μιας τέτοιας απόκλισης είναι πολύ μακριά ακόμα, εάν αυτό επιβεβαιωθεί από μεγαλύτερες μελέτες, τότε μπορεί να σημαίνει είτε ότι η θεωρία του Αϊνστάιν είναι ελλιπής, ή αλλιώς ότι η σκοτεινή ενέργεια, που θεωρούμε ότι προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, είναι πολύ πιο παράξενη από ό,τι νομίζαμε. (Διαβάστε παρακάτω και το “Όχι σκοτεινή Ενέργεια, σκοτεινό υγρό”)
Η ανάλυση των δεδομένων της αστρικής ακτινοβολίας από την κοσμολόγο Rachel Bean του Πανεπιστημίου Cornell στην Ιθάκη της Νέας Υόρκης, έχει δημιουργήσει μεγάλη αναταραχή. Λίγο μετά αφότου δημοσιεύτηκε η εργασία της, ο εξέχον φυσικός Σον Κάρολ του Τεχνολογκού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας επαίνεσε την έρευνα του Bean. «Είναι σοβαρό έργο από μία σεβαστή κοσμολόγο,» έγραψε στο blog του Cosmic Variance. "Είτε το αποτέλεσμα είναι λάθος, και θα πρέπει να δουλέψουμε σκληρά για να μάθουμε γιατί, είτε αυτό είναι σωστό, και είμαστε στα πρόθυρα μιας επανάστασης."
"Έχει προκαλέσει αρκετή αναταραχή στους κύκλους της αστρονομίας," λέει ο Richard Massey του Βασιλικού Αστεροσκοπείου του Εδιμβούργου. "Η εργασία της Rachel Bean προκάλεσε πολύ μεγάλο ενδιαφέρον."
Η Bean βρήκε τα αποδεικτικά στοιχεία της στα υπάρχοντα δεδομένα που συλλέχθηκαν από το Cosmic Evolution Survey, ένα πρότζεκτ με τη συνεργασία πολλών τηλεσκοπίων και που περιλαμβάνει μια πολύ μεγάλη έρευνα, μεγαλύτερη ακόμη από την έρευνα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Στην έρευνα COSMOS, στην οποία εντοπίστηκαν πάνω από 2 εκατομμύρια γαλαξίες σε ένα μικρό κομμάτι του ουρανού, αξιοποιεί την ικανότητα της βαρύτητας να κάμπτει το φως. Πολύ μεγάλα αντικείμενα, όπως τα σμήνη γαλαξιών κάμπτουν το φως από τα πιο μακρινά αντικείμενα, έτσι ώστε το φως να κατευθύνεται προς ή μακριά από τη Γη. Το αποτέλεσμα αυτό, που ονομάζεται βαρυτικός εστιασμός, είναι πιο δραματικό όταν δημιουργεί καλειδοσκοπικά φωτεινά εφέ, όπως δαχτυλίδια ή την εμφάνιση πολλαπλών αντιγράφων ενός και μόνου γαλαξία.
Ο ουρανός, επίσης, κυριαρχείται από τις στρεβλωτικές επιπτώσεις του «ασθενούς βαρυτικού εστιασμού", στο οποίο ένα ενδιάμεσο μεγάλο σώμα κάμπτει ελαφρά το φως για να αλλάξει με λεπτό τρόπο τα σχήματα και τους προσανατολισμούς των πιο μακρινών γαλαξιών, δημιουργώντας έτσι ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με αυτό που βλέπουμε μέσα από παλιούς υαλοπίνακες. Δεδομένου ότι οι γαλαξίες συναντώνται σε όλα τα σχήματα και μεγέθη, είναι δύσκολο να γνωρίζει κανείς αν το φως από ένα μεμονωμένο γαλαξία έχει διαστρεβλωθεί, γιατί δεν υπάρχει τίποτα για να το συγκρίνουμε. Αλλά από την αναζήτηση κοινών στοιχείων στην στρέβλωση πολλών γαλαξιών, είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένας χάρτης και της ορατής και της αόρατης ύλης που κάμπτουν το φως τους.
Η τεχνική του ασθενούς βαρυτικού εστιασμού μπορεί, επίσης, να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση δύο διαφορετικών φαινομένων της βαρύτητας. Η Γενική σχετικότητα λέει πως η βαρυτική καμπυλότητα του χώρου ισοδυναμεί με την κύρτωση του χρόνου. Το φως θα πρέπει λοιπόν να επηρεάζεται κατά ίσες ποσότητες και από τα δύο.
Όταν τα στοιχεία της έρευνας COSMOS κυκλοφόρησαν το 2007, η ομάδα – με επικεφαλής τον Massey – υπέθεσε ότι αυτοί οι δύο παράγοντες ήταν ισοδύναμοι. Η ανάλυσή τους αποκάλυψε ότι η βαρύτητα έλκει το φως ισχυρότερα από το αναμενόμενο, όμως αυτοί το θεώρησαν ότι οφείλεται σε μια ελαφρώς υψηλότερη συγκέντρωση της κοινής και της σκοτεινής ύλης στο τμήμα του ουρανού που ερευνούσαν, από ό,τι πρόβλεπαν.
Για να αναζητήσουν πιθανές αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα, η Rachel Bean ανάλυσε ξανά τα δεδομένα και άφησε κατά μέρος την απαίτηση που υπήρχε ότι αυτές οι δύο συνιστώσες της βαρύτητας έπρεπε να είναι ίσες. Αντίθετα, η αναλογία των δύο έπρεπε να αλλάξει. Έχει διαπιστωθεί ότι μεταξύ 8 και 11 δισεκατομμύρια χρόνια πριν η στρέβλωση του χρόνου λόγω της βαρύτητας φαίνεται να είναι τριπλάσια με την κύρτωση του χώρου. Ένας παρατηρητής εκείνη την εποχή δεν θα είχε παρατηρήσει αυτή την επίδραση, διότι εφαρμόζεται μόνο σε μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, «υπάρχει μια προτίμηση για μια σημαντική απόκλιση από τη γενική σχετικότητα», λέει η Bean.
Σε αυτό το στάδιο, είναι δύσκολο να πούμε τι θα συνέβαινε αν επιβεβαιωνόταν η απόκλιση από τη γενική σχετικότητα. Οι κοσμολόγοι έχουν ήδη εξετάσει κάποιες τροποποιήσεις για την γενική σχετικότητα που θα μπορούσαν να εξηγήσουν την επιτάχυνση του σύμπαντος.
Ωστόσο, η εξεύρεση της απόκλισης, όταν το σύμπαν ήταν μικρότερο από το ήμισυ της τρέχουσας ηλικίας του είναι παράξενο – αν η γενική σχετικότητα είχε “σπάσει” σε κάποιο επίπεδο, τότε οι ενδείξεις πρέπει να είναι πιο δραματικές πιο πρόσφατα, πολύ μετά αφότου το απωστικό αποτέλεσμα της σκοτεινής ενέργειας κυριεύσει την ελκτική βαρύτητα, περίπου, 6 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Οι περισσότεροι αστρονόμοι, συμπεριλαμβανομένης και της Bean, είναι επιφυλακτικοί όσον αφορά τα αποτελέσματα. "Κανείς δεν λέει ότι το αποτέλεσμα είναι πραγματικό”, λέει ο κοσμολόγος Dragan Huterer του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν. Διάφορες άλλες εξηγήσεις, όπως μια στατιστική απόκλιση στην τεχνική που χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των αποστάσεων σε γαλαξίες, θα πρέπει τώρα να αποκλειστούν.
Παρόλο που η έρευνα COSMOS φωτογράφησε ένα βαθύ “μπάλωμα” του ουρανού, ήταν αρκετά πιο μικρό από τα στάνταρτ άλλων σύγχρονων ερευνών. Το γεγονός αυτό ανοίγει το ενδεχόμενο ότι αυτή η περιοχή μπορεί να είναι ανώμαλη, σημειώνει ο Asantha Cooray, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. «Θα μπορούσε να υπάρχει εκεί ένα τεράστιο σμήνος γαλαξιών που θα μπορούσε να ενισχύσει τον ασθενή βαρυτικό εστιασμό. Είτε τυχαία θα μπορούσε να έχει περισσότερη σκοτεινή ύλη," λέει ο Cooray, μέλος μιας ομάδας που ανέλυσε άλλα στοιχεία ερευνών, τα οποία λήφθηκαν στη Χαβάη, και δεν βρήκε κανένα ίχνος για απομάκρυνση από τη γενική σχετικότητα. «Ο μόνος τρόπος για να το λάβουμε υπόψη μας είναι να δούμε τα δεδομένα σε ένα μεγαλύτερο πεδίο."
Τα μελλοντικά σχέδια λένε ότι θα σαρώσουν τον ουρανό σε πολύ ευρύτερες περιοχές του και θα γίνει συλλογή εικόνων πολλοί περισσότερων γαλαξιών με βαρυτικό εστιασμό. Για παράδειγμα, η Dark Energy Survey είναι έτοιμη να ξεκινήσει την τοπογραφία του ουρανού από το 2011 και έτσι θα δημιουργήσουν μια ακόμα πιο ακριβή εικόνα για το πώς το φως κάμπτεται κατά τη διάρκεια της ιστορίας του σύμπαντος.
Άσχετα αν αυτές οι μελλοντικές έρευνες εξηγήσουν το φαινόμενο ή όχι, η Bean ελπίζει ότι η δημοσίευση της, θα δημιουργήσει μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ιδέα της χρησιμοποίησης του ασθενούς βαρυτικού εστιασμού για να ελέγξουμε τη γενική σχετικότητα. "Δεν είμαι θέση να πω τι γίνεται εκεί έξω," λέει η Bean. «Πρέπει να εξετάσουμε ένα μεγαλύτερο σύνολα δεδομένων. Αυτό είναι στην πραγματικότητα μόνο το πρώτο στάδιο για την προσπάθεια που κάνουμε να εξετάσουμε την βαρύτητα με αυτόν τον τρόπο."
Όχι σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινό υγρό
Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι πιο παράξενη από ό,τι νομίζαμε. Στοιχεία που αποδεικνύουν ότι σε μεγάλες αποστάσεις η βαρύτητα ασκεί μεγαλύτερη έλξη στον χρόνο από ό,τι για το χώρο, δεν είναι απαραίτητο να δείχνουν ότι η θεωρία της γενικής σχετικότητας είναι λάθος. Θα μπορούσε, αντίθετα να είναι ένα σημάδι ότι η επιτάχυνση του σύμπαντος μπορεί να απαιτεί ακόμα μια πιο εξωτική εξήγηση.
Ο απλούστερος τρόπος για να εξηγήσει κανείς την επιτάχυνση του σύμπαντος είναι να επικαλεστεί μια κοσμολογική σταθερά, η οποία προτάθηκε αρχικά από τον Αϊνστάιν για να κάνει στατικό και αναλλοίωτο το σύμπαν, στο ίδιο μέγεθος δηλαδή, με την παρουσία της ύλης. Η κοσμολογική σταθερά περιγράφει ένα σύμπαν γεμάτο με μια ενέργεια απωστική. Αλλά υπάρχουν και άλλες πιθανές εξηγήσεις για αυτή την επιτάχυνση.
Μια ιδέα είναι ότι ολόκληρο το σύμπαν υπάρχει πάνω σε μια βράνη, που πλέει μέσα σε μια επιπλέον διάσταση. Αν και ή ύλη θα πρέπει να περιορίζεται σε τρεις διαστάσεις, η βαρύτητα θα μπορούσε να διαρρέει σε αυτή την επιπλέον διάσταση. Όταν το σύμπαν γίνεται αρκετά μεγάλο, αυτή η βαρύτητα θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με την ύλη στην βράνη, για να παράγει έτσι την επιτάχυνση στις μεγάλες κλίμακες.
Η απόκλιση – που περιγράφηκε πιο πάνω – θα μπορούσε επίσης να είναι ένα σημάδι ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα πιο σύνθετο "ρευστό" που ασκεί ποικίλες πιέσεις σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Το πρόβλημα είναι ότι λέγοντας για την διαφορά μεταξύ μιας πιο εξωτικής μορφής της σκοτεινής ενέργειας και μιας τροποποίησης στην κατανόηση της βαρύτητας, θα μπορούσε να γίνει πολύ δυσνόητο.
Όπως λέει και η κοσμολόγος Alessandra Silvestri του MIT, ίσως να μην είναι σε θέση να πει κάποιος εάν υπάρχει ένα ψεγάδι στην γενική σχετικότητα ή απλώς μια απόδειξη ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι "κάποιο φανταχτερό υγρό".
