Η σκοτεινή ενέργεια και η αναπάντεχη διαστολή του σύμπαντος

Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια ιδιότητα του κενού χώρου, η οποία επιτρέπεται να υπάρχει από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, και που λειτουργεί ως μια μεγάλη, αρνητική πίεση, αναγκάζοντας έτσι το σύμπαν να διαστέλλεται με ένα όλο και πιο γρήγορα ρυθμό. Η ύπαρξή του έχει προταθεί για να εξηγήσει τις παρατηρήσεις που δείχνουν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται. Οι πιο πρόσφατες παρατηρήσεις από το δορυφόρο Planck (μια αποστολή της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος) δείχνουν ότι το 68,3% της υλο-ενέργειας του σύμπαντος έχει τη μορφή της σκοτεινής ενέργειας. Ένα επιπλέον 26,8% αποτελείται από σκοτεινή ύλη, ενώ το υπόλοιπο 4,9% είναι συνηθισμένη ύλη.

Η σκοτεινή ενέργεια άρχισε να κυριαρχεί στο σύμπαν, περίπου, 5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν δηλαδή άρχισε να επιταχύνεται η διαστολή του Σύμπαντος. Οι αναλογίες της σκοτεινής ενέργειας, της σκοτεινής ύλης και της κανονικής βαρυονικής ύλης στο σύμπαν, σύμφωνα με τις τελευταίες παρατηρήσεις

Η ακριβής φύση της σκοτεινής ενέργειας δεν έχει ακόμη καθοριστεί. Ωστόσο, η σκοτεινή ενέργεια πιστεύεται ότι είναι εξαιρετικά ομοιογενής (ομοιόμορφα κατανεμημένη σε όλο το χώρο) με μια πολύ χαμηλή πυκνότητα, περίπου 6.9 × 10-29 kg ανά κυβικό μέτρο. Η τομή αυτή είναι πολύ μικρότερη από την πυκνότητα της συνηθισμένης ύλης ή ενέργειας, στον Γαλαξία μας και γι αυτό την καθιστά πιθανώς μη ανιχνεύσιμη σε εργαστηριακά πειράματα.

Έχουν δε προταθεί διάφορα μοντέλα για την σκοτεινή ενέργεια, σμπεριλαμβανομένου ενός κοσμικού πεδίου που σχετίζεται με τον πληθωρισμό, ένα διαφορετικό, πεδίο χαμηλής ενέργειας που ονομάζεται πεμπτουσία και η κοσμολογική σταθερά Λ, ή ενέργεια του κενού του κενού χώρου. Σε αντίθεση με τον διάσημο παράγοντα Λ του Αϊνστάιν, η κοσμολογική σταθερά στην παρούσα ενσάρκωσή της δεν ισορροπεί την βαρύτητα προκειμένου να διατηρηθεί ένα στατικό σύμπαν. Αντιθέτως, έχει αρνητική πίεση που αναγκάζει την διαστολή να επιταχυνθεί.

Τα μυστήρια της σκοτεινής ενέργειας και ύλης

Η βαρύτητα που δρα σε τεράστιες αποστάσεις, δεν φαίνεται να μπορεί εξηγήσει αυτό που βλέπουν οι αστρονόμοι

Οι γαλαξίες, για παράδειγμα, θα πρέπει να είχαν διαλυθεί με την μάζα που έχουν. Άρα κάποια άλλη μάζα πρέπει να είναι εκεί που τους συγκρατεί

Οι αστροφυσικοί γι αυτό θεωρούν αναγκαία την παρουσία της «σκοτεινής ύλης» – μιας αόρατης σε μας, αλλά σαφώς που ενεργεί σε γαλαξιακές κλίμακες

Σε μεγαλύτερες αποστάσεις, όπως βρήκαν οι νομπελίστες, η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται

Έτσι έχουμε και τη «σκοτεινή ενέργεια» η οποία είναι αιτία της διαστολής, σε αντίθεση με τη βαρύτητα

Η τρέχουσα θεωρία υποστηρίζει ότι το 70% του σύμπαντος είναι σκοτεινή ενέργεια, το 25% είναι σκοτεινή ύλη, και μόλις το 5% το είδος της ύλης που γνωρίζουμε καλά

Ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι αστρονόμοι ήταν πεπεισμένοι ότι η διαστολή του Σύμπαντος θα έπρεπε να επιβραδύνεται: θα μπορούσε να επιβραδύνεται και τελικά να αντιστραφεί εάν η συνολική ενεργειακή πυκνότητα ήταν αρκετά υψηλή, ή θα μπορούσε να επιβραδύνεται, αλλά αυτό να συνεχίζεται για πάντα. Είναι αλήθεια ότι καμία επιβράδυνση δεν είχε παρατηρηθεί, αλλά αυτή η υπόθεση φαινόταν λογική, δεδομένου ότι η βαρύτητα ήταν η μόνη σημαντική δύναμη που είναι γνωστή ότι δρα σε κοσμικές αποστάσεις.

Στη συνέχεια, το 1998, ανακοινώθηκε μια αναπάντεχη ανακάλυψη. Οι παρατηρήσεις των απομακρυσμένων σουπερνόβα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble έδειξε ότι, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, το Σύμπαν διαστελλόταν πιο αργά από ό, τι κάνει σήμερα. Προς έκπληξη όλων η ταχύτητα με την οποία επεκτείνεται το σύμπαν έχει μεγαλώσει – ένα γεγονός που θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο αν υπήρχε ένα – προηγουμένως – άγνωστο φαινόμενο που δρα έτσι ώστε να αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται.

Σε τρεις ερευνητές, που βρίσκονται πίσω από την ανακάλυψη ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής του 2011. Πρόκειται για τους Αμερικανούς Saul Perlmutter και Adam Riess και τον Brian Schmidt της Αυστραλίας.

Οι τρεις επιστήμονες υπολόγισαν σε νέα βάση τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος στο μακρινό παρελθόν. Αντί να αναλύσουν τους μεταβλητούς Κηφείδες, όπως έκανε ο αστρονόμος Χαμπλ στη δεκαετία του 20, άρχιζαν να μελετούν τους υπερκαινοφανείς μακρινών γαλαξιών, μερικά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά άρα και το φως τους είχε εκπεμφθεί δισεκατομμύρια έτη πριν.

Η ανακάλυψη της μυστηριώδους οντότητας, που είναι γνωστή ως σκοτεινή ενέργεια, προήλθε από τις παρατηρήσεις των σουπερνόβα τύπου Ia, χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble αλλά και επίγεια τηλεσκόπια. Αυτές οι παρατηρήσεις έγιναν το 1997 από δύο ομάδες αστρονόμων: την High-Z Supernova Search Team και την Supernova Cosmology Team Οι σουπερνόβα τύπου Ia είναι οι εκρήξεις των λευκών νάνων που έχουν αποκτήσει νέο ​​υλικό ρουφώντας το από ένα συνοδό του άστρο έως ότου επιτευχθεί η κρίσιμη μάζα στην οποία λαμβάνει χώρα η ανεξέλεγκτη πυρηνική έκρηξη. Η ακραία λαμπρότητα των εκρήξεων (πάνω από την λαμπρότητα ενός ολόκληρου γαλαξία), σε συνδυασμό με το γεγονός ότι ο ρυθμός με τον οποίο φωτίζει η έκρηξη δίνει το μέτρο της πραγματικής φωτεινότητά τους, κάνει τα σουπερνόβα τύπου Ia ένα ιδιαίτερα αποτελεσματικό πρότυπο – κερί, για τη μέτρηση της απόστασης μας από απομακρυσμένες γαλαξίες . Επιπλέον, οι ερυθρές μετατοπίσεις του φωτός από τα σούπερνοβα δείχνουν τις ταχύτητες της απομάκρυνσης των γαλαξιών μεταξύ τους μέσα στους οποίους εμφανίζονται και ως εκ τούτου το ρυθμό της διαστολής του σύμπαντος σε διάφορες κοσμικές εποχές.

Οι δύο ομάδες αστρονόμων προσπαθούσαν να ρίξουν φως στο ερώτημα αν το σύμπαν είναι κλειστό ή ανοικτό. Στην πρώτη περίπτωση, η πυκνότητα της ύλης πρέπει να είναι αρκετά υψηλή ώστε να αναγκάσει το σύμπαν να σταματήσει τελικά να διαστέλλεται και να αρχίσει να καταρρέει. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, η διαστολή θα συνεχιστεί επ ‘αόριστον. Σε κάθε περίπτωση, οι ερευνητές περίμεναν να βρουν ότι ο ρυθμός της κοσμικής διαστολής ήταν μεγαλύτερος σε μεγαλύτερες αποστάσεις, κάτι που αντιστοιχεί σε παλαιότερες εποχές στο σύμπαν. Το γεγονός αυτό θα πρέπει να συμβαίνει εάν το μόνο πράγμα που θα επηρεάζει τον ρυθμό διαστολής, θα ήταν η αμοιβαία έλξη της βαρύτητας μεταξύ όλης της ύλης που περιέχει το σύμπαν. Ωστόσο, προς έκπληξη όλων, οι παρατηρήσεις τους έδειξαν, αντίθετα, ότι ο ρυθμός της κοσμικής διαστολής είναι μεγαλύτερος σήμερα από ότι ήταν στο παρελθόν. Κι αυτό θα μπορούσε να σημαίνει μόνο ένα πράγμα: ότι η βαρύτητα – δηλαδή η αμοιβαία έλξη όλης της ύλης στο σύμπαν – δεν είναι η μόνη που επηρεάζει όλο το φαινόμενο σε μια κοσμική κλίμακα. Θα πρέπει να υπάρχει μία άλλη αναπάντεχη ενέργεια, που έγινε γνωστή ως σκοτεινή ενέργεια, και η οποία θα έχει αναγκάσει το σύμπαν να διαστέλλεται με ένα συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό.

Η κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν

Αν και οι παρατηρήσεις των υπερκαινοφανών 1997 έδωσαν την πρώτη απόδειξη για την σκοτεινή ενέργεια, η ιδέα ότι κάτι άλλο αντιτίθεται στην βαρύτητα σε κοσμολογική κλίμακα, προτάθηκε αρχικά από τον Albert Einstein το 1917 με τη μορφή της κοσμολογικής σταθεράς του Λ. Ο Αϊνστάιν εισήγαγε την σταθερά Λ στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας, προκειμένου να βρει μια λύση στην οποία το σύμπαν δεν διαστέλλεται, ούτε συστέλλεται, διότι η επικρατούσα άποψη εκείνη την εποχή ήταν ότι το σύμπαν ήταν στατικό. Μετά την ανακάλυψη του διαστελλόμενου σύμπαντος λίγα χρόνια αργότερα, ο Αϊνστάιν είπε ότι η ανακάλυψη της κοσμολογικής σταθεράς Λ ήταν η «μεγαλύτερη γκάφα» της ζωής του. Ωστόσο, η ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας έχει πλέον καταστήσει σαφές ότι είναι πραγματική κάτι ανάλογο με την κοσμολογική σταθερά, κάτι που αντιτίθεται της βαρύτητας σε κοσμική κλίμακα.