Τρίτη, 9 Μαρτίου 2010

Το σύμπαν όχι απλώς μεγαλώνει αλλά αυξάνει με μια φρενιτιώδη ταχύτητα

Saul Perlmutter Λίγοι είναι οι επιστήμονες που μπορούν να καυχηθούν ότι η εργασία τους άλλαξε για πάντα τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν. Ένας από αυτούς είναι ο αστροφυσικός Saul Perlmutter (γεννήθηκε το 1959) στο Μπέρκλεϋ, για τον κεντρικό του ρόλο που έπαιξε στην ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας το 1988.

O Saul Perlmutter άλλαξε τον τρόπο που κατανοούμε το σύμπαν με την ανακάλυψη ότι η διαστολή του Κόσμου μας επιταχύνεται.

Αυτή η αόρατη ενέργεια, η οποία αντιπροσωπεύει ένα επιβλητικό 74 % της ύλης και της ενέργειας μαζί στο σύμπαν, τεντώνει τον χωρικό ιστό και μάλιστα μπορεί να προκαλέσει μια τέτοια επιταχυνόμενη διαστολή του χώρου, που δεν μπορεί να την σταματήσει καμιά δύναμη, ούτε η βαρύτητα. Μέσα από την πρωτοποριακή έρευνά του, όταν ήταν΄38 χρονών, ο Saul Perlmutter μετέτρεψε οριστικά και αμετάκλητα το μοντέλο του σύμπαντος που είχαμε στο μυαλό μας.

Πριν από μερικές δεκαετίες οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα άτομα – τα συστατικά στοιχεία των άστρων, των πλανητών και των ίδιων των ανθρώπων – κυριαρχούσαν στο σύμπαν. Αλλά τώρα είναι γενικά αποδεκτό ότι η ύλη αυτή αποτελεί μόνο το 4% του σύμπαντος γιατί το μεγαλύτερο μέρος του επισκιάζεται από τη μυστηριώδη ενέργεια της αντιβαρύτητας που αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται με μια φρενήρη επιτάχυνση. Το υπόλοιπο 22% του σύμπαντος είναι η λεγόμενη σκοτεινή ύλη, που δεν έχει καμία σχέση με τη σκοτεινή ενέργεια, εκτός από την ικανότητά της να αψηφά όλες τις τρέχουσες μεθόδους ανίχνευσης της.


Οι επιστήμονες υπέθεταν, επίσης, εδώ και καιρό ότι το σύμπαν είτε θα επιβραδυνόταν αργά αργά ή τελικά θα σταματούσε την επέκταση του και θα κατέρρεε στον εαυτό του. Τα ευρήματα όμως του Perlmutter τους ανάγκασε να πιστεύουν ότι θα μπορούσε αντίθετα να διαστέλλεται συνεχώς μέχρι, ακόμη χειρότερα, να καταλήξει σε μια "Μεγάλη Σχάση", καθώς τα ίδια τα άτομα των αστέρων και των γαλαξιών κυριολεκτικά θα διαλύονταν.

Φυσικά το ερώτημα από τότε είναι τι είναι αυτή η σκοτεινή ενέργεια που το προκαλεί αυτό το φαινόμενο. Κυκλοφορούν διάφορες θεωρίες για τη φύση αυτής της αθέατης και απατηλής ενέργειας γι αυτό και ο Perlmutter επιδιώκει έντονα να βρει εκείνες τα παρατηρησιακά στοιχεία που θα τον βοηθήσουν να βρει την απάντηση.

Από την ιστορία

Την δεκαετία του 1920, ο Edwin Hubble παρατήρησε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους και από εκεί βρήκε ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Αλλά τη σκέψη των ανθρώπων βασάνιζαν πολλά ερωτήματα: Θα συνεχίσει να διαστέλλεται; Θα μπορούσε να σταματήσει η διαστολή; Ίσως θα μπορούσε να αντιστραφεί η διαστολή και να έχουμε κατάρρευση του σύμπαντος εξ αιτίας της βαρύτητας. Πώς ξέρουμε ότι το σύμπαν θα ζήσει για πάντα; Αυτά είναι τα προφανή πράγματα που θέλουμε να ξέρουμε όταν λέμε ότι ζούμε σε ένα μεταβαλλόμενο, διαστελλόμενο σύμπαν. Και ο μόνος τρόπος για να απαντήσει κάποιος στα ερωτήματα σχετικά με το μέλλον του σύμπαντος, είναι να κοιτάξει στο παρελθόν.

Η βασική ιδέα είναι ότι όταν κοιτάξουμε ολοένα και πιο μακριά θα ψάχνουμε συγχρόνως και πιο πίσω στο χρόνο. Υπήρξαν μερικές εργασίες στη δεκαετία του 1930 που πρότειναν την χρήση των υπερκαινοφανών – οι πιο λαμπρές εκρήξεις μεγάλων άστρων – για τη μέτρηση της διαστολής του σύμπαντος, αφού φαινόταν να ήταν σταθερή η λαμπρότητα τους. Αν κάθε σουπερνόβα είχε σχεδόν την ίδια ακριβώς φωτεινότητα, τότε θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε την φωτεινότητα τους, όπως φαίνεται από τη Γη, για τη μέτρηση της απόστασης τους. Όμως, αποδείχθηκε ότι όσο περισσότερο κοιτάζαμε τις σουπερνόβες, τόσο περισσότερα είδη βλέπαμε, και φυσικά αυτή η συνέπεια (η σταθερή φωτεινότητα) εξαφανίστηκε. Την δεκαετία του 1980 οι επιστήμονες συνειδητοποίησα ότι υπάρχουν υποομάδες των σουπερνόβα, και ότι μία από αυτές, που ονομάζεται τύπου Ia, είναι πολύ συνεπής στην φωτεινότητα της. Ευτυχώς, είναι επίσης και η πιο φωτεινή ομάδα υπερκαινοφανών, έτσι θα μπορούσαμε να το δούμε έστω κι αν είναι στις εσχατιές του σύμπαντος.

Πώς τα σουπερνόβα αποκαλύπτουν τον τρόπο με τον οποίο το σύμπαν διαστέλλεται

Οι ερευνητές με την καθοδήγηση του Perlmutter χρησιμοποίησαν αυτού του τύπου τις σπυπερνόβες – τύπος Ia – ως δείκτες της απόστασης μας ή σαν κοσμικά κεριά όπως τα λένε. Εν συνέχεια για να βρούμε πόσο πολύ έχει επεκταθεί το σύμπαν μετά από κάθε υπερκαινοφανή έκρηξη, υπάρχει ένας πολύ βολικός τρόπος για να το πετύχουμε. Το σουπερνόβα στέλνει σχεδόν όλο το φως του σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, στο μπλε χρώμα. Όμως, καθώς το μπλε φως ταξιδεύει, αναγκάζεται να περάσει μέσα από χώρο που ‘τεντώνεται’ λόγω της διαστολής του Κόσμου. Έτσι όταν φτάνει σε μας φαίνεται κόκκινο [δηλαδή με μεγαλύτερο μήκος κύματος λόγω της επιμήκυνσης του]. Και το μήκος κύματος της κόκκινης ακτινοβολίας μας πληροφορεί για το πόσο ακριβώς έχει επεκταθεί το σύμπαν από την στιγμή της έκρηξης της σουπερνόβα. Κοιτάζοντας λοιπόν διάφορα σουπερνόβα, είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε πόσο έχει επεκταθεί το σύμπαν από, παραδείγματος χάριν, 5 δισεκατομμύρια, 3 δισεκατομμύρια ή 1 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, και θα έτσι θα δούμε πως η διαστολή αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Μέχρι το 1988 προσδοκούσαμε ότι με τον καιρό η διαστολή του σύμπαντος θα επιβραδύνεται λόγω της βαρυτικής έλξης από όλη τη μάζα προς όλα τα πράγματα στο σύμπαν. Όπως αποδείχθηκε, οι ερευνητές διαπιστώσανε ότι η επέκταση του σύμπαντος πράγματι επιταχυνόταν.

Και βεβαίως για την μοίρα του σύμπαντος η επιτάχυνση της διαστολής είναι πολύ σημαντικό γεγονός. Γιατί αφήνει να εννοηθεί ότι το σύμπαν δεν είναι απλώς μία ιστορία μιας παραμέτρου. Δεν μπορεί απλώς να είναι η μάζα που προκαλεί την μεταβολή της διαστολής. Το μόνο πράγμα που μπορεί να κάνει η μάζα είναι να καθυστερεί τα πάντα. Γι ‘αυτό και μόλις έγινε η ανακάλυψη της επιτάχυνσης ο Perlmutter ήξερε ότι υπήρχε και κάτι άλλο στην ιστορία, εκτός της μάζας. Φαίνεται ότι η πλειοψηφία της ύλης και της ενέργειας μαζί στο σύμπαν είναι με τη μορφή κάποιας ενέργειας του κενού, που έχει μια περίεργη απωστική ιδιότητα. Κάνει τον χώρο να αναπαράγεται γρηγορότερα, επιταχύνοντας την διαστολή του σύμπαντος. Δεν γνωρίζουμε τι είναι στην πραγματικότητα, αλλά προς το παρόν οι άνθρωποι χρησιμοποιούν τον όρο σκοτεινή ενέργεια ως ένα συμβολικό όνομα για να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά αυτού του μυστηρίου.

Πώς εξηγείται τώρα η σκοτεινή ενέργεια;

Ο Αϊνστάιν αρχικά έθεσε έναν όρο σε μια εξίσωση του – που ονομάζεται λάμδα Λ – για που είχε ως στόχο να αντισταθμίσει τις επιπτώσεις της βαρύτητας και να δημιουργήσει ένα στατικό σύμπαν. Η ανακάλυψη του Edwin Hubble της διαστολής του σύμπαντος έπεισε τον Αϊνστάιν ότι ο όρος με το λάμδα ήταν περιττός. Αλλά αργότερα, ο κόσμος συνειδητοποίησε ότι στην κβαντική μηχανική το λάμδα Λ θα μπορούσε εύκολα να ταυτιστεί με τις επιπτώσεις των σωματιδίων που εμφανίζονται και εξαφανίζονται αυθόρμητα σε κάθε κενό χώρο. Είναι τα λεγόμενα εικονικά σωματίδια, και η ενέργεια που συνδέεται με το ‘βουητό’ του υποβάθρου από την σταθερή εμφάνιση και εξαφάνισή τους έγινε ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε την πηγή της απωστικής ενέργειας του κενού. Δυστυχώς, αν κάνουμε τους βασικούς υπολογισμούς για το πόσο είναι αυτή η ενέργεια του κενού, η κβαντομηχανική μας δίνει 10120 (120 μηδενικά μετά το 10) φορές μεγαλύτερη από την τιμή που αναμέναμε, όπως μας την δίνουν οι κοσμολόγοι. Όντως πολύ μεγάλο πρόβλημα. Έτσι, είχε υποτεθεί ότι πρέπει να υπάρχει μια τέλεια ακύρωση, κι έτσι θα πρέπει να είναι μηδέν. Αλλά τώρα βλέπουμε ότι η απάντηση δεν είναι ακριβώς μηδέν. Οι περισσότερα από τους θεωρητικούς των σωματιδίων πιστεύουν ότι χρειαζόμαστε νέες εξηγήσεις.

Μία εξήγηση είναι ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα βαθμωτό πεδίο του οποίου οι ιδιότητες σε κάθε σημείο του χώρου "μετακυλάει" από τη μία τιμή στην άλλη. Ενώ αυτή μετακυλάει το αποτέλεσμα της ενέργειάς της είναι αρκετά υψηλό ώστε να αναγκάζει το σύμπαν να επιταχύνεται. Ή ίσως οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν που μας έδωσε δεν είναι εντελώς τέλειες, και ίσως πάμε ενδεχομένως σε μια μικρή τροποποίηση τους. Μια άλλη αστεία εξήγηση είναι το ενδεχόμενο να υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις και η βαρύτητα μπορεί να διαρρεύσει προς τις άλλες διαστάσεις που δεν είναι ορατές. Τα τελευταία 10 χρόνια δημοσιεύονται δύο ή τρεις εργασίες την εβδομάδα για να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια. Αλλά αν ρωτήσουμε αυτούς τους θεωρητικούς τι πιστεύουν για το συγκεκριμένο μοντέλο τους, η απάντηση θα είναι ότι δεν την πιστεύουν, απλώς δοκιμάζουν διαφορετικές ιδέες και ελπίζουν κάποια μέρα να πάρουνε κάποιες ενδείξεις. Στη συνέχεια, οι θεωρητικοί στρέφονται στους πειραματικούς φυσικούς, για περισσότερα στοιχεία.

Προς το παρόν οι πειραματικοί έχουν την έρευνα Nearby Supernova Factory, ένα πείραμα που έχει εξετάσει πάνω από 500 σουπερνόβες τύπου Ia για να διερευνήσουν τη φύση της σκοτεινής ενέργειας. Επίσης, για το μέλλον ετοιμάζεται μια αποστολή της NASA η Joint Dark Energy Mission, που θα ψάξει για σουπερνόβες και θα επιδιώξουν με άλλες τεχνικές να εξερευνήσουν την επιρροή της σκοτεινής ενέργειας. Οι φυσικοί δεν αποκλείουν τίποτα, ίσως η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να είναι οτιδήποτε.

Ας τονίσουμε ότι η διαστολή του σύμπαντος, και ως εκ τούτου η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας, δεν ήταν πάντα σταθερή αλλά άλλαξε από την εποχή του Big Bang. Για παράδειγμα στο πολύ πρώιμο σύμπαν – κάπου 10–35 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang – στην εποχή του πληθωρισμού υπήρξε μια άλλη περίοδο τρομερής επιτάχυνσης ή εκθετικής επιτάχυνσης, που δεν γνωρίζουμε ακριβώς τι την προκάλεσε. Είναι πιθανό ότι υπήρχε τότε ένα άλλο είδος της σκοτεινής ενέργειας. Μετά τον πληθωρισμό υπήρξε τόσο πολύ μάζα σε τόσο κοντινή απόσταση που κυριάρχησε η βαρύτητα και η επέκταση έτσι επιβραδύνθηκε. Κάτι που διήρκεσε περίπου μέχρι το μέσον της ζωής του σύμπαντος. Όμως, περίπου 7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν το σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται με επιτάχυνση, γιατί μέχρι τότε η ύλη (η βαρύτητα) μπορούσε να επιβραδύνει την επέκταση. Σε εκείνο το σημείο, η δύναμη της σκοτεινής ενέργειας άρχισε να γίνεται αισθητή και το σύμπαν άρχισε να επιταχύνεται και πάλι.

Η τύχη όμως του σύμπαντος εξαρτάται άμεσα από την επιτάχυνση και βεβαίως από την σκοτεινή ενέργεια. Αν συνεχίσει έτσι για πάντα τότε το σύμπαν θα οδηγηθεί σε ένα πολύ σκοτεινό, άδειο, ψυχρό τέλος, και αυτό είναι το μόνο που μπορούμε να προσβλέψουμε. Ωστόσο, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι δεν γνωρίζουμε τι προκαλεί όχι μόνο την τρέχουσα επιτάχυνση, αλλά δεν γνωρίζουμε και τι προκάλεσε την επιτάχυνση κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού στην απαρχή του σύμπαντος. Εκείνος ο πληθωρισμός ξαφνικά σταμάτησε και η διαστολή του σύμπαντος άρχισε να επιβραδύνεται. Ποιος ξέρει αν δούμε τώρα κάτι που θα μπορούσε, επίσης, να σταματήσει την επιτάχυνση και στη συνέχεια το σύμπαν να μπορούσε να καταρρεύσει. Θα έπρεπε λοιπόν να σκεφτόμαστε ότι η τύχη του σύμπαντος πρέπει να παραμείνει στην κατηγορία του άγνωστου, μέχρι να μας έλθει καμιά ιδέα για τον λόγο που προς το παρόν επιταχύνεται.

Δείτε και τα σχετικά άρθρα

1. Από που προέρχεται η ενέργεια για την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος;

2. Η πιο ακριβής τιμή της σταθεράς του Hubble στενεύει τα περιθώρια για τις δυνατές εξηγήσεις της Σκοτεινής Ενέργειας

ΠΗΓΗ

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου