Πώς φτάσαμε στο Επιταχυνόμενο Σύμπαν

Η έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα Ia συμβαίνει όταν η μάζα ενός λευκού νάνου (αριστερά), που τροφοδοτείται από έναν γειτονικό γίγαντα αστέρα (δεξιά), ξεπεράσει κατά 1,4 φορές τη μάζα του Ηλιου

 Πριν από δέκα χρόνια δύο ομάδες αστρονόμων – μία από την Αυστραλία και μία από τις ΗΠΑ – άλλαξαν το ως τότε αποδεκτό μοντέλο του Σύμπαντος και πρόσθεσαν μια πέμπτη δύναμη στις ως τότε τέσσερις γνωστές δυνάμεις της φύσης. Αυτά τα αποτελέσματα προέκυψαν από τη συστηματική παρατήρηση απομακρυσμένων υπερκαινοφανών αστέρων (supernova), η οποία έδειξε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενο και όχι επιβραδυνόμενο, όπως πιστευόταν ως τότε. Η μεταγενέστερη επιβεβαίωση αυτής της ανακάλυψης από μια τρίτη ερευνητική ομάδα, που ακολούθησε εντελώς διαφορετική πειραματική μέθοδο, χάρισε στους αρχικούς ερευνητές το βραβείο Νομπέλ Φυσικής 2011.

Διαστολή σε πείσμα της βαρύτητας

Η ιστορία της κοσμολογίας, δηλαδή της δημιουργίας και εξέλιξης του Σύμπαντος,  αρχίζει το 1916. Εκείνη τη χρονιά ο Αϊνστάιν εισηγήθηκε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ), η οποία ερμηνεύει το φαινόμενο της βαρύτητας ως αποτέλεσμα της καμπύλωσης του χωροχρόνου. Η ΓΘΣ συνδέει αυτή την καμπύλωση τόσο με το ποσό της ύλης και ενέργειας που περιέχει το Σύμπαν όσο και με την τελική του κατάληξη. Η σύνδεση αυτή έγινε κατανοητή τη δεκαετία του 1920, όταν  ανακαλύφθηκε από τον αμερικανό αστρονόμο Εντουιν Χαμπλ ότι όλοι οι μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονται από τον δικό μας με ταχύτητα που αυξάνεται με την απόσταση, σχέση που μαθηματικά περιγράφεται από τον νόμο του Χαμπλ v = H₀r.  Ο νόμος αυτός αποδεικνύει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Σύμφωνα με όσα μαθαίναμε στο πανεπιστήμιο όταν ήμουν φοιτητής, το Σύμπαν θα πρέπει να διαστέλλεται με ολοένα και βραδύτερο ρυθμό λόγω της βαρυτικής έλξης μεταξύ των γαλαξιών, η οποία «φρενάρει» την απομάκρυνσή τους. Ο ρυθμός όμως αυτής της επιβράδυνσης εξαρτάται από το πόση ύλη περιέχει το Σύμπαν. Αν περιέχει «πολλή» ύλη, τότε η επιβράδυνση θα είναι ισχυρή και η διαστολή τελικά θα μετατραπεί σε συστολή, που θα συγκεντρώσει όλο το Σύμπαν σε ένα σημείο, όπως ήταν τη στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης. Αν περιέχει «λίγη» ύλη, τότε η επιβράδυνση θα είναι ασθενής και η διαστολή δεν θα σταματήσει ποτέ.
Πολλοί αστρονόμοι προσπάθησαν από την εποχή του Χαμπλ να υπολογίσουν τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος για να «μετρήσουν» έτσι την ύλη που αυτό περιέχει και να προβλέψουν αν στο μέλλον το Σύμπαν θα διαστέλλεται επ’ άπειρον ή αν θα καταλήξει στη «Μεγάλη Σύνθλιψη», το αντίστροφο δηλαδή της Μεγάλης Εκρηξης. Ενώ όμως η ταχύτητα των απομακρυσμένων γαλαξιών είναι σχετικά εύκολο να μετρηθεί από το φάσμα τους, δεν συμβαίνει το ίδιο με τις αποστάσεις τους. Για να μετρήσουν αυτές τις αποστάσεις οι δύο ομάδες σκέφτηκαν να χρησιμοποιήσουν τον γνωστό νόμο της φωτομετρίας, σύμφωνα με τον οποίο το φως που παίρνουμε από μια φωτεινή πηγή είναι αντίστροφα ανάλογο προς το τετράγωνο της απόστασής της. Επομένως αν μετρήσουμε το φως που λαμβάνουμε από μια πηγή και γνωρίζουμε πόσο φως εκπέμπει, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόστασή της.
Οι αστρονόμοι των δύο ομάδων, για να μετρήσουν τις αποστάσεις απομακρυσμένων γαλαξιών, σκέφθηκαν να χρησιμοποιήσουν ως «τυπική» φωτεινή πηγή τους υπερκαινοφανείς αστέρες τύπου Ia. Η λάμψη των αστέρων αυτών, που είναι τόσο ισχυρή ώστε καλύπτει το φως των γαλαξιών στους οποίους ανήκουν, είναι πάντα η ίδια επειδή οφείλεται στην έκρηξη λευκών νάνων μάζας πάντα της ίδιας (1,4 φορές τη μάζα του Ηλιου). Στη συνέχεια συνέκριναν τις αποστάσεις αυτές με τις αποστάσεις που υπολόγιζαν από την ταχύτητα απομάκρυνσης των γαλαξιών μέσω του νόμου του Χαμπλ. Αν η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνεται, η ταχύτητα απομάκρυνσης ενός μακρινού γαλαξία θα είναι μεγαλύτερη από αυτήν που προβλέπει ο νόμος του Χαμπλ. Αν η διαστολή επιταχύνεται, η ταχύτητα απομάκρυνσης του γαλαξία θα είναι μικρότερη. Από τις μετρήσεις βρέθηκε ότι ισχύει το δεύτερο, οπότε οι αστρονόμοι των δύο ομάδων κατέληξαν στο εκπληκτικό συμπέρασμα ότι το Σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενο, κάτι που είναι εντελώς αντίθετο από όσα πιστεύαμε και διδάσκαμε πριν από δέκα χρόνια.

Χρησιμοποιώντας τους υπερκαινοφανείς αστέρες ως άλλους «φάρους» του Σύμπαντος, οι επιστήμονες κατάφεραν να υπολογίσουν την επιτάχυνση της διαστολής του.

«Σκοτεινή» κυριαρχία
Για να ερμηνεύσουν την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος οι αστρονόμοι των δύο ομάδων σκέφθηκαν ότι στο Σύμπαν θα πρέπει να υπάρχει, πέραν της ελκτικής δύναμης της βαρύτητας, κάποια απωστική δύναμη μεταξύ των γαλαξιών η οποία εκδηλώνεται μόνο σε μεγάλες αποστάσεις. Η δύναμη αυτή οφείλεται στην ύπαρξη ενός, άγνωστου ως τις αρχές του αιώνα μας, είδους ενέργειας που ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια. Για να ερμηνευθούν μάλιστα τα ποσοτικά δεδομένα των πειραμάτων θα πρέπει η σκοτεινή ενέργεια να είναι το βασικό συστατικό του Σύμπαντος.
Συγκεκριμένα προκύπτει ότι το Σύμπαν αποτελείται κατά 74% από σκοτεινή ενέργεια και κατά 22% από σκοτεινή ύλη, δηλαδή ύλη που δεν ακτινοβολεί αλλά γίνεται αντιληπτή από την έλξη της σε άλλα σώματα. Το υπόλοιπο 4% είναι κυρίως υδρογόνο και ήλιο ενώ τα «βαριά» στοιχεία (άνθρακας, άζωτο, οξυγόνο κτλ.), από τα οποία αποτελείται κυρίως το σώμα μας, αποτελούν μόλις το 0,03% του περιεχομένου του Σύμπαντος!  Το συμπέρασμα αυτό συμφωνεί με τις μεταγενέστερες μετρήσεις της ακτινοβολίας μικροκυμάτων του Σύμπαντος, η οποία αποτελεί τον «απόηχο» της Μεγάλης Εκρηξης. Ετσι τα πειραματικά αποτελέσματα και η ερμηνεία τους έγιναν αποδεκτά από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα και χάρισαν στους πρωτεργάτες αυτού του μεγάλου ερευνητικού προγράμματος παρατήρησης απομακρυσμένων υπερκαινοφανών το βραβείο Νομπέλ Φυσικής 2011.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το συμπέρασμα πως το μεγαλύτερο μέρους του περιεχομένου του Σύμπαντος αποτελείται από κάτι άγνωστο ως σήμερα κάνει τους φυσικούς και αστρονόμους να αισθάνονται αμήχανα. Ετσι πολλοί επιστήμονες προσπάθησαν να ερμηνεύσουν τα πειραματικά αποτελέσματα με πιο συμβατικούς τρόπους. Για παράδειγμα, μια ομάδα θεωρεί ότι η επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος αποτελεί «ψευδαίσθηση», η οποία οφείλεται στο γεγονός ότι ζούμε σε μια περιοχή του Σύμπαντος που κινείται με μεγάλη ταχύτητα σε σχέση με τους μακρινούς γαλαξίες. Αρα η ταχύτητα απομάκρυνσης των υπερκαινοφανών που μετράμε οφείλεται κυρίως στην κίνηση του δικού μας Γαλαξία και όχι στην απομάκρυνση των άλλων  γαλαξιών. Μια άλλη ομάδα θεωρεί ότι η «άγνωστη» μορφή ενέργειας δεν είναι τίποτε περισσότερο από τη βαρυτική δυναμική ενέργεια του συνόλου των γαλαξιών και της σκοτεινής ύλης, η οποία συνήθως θεωρείται αμελητέα. Αξίζει να σημειωθεί ότι βασικά στελέχη και των δύο αυτών ομάδων εργάζονται στο Εργαστήριο Αστρονομίας του ΑΠΘ.

Του  Χάρη Βάρβογλη  καθηγητή του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
Πηγή: Το Βήμα