Το σύμπαν είναι στατικό; Όχι, διαστέλλεται! Μήπως επιβραδύνεται; Όχι, επιταχύνεται!

 Το σύμπαν έχει τη συνήθεια να διαψεύδει «αναμφισβήτητες» θεωρίες

Για τους αστρονόμους της δεκαετίας του 1990 ήταν αυτονόητο ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Κι όχι μόνο. Εξαιτίας της βαρυτικής αλληλεπίδρασης τα μεγάλα αστρονομικά αντικείμενα όπως οι γαλαξίες έλκονται μεταξύ τους και επομένως η διαστολή του σύμπαντος επιβραδύνεται. Έτσι, δύο ερευνητικές ομάδες αστρονόμων ανέλαβαν το έργο να προσδιορίσουν τον ρυθμό αυτής της επιβράδυνσης. Σκέφτηκαν πως αν βρουν αυτόν τον ρυθμό, τότε θα μάθουν την έσχατη μοίρα του σύμπαντος.

Επιβραδύνεται η διαστολή αρκετά ώστε τελικά να σταματήσει; Ή μήπως επιβραδύνεται τόσο πολύ που τελικά θα σταματήσει, θα αντιστραφεί και θα οδηγήσει στην συστολή του σύμπαντος, ένα είδος μπούμερανγκ της Μεγάλης Έκρηξης;

Από αριστερά προς τα δεξιά, οι Adam Riess, Brian Schmidt και Saul Perlmutter, που μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2011. Aπέδειξαν «χωρίς να το επιδιώξουν» ότι το σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενα.

Η απάντηση, στην οποία κατέληξαν οι δύο ομάδες το 1998, ανεξάρτητα η μία από την άλλη, ήταν ακριβώς το αντίθετο από αυτό που περίμεναν. Η διαστολή του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται. Επιταχύνεται.

Το αναμφισβήτητο γεωκεντρικό σύστημα

Η κοσμολογία συχνά βασίζεται σε «βέβαιες» υποθέσεις που αποδεκνύονται εντελώς λανθασμένες. Το αρχέτυπο παράδειγμα είναι ο γεωκεντρισμός. Τον 3^ο αιώνα π.Χ. ο Αρίσταρχος ο Σάμιος διατύπωσε την ιδέα ότι η Γη δεν είναι το κέντρο του σύμπαντος, αλλά περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο. Όμως κανείς δεν τον πίστεψε. Όλοι κοιτούσαν ψηλά και έβλεπαν τον Ήλιο να διαγράφει τροχιά γύρω από τη Γη. Επομένως τα παρατηρησιακά δεδομένα ήταν αναμφιβήτητα. Έτσι, κυριάρχησε το γεωκεντρικό σύστημα του Πτολεμαίου που διατυπώθηκε 2^ο αιώνα μ.Χ.

Μέχρι το 1550, όταν άρχισε να διαδίδεται το έργο του Κοπέρνικου, το μεγαλύτερο μέρος της αστρονομίας βασιζόταν σε μια λάθος παραδοχή: Οι ουρανοί θα ήταν πάντα απρόσιτοι. Όπως οι φυλακισμένοι στην παραβολή του Πλάτωνα, θα ήμασταν για πάντα στο έλεος των αντιληπτικών μας περιορισμών, προσπαθώντας να κατανοήσουμε τις κινήσεις σε ένα δισδιάστατο ουράνιο βασίλειο που ήταν το κοσμικό ισοδύναμο του θόλου μιας σπηλιάς.

Όμως, η εφεύρεση του τηλεσκοπίου την πρώτη δεκαετία του 17ου αιώνα και οι παρατηρήσεις του Γαλιλαίου και άλλων αστρονόμων, ανέτρεψαν οριστικά την λανθασμένη υπόθεση: ότι τελικά είναι η Γη που περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο.

Η διαστολή του σύμπαντος

Το γεγονός ότι το σύμπαν διαστέλλεται – η κύρια προϋπόθεση που οδήγησε στην αναζήτηση του ρυθμού επιβράδυνσης τη δεκαετία του 1990 – ήταν μια ανακάλυψη που κανείς δεν περίμενε. Και δεν ήρθε απλά ως μια πιθανή κοσμολογική υπόθεση, αλλά ως αναπόφευκτη βεβαιότητα.

Ο Νεύτωνας παρατηρώντας την στατική εικόνα του σύμπαντος ατενίζοντας τον νυχτερινό ουρανό, προσπάθησε να αποφύγει την φυσική κατάληξη που ήταν η βαρυτική του κατάρρευση. Έτσι, υπέθεσε ότι το σύμπαν είναι άπειρο και ότι τα άστρα κατανεμημένα ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις.

200 χρόνια μετά ένας άλλος μεγάλος φυσικός, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, πίστευε επίσης στο στατικό σύμπαν. Όμως χωρίς να το θέλει άνοιξε τον δρόμο για την ανακάλυψη της διαστολής του. Τον Νοέμβριο του 1915 παρουσίασε τις εξισώσεις που αποτελούν τη βάση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας. Και 15 μήνες αργότερα, εφαρμόζοντας αυτές τις εξισώσεις για να περιγράψει το σύμπαν, τα μαθηματικά τον οδηγούσαν σε ένα ασταθές σύμπαν: το σύμπαν είτε θα διαστελλόταν είτε θα συστελλόταν. Για να αποφύγει αυτή την ανησυχητική συνέπεια, εισήγαγε την κοσμολογική σταθερά Λ, για να εξασφαλίσει πως οι εξισώσεις του θα του εξασφάλιζαν ένα στατικό σύμπαν (διαβάστε σχετικά: Το λάθος του Einstein: νόμισε ότι έκανε λάθος).

Το μεγαλύτερο «λάθος» μου, όπως χαρακτήρισε ο Αϊνστάιν την άρνησή του να εμπιστευτεί τα μαθηματικά του, ήταν κατανοητό. Ο Νεύτωνας και ο Αϊνστάιν, όσο εξαιρετικοί φυσικοί κι αν ήταν, ήταν απλώς άνθρωποι. Το σύμπαν φαινόταν στατικό. Αν υπήρχαν στοιχεία που θα αποδείκνυαν το αντίθετο, σίγουρα δεν ήταν προφανή.

Η Μεγάλη Έκρηξη

Στις αρχές της δεκαετίας του 1920, οι παρατηρήσεις του Αμερικανού αστρονόμου Edwin Hubble απέδειξαν ότι η ταχύτητα απομάκρυνσης ενός γαλαξία είναι ανάλογη της απόστασής του από μας. Το διάγραμμα που τον οδήγησε στο συμπέρασμα αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

Η εξίσωση που περιγράφει τα συμπεράσματα του Hubble είναι v=H∙d, όπου v η ταχύτητα απομάκρυνσης του γαλαξία, d η απόσταση του γαλαξία από τη Γη και Η μια σταθερά που ονομάζεται σταθερά του Hubble (διαβάστε: Ο νόμος του Χάμπλ).

Ο Βέλγος αστρονόμος Georges Lemaître εργαζόμενος ανεξάρτητα, με βάση τις εξισώσεις του Αϊνστάιν, κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα. Υποστήριξε πως σύμφωνα με τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας αν πάμε πίσω στο χρόνο, θα καταλήξουμε σε ένα «αρχέγονο άτομο», σε μια αρχική, εξαιρετικά πυκνή και θερμή κατάσταση. Υπέθεσε λοιπόν ότι το σύμπαν ξεκίνησε από αυτό το αρχέγονο άτομο και έκτοτε διαστέλλεται και εξελίσσεται με τον χρόνο. Ο Lemaître ήταν ο πρόδρομος της σημερινής θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang).

Τα παρατηρησιακά δεδομένα που υποστηρίζουν την ύπαρξη μιας τέτοιας «Μεγάλης Έκρηξης» εμφανίστηκαν το 1964, με τη μορφή ενός κοσμικού υποβάθρου μικροκυματικής ακτινοβολίας που φαίνεται να διαχέεται σε όλο το διάστημα. Οι θεωρητικοί είχαν προβλέψει την ύπαρξη ενός τέτοιου υποβάθρου ως λείψανο της Μεγάλης Έκρηξης, αν και οι δύο αστρονόμοι των εργαστηρίων Bell που ανίχνευσαν πρώτοι την ακτινοβολία αυτή, αρχικά την απέρριψαν ως θόρυβο, πιθανώς αποτέλεσμα τις κουτσουλιές των περιστεριών που κάλυπταν το γιγάντιο κέρας της ραδιοφωνικής κεραίας τους. Ωστόσο, τέσσερις φυσικοί από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον (Dicke, Peebles, Roll, Wilkinson) αναγνώρισαν ότι η παρατήρηση ταίριαζε με τη βασική πρόβλεψη της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

To άρθρο των Penzias – Wilson στο Astrophysical Journal με τίτλο «Α measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s» για το οποίο τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ. Ακριβώς πάνω απ’ αυτό οι Dicke et al δημοσίευαν το δικό τους άρθρο στο οποίο «προέβλεπαν» την θερμοκρασία μικροκυματικής ακτινοβολίας στα πλαίσια της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης (διαβάστε σχετικά: Tι είναι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου;) 

Έξι χρόνια αργότερα, ο Αμερικανός αστρονόμος Allan Sandage χαρακτήρισε την κοσμολογία ως «την αναζήτηση δύο αριθμών». Ο ένας αριθμός ήταν ο «ρυθμός διαστολής». Ο άλλος αριθμός σχετιζόταν με την λανθασμένη υπόθεση που θα παρακινούσε δύο ομάδες ερευνητών ένα τέταρτο του αιώνα αργότερα, να τον προσδιορίσουν: «την επιβράδυνση του ρυθμού διαστολής» με την πάροδο του χρόνου.

Η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει την διαστολή του σύμπαντος

Και οι δύο ερευνητικές ομάδες που προσπαθούσαν να μετρήσουν την κοσμική επιβράδυνση ακολούθησαν την μεθοδολογία του Hubble, η οποία απεικόνιζε σε μια γραφική παράσταση την ταχύτητα συναρτήσει της απόστασης (χρησιμοποιώντας τα μεγέθη ενός τύπου εκρηκτικού αστέρα ή σουπερνόβα, αντί για τους μεταβλητούς Κηφείδες). Και οι δύο συνεργασίες ανέμεναν να βρουν την ίδια άμεση συσχέτιση που βρήκε ο Hubble – τουλάχιστον στην αρχή. Από κάποια απόσταση όμως και μετά, υπέθεσαν ότι η γραμμή θα αποκλίνει από κλίση των 45^ο προς τα κάτω (προς τον οριζόντιο άξονα), δείχνοντας ότι τα φαινομενικά μεγέθη των σουπερνόβα ήταν φωτεινότερα και επομένως πιο κοντά από ό,τι θα ήταν σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται με σταθερό ρυθμό.

Και η γραμμή παρέκκλινε από την τροχιά των 45^ο. Μόνο που δεν κατέβηκε. Ανέβηκε. Τα σουπερνόβα ήταν πιο αμυδρά, και επομένως πιο μακριά από ό,τι θα βρίσκονταν σε ένα σύμπαν που διαστέλλεται με σταθερό ρυθμό. Η διαστολή του σύμπαντος κατέληξαν οι αντίπαλες ομάδες, δεν επιβραδύνεται. Κατά κάποιο τρόπο επιταχύνεται.

Η σκοτεινή ενέργεια – έτσι ονόμασαν οι κοσμολόγοι οτιδήποτε προκαλούσε την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος – σύντομα έγινε μέρος του καθιερωμένου κοσμολογικού προτύπου, μαζί με τη σκοτεινή ύλη και την «κανονική» ύλη απο την οποία είμαστε φτιαγμένοι. Επιπλέον παρατηρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, το οποίο την δεκαετία του 1960 συνέβαλε στην επιβεβαίωση της ερμηνείας της Μεγάλης Έκρηξης στην κοσμολογία, αποκάλυψαν τα συστατικά του σύμπαντος. Μελετώντας τα μοτίβα στην ακτινοβολία οι επιστήμονες έχουν φτάσει τους υπολογισμούς των συνεισφορών στην πυκνότητα μάζας-ενέργειας του σύμπαντος σε ένα εξαιρετικό επίπεδο ακρίβειας: το 4,9% είναι η συνηθισμένη ύλη, το 26,8% η σκοτεινή ύλη και το 68,3% η σκοτεινή ενέργεια. Το μοντέλο αυτό σύμφωνα με τους κοσμολόγους είναι σωστό.

Αλλά όχι άψογο. Ούτε καν πλήρες. Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια; Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Πράγματι, ακόμη και μετά από τόσα χρόνια, ποια είναι η μοίρα του σύμπαντος; Πρόσφατα, το DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) στην Αριζόνα παρείχε στοιχεία ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του σύμπαντος. Οι κοσμολόγοι έχουν βρει τα στοιχεία πειστικά, αν και το νόημά τους – πόσο μάλλον οι επιπτώσεις τους στο καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας – παραμένει ασαφές.

Λοιπόν: Βρίσκεται η κοσμολογία στο χείλος μιας ακόμη αντιστροφής; Μιας ακόμη επανάστασης; Αν η ιστορία αποτελεί οδηγό, η απάντηση είναι: Μπορεί. Με βάση όσα γνωρίζουν οι σημερινοί κοσμολόγοι, ίσως να εργάζονται πάνω σε μια φαινομενικά αδιάσειστη, αυταπόδεικτη, αλλά λανθασμένη ή αβασάνιστη υπόθεση. Έχει συμβεί και στο παρελθόν.

διαβάστε περισσότερα ΕΔΩ: https://www.scientificamerican.com/article/the-universe-keeps-rewriting-cosmology/

https://physicsgg.me/