Η σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος (focusmag.gr)

[Bi2L]

πηγη focusmag.gr

Η σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος

http://www.focusmag.gr/articles/view-article.rx?oid=382501

Μια μυστηριώδης δύναμη το κάνει να διαστέλλεται, μια αόρατη ύλη γύρω μας...

 

Πρώτος υπέθεσε την ύπαρξή τους ο Δημόκριτος πριν από 25 αιώνες. Από τότε και μέχρι πριν από λίγες δεκαετίες πιστεύαμε ότι τα άτομα ήταν εκείνα που καθόριζαν την εξέλιξη του σύμπαντος και το πεπρωμένο της ζωής. Σήμερα όμως γνωρίζουμε ότι αποτελούν μόνο ένα μικρό ποσοστό του κόσμου. Αντίθετα, το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος αποτελείται από τη σκοτεινή ύλη, που κάνει το σύμπαν να συστέλλεται λόγω της βαρύτητας, και τη σκοτεινή ενέργεια, που το κάνει να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα.

 

 

 

Φυγόκεντρος δύναμη

 

Σύμφωνα με τα στοιχεία που έχουν συλλέξει τα πιο σύγχρονα τηλεσκόπια, το σύμπαν περιλαμβάνει 120 δις γαλαξίες, καθένας από τους οποίους αποτελείται από τρισεκατομμύρια άστρα και πλανήτες. Κι όμως αυτή η ασύλληπτη ποσότητα ύλης δεν είναι παρά ένα κλάσμα της συνολικής εικόνας, αφού αποτελεί μόλις το 4% του σύμπαντος. Το υπόλοιπο 96% εξυφαίνεται σ’ έναν άγνωστο ιστό ύλης και ενέργειας, που παραμένει ακόμα απρόσιτος για τους ερευνητές, γιατί είναι «σκοτεινός».

 

 

 

Οι πρώτες σοβαρές ενδείξεις ότι υπάρχει κάτι πέρα από την ορατή πραγματικότητα εμφανίστηκαν τη δεκαετία του ’70, όταν οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ασυμφωνίες ανάμεσα στις θεωρητικές προβλέψεις των φυσικών νόμων και στα παρατηρησιακά δεδομένα των τηλεσκοπίων.

 

 

 

Οι σπειροειδείς γαλαξίες, όπως ο Γαλαξίας μας, περιστρέφονται με ταχύτητα που ξεπερνά τις προβλέψεις. Στα εξώτερα σημεία τους τα άστρα κινούνται, σε σχέση με το κέντρο, με ταχύτητα που φτάνει τα 700.000 χλμ./ώρα. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, τέτοια ταχύτητα θα θρυμμάτιζε τους γαλαξίες λόγω της φυγόκεντρης δύναμης, σκορπίζοντας τα άστρα προς όλες τις κατευθύνσεις.

 

 

 

Σκοτεινή φωτογραφία

 

Οι αστρονόμοι αναρωτήθηκαν αν υπήρχε κάποιο άγνωστο είδος ύλης, το οποίο θα παρείχε την απαιτούμενη βαρύτητα ώστε να υπερνικά τη φυγόκεντρο δύναμη και να κρατά σταθερούς τους γαλαξίες. Έτσι επανήλθε στο προσκήνιο αυτό που είχε υποθέσει το 1933 ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky: θα πρέπει να υπάρχει μια μεγάλη ποσότητα «σκοτεινής» ύλης, αόρατης, που με τη βαρύτητά της καταφέρνει να συγκρατεί τα άστρα στους γαλαξίες. Κάποιοι επιστήμονες αντέτειναν ότι οι αντικανονικότητες που παρατηρούνταν δεν οφείλονταν στην ύπαρξη σκοτεινής ύλης αλλά στο γεγονός ότι έπρεπε να επαναδιατυπωθούν οι νόμοι της παγκόσμιας έλξης.

 

 

 

Ωστόσο οι ενδείξεις για την ύπαρξη αυτής της μυστηριώδους οντότητας πολλαπλασιάστηκαν με την πάροδο των ετών, μέχρι την τελευταία συγκλονιστική ανακάλυψη: το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble φωτογράφησε το 2004 τα απομεινάρια μιας τιτάνιας σύγκρουσης ανάμεσα σε δύο συστάδες γαλαξιών. Γύρω τους σχηματίστηκε μια άλως «σκοτεινής ύλης». Η εικόνα του Hubble, που αποτέλεσε ξανά αντικείμενο επεξεργασίας πριν από λίγους μήνες, είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς είναι η πρώτη που αποδεικνύει με ολοφάνερο τρόπο την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Αλλά τι είναι η σκοτεινή ύλη;

 

 

 

Συμμετρικά σωματίδια

 

Ο αστροφυσικός Τζορτζ Σμουτ, κάτοχος του βραβείου νόμπελ του 2006, υποστηρίζει ότι η «σκοτεινή ύλη» μάλλον αποτελείται από αξιόνια ή νετραλίνα. Κάποια πειράματα προτείνουν ότι τα αξιόνια υπάρχουν στ’ αλήθεια, αλλά κάποια άλλα δείχνουν ότι η μάζα τους είναι πολύ μικρή για να εξηγήσει τη σύνθεση της σκοτεινής ύλης. Για τα νετραλίνα, αντίθετα, υπάρχουν μόνο θεωρητικές υποθέσεις, που βασίζονται σε εικοτολογίες της υποατομικής φυσικής (το νετραλίνο ορίζεται ως το συμμετρικό ταίρι του νετρίνου). Για να έρθουν στο φως αυτά τα σωματίδια, πρέπει να περιμένουμε τα πειράματα που θα γίνουν με τους μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων, όπως τον LHC στο CERN της Γενεύης.

 

 

 

Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε πόση σκοτεινή ύλη υπάρχει στο σύμπαν, για να προβλέψουμε την εξέλιξή του τα επόμενα δισεκατομμύρια χρόνια. Υπάρχει αρκετή ώστε να εμποδίζει τη διαστολή του σύμπαντος που θα προκαλέσει μια συμπαντική ενδόρρηξη; Ή μήπως όχι; Για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, πρέπει να ανατρέξουμε σε πειραματικές παρατηρήσεις, όπως αυτές του δορυφόρου WMAP της NASA, ο οποίος ξεκινώντας από το 2002 έχει παρατηρήσει σε βάθος την κοσμική ακτινοβολία.

 

 

 

Τα ίχνη της Μεγάλης Έκρηξης

 

Ξεκινώντας από αυτά τα στοιχεία, στάθηκε δυνατό να ανασυνθέσουμε τη μορφή του σύμπαντος όπως ήταν πριν από 13,7 δις χρόνια, 400.000 χρόνια μετά τη γέννησή του. Στάθηκε επίσης δυνατό να προσδιορίσουμε τη «μορφή» του σύμπαντος, που εξαρτάται από τη συνολική ποσότητα ύλης στο εσωτερικό του. Αν η ύλη ήταν περισσότερη από αυτή που γνωρίζουμε, το σύμπαν θα ήταν κοίλο σαν μια σφαίρα (θετική καμπυλότητα)· αν ήταν λιγότερη, θα έμοιαζε με σέλα (αρνητική καμπυλότητα). Αλλά τα στοιχεία που παρείχε ο WMAP δεν άφηναν αμφιβολίες: το σύμπαν μας είναι τελείως επίπεδο (μηδενική καμπυλότητα).

 

 

 

Για να εξηγηθούν αυτά τα στοιχεία, ήταν όμως απαραίτητο να δεχτούμε την ύπαρξη μιας ακόμη καινούριας οντότητας, της σκοτεινής ενέργειας. Έτσι η σύνθεση του σύμπαντος διαμορφώνεται ως εξής: 4% συνηθισμένη ύλη, 25% σκοτεινή ύλη και 71% σκοτεινή ενέργεια. Για τη σκοτεινή ενέργεια αρχίσαμε να μιλάμε στις αρχές της δεκαετίας του ’90 χάρη στη μελέτη των υπερκαινοφανών αστέρων, οι οποίοι απομακρύνονται από εμάς με ρυθμό μεγαλύτερο του αναμενόμενου. Μελετώντας τους, φτάσαμε στο συμπέρασμα ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχυνόταν σαν να υπήρχε μια ώθηση που αντιτίθετο στη δύναμη της βαρύτητας.

 

 

 

Αραιή ενέργεια

 

Αυτή η συμπαντική «αντιβαρύτητα» βαφτίστηκε αμέσως «σκοτεινή ενέργεια» από τον Μίκαελ Τέρνερ, αστροφυσικό του Πανεπιστημίου του Σικάγο στις ΗΠΑ. Αλλά λίγα πράγματα γνωρίζουμε για το τι είναι πραγματικά. «Τολμώ να πω ότι πρόκειται για το μεγαλύτερο μυστήριο της επιστήμης στις ημέρες μας», λέει ο Τέρνερ. Αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι, σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η σκοτεινή ενέργεια δε συγκεντρώνεται σε κάποιες συγκεκριμένες περιοχές αλλά είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένη σε όλο το διάστημα. Κατά μια έννοια, θα μπορούσαμε να την ορίσουμε ως την «ενέργεια του κενού διαστήματος». Και είναι πολύ αραιή: ισούται με ένα άτομο ανά κυβικό μέτρο. Για να γίνει πιο κατανοητό, αν παίρναμε όλη τη σκοτεινή ενέργεια που υπάρχει στο ηλιακό σύστημα και τη μεταμορφώναμε σε ύλη, θα είχαμε ένα μικρό αστεροειδή.

 

 

 

Πληθωρισμός και διαστολή

 

Τα πράγματα πρέπει να έγιναν έτσι: 1) αρχικά, κατά τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν διαστάλθηκε με ταχύτατο τρόπο, με μια διαδικασία που ονομάζεται «κοσμικός πληθωρισμός». 2) Για τα επόμενα 8 δις χρόνια η διαστολή συνεχίστηκε, αλλά περιορίστηκε από τη βαρυτική έλξη της σκοτεινής ύλης. 3) Πριν από 8 δις χρόνια η «αντιβαρυτική» έλξη του κενού που οφειλόταν στη σκοτεινή ενέργεια άρχισε να υπερισχύει, και το σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα, όπως κάνει μέχρι σήμερα.

 

 

Το Μεγάλο Σχίσμα

 

Το πεπρωμένο του σύμπαντος θα εξαρτηθεί σε μεγάλο βαθμό από τη φύση της σκοτεινής ενέργειας. «Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να επικρατήσει σε όλες τις άλλες δυνάμεις της φύσης», εξηγεί ο Κρίστοφερ Κονσέλις, ειδικός στην εξέλιξη των γαλαξιών στο Πανεπιστήμιο του Νότιγχαμ στη Μεγάλη Βρετανία. «Αργά αλλά αδυσώπητα, θα κυριαρχήσει σε όλες τις δομές που σήμερα συγκρατούνται μαζί χάρη στη δύναμη της βαρύτητας και στη συνέχεια θα γίνει πιο ισχυρή από τις ηλεκτρικές και πυρηνικές δυνάμεις, μέχρι που θα αποσυνθέσει τα άτομα.

 

Σε αυτό το σημείο θα συμβεί το Μεγάλο Σχίσμα (Big Rip), δηλαδή η διάλυση του σύμπαντος», ίσως σε 20 δις χρόνια. Τρεις μήνες πριν το τέλος η σκοτεινή ενέργεια θα χωρίσει τους πλανήτες από τα άστρα τους, τα άστρα από τους γαλαξίες· 30 λεπτά πριν από το Μεγάλο Σχίσμα η Γη θα εκραγεί, ενώ ένα κλάσμα του δευτερολέπτου πριν από το τέλος θα διασπαστούν τα άτομα. Παρ’ όλο που θα συνεχίσουν να υπάρχουν, τα εναπομείναντα υποατομικά σωματίδια δε θα μπορούν να αντιδράσουν το ένα με το άλλο: η σκοτεινή ενέργεια θα έχει γίνει το μοναδικό συστατικό του σύμπαντος.

[ΠΑΠΑΣΩΤΗΡΙΟΥ ΛΕΩΝ]

Ο ψυχρος θανατος.Μια ακομη λεπτομερια ειναι οτι και οι μαυρες τρυπες θα <εξαερωθουν>,αλλα σε 10 στη 66!χρονια(Hawking).Παντως εικοσι δις ετη μου φαινονται πολυ λιγα.Και αν η διαστολη(λογο της σκοτεινης ενεργειας)υποχωρησει;Αν εχει περιοδικοτητα;