Dark Energy Survey: ένας νέος χάρτης για το “Σκοτεινό Σύμπαν”

Όπως είναι πλέον γνωστό, τα τελευταία είκοσι περίπου χρόνια ανακαλύψαμε ότι όλα όσα βλέπουμε στο Σύμπαν (άστρα νεφελώματα και γαλαξίες) αποτελούν το 4% μόνο των συστατικών του Σύμπαντος. Το ποσοστό αυτό αποτελεί τη συνηθισμένη και ορατή ύλη, από την οποία αποτελούμαστε κι εμείς και όλοι οι πλανήτες και τα άστρα των γαλαξιών του Σύμπαντος. Όλα δηλαδή τα ουράνια σώματα, που εκπέμπουν και ανακλούν κάποιας μορφής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα υπόλοιπα συστατικά του Σύμπαντος αποτελούνται από “σκοτεινή ύλη” (25%) και “σκοτεινή ενέργεια” (71%).

Η “σκοτεινή ύλη” και η “σκοτεινή ενέργεια” βρίσκονται παντού στο Σύμπαν και εντοπίστηκαν μόνο από τις σχετικές παρατηρήσεις μας χωρίς όμως να γνωρίζουμε από τι αποτελούνται. Γι’ αυτό σήμερα το πρόβλημα των συστατικών του “Σκοτεινού Σύμπαντος” είναι από τα πιο πολύπλοκα και συνάμα ενδιαφέροντα θέματα που αντιμετωπίζουν οι σύγχρονοι κοσμολόγοι στην διαμόρφωση των κοσμολογικών τους μοντέλων. Μέχρι τώρα τα διάφορα αυτά μοντέλα βασίζονταν στους χάρτες που αποτύπωναν την διανομή της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (Cosmic Microwave Background – CMB) η οποία υπήρχε στα πρώτα στάδια της ύπαρξης του Σύμπαντος (περίπου 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη που το γέννησε) και την οποία είχαν καταγράψει διάφορες διαστημοσυσκευές τα τελευταία 25 χρόνια (COBE-1992, WMAP-2003 και PLANCK-2010).


Προ ημερών, όμως, μία διεθνής ομάδα επιστημόνων μας παρουσίασε έναν νέο χάρτη του Σύμπαντος που μας αποκάλυψε την κοσμική εξελικτική του πορεία των τελευταίων επτά δις ετών της ύπαρξής του (των 13,8 δις ετών), καθώς επίσης και την κατανομή της “σκοτεινής ύλης” σε 26 εκατομμύρια γαλαξίες. Έτσι ο νέος αυτός χάρτης επιβεβαίωσε τα αρχικά μας κοσμολογικά μοντέλα υποστηρίζοντας συγχρόνως και το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) που έχουμε τα τελευταία 50 περίπου χρόνια για την σύγχρονη Φυσική. Το πρότυπο αυτό βασίζεται σε μια σειρά εξισώσεων που περιγράφει με αρκετή σαφήνεια τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) που καθορίζουν τη συμπεριφορά τους.

Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών σωματιδίων ύλης οφείλονται στην ανταλλαγή “σωματιδίων-φορέων” της κάθε δύναμης, τα οποία ονομάζονται μποζόνια και τα οποία μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο. Κάθε δύναμη έχει και τα δικά της χαρακτηριστικά μποζόνια: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα γλοιόνια για την ισχυρή και τα Μποζόνια W και Ζ για την ασθενή. Το Καθιερωμένο Πρότυπο, που αναπτύχθηκε στις αρχές του 1970, ενοποιεί την ηλεκτρασθενή θεωρία με την κβαντική χρωμοδυναμική σε μια κβαντική θεωρία πεδίου. Μέχρι σήμερα οι διάφορες προβλέψεις της θεωρίας αυτής έχουν επιβεβαιωθεί πλήρως από τα διάφορα πειράματα που έχουν γίνει, αν και δεν έχει κατορθώσει ακόμη να ενσωματώσει, μεταξύ των άλλων, και την τέταρτη θεμελιώδη αλληλεπίδραση της βαρύτητας.

Σχετικά τώρα με την σκοτεινή ύλη, που δεν εκπέμπει κάποιου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αυτή εντοπίστηκε για πρώτη φορά από τον Ελβετό αστρονόμο Fritz Zwicky στη προσπάθειά του να υπολογίσει τη συνολική μάζα του γαλαξιακού σμήνους της Κόμης. Οι μετρήσεις που έκανε στη διάρκεια της δεκαετίας του 1930 απέδειξαν ότι η μάζα που αντιστοιχούσε στη ορατή ύλη του σμήνους ήταν κατά πολύ μικρότερη από αυτή που απαιτούνταν για να δικαιολογηθούν οι ταχύτητες των γαλαξιών του σμήνους, διαφορετικά οι μεγάλες ταχύτητες των γαλαξιών που το απαρτίζουν θα το είχαν ήδη διασπάσει.

Δυστυχώς την εποχή εκείνη δεν δόθηκε η πρέπουσα προσοχή στις παρατηρήσεις του Zwicky μέχρις ότου την δεκαετία του 1970 η Αμερικανίδα αστρονόμος Vera Rubin κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα μελετώντας την ταχύτητα των άστρων γύρω από τους πυρήνες των γαλαξιών. Αντί δηλαδή οι ταχύτητες περιφοράς των άστρων σε κάθε γαλαξία να μειώνονται όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο του (όπως περίπου μειώνονται και οι ταχύτητες των πλανητών του Ηλιακού μας Συστήματος όσο μακρύτερα βρίσκονται από τον Ήλιο) αυτές παρέμεναν σταθερές σε μεγάλες αποστάσεις. Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαν τα άστρα αυτά να περιφέρονται με τις παρατηρούμενες ταχύτητες θα ήταν ο κάθε γαλαξίας να εμπεριέχει πολύ μεγαλύτερη ποσότητα ύλης απ’ αυτήν που μπορούμε να δούμε. Κάθε γαλαξίας με άλλα λόγια θα πρέπει να περιβάλλεται από ένα σφαιρικό φωτοστέφανο αόρατης, σκοτεινής ύλης, που αντιστοιχεί και στο μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής του μάζας. Από τι θα μπορούσε άραγε να αποτελείται αυτή η περίφημη σκοτεινή ύλη;

Οι σύγχρονοι ερευνητές υπολογίζουν ότι μπορεί να είναι δύο ειδών. Μπορεί δηλαδή να αποτελείται αφενός μεν από διάφορα αντικείμενα που είναι αόρατα λόγω των αποστάσεών τους (ΜΑCHOs) και αφετέρου από ορισμένα υποατομικά σωματίδια, όπως τα νετρίνα, που έχουν ελάχιστη αλληλεπίδραση με τα άλλα υλικά του Σύμπαντος (WIMPs). Tα MΑCHOs (Mαssive Αstronomicαl Compαct Hαlo Objects) περιλαμβάνουν αέριους και μη πλανήτες και άλλα μικρότερα αντικείμενα (αστεροειδείς και κομήτες) άλλων άστρων, καφέ νάνους (άστρα δηλαδή με ελάχιστα υλικά), άστρα νετρονίων, άσπρους νάνους και μαύρες τρύπες. Ενώ τα WIMPs (Weαkly-Interαcting Mαssive Pαrticles) μπορεί να περιλαμβάνουν νετρίνα με μικρή μάζα ή και άλλα παράξενα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα “αξιόνια”, που δεν έχουν ακόμη ανακαλυφτεί. Τέτοιου είδους σωματίδια προβλέπονται από ορισμένες θεωρίες τα οποία όμως δεν αλληλεπιδρούν με την κανονική, ορατή βαρυονική ύλη παρά μόνο δια μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής δύναμης, κι έτσι είναι πολύ δύσκολος ο εντοπισμός τους. Είναι πάντως γεγονός ότι σήμερα ολόκληρο το Σύμπαν είναι πλημμυρισμένο από έναν διάχυτο ωκεανό τέτοιων σωματιδίων με έξη φορές περισσότερα υλικά απ’ ότι όλα τα άστρα και οι γαλαξίες που παρατηρούμε στο Σύμπαν.

Παρ’ όλα αυτά ακόμη κι αν στην ύλη που βλέπουμε προσθέσουμε ακόμη και όλα τα υλικά της σκοτεινής ύλης πάλι φαίνεται ότι χρειαζόμαστε μια υπερδιπλάσια ποσότητα υλικών ή “ενέργειας” (αφού ύλη και ενέργεια αποτελούν δύο απόψεις του ίδιου πράγματος) για να εξηγηθούν οι παρατηρήσεις των κοσμολόγων που μας λένε ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ένα “ανοιχτό” και “επίπεδο” Σύμπαν. Ένα Σύμπαν του οποίου η διαστολή όχι μόνο δεν επιβραδύνεται λόγω της βαρύτητας των υλικών που περιλαμβάνει (ορατή και σκοτεινή ύλη) αλλά αντίθετα επιταχύνεται από τότε που το Σύμπαν είχε το ήμισυ της ηλικίας του. Πράγμα που σημαίνει ότι στο παρελθόν το Σύμπαν διαστέλλονταν πιο αργά απ’ ότι σήμερα. Η απρόσμενη αυτή διαπίστωση μας αναγκάζει να προσθέσουμε έναν ανεπιθύμητο όρο στις εξισώσεις του Αϊνστάιν, που ονομάζεται “κοσμολογική σταθερά”, για να μπορέσουμε έτσι να εξηγήσουμε όλες τις παρατηρήσεις μας. Η κοσμολογική σταθερά είναι μια ποσότητα που εισήγαγε πρώτος ο Αϊνστάιν “αυθαίρετα” το 1917 στη Γενική Σχετικότητα για να υποστηρίξει την ύπαρξη ενός στατικού Σύμπαντος, αφού οι αρχικές εξισώσεις πρόβλεπαν ότι το Σύμπαν διαστέλλονταν. Όταν όμως οι παρατηρήσεις του Έντουϊν Χάμπλ στα τέλη της δεκαετίας του 1920 απέδειξαν ότι το Σύμπαν πράγματι διαστέλλεται ο Αϊνστάιν απέσυρε την σταθερά αυτή αποκαλώντας την το μεγαλύτερο λάθος της ζωής του.

Σήμερα όμως όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν την κοσμολογική σταθερά σαν μια πέμπτη δύναμη, ένα απωθητικό είδος “αντιβαρύτητας”, που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού και η οποία προβλέπεται από την σύγχρονη θεωρία πεδίων. Η προσθήκη δηλαδή της κοσμολογικής σταθεράς (η οποία στις εξισώσεις του Αϊνστάιν συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα “Λάμδα”) θα μπορούσε να εξηγήσει πολλές από τις παρατηρήσεις μας. Η κοσμολογική σταθερά, δηλαδή, θα μπορούσε να είναι μία από τις εξηγήσεις της αποκαλούμενης “σκοτεινής ενέργειας”, έστω κι αν δεν γνωρίζουμε τι στο καλό είναι ή από τι αποτελείται.


Ο νέος χάρτης παρουσιάστηκε στις αρχές Αυγούστου στο Συνέδριο της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής στο “Fermilab” του Ιλινόις και βασίζεται στα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν στη διάρκεια του πρώτου έτους (2013-2014) των παρατηρήσεων του Προγράμματος DES (Dark Energy Survey). Το διεθνές αυτό ερευνητικό consortium αποτελείται από 400 ερευνητές από 25 ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια σε έξη χώρες. Στα πέντε χρόνια (2013-2018) που θα διαρκέσει το όλο πρόγραμμα θα συγκεντρωθούν συνολικά παρατηρήσεις τις εξελικτικής πορείας 300 εκατομμυρίων γαλαξιών στη διάρκεια της ζωής των 13,8 δις ετών ιστορίας του Σύμπαντος με αποτέλεσμα ο τελικός χάρτης να είναι πολύ πιο λεπτομερής. Το όλο πρόγραμμα θα ολοκληρωθεί μετά από παρατηρήσεις 525 ημερών με την βοήθεια μιας ιδιαίτερα ευαίσθητης ψηφιακής φωτογραφικής μηχανής 570-megapixel (DECam) η οποία είναι τοποθετημένη στο μεγάλο τηλεσκόπιο Blanco (με διάμετρο κατόπτρου 4-μέτρων) που βρίσκεται στην κορυφή Cerro Tololo των Χιλιανών Άνδεων.

Πηγή: Διονύσιος Σιμόπουλος, Επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *