Ο μεγάλος Ρώσος φυσικός και νομπελίστας Λεβ Λαντάου κάποτε παρατήρησε ότι «οι κοσμολόγοι συχνά κάνουν λάθος, αλλά ποτέ δεν αμφιβάλλουν». Μελετώντας την ιστορία του ίδιου του σύμπαντος, υπάρχει πάντα μια πιθανότητα ότι τα έχουμε κάνει όλα λάθος, αλλά ποτέ δεν αφήνουμε αυτό να σταθεί εμπόδιο στις έρευνές μας.

Πριν από λίγες ημέρες, ένα νέο δελτίο τύπου ανακοίνωσε πρωτοποριακά ευρήματα από το όργανο Φασματοσκοπίας Σκοτεινής Ενέργειας (DESI), το οποίο είναι εγκατεστημένο στο τηλεσκόπιο Mayall στην Αριζόνα. Αυτή η τεράστια έρευνα, που περιέχει τις θέσεις 15 εκατομμυρίων γαλαξιών, αποτελεί τη μεγαλύτερη τρισδιάστατη χαρτογράφηση του σύμπαντος μέχρι σήμερα. Για το πλαίσιο, το φως από τους πιο απομακρυσμένους γαλαξίες που καταγράφηκαν στον κατάλογο DESI εκπέμφθηκε πριν από 11 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το σύμπαν ήταν περίπου το ένα πέμπτο της τρέχουσας εποχής του.

Οι ερευνητές του DESI μελέτησαν ένα χαρακτηριστικό στην κατανομή των γαλαξιών που οι αστρονόμοι αποκαλούν «ακωβιστικές ταλαντώσεις βαριονίου». Συγκρίνοντάς το με παρατηρήσεις του πολύ πρώιμου σύμπαντος και σουπερνόβα, μπόρεσαν να προτείνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια – η μυστηριώδης δύναμη που προωθεί τη διαστολή του σύμπαντος μας – δεν είναι σταθερή σε όλη την ιστορία του σύμπαντος.

Μια αισιόδοξη άποψη για την κατάσταση, είναι ότι αργά ή γρήγορα θα ανακαλυφθεί η φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας. Οι πρώτες αναλαμπές των αποτελεσμάτων της DESI προσφέρουν τουλάχιστον ένα μικρό κομμάτι ελπίδας για την επίτευξη αυτού του στόχου.

 

Ωστόσο, αυτό μπορεί να μην συμβεί. Μπορεί να ψάξουμε και να μην κάνουμε καμία πρόοδο στην κατανόηση της κατάστασης. Αν συμβεί αυτό, θα πρέπει να επανεξετάσουμε όχι μόνο την έρευνά μας, αλλά και τη μελέτη της ίδιας της κοσμολογίας. Θα πρέπει να βρούμε ένα εντελώς νέο κοσμολογικό μοντέλο, ένα που λειτουργεί τόσο καλά όσο το σημερινό μας, αλλά αυτό εξηγεί επίσης αυτή την ασυμφωνία. Περιττό να πούμε ότι θα ήταν μια μεγάλη παραγγελία.

Για πολλούς που ενδιαφέρονται για την επιστήμη αυτή είναι μια συναρπαστική, δυνητικά επαναστατική προοπτική. Ωστόσο, αυτού του είδους η επανεφεύρεση της κοσμολογίας, και μάλιστα όλης της επιστήμης, δεν είναι κάτι καινούργιο, όπως υποστηρίζεται στο βιβλίο του 2023 Η Επανεφεύρεση της Επιστήμης.

Η αναζήτηση δύο αριθμών

Πίσω στο 1970, ο Allan Sandage έγραψε ένα πολυσυζητημένο έγγραφο που δείχνει δύο αριθμούς που μας φέρνουν πιο κοντά σε απαντήσεις σχετικά με τη φύση της κοσμικής διαστολής. Στόχος του ήταν να τα μετρήσει και να ανακαλύψει πώς αλλάζουν με τον κοσμικό χρόνο. Αυτοί οι αριθμοί είναι η σταθερά του Hubble, H, και η παράμετρος της επιβράδυνσης, q0.

Ο πρώτος από αυτούς τους δύο αριθμούς μας λέει πώς γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν. Το δεύτερο είναι η υπογραφή της βαρύτητας: ως ελκυστική δύναμη, η βαρύτητα θα πρέπει να τραβάει ενάντια στην κοσμική διαστολή. Ορισμένα δεδομένα έχουν δείξει απόκλιση από τον νόμο Hubble-Lemaître, του οποίου ο δεύτερος αριθμός του Sandage, q0, είναι ένα μέτρο.

Καμία σημαντική απόκλιση από την ευθεία γραμμή του Hubble δεν μπορούσε να βρεθεί μέχρι να γίνουν σημαντικές ανακαλύψεις το 1997 από το Supernova Cosmology Project του Saul Perlmutter και την Ομάδα αναζήτησης High-Z SN με επικεφαλής τους Adam Riess και Brian Schmidt. Ο στόχος αυτών των έργων ήταν να αναζητήσουν και να ακολουθήσουν σουπερνόβα που εκρήγνυνται σε πολύ μακρινούς γαλαξίες.

Αυτά τα έργα βρήκαν μια σαφή απόκλιση από την απλή ευθεία γραμμή του νόμου Hubble-Lemaître, αλλά με μια σημαντική διαφορά: η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, όχι επιβραδύνεται. Ο Perlmutter, ο Riess και ο Schmidt απέδωσαν αυτή την απόκλιση στην κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν, η οποία αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα Lambda, Λ, και σχετίζεται με την παράμετρο επιβράδυνσης.

Το έργο τους κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2011.

Σκοτεινή ενέργεια: Το 70% του σύμπαντος

Παραδόξως, αυτή η ύλη Lambda(λάμδα), γνωστή και ως σκοτεινή ενέργεια, είναι το κυρίαρχο συστατικό του σύμπαντος. Έχει επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος στο σημείο όπου η δύναμη της βαρύτητας παρακάμπτεται και αντιπροσωπεύει σχεδόν το 70% της συνολικής πυκνότητας του σύμπαντος.

Γνωρίζουμε ελάχιστα ή τίποτα για την κοσμολογική σταθερά, Λ. Στην πραγματικότητα, δεν γνωρίζουμε καν ότι είναι μια σταθερά. Ο Αϊνστάιν είπε για πρώτη φορά ότι υπήρχε ένα σταθερό ενεργειακό πεδίο όταν δημιούργησε το πρώτο του κοσμολογικό μοντέλο που προέρχεται από τη Γενική Σχετικότητα το 1917, αλλά η λύση του δεν επεκτεινόταν ούτε προσβαλλόταν. Ήταν στατικό και αμετάβλητο, και έτσι το πεδίο έπρεπε να είναι σταθερό.

Η κατασκευή πιο εξελιγμένων μοντέλων που περιείχαν αυτό το σταθερό πεδίο ήταν ένα ευκολότερο έργο: προέρχονται από τον Βέλγο φυσικό Georges Lemaître, έναν φίλο του Αϊνστάιν. Τα σταθερά μοντέλα κοσμολογίας σήμερα βασίζονται στο έργο του Lemaître και αναφέρονται σε μας ως Λάμδα Ψυχρής ύλης μοντέλα (ΛCDM). [The standard cosmology models today based on Lemaître’s work, and are referred to as Λ Cold Dark Matter (ΛCDM) models].

Οι μετρήσεις DESI από μόνες τους είναι απολύτως συνεπείς με αυτό το μοντέλο. Ωστόσο, συνδυάζοντάς τα με παρατηρήσεις του Cosmic Microwave Background και των σουπερνόβα, το καλύτερο μοντέλο είναι ένα μοντέλο που περιλαμβάνει μια σκοτεινή ενέργεια που εξελίχθηκε κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου και που (δυνητικά) δεν θα είναι πλέον κυρίαρχη στο μέλλον. Εν ολίγοις, αυτό θα σήμαινε ότι η κοσμολογική σταθερά δεν εξηγεί τη σκοτεινή ενέργεια.

Η Μεγάλη Κρίση

Το 1988, ο νομπελίστας φυσικής του 2019 P. J. Ε. Ο Peebles έγραψε ένα έγγραφο με τον Bharat Ratra για την πιθανότητα ότι υπάρχει μια κοσμολογική σταθερά που ποικίλλει με το χρόνο. Όταν δημοσίευσαν αυτό το έγγραφο, δεν υπήρχε σοβαρό σώμα γνώμης για Λ.

Αυτή είναι μια ελκυστική πρόταση. Σε αυτή την περίπτωση, η τρέχουσα φάση της επιταχυνόμενης επέκτασης θα ήταν παροδική και θα τελείωνε κάποια στιγμή στο μέλλον. Άλλες φάσεις στην κοσμική ιστορία είχαν μια αρχή και ένα τέλος: ο πληθωρισμός, η εποχή που κυριαρχείται από την ακτινοβολία, η εποχή που κυριαρχείται από την ύλη και ούτω καθεξής.

Η παρούσα κυριαρχία της σκοτεινής ενέργειας μπορεί επομένως να μειωθεί κατά τη διάρκεια του κοσμικού χρόνου, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα ήταν μια κοσμολογική σταθερά. Το νέο παράδειγμα θα υπονοούσε ότι η τρέχουσα διαστολή του σύμπαντος θα μπορούσε τελικά να αντιστραφεί σε μια «Μεγάλη Κρούση».

Άλλοι κοσμολόγοι είναι πιο επιφυλακτικοί, αν μη τι άλλο ο Carl Sagan, ο οποίος είπε σοφά ότι «οι έκτακτοι ισχυρισμοί απαιτούν εξαιρετική απόδειξη». Είναι ζωτικής σημασίας να υπάρχουν πολλαπλές, ανεξάρτητες γραμμές αποδεικτικών στοιχείων που να δείχνουν το ίδιο συμπέρασμα. Δεν είμαστε ακόμα εκεί.

Οι απαντήσεις μπορεί να προέρχονται από ένα από τα σημερινά έργα που βρίσκονται σε εξέλιξη – όχι μόνο το DESI και το Euculid και το J-PAS - που στοχεύουν στην εξερεύνηση της φύσης της σκοτεινής ενέργειας μέσω χαρτογράφησης γαλαξιών μεγάλης κλίμακας.

Ενώ οι λειτουργίες του ίδιου του Κόσμου είναι προς συζήτηση, ένα πράγμα είναι σίγουρο – μια συναρπαστική εποχή για την κοσμολογία είναι στον ορίζοντα.