Η προσπάθεια εξήγησης της σκοτεινής ενέργειας χτυπά
Για σχεδόν 20 χρόνια, οι φυσικοί γνώριζαν ότι η διαστολή του σύμπαντος έχει αρχίσει να επιταχύνεται. Αυτή η παράξενη επιτάχυνση θα μπορούσε να προκύψει επειδή κάποια μορφή μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας τεντώνει το διάστημα. Ή, θα μπορούσε να σημαίνει ότι η κατανόηση της βαρύτητας από τους φυσικούς δεν είναι σωστή. Αλλά μια νέα μελέτη βάζει τις βίδες σε μια ευρεία κατηγορία εναλλακτικών θεωριών βαρύτητας, καθιστώντας πολύ πιο δύσκολο να εξηγηθεί η σκοτεινή ενέργεια.
Η μελέτη είναι επίσης καθοριστική διαδρομής επειδή εκμεταλλεύεται ένα φαινόμενο που ονομάζεται ασθενής φακός στο οποίο η βαρύτητα από τους κοντινότερους γαλαξίες παραμορφώνει τις εικόνες πιο μακρινών. "Αυτό είναι το μέλλον", λέει ο Bob Nichol, ένας παρατηρητικός κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Portsmouth στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Αν κοιτάξετε την επόμενη δεκαετία, θα υπάρξει μια έκρηξη αυτών των δεδομένων."
Οι φυσικοί περίμεναν ότι η διαστολή του σύμπαντος θα επιβραδύνεται καθώς οι γαλαξίες τραβούν ο ένας τον άλλο με τη βαρύτητά τους. Αλλά το 1998, δύο ανεξάρτητες ομάδες εντόπισαν την ιστορία της διαστολής του σύμπαντος μελετώντας σουπερνόβα τύπου 1α:αστρικές εκρήξεις των οποίων τα χρώματα δείχνουν πότε έσκασαν και η φωτεινότητα των οποίων αποκαλύπτει πόσο μακριά βρίσκονται τώρα. Και οι δύο ομάδες διαπίστωσαν ότι η επέκταση επιταχύνεται, υποδηλώνοντας ότι η σκοτεινή ενέργεια ανατινάζει το σύμπαν σαν ένα μπαλόνι.
Ωστόσο, είναι πιθανό η σκοτεινή ενέργεια να μην υπάρχει και η επιτάχυνση να προέρχεται αντ' αυτού επειδή η κατανόηση της βαρύτητας από τους φυσικούς -η γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν- δεν είναι απολύτως σωστή. Ο Αϊνστάιν συμπέρανε ότι η βαρύτητα προκύπτει επειδή η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν τον χωροχρόνο. Στη γενική σχετικότητα, δεδομένης της κατανομής της μάζας και της ενέργειας, ο χωροχρόνος κάμπτεται για να ελαχιστοποιήσει την καμπυλότητά του, που συμβολίζεται με R. Αλλά στις λεγόμενες θεωρίες f(R) (προφέρεται "eff-of-are"), ο χωροχρόνος συστρέφεται για να ελαχιστοποιήσει την καμπυλότητα συν κάποια επιπλέον λειτουργία της καμπυλότητας. Αυτή η αλλαγή παράγει μια επιπλέον δύναμη παρόμοια με τη βαρύτητα που μπορεί είτε να προσελκύσει είτε να απωθήσει υπό διαφορετικές συνθήκες.
Το 2007, οι θεωρητικοί Wayne Hu του Πανεπιστημίου του Σικάγο στο Ιλινόις και Ignacy Sawicki, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης στην Ελβετία, έδειξαν ότι, με τη σωστή επιλογή της συνάρτησης f(R), μια τέτοια θεωρία θα μπορούσε να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή χωρίς σκοτεινή ενέργεια. Για να γίνει αυτό, η επιπλέον δύναμη πρέπει να εξαφανιστεί όπου η βαρύτητα είναι σχετικά ισχυρή, όπως μέσα σε έναν γαλαξία ή στο πρώιμο σύμπαν, και να εισχωρήσει στη μεγαλύτερη κλίμακα και σε μεταγενέστερους χρόνους.
Για να δοκιμάσουν τέτοιες θεωρίες, οι επιστήμονες πρέπει να μελετήσουν το σύμπαν σε τεράστιες κλίμακες. Πέρυσι, ο Nichol και οι συνεργάτες του δοκίμασαν τη θεωρία f(R) καταμετρώντας σμήνη γαλαξιών που εκτείνονται σε εκατομμύρια έτη φωτός. Εάν η σκοτεινή ενέργεια τεντώνει το διάστημα, τότε θα πρέπει να επιβραδύνει τον σχηματισμό ογκωδών σμηνών και να παράγει λιγότερα από αυτά από ό,τι η f(R) βαρύτητα. Ο Nichol και οι συνεργάτες του βρήκαν αριθμούς που συνάδουν με τη σκοτεινή ενέργεια. Ωστόσο, η ανάλυση είναι δύσκολη. Οι ερευνητές πρέπει να εκτιμήσουν τη μάζα κάθε σμήνος, η οποία προέρχεται κυρίως από τη μυστηριώδη, αόρατη σκοτεινή ύλη. Έτσι, ο Nichol και οι συνεργάτες του συμπέραναν τη μάζα ενός σμήνου από ακτίνες Χ που προέρχονται από θερμό αέριο μέσα σε αυτό, βασιζόμενοι σε θεωρητική μοντελοποίηση της αλληλεπίδρασης της συνηθισμένης και της σκοτεινής ύλης.
Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Zuhui Fan, έναν αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο του Πεκίνου στο Πεκίνο, ακολούθησε μια προσέγγιση που μετρά απευθείας τη μάζα ενός σμήνους. Η βαρύτητα από ένα τεράστιο αντικείμενο μπορεί να παραμορφώσει τις εικόνες των πραγμάτων πέρα από αυτό. Ένα σμήνος γαλαξιών παραμορφώνει έτσι τις εικόνες πιο μακρινών γαλαξιών, έτσι ώστε αντί να προσανατολίζονται τυχαία στον ουρανό, τα επιμήκη σχήματά τους ευθυγραμμίζονται ελαφρώς, όπως τα ψάρια σε ένα κοπάδι. Η δύναμη αυτού του «αδύναμου φακού» αποκαλύπτει άμεσα τη μάζα του συμπλέγματος του πρώτου πλάνου. "Δεν βασίζεστε στην κλιμάκωση μεταξύ της μάζας του συμπλέγματος και του περιεχομένου του [συνηθισμένης ύλης]", λέει ο Baojiu Li, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Durham στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος εργάστηκε στη μελέτη.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δεδομένα από το τηλεσκόπιο Καναδά-Γαλλία-Χαβάη μήκους 3,6 μέτρων στο Mauna Kea στη Χαβάη, το οποίο απεικόνισε 5,5 εκατομμύρια γαλαξίες για να δημιουργήσουν έναν αδύναμο χάρτη φακού που καλύπτει 154 τετραγωνικές μοίρες ουρανού. Από τις «κορυφές» του χάρτη, μέτρησαν σμήνη που ζύγιζαν εκατοντάδες φορές περισσότερο από τον Γαλαξία μας, αναφέρουν σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters. Αυτοί οι απολογισμοί συμφωνούν με τις προβλέψεις της σκοτεινής ενέργειας και αποδυναμώνουν την υπόθεση των θεωριών f(R).
«Αυτή τη στιγμή, αυτή είναι η καλύτερη μέτρηση στην κοσμολογική κλίμακα», λέει ο Nichol. Το νέο αποτέλεσμα δεν σκοτώνει εντελώς τη θεωρία f(R), αλλά αν το όριο σε μια βασική παράμετρο μπορεί να μειωθεί κατά έναν άλλο παράγοντα 10, ο Nichol λέει, "Υποψιάζομαι ότι οι άνθρωποι θα πουν, "Αυτή η θεωρία δεν είναι αυτή". "
Ωστόσο, ο Hu αμφισβητεί πόσο μακριά μπορεί να προωθηθεί η μέθοδος. Ο περαιτέρω έλεγχος της βαρύτητας f(R) μπορεί να απαιτήσει τη λεπτομερή κατανομή της σκοτεινής ύλης σε μεμονωμένα σμήνη, λέει. Αλλά αυτή η κατανομή θα τροποποιηθεί από την αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινής και συνηθισμένης ύλης, λέει ο Hu, επαναφέροντας το ζήτημα στο παιχνίδι.
Ωστόσο, λένε οι ειδικοί, η νέα εργασία δείχνει τη δυνατότητα ανίχνευσης του σύμπαντος με αδύναμο φακό. Το Large Synoptic Survey Telescope, υπό κατασκευή στο Cerro Pachón της Χιλής, θα χαρτογραφήσει αδύναμο φακό πάνω από 20.000 τετραγωνικές μοίρες - περίπου το μισό του ουρανού. Το προτεινόμενο διαστημικό σκάφος Ευκλείδης της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας και ο προτεινόμενος δορυφόρος υπέρυθρου τηλεσκοπίου ευρέως πεδίου της NASA θα χρησιμοποιήσουν την τεχνική. "Όσον αφορά την ποιότητα των δεδομένων", λέει ο Li, "θα υπάρξει μεγάλη βελτίωση από αυτό που έχουμε τώρα."
