Λίγο φως στην πιο σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος

Τι είναι η σκοτεινή ύλη, που με τις βαρυτικές της αλληλεπιδράσεις συγκρατεί σε συνοχή τους γαλαξίες και διαμορφώνει τη δομή τους; Και τι είναι η «σκοτεινή ενέργεια», ερώτημα ακόμη πιο δύσκολο για τη σύγχρονη Φυσική, αφού υποτίθεται ότι είναι «κάτι» που καθορίζει τον ρυθμό διαστολής και το μέλλον του Σύμπαντος, αλλά καμία από τις υπάρχουσες θεωρίες δεν είναι σε θέση να την εξηγήσει.

Αν δεχτούμε ότι η γνωστή μας «ορατή ύλη» καταλαμβάνει μόνο το 4% του Σύμπαντος, ενώ το 96%, περίπου, αποτελείται από αινιγματικές οντότητες όπως η «σκοτεινή ύλη» και η «σκοτεινή

ενέργεια», τότε συνειδητοποιούμε ότι η σύγχρονη Φυσική δεν διαθέτει για το μεγαλύτερο κομμάτι του Σύμπαντος τίποτα περισσότερο από ένα... εντυπωσιακό όνομα!

Γιατί όμως σήμερα οι αστροφυσικοί αποδέχονται την ύπαρξη τόσο αινιγματικών οντοτήτων όπως η σκοτεινή ύλη και ενέργεια, μολονότι αυτές επιφέρουν ένα σοβαρό πλήγμα στην επιστημονική τους αυτοπεποίθηση;

Επειδή, όπως θα δούμε, η Αστροφυσική, στην προσπάθειά της να ξεπεράσει το πρώτο σοκ, οδηγείται σε νέες εκπληκτικές ανακαλύψεις.

Το τέλος του εικοστού αιώνα επιφύλασσε μια μάλλον δυσάρεστη έκπληξη στην ωριμότερη από όλες τις θετικές επιστήμες, τη Φυσική. Οι σύγχρονοι αστροφυσικοί και κοσμολόγοι διαπίστωσαν έκπληκτοι ότι η απέραντη ύλη που βλέπουμε στο Διάστημα -από τα άστρα και τους πλανήτες μέχρι τα νεφελώματα και τους γαλαξίες- δεν αντιστοιχεί παρά μόνο στο 4% της συνολικής ύλης-ενέργειας του Σύμπαντος (σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες).

Πράγματι, για τη σύγχρονη Φυσική θεωρείται βάσιμη η υποψία ότι περίπου το 21% του Σύμπαντος αποτελείται από «σκοτεινή ύλη», μια αινιγματική μορφή ύλης που δεν εκπέμπει, δεν διαθλά και δεν ανακλά την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και συνεπώς είναι αόρατη. Μολονότι η σύστασή της παραμένει μέχρι σήμερα άγνωστη, η παρουσία της γίνεται αντιληπτή από τη βαρυτική επίδρασή της στην ορατή ύλη. Οσο για το υπόλοιπο 75% -δηλαδή το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος!-, αυτό αποτελείται από την ακόμη πιο μυστηριώδη «σκοτεινή ενέργεια».

Οταν η ορατή ύλη δεν αρκεί για την κατασκευή της φύσης

Ο "αιρετικός" αστροφυσικός Φριτς Τσβίκι |

Η πρώτη σοβαρή υποψία ότι το Σύμπαν ενδέχεται να φιλοξενεί μια μεγάλη και παντελώς άγνωστη ποσότητα ύλης διατυπώθηκε ήδη το 1933 από τον Φριτς Τσβίκι (Fritz Zwicky), έναν πρωτοπόρο Ελβετό αστρονόμο που εκείνη την εποχή εργαζόταν ερευνητικά στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας.

Μελετώντας στο τηλεσκόπιο ένα σμήνος γαλαξιών (το σμήνος της Κόμης), ο Τσβίκι παρατήρησε ότι οι πιο εξωτερικοί γαλαξίες του σμήνους κινούνταν υπερβολικά γρήγορα. Κινούνταν δηλαδή με σχετικές ταχύτητες που δεν προβλέπονταν ούτε δικαιολογούνταν από τις γνωστές ελκτικές δυνάμεις της βαρύτητας, οι οποίες ασκούνται από τη μάζα των γαλαξιών που συγκροτούν αυτό το σμήνος.

Αν όμως, όπως διαπίστωσε έκπληκτος ο Τσβίκι, οι γαλαξίες που συνθέτουν το σμήνος της Κόμης κινούνταν τόσο γρήγορα, τότε, σύμφωνα με τους νευτώνειους νόμους της κίνησης, θα έπρεπε να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον και το σμήνος της Κόμης να έχει διαλυθεί!

Η μόνη εύλογη εξήγηση για το γεγονός ότι το σμήνος δεν διαλύεται αλλά διατηρείται συνεκτικό είναι ότι περιέχει πολύ περισσότερη ύλη απ’ όση βλέπουμε με τα τηλεσκόπιά μας. Θα πρέπει δηλαδή να περιέχει τεράστιες ποσότητες αόρατης ή «σκοτεινής» ύλης που το συγκρατούν ενωμένο.

Ηταν η πρώτη ένδειξη στην ιστορία της αστροφυσικής ότι κάτι δεν είχαν καταλάβει σωστά σχετικά με τη σύνθεση και την κατανομή της ύλης στο Σύμπαν, η πρώτη υποψία για την παρουσία τής εντελώς άγνωστης μέχρι τότε σκοτεινής ύλης.

Δυστυχώς, οι παρατηρήσεις και τα συμπεράσματα του Τσβίκι αγνοήθηκαν από την επίσημη αστρονομική κοινότητα για πάνω από 30 χρόνια.

Μόνο μετά τη δεκαετία του 1960, χάρη κυρίως στο πρωτοποριακό έργο της αστρονόμου Βέρα Ρούμπιν (Vera Rubin), η επιστήμη της αστροφυσικής άρχισε πολύ διστακτικά να θέτει το πρόβλημα του «ελλείμματος» ύλης-ενέργειας στη συνολική μάζα του Σύμπαντος. Μελετώντας την περιστροφή του δικού μας γαλαξία, αλλά και άλλων δώδεκα μακρινών γαλαξιών, η Ρούμπιν ανακάλυψε ότι όλοι ανεξαιρέτως κινούνται πολύ ταχύτερα απ’ ό,τι προβλεπόταν.

Στο εύλογο ερώτημα γιατί η Φυσική χρειάστηκε τόσο χρόνο για να ανακαλύψει αυτή την τεράστια ποσότητα «σκοτεινής ύλης» στο Σύμπαν, η απάντηση είναι απλή: επειδή αυτή η ύλη δεν εκπέμπει φως ή κάποια άλλη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αρα ήταν αδύνατον να ανιχνευτεί άμεσα με τα συνήθη τηλεσκόπια ή ραδιοτηλεσκόπια.

Την πιθανή παρουσία της μπορούμε να την ανιχνεύσουμε μόνον έμμεσα: μελετώντας τις ταχύτητες περιφοράς των εξωτερικών άστρων στους βραχίονες των γαλαξιών ή από τα φαινόμενα της λεγόμενης «βαρυτικής εστίασης του φωτός». Αυτή η δεύτερη έμμεση αλλά αποφασιστική ένδειξη έχει να κάνει με το γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη, αν και αόρατη, είναι βέβαιο ότι έχει κάποια μάζα, κάτι που επιβεβαιώνεται από αρκετές έρευνες.

Οι συγκρούσεις των γαλαξιών την αφήνουν «αδιάφορη»

Παρατηρώντας 72 συγκρούσεις ανάμεσα σε σμήνη γαλαξιών διαπιστώθηκε ότι οι συγκρούσεις τους δεν φαίνεται να επηρεάζουν καθόλου τη σκοτεινή ύλη, την ύπαρξη της οποίας πρώτος είχε προβλέψει ήδη από το 1933 ο «αιρετικός» αστροφυσικός Φριτς Τσβίκι |

Ωστόσο, πριν από έναν μήνα δημοσιεύτηκε στο έγκυρο περιοδικό «Science» μεγάλη έρευνα που υποδεικνύει ότι η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά ούτε με την ορατή ύλη ούτε όμως και με την υπόλοιπη σκοτεινή ύλη αλλά, αντίθετα, παραμένει αποτραβηγμένη στη μοναξιά της.

Την εντυπωσιακή ανακάλυψη έκαναν δύο ομάδες ερευνητών από την Ελβετία και τη Βρετανία, με επικεφαλής τον Ντέιβιντ Χάρβεϊ από το Εργαστήριο Αστροφυσικής της Πολυτεχνικής Σχολής της Λωζάννης.

Στόχος τους ήταν να μελετήσουν πώς συμπεριφέρεται και πώς αντιδρά η σκοτεινή ύλη όταν τα σμήνη γαλαξιών συγκρούονται μεταξύ τους. Παρατηρώντας 72 συγκρούσεις ανάμεσα σε μεγάλα σμήνη γαλαξιών με τη βοήθεια των πανίσχυρων τηλεσκοπίων Hubble και Chandra της NASA, κατέληξαν στο εντυπωσιακό συμπέρασμα ότι η σύγκρουσή τους δεν φαίνεται να επηρεάζει καθόλου τη σκοτεινή ύλη που βρίσκεται στο εσωτερικό τους, γεγονός που την καθιστά ακόμη πιο... σκοτεινή.

Μολονότι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια (βλ. ειδικό Πλαίσιο) εισάγονται στη Φυσική για να εξηγήσουν τη δομή και την κίνηση των γιγάντιων μακροσκοπικών δομών (π.χ. σμήνη γαλαξιών), είναι σαφές ότι αυτές οι σκοτεινές οντότητες θα πρέπει, κατά κάποιο τρόπο, να γίνονται «αισθητές» και στο μικροσκοπικό επίπεδο των ατόμων. Επηρεάζοντας, για παράδειγμα, τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις σε υποατομικό επίπεδο. Και για να διαπιστώσουν αν αυτό ισχύει, κάποιοι ερευνητές μελέτησαν λεπτομερώς πώς συμπεριφέρεται μια δέσμη νετρονίων που παράγεται σε έναν ατομικό επιταχυντή.

Παρά τις ακριβείς μετρήσεις που έκαναν, δεν κατάφεραν να βρουν το παραμικρό ίχνος επίδρασης της «σκοτεινής» ύλης ή ενέργειας στο μικροσκοπικό υποατομικό επίπεδο: τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η σκοτεινή ενέργεια δεν επηρεάζουν, από ό,τι φαίνεται, τις θεμελιώδεις δυνάμεις που δρουν στον μικρόκοσμο των ατόμων.

Αυτά τα απρόσμενα αποτελέσματα έρχονταν σε σύγκρουση με ό,τι γνώριζε η Φυσική μέχρι τότε. Δικαιολογημένα λοιπόν ορισμένοι ειδικοί υποστήριξαν ότι, αν οι εικασίες περί σκοτεινής ύλης και ενέργειας αποδειχτούν σωστές, τότε η επιστήμη της Φυσικής δεν θα μπορεί πλέον να αποφύγει το ενοχλητικό ερώτημα: μήπως τελικά, στη μακρά ιστορία της, τη γεμάτη από εκπληκτικές ανακαλύψεις και συγκλονιστικές κατακτήσεις, κατάφερε να γνωρίσει μόνο ένα ελάχιστο τμήμα του πραγματικού Κόσμου;

Δεδομένου μάλιστα ότι στο συλλογικό φαντασιακό της επιστήμης, αλλά και γενικότερα του δυτικού πολιτισμού, η έρευνα της πραγματικότητας έχει αξία και νόημα μόνο στο μέτρο που μας αποκαλύπτει τις θεμελιώδεις δομές της φύσης και τους «αιώνιους» και «αμετάβλητους» νόμους που τις κυβερνούν.

Αντιλαμβάνεται κανείς λοιπόν πόσο δυσάρεστη έκπληξη ήταν για τους σύγχρονους φυσικούς -αλλά και για την επιστήμη εν γένει- η διαπίστωση ότι στις περισσότερες περιπτώσεις ακόμη και η πλήρης γνώση των βασικών φυσικών νόμων ούτε συνεπάγεται αυτομάτως την πλήρη κατανόηση των φαινομένων ούτε οδηγεί κατ’ ανάγκην σε ασφαλείς προβλέψεις για τη μελλοντική τους συμπεριφορά. Από την άλλη πλευρά όμως, η εγγενής γνωσιακή ασάφεια και η μη προβλεψιμότητα ίσως εντέλει να είναι οι προϋποθέσεις για τη δημιουργική εξέλιξη και την ελευθερία της ανθρώπινης σκέψης.

Πώς η σκοτεινή ενέργεια επηρεάζει την πορεία του Κόσμου

Οι δυσάρεστες εκπλήξεις για τους φυσικούς δεν τελείωσαν όμως με την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης. Σχεδόν ταυτόχρονα ήρθε να προστεθεί μία ακόμη πιο αινιγματική παρουσία: η σκοτεινή ενέργεια. Στην αναγκαιότητα της ύπαρξής της κατέληξαν οι αστροφυσικοί όταν διαπίστωσαν το άκρως ενοχλητικό γεγονός ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται συνεχώς, και μάλιστα με επιταχυνόμενους ρυθμούς. Μελετώντας τη συμπεριφορά κάποιων μακρινών αστεριών, που ονομάζονται «υπερκαινοφανείς αστέρες» επειδή τελειώνουν τη ζωή τους με μια γιγάντια έκρηξη, ανακάλυψαν ότι αυτές οι εκρήξεις ήταν λιγότερο φωτεινές απ’ όσο περίμεναν.

Η εξήγηση για αυτό το αξιοπερίεργο γεγονός είναι ότι στο Σύμπαν θα πρέπει να υπάρχει κάτι που επιταχύνει αντί να επιβραδύνει τη διαστολή του: οι εκρήξεις των υπερκαινοφανών αστέρων είναι λιγότερο φωτεινές επειδή απομακρύνονται ακολουθώντας τη διαστολή του χωροχρόνου. Γεγονός που, με τη σειρά του, συνεπάγεται ότι όλη η σκοτεινή και όλη η ορατή ύλη μαζί, δηλαδή η συνολική μάζα του Σύμπαντος, καθώς και οι βαρυτικές ελκτικές δυνάμεις που αυτή η μάζα αναπτύσσει, δεν είναι σε θέση να συγκρατήσουν την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Η σκοτεινή ενέργεια εισάγεται στη Φυσική για να εξηγηθεί αυτό ακριβώς το παράδοξο: πώς είναι δυνατόν το Σύμπαν να διαστέλλεται (και μάλιστα με επιταχυνόμενους ρυθμούς!) αν η μοναδική δρώσα δύναμη είναι η βαρύτητα, η οποία, ως γνωστόν, είναι αποκλειστικά ελκτική δύναμη;

Ολες οι αστρονομικές παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν την ανάγκη ύπαρξης στο Σύμπαν μιας άγνωστης αλλά πολύ ισχυρής «αντιβαρυτικής δύναμης» που το ωθεί να «δραπετεύει». Και επειδή οι επιστήμονες αγνοούν τη φύση και την προέλευση αυτής της εντελώς άγνωστης μορφής ενέργειας, την αποκαλούν «σκοτεινή ενέργεια» ή «ενέργεια του κενού».

Μολονότι αγνοούν τη πραγματική της φύση, οι ειδικοί εικάζουν ότι θα πρέπει να είναι αρκετά ομοιογενής ως προς τη σύστασή της και όχι αρκετά πυκνή, ώστε να μπορεί να ασκεί την ισχυρή απωθητική δράση και να επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος που παρατηρούμε.

Οι σύγχρονοι αστρονόμοι και κοσμολόγοι πιστεύουν ότι οι ρυθμοί διαστολής του Σύμπαντος καθορίζονται τόσο από τη δύναμη της βαρύτητας, που ενεργεί επιβραδυντικά, όσο και από τη μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια που ευθύνεται για την επιταχυνόμενη διαστολή του. Με τη σειρά της, η επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος επενεργεί ενάντια στη βαρυτική έλξη και έτσι, η σκοτεινή ενέργεια προκαλεί τη διόγκωσή του.

Η σταδιακά επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος ξεκίνησε, όπως υπολογίζουν οι κοσμολόγοι, πριν από περίπου 5 δισεκατομμύρια χρόνια. Κι όταν, λόγω της διαστολής, ο όγκος του Σύμπαντος θα γίνει διπλάσιος από τον σημερινό, η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης θα είναι η μισή από τη σημερινή, ενώ η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας θα παραμένει περίπου η ίδια. Και αν η διαστολή συνεχιστεί, τότε, κάποια στιγμή στο απώτατο μέλλον, η πυκνότητα της ορατής ύλης θα είναι τόσο χαμηλή ώστε δεν θα υπάρχουν πια αστέρια ή πλανήτες αλλά μόνο μερικά απομακρυσμένα ηλεκτρόνια κάθε έτος φωτός.

Ομως, μην ανησυχείτε για το μέλλον των μακρινών απογόνων σας. Η ανθρώπινη καταστροφικότητα είναι πιθανό να αποδειχθεί πολύ πιο αποτελεσματική από κάθε άλλη φυσική καταστροφική δύναμη. Καλή Ανάσταση!

Πηγή: Σπύρος Μανουσέλης - Εφημερίδα των Συντακτών

Γράψου στο Newsletter του Carrefour και κέρδισε δωροεπιταγές αξίας 2.000€

Tags: σύμπανΕπιστήμησκοτεινή πλευρά