«Αν κάνω λάθος, βγαίνω στη σύνταξη»: Το μεγάλο στοίχημα των φυσικών που αμφισβητούν τη σκοτεινή ενέργεια

Φανταστείτε να κοιτάζετε τον νυχτερινό ουρανό και να συνειδητοποιείτε ότι όλα όσα βλέπετε –κάθε αστέρι, κάθε γαλαξίας, ακόμα και ο ίδιος ο πλανήτης μας– δεν είναι παρά μια μικρή «σταγόνα» στον ωκεανό της δημιουργίας. Για δεκαετίες, η σύγχρονη επιστήμη μάς διαβεβαίωνε ότι το 95% του Σύμπαντος αποτελείται από δύο μυστηριώδη, αόρατα συστατικά: τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια.

Μας είπαν ότι αυτή η τελευταία είναι η κινητήριος δύναμη που αναγκάζει το Σύμπαν να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα. Τι θα συνέβαινε όμως αν αυτή η θεωρία ήταν απλώς μια τεράστια παρεξήγηση;  Σήμερα, μια ομάδα κορυφαίων φυσικών έρχεται να ταράξει τα νερά, βάζοντας ένα αναπάντεχο στοίχημα: ισχυρίζονται ότι η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να μην υπήρξε ποτέ.

Αν έχουν δίκιο, ξαναγράφουν την ιστορία του κόσμου. Αν έχουν άδικο, δηλώνουν έτοιμοι να αποσυρθούν. Αν έχετε διαβάσει ποτέ οτιδήποτε για την κοσμολογία, θα έχετε συναντήσει ένα εντυπωσιακό στατιστικό στοιχείο: όλη η ύλη γύρω μας, όλα όσα βλέπουμε και αγγίζουμε, κάθε αστέρι, σύννεφο αερίων και πλανήτης, αποτελεί μόλις το 5% της ενέργειας του Σύμπαντος.
Από όλο το υπόλοιπο, περίπου το 25% αποτελείται από σκοτεινή ύλη, και το υπόλοιπο – ένα ανεξήγητο 70% των πάντων – είναι σκοτεινή ενέργεια.

Οι κοσμολόγοι λένε ότι αυτό είναι απαραίτητο να συμβαίνει λόγω του τρόπου με τον οποίο διαστέλλεται το Σύμπαν. Αλλά δεν είναι απλώς ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, είναι ότι η διαστολή αυτή επιταχύνεται, και κάτι πρέπει να την κατευθύνει. Ονομάζουμε αυτή την άγνωστη δύναμη σκοτεινή ενέργεια.

Η μεγάλη αμφισβήτηση: Μήπως η βαρύτητα μας ξεγελάει;

Ωστόσο, υπάρχει ένας εξειδικευμένος τομέας της κοσμολογικής έρευνας που αμφισβητεί αυτή την εξήγηση. Ισχυρίζεται ότι τα πράγματα φαίνονται να διαστέλλονται ταχύτερα λόγω ενός λάθους στην κατανόησή μας για τη βαρύτητα. Επιπλέον, προτείνει ότι, ίσως, η σκοτεινή ενέργεια δεν υπάρχει καθόλου.

«Οι παραδοχές που κάνουμε στη Γενική Σχετικότητα όσον αφορά την κοσμολογία, ουσιαστικά, είναι ότι το Σύμπαν είναι σχεδόν ίδιο παντού και ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις», λέει η Χέιλι ΜακΦέρσον, ερευνήτρια Γενικής Σχετικότητας και κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Ή, όπως το θέτουν οι κοσμολόγοι, η παραδοχή είναι ότι το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο.

Αυτό βγάζει νόημα όταν κοιτάζουμε τα πολύ πρώιμα στάδια του Σύμπαντος, όταν ήταν μικρό και πυκνό, σαν ένα είδος αρχέγονης σούπας. Καθώς όμως το Σύμπαν εξελίχθηκε και διαστάλθηκε, έγινε περισσότερο σαν αυτό που βλέπουμε σήμερα – έχοντας κάποιες περιοχές που είναι γεμάτες με “πράγματα”, όπως αστέρια και γαλαξίες, και άλλες περιοχές που είναι πολύ πιο άδειες.

Επομένως, ισχύουν ακόμα αυτές οι παραδοχές περί ομογένειας και ισοτροπίας; Προφανώς όχι με την κυριολεκτική έννοια –το Σύμπαν σαφώς δεν μοιάζει πλέον με σούπα– αλλά είναι αυτές οι παραδοχές αρκετά ακριβείς για την κοσμολογία; Αυτό είναι το κρίσιμο ερώτημα που επηρεάζει τους υπολογισμούς.

Οι λανθασμένες παραδοχές για τη σκοτεινή ενέργεια

Ορισμένοι θεωρητικοί, όπως ο καθηγητής Ντέιβιντ Γουίλτσιρ από το Πανεπιστήμιο του Καντέρμπερι, υποστηρίζουν ότι αυτές οι παραδοχές απέχουν τόσο πολύ από την πραγματικότητα, που μας οδηγούν στο να βλέπουμε το Σύμπαν με εντελώς λάθος τρόπο.

Ξεκίνησε να εργάζεται ως θεωρητικός φυσικός, λέει ο ίδιος, και όταν άρχισε να ασχολείται με την κοσμολογία δεν είχε κάποια ιδιαίτερη πρόθεση να ασκήσει κριτική στο Καθιερωμένο Μοντέλο. “Απλώς, όσο περισσότερο εμβάθυνα και άρχιζα να μιλώ με ανθρώπους που κάνουν τις πραγματικές παρατηρήσεις, τόσο περισσότερο συνειδητοποιούσα ότι κάνουμε τεράστιες απλουστεύσεις”, αναφέρει. “Αναζητώντας μια μέση έννοια ισοτροπίας και ομογένειας, ουσιαστικά προεξοφλούμε την απάντηση αντί να προσπαθούμε να την εξηγήσουμε”.

Κατά την άποψή του, αν πάρει κανείς στα σοβαρά το έργο του Αϊνστάιν, πρέπει να αντιληφθεί τη διαστολή ως κάτι που εξαρτάται από το πόσο ‘ανομοιογενές‘ (ή γεμάτο συσσωματώσεις ύλης) είναι το Σύμπαν. Η βαρύτητα επιβραδύνει τον χρόνο, επομένως ο χρόνος κυλά διαφορετικά σε περιοχές του Σύμπαντος με περισσότερη ύλη σε σχέση με περιοχές που έχουν λιγότερη.

Διαφορετικά τμήματα του Σύμπαντος θα διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς με βάση το πόσα “πράγματα” περιέχουν – δηλαδή, αν κοιτάζετε ένα σμήνος γαλαξιών ή ένα κοσμολογικό κενό. Και έτσι, ίσως να μην χρειαζόμαστε καθόλου την έννοια της σκοτεινής ενέργειας.

Ίσως η διαστολή του Σύμπαντος απλώς φαίνεται να επιταχύνεται, επειδή κοιτάζουμε κενά διαστήματα όπου η διαστολή μοιάζει ταχύτερη, αντί για περιοχές που περιέχουν γαλαξίες όπου η διαστολή φαίνεται πιο αργή. Ίσως όλο αυτό να είναι απλώς το αποτέλεσμα των παράδοξων επιδράσεων που έχει η βαρύτητα στον χρόνο.

“Αυτό ουσιαστικά σημαίνει ότι υπάρχει αυτό το φαινόμενο στη θεωρία του Αϊνστάιν, το οποίο δεν είχαμε σκεφτεί ποτέ πριν”, λέει ο Γουίλτσιρ.

Το κομμάτι του παζλ που λείπει: Μια ιστορία γεμάτη κενά

Οι κορυφαίοι κοσμολόγοι δεν θα αρνούνταν ότι το Σύμπαν είναι ανομοιογενές, ούτε ότι υπάρχουν απλουστεύσεις ενσωματωμένες στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Κυρίως εργάζονται με μια εκδοχή της Γενικής Σχετικότητας που χρησιμοποιεί τον όρο Λάμδα, γνωστό και ως κοσμολογική σταθερά, ο οποίος επιτρέπει στις εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας να εφαρμόζονται σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν.

Σε γενικές γραμμές, αυτό το μοντέλο αποδείχθηκε αρκετά ικανοποιητικό για δεκαετίες παραγωγικού έργου. “Έχουμε αυτή τη βασική, ας πούμε, περιγραφή του Σύμπαντος, αυτό το ελάχιστο κοσμολογικό μοντέλο Λάμδα-CDM (Lambda-CDM), το οποίο, εδώ και περίπου 25 χρόνια από την ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας, έχει κάνει μια εξαιρετικά καλή δουλειά στην πρόβλεψη των περισσότερων παρατηρήσεων”, λέει η Τζέσικα Μιούιρ, ερευνήτρια σκοτεινής ενέργειας και επίκουρη καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι. “Αλλά δεν πιστεύουμε ότι αυτή είναι ολόκληρη η ιστορία”.

Υπάρχουν πολλές παραδοξότητες στο Καθιερωμένο Μοντέλο της Κοσμολογίας. Υπάρχει η “τάση Χαμπλ” (Hubble tension), κατά την οποία η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος φαίνεται να συμβαίνει με διαφορετικό ρυθμό, ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη μέτρησή της. Υπάρχει επίσης κάτι σχετικά με την κατανομή των λαμπρών ραδιοπηγών, που ονομάζονται κβάζαρ (quasars), το οποίο δεν φαίνεται να ταιριάζει με τον τρόπο που πιστεύουμε ότι διαστέλλεται το Σύμπαν.

Αυτό είναι γνωστό ως η ανωμαλία του διπόλου των κβάζαρ (quasar dipole anomaly). Αλλά ίσως το μεγαλύτερο πρόβλημα που αντιμετωπίζει το Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο –τουλάχιστον, αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι δυσκολεύονται να συλλάβουν– είναι ότι δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, οι οποίες αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα του Σύμπαντος.

“Υπάρχουν πράγματα στο μοντέλο μας που δεν βγάζουν νόημα”, λέει η Μιούιρ. “Δεν είναι πολύ ικανοποιητικό το να μην γνωρίζουμε από τι αποτελείται το 95% του Σύμπαντος”.

Το γεγονός ότι το τρέχον μοντέλο είναι από ορισμένες απόψεις μη ικανοποιητικό, ωστόσο, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι είναι και λάθος. Οι δύσκολες εξισώσεις της Γενικής Σχετικότητας έχουν ασφαλώς απλουστευθεί με παραδοχές ώστε να γίνουν χρηστικές, όμως οι περισσότεροι κοσμολόγοι υποστηρίζουν ότι οι όποιες επιπτώσεις αυτών των παραδοχών είναι τόσο μικρές που πιθανότατα στερούνται σημασίας.

“Θα ήταν πολύ συναρπαστικό αν λέγαμε: ‘Μας διέφυγε αυτό το πράγμα, και τελικά αποδεικνύεται ότι δεν χρειαζόμαστε μια μυστηριώδη ουσία που έχει αρνητική πίεση και αποτελεί το 70% της μάζας και της ενέργειας στο Σύμπαν'”, αναφέρει η Μιούιρ. Αλλά όσον αφορά την αμφισβήτηση των παραδοχών που γίνονται για τη Γενική Σχετικότητα, “αυτές οι παραδοχές έχουν ήδη ελεγχθεί αρκετά αυστηρά, σε βαθμό που δεν αισθάνομαι ιδιαίτερα πεισμένη ότι η κοσμολογική σταθερά δεν είναι απαραίτητη”, συμπληρώνει η Μιούιρ.

Χτίζοντας καλύτερα μοντέλα

Επομένως, γιατί να μην θέσουμε αυτή την ιδέα υπό δοκιμή και να μάθουμε πόσο μεγάλες είναι στην πραγματικότητα οι επιπτώσεις αυτών των παραδοχών για τη Γενική Σχετικότητα; Αυτό ακριβώς κάνει η ΜακΦέρσον αυτή τη στιγμή, δημιουργώντας προσομοιώσεις του Σύμπαντος οι οποίες βασίζονται σε μια πιο περίπλοκη περιγραφή της βαρύτητας, χωρίς τις τόσες απλουστεύσεις που συνήθως επιβάλλονται στη Γενική Σχετικότητα.

“Το όλο νόημα της δουλειάς μου είναι να ενσωματώσω μια πιο περίπλοκη περιγραφή της βαρύτητας στο κοσμολογικό μοντέλο, κάτι που συνήθως δεν κάνουμε”, λέει η ίδια. Τώρα, με περισσότερα δεδομένα για το Σύμπαν από ποτέ και με όλο και πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές για την εκτέλεση προσομοιώσεων, “αποκτούμε την ελευθερία να αφαιρέσουμε κάποιες από αυτές τις παραδοχές και να δούμε αν μπορούμε να χτίσουμε ένα καλύτερο μοντέλο”.

Συχνά, όταν οι κοσμολόγοι εντοπίζουν προβλήματα στο Καθιερωμένο Μοντέλο, το πρώτο τους ένστικτο είναι να προσπαθήσουν να εισαγάγουν κάτι –ένα νέο είδος ενέργειας, μια νέα σταθερά, μια απλούστευση– για να διορθώσουν το μοντέλο. Όμως η προσέγγιση της ΜακΦέρσον είναι διαφορετική: “Είναι πολύ πιο σπάνιο στο σύνολο των κοσμολόγων να πει κανείς: ‘Έχουμε χτίσει αυτό το μοντέλο βασισμένο σε απλουστευτικές προσεγγίσεις. Μήπως όλο αυτό το περίεργο πράγμα είναι απλώς η συνέπεια της κατάρρευσης αυτών των συγκεκριμένων προσεγγίσεων;'”.

Αν και το έργο των προσομοιώσεων βρίσκεται ακόμη σε πλήρη εξέλιξη, μέχρι στιγμής τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι επιπτώσεις των παραδοχών για τη βαρύτητα είναι πολύ μικρές και αμελητέες.  Παρά το γεγονός αυτό, η ΜακΦέρσον επισημαίνει ότι, “όπως συμβαίνει με κάθε είδους επιστήμη, και ιδιαίτερα με αυτού του είδους την αριθμητική μοντελοποίηση, υπάρχουν ένα δισεκατομμύριο αστερίσκοι σε αυτή τη δήλωση. Υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει για να μπορέσουμε να πούμε με βεβαιότητα αν οι παραδοχές αυτές έχουν τελικά σημασία ή όχι”.

Μια σταθερά που… δεν μένει σταθερή

Ακόμα και εκείνοι που υποστηρίζουν το Καθιερωμένο Μοντέλο της Κοσμολογίας παραδέχονται πρόθυμα ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι αλλόκοτη. Η σκοτεινή ύλη είναι ήδη αρκετά μπερδεμένη, καθώς δεν αλληλεπιδρά με το φως, όμως μπορούμε τουλάχιστον να την ανιχνεύσουμε μέσω των βαρυτικών της επιδράσεων και να τη φανταστούμε, θεωρητικά, ως κάτι ανάλογο –σε κάποιο βαθμό– με την κανονική ύλη.

Η σκοτεινή ενέργεια, όμως, είναι πολύ πιο δύσκολο να συλληφθεί ως έννοια. Οι πιο επικρατούσες θεωρίες αναφέρουν ότι πρόκειται για μια ιδιότητα του ίδιου του χώρου: Ότι υπάρχει κάτι στην ίδια την ύπαρξη του κενού διαστήματος που ασκεί μια ώθηση προς τα έξω. Ή, όπως το θέτουν γενικότερα οι κοσμολόγοι, ότι έχει αρνητική πίεση. Ωστόσο, προκύπτουν τόσα πολλά ερωτήματα.

Γιατί ο χώρος έχει τη συγκεκριμένη πυκνότητα ενέργειας και όχι κάποια άλλη ποσότητα; Πώς συσχετίζουμε αυτό το φαινόμενο με την κβαντομηχανική, η οποία προβλέπει ότι το απόλυτο κενό θα έπρεπε να έχει μια πυκνότητα ενέργειας κατά πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή που πραγματικά παρατηρούμε;

Αν και οι περισσότεροι κοσμολόγοι συμφωνούν ότι η “σκοτεινή ενέργεια” είναι ένας χρήσιμος όρος για να περιγράψει μια δύναμη που πρέπει να υπάρχει λόγω της διαστολής του Σύμπαντος, το τι ακριβώς είναι αυτή η δύναμη είναι πολύ πιο δύσκολο να εξηγηθεί.

“Υπάρχουν πολλοί λόγοι για να πιστεύουμε ότι πίσω από τη σκοτεινή ενέργεια κρύβεται μια βαθύτερη φυσική”, αναφέρει η Μιούιρ. Πρόσφατα ευρήματα από παρατηρήσεις που διεξήχθησαν από το Φασματοσκοπικό Όργανο Σκοτεινής Ενέργειας (DESI) και την Έρευνα Σκοτεινής Ενέργειας (DES) –στην οποία εργάζεται η Μιούιρ– υποστηρίζουν επίσης μια παλιά θεωρία, σύμφωνα με την οποία η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου.

Η ιδέα δεν είναι απλώς ότι καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, δημιουργείται περισσότερος κενός χώρος και αυτός ο μεγαλύτερος χώρος συνεπάγεται περισσότερη σκοτεινή ενέργεια. Είναι ότι η ίδια η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου.

Σε αυτή την περίπτωση, η σκοτεινή ενέργεια δεν μπορεί απλώς να αναπαρασταθεί από μια κοσμολογική σταθερά, το Λάμδα, επειδή ακριβώς δεν είναι σταθερή – υπάρχουν περίοδοι στην ιστορία του Σύμπαντος που είχε χαμηλότερη τιμή, και θα μπορούσαν να υπάρξουν στιγμές στο μέλλον που θα έχει υψηλότερη.

Αυτό είναι δύσκολο να χωρέσει στο τρέχον Καθιερωμένο Μοντέλο. “Είναι δύσκολο να τροποποιήσεις έστω και ελαφρώς την κοσμολογική σταθερά, επειδή δεν υπάρχει πραγματικά μια θεωρία πίσω από αυτήν”, λέει η Δρ Βαλέρια Πετορίνο, θεωρητικός της σκοτεινής ενέργειας στον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA). “Είναι μια σταθερά. Είναι εκεί. Είναι κάτι που προστέθηκε, κατά κάποιο τρόπο, ‘με το χέρι'”.

Η ιδέα του να θεωρούμε τη σκοτεινή ενέργεια ως σταθερά ήταν χρήσιμη για την έρευνα μέχρι τώρα. Ωστόσο, το πόσο καλά ταιριάζει αυτή η σταθερά σε διαφορετικές κλίμακες και σε διαφορετικά σενάρια είναι κάτι που αποτελεί αντικείμενο έντονης συζήτησης αυτή τη στιγμή. “Το πρόβλημα είναι, τι συμβαίνει αν βρεθούμε σε πολύ μεγάλες κλίμακες;” λέει η Πετορίνο.

“Τι συμβαίνει στο μέλλον ή στο παρελθόν; Ήταν πάντα έτσι; Θα είναι πάντα έτσι;” Αυτό μας οδηγεί σε μια ακόμη πιο συναρπαστική θεωρία: ίσως η σκοτεινή ενέργεια να μην είναι ένα μεμονωμένο φαινόμενο. Θα μπορούσε να πρόκειται για μια ολόκληρη οικογένεια δυνάμεων που αλληλεπιδρούν με περίπλοκους τρόπους, επηρεάζοντας τη διαστολή του Σύμπαντος.

“Το Σύμπαν που γνωρίζουμε, αυτό το 5%, είναι γεμάτο από διαφορετικά σωματίδια και διαφορετικές δυνάμεις”, λέει η Πετορίνο. “Φανταστείτε λοιπόν αυτό το 70% της σκοτεινής ενέργειας.
Είναι πιθανότατα ένας συνδυασμός διαφορετικών πραγμάτων. Θα εκπλαγώ αν δω ότι αυτό το 70% αποτελείται από ένα μόνο πράγμα”.

Οι πρώτες ρωγμές στο οικοδόμημα της κοσμολογίας

“Στην πράξη, ο τρόπος με τον οποίο το προσεγγίζουμε αυτό είναι ότι προσπαθούμε να ελέγξουμε τις προβλέψεις αυτού του ελάχιστου μοντέλου με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια”, λέει η Μιούιρ. “Η ελπίδα είναι πως αν βρεις ρωγμές σε αυτή την πρόσοψη, όπου οι προβλέψεις του απλούστερου μοντέλου δεν ταιριάζουν με τις παρατηρήσεις, αυτό θα μπορούσε να είναι ένα στοιχείο για το πού πρέπει να πας πέρα από αυτή την απλούστερη περιγραφή”.

Για να δημιουργηθεί ένας χάρτης με το είδος της υψηλής ακρίβειας που απαιτείται για τον έλεγχο αυτών των μοντέλων, το τηλεσκόπιο Euclid πρέπει να διαθέτει εξαιρετικά ακριβή όργανα, όπως η κάμερα των 600 megapixel που ενσωματώνει.

Το Euclid θα είναι σε θέση να αξιολογήσει τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος χρησιμοποιώντας δύο μεθόδους: παρατηρώντας τόσο τις εκρήξεις σουπερνόβα (οι οποίες εκπέμπουν ένα προβλέψιμο μοτίβο φωτός) όσο και τα εναπομείναντα μοτίβα στην κατανομή των γαλαξιών από τα παλαιότερα στάδια του Σύμπαντος, τα οποία ονομάζονται ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων (baryon acoustic oscillations).

Διαθέτοντας αυτές τις δύο μεθόδους, η ελπίδα είναι ότι οι μετρήσεις του ρυθμού διαστολής θα γίνουν πιο βέβαιες. Τα δεδομένα που θα προκύψουν αναμένεται να δείξουν ποιο από τα πολλά μοντέλα σκοτεινής ενέργειας προσφέρει την καλύτερη προσαρμογή.

“Η αποστολή Euclid μπορεί να ελέγξει την εξίσωση Φρίντμαν – τη βάση του Καθιερωμένου Μοντέλου της Κοσμολογίας, αλλά μπορεί να ελέγξει και το δικό μου μοντέλο. Επομένως, αν κάνω λάθος, τότε μπορώ να βγω στη σύνταξη σε πέντε χρόνια”, λέει ο Γουίλτσιρ χαμογελώντας.

Όποια κι αν είναι τα αποτελέσματα από το Euclid, είναι βέβαιο ότι θα φέρουν επανάσταση στην κοσμολογία. “Δεν πιστεύουμε απαραίτητα ότι το Λάμδα είναι ολόκληρη η ιστορία. Και έτσι, θέλουμε να αναζητήσουμε αποκλίσεις από αυτό που θα μπορούσαν να μας πουν περισσότερα”, λέει η Μιούιρ.

Μια πιο περίπλοκη κατανόηση της βαρύτητας, για παράδειγμα, θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε για τη σκοτεινή ενέργεια. Ωστόσο, η Μιούιρ προειδοποιεί επίσης: “Οι εξαιρετικοί ισχυρισμοί απαιτούν και εξαιρετικές αποδείξεις”.