Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Μια νέα επιστημονική ανάλυση προτείνει ένα ριζοσπαστικό μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο η σκοτεινή ενέργεια ξεκίνησε με αρνητική πυκνότητα και μετατράπηκε σε θετική δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα.
- Στη νέα προσέγγιση, τα αποτελέσματα που αποδίδονται στη σκοτεινή ενέργεια δεν προέρχονται από κάποια άγνωστη ουσία, αλλά πηγάζουν απευθείας από μια τροποποιημένη περιγραφή της ίδιας της βαρύτητας.
- Το εν λόγω σενάριο προσφέρει μια υποσχόμενη βάση για την επίλυση της διαφωνίας γύρω από την «τάση Hubble», ανοίγοντας παράλληλα την πιθανότητα η επιτάχυνση της διαστολής να έχει σταματήσει στο πρόσφατο παρελθόν.
Φανταστείτε να πετάτε μια μπάλα στον αέρα και, αντί αυτή να επιβραδύνει και να πέσει πίσω στη Γη, ξαφνικά να αναπτύσσει ιλιγγιώδη ταχύτητα, δραπετεύοντας προς το διάστημα. Κάπως έτσι συμπεριφέρεται και το σύμπαν μας. Για δεκαετίες, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ο κόσμος μας δεν επεκτείνεται απλώς, αλλά διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα.
Την ευθύνη για αυτή την κοσμική «επιτάχυνση» φέρει η σκοτεινή ενέργεια – μια μυστηριώδης δύναμη που πιστεύεται ότι αποτελεί περίπου το 70% του κόσμου. Αν και κυριαρχεί στο σύμπαν, η πραγματική της φύση παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής.
Μέχρι σήμερα, η απλούστερη και πιο διαδεδομένη εξήγηση τη θεωρούσε μια σταθερή, αμετάβλητη δύναμη με θετικό πρόσημο σε όλη τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας. Μια νέα, ανατρεπτική επιστημονική ανάλυση όμως έρχεται να ταράξει τα νερά της κοσμολογίας, προτείνοντας ένα ριζοσπαστικό μοντέλο βαρύτητας: τι θα γινόταν αν η σκοτεινή ενέργεια είχε τη δυνατότητα να αλλάζει πρόσημο, έχοντας ξεκινήσει την «πορεία» της κάτω από το μηδέν;
Η «κρυφή» ιστορία του σύμπαντος
Σύμφωνα με τις υπάρχουσες θεωρίες της βαρύτητας, η ίδια ακριβώς πυκνότητα της ύλης που παρατηρούμε σήμερα στο σύμπαν μπορεί να προκύψει από δύο πολύ διαφορετικές κοσμικές ιστορίες. Μέχρι τώρα, οι ερευνητές είχαν επικεντρωθεί σχεδόν αποκλειστικά στο σενάριο που κρατούσε την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας πάντα θετική.
Ωστόσο, εξερευνώντας την εναλλακτική διαδρομή, οι επιστήμονες αποκάλυψαν μια συναρπαστική πιθανότητα: Ένα σύμπαν όπου η σκοτεινή ενέργεια ξεκίνησε με αρνητική πυκνότητα και, δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, μετατράπηκε σε θετική.
Μια νέα ματιά στη βαρύτητα
Η μεγάλη διαφορά αυτής της θεωρίας έγκειται στον τρόπο που αντιμετωπίζει το ίδιο το φαινόμενο. Στη νέα ανάλυση, οι επιδράσεις που αποδίδουμε στη σκοτεινή ενέργεια δεν προέρχονται από κάποια άγνωστη, εξωτική ουσία που προστέθηκε ξαφνικά στο σύμπαν.
Αντίθετα, προκύπτουν μέσα από μια τροποποιημένη περιγραφή της ίδιας της βαρύτητας. Η πυκνότητά της, δηλαδή, είναι ένα πραγματικό μέγεθος που πηγάζει απευθείας από τις βαρυτικές εξισώσεις. Αυτή η νέα κοσμολογική προσέγγιση δεν αλλάζει μόνο τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε το παρελθόν του κόσμου, αλλά προσφέρει ένα ισχυρό μαθηματικό εργαλείο για να λυθεί μια από τις πιο έντονες και επίμονες διαφωνίες στην ιστορία της αστρονομίας: το πόσο γρήγορα μεγαλώνει, τελικά, το σύμπαν μας.
Ένα μοντέλο βαρύτητας που επιτρέπει στη σκοτεινή ενέργεια να αλλάζει πρόσημο θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση μιας επίμονης διαφωνίας σχετικά με το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν.
Σε μια υπάρχουσα θεωρία της βαρύτητας, η ίδια σημερινή πυκνότητα της ύλης μπορεί να ταιριάξει σε δύο πολύ διαφορετικές ιστορίες του σύμπαντος.
Οι ερευνητές είχαν ακολουθήσει σε μεγάλο βαθμό εκείνη που διατηρούσε θετική την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας. Η εξερεύνηση της άλλης εκδοχής αποκάλυψε τώρα μια πιθανή ιστορία στην οποία η πυκνότητα αυτή ξεκίνησε κάτω από το μηδέν και έγινε θετική δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι το μυστηριώδες συστατικό που πιστεύεται ότι οδηγεί την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Η απλούστερη εξήγηση τη θεωρεί αμετάβλητη σε όλη την κοσμική ιστορία. Στη νέα ανάλυση, ωστόσο, τα αποτελέσματα που αποδίδονται στη σκοτεινή ενέργεια προκύπτουν από μια τροποποιημένη περιγραφή της βαρύτητας. Η πυκνότητά της είναι ένα πραγματικό μέγεθος που προκύπτει από τις βαρυτικές εξισώσεις, και όχι ιδιότητα μιας νέας ουσίας που εισήχθη.
Ο καθηγητής Özgür Akarsu του Τμήματος Φυσικής του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Κωνσταντινούπολης (İTÜ) ηγήθηκε της διεθνούς μελέτης, η οποία δημοσιεύθηκε το 2025 στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review D.
Η εργασία πραγματοποιήθηκε στην ερευνητική του ομάδα στο İTÜ, με τη συμμετοχή της μεταδιδακτορικής ερευνήτριας Δρ. N. Merve Uzun και του διδακτορικού φοιτητή Bilal Bulduk.
Συνεργάστηκαν με την καθηγήτρια Nihan Katırcı του Πανεπιστημίου Doğuş, πρώην μεταδιδακτορική ερευνήτρια της ομάδας, καθώς και με τον καθηγητή Antonio De Felice από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Yukawa του Πανεπιστημίου του Κιότο, ένα από τα κορυφαία κέντρα θεωρητικής φυσικής στον κόσμο.
Μια πιθανή λύση στο κοσμολογικό αίνιγμα: Το “Hubble Tension” στο μικροσκόπιο
Akarsu και οι συνεργάτες του είχαν ήδη αναπτύξει ένα σενάριο που ονομάζεται «sign-switching ΛCDM» (ΛsCDM), στο οποίο η κοσμολογική σταθερά αλλάζει πρόσημο από αρνητικό σε θετικό λίγα δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang). Οι αναλύσεις έδειξαν ότι αυτή η ιστορία μπορεί να συμφωνεί με τις παρατηρήσεις από το Φασματοσκοπικό Όργανο Σκοτεινής Ενέργειας (DESI) και να αμβλύνει αρκετές μακροχρόνιες διαφωνίες στην κοσμολογία.
Ανάμεσα σε αυτές είναι και η «τάση Hubble» (Hubble tension), η αναντιστοιχία δηλαδή μεταξύ των εκτιμήσεων για το πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν σήμερα. Το νέο μοντέλο βαρύτητας προσφέρει μια πιθανή φυσική βάση για αυτό το παλαιότερο σενάριο. Παράλληλα, δείχνει πολλά υποσχόμενο, σε πρώιμο στάδιο, για την επίλυση της διαφωνίας σχετικά με τον ρυθμό διαστολής.
Σε μια εκτεταμένη εκδοχή του που περιλαμβάνει μια κοσμολογική σταθερά, το μοντέλο παραμένει συμβατό με την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου -το αρχέγονο φως που απέμεινε από το πρώιμο σύμπαν— ενώ ταυτόχρονα εναρμονίζεται με τους υψηλότερους ρυθμούς διαστολής που μετρώνται σε τοπικό επίπεδο. Αυτή η επέκταση επιτρέπει ακόμη μία πιθανότητα: η επιτάχυνση της κοσμικής διαστολής θα μπορούσε να έχει επιβραδυνθεί, ή ακόμη και να έχει σταματήσει, στο πολύ πρόσφατο παρελθόν.
Πρόσφατες αναλύσεις των δεδομένων του DESI έχουν επίσης εγείρει αυτή την πιθανότητα, αν και το μοντέλο χρειάζεται ακόμη αυστηρούς ελέγχους έναντι του συνόλου των παρατηρήσεων. Ο Akarsu δήλωσε: «Εδώ και αρκετά χρόνια μελετάμε ένα σενάριο στο οποίο η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει πρόσημο, και αυτό έχει αντέξει εξαιρετικά καλά έναντι δεδομένων όπως αυτά του DESI. Το ανοιχτό ερώτημα ήταν ποιος φυσικός μηχανισμός θα μπορούσε να παράγει μια τέτοια συμπεριφορά. Έτσι, εξετάσαμε σκόπιμα έναν κλάδο μιας πολύ γνωστής θεωρίας της βαρύτητας που είχε παραμεριστεί επειδή παραβιάζει τη συνήθη προσδοκία ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει θετική. Η αλλαγή προσήμου προέκυψε φυσικά από την ίδια τη θεωρία».
Όταν οι εξισώσεις της βαρύτητας αλλάζουν τους κανόνες: Η σκοτεινή ενέργεια αλλάζει πρόσημο
Το σημείο εκκίνησης της ομάδας ήταν η τηλεπαράλληλη βαρύτητα f(T). Ενώ η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα μέσω της καμπυλότητας του χωροχρόνου, η τηλεπαράλληλη βαρύτητα χρησιμοποιεί τη στρέψη, μια διαφορετική γεωμετρική ιδιότητα που σχετίζεται με το στρίψιμο.
Οι ερευνητές μελετούν επεκτάσεις αυτής της προσέγγισης εδώ και χρόνια για να διαπιστώσουν αν η τροποποιημένη βαρύτητα θα μπορούσε να εξηγήσει την κοσμική επιτάχυνση. Η εκθετική εκδοχή που εξετάστηκε στη μελέτη περιέχει τους δύο μαθηματικούς κλάδους που οδηγούν σε διαφορετικές κοσμικές ιστορίες. Παλαιότερες κοσμολογικές μελέτες είχαν προτιμήσει τον κλάδο που ακολουθούσε τη συνήθη προσδοκία -κληρονομημένη από τη γενική σχετικότητα- για μια θετική πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας.
Η εξέλιξή του μοιάζει πολύ με το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο. Στον εναλλακτικό κλάδο, η ενεργός πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας είναι αρνητική κατά τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος. Περνάει από το μηδέν σε μια μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift) περίπου 1,5, κάτι που αντιστοιχεί σε περίπου 9,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, και παραμένει θετική έκτοτε.
Η τιμή που καθορίζει αυτόν τον κλάδο εξαρτάται από τη σημερινή πυκνότητα της ύλης του σύμπαντος, επομένως αυτή η συμπεριφορά δεν απαιτεί μια επιπλέον, ανεξάρτητα ρυθμιζόμενη κοσμολογική παράμετρο. Το βασικό μοντέλο έχει έξι κοσμολογικές παραμέτρους, τον ίδιο ακριβώς αριθμό με το καθιερωμένο μοντέλο ΛCDM.
Μια τροποποιημένη θεωρία πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψη τις ακριβείς μετρήσεις που ήδη υποστηρίζουν την περιγραφή της βαρύτητας από τον Αϊνστάιν. Η επιστημονική εργασία διαπιστώνει ότι ο εναλλακτικός κλάδος μπορεί να παραμείνει συμβατός με τις δοκιμές στο Ηλιακό μας Σύστημα, επειδή οι αποκλίσεις του από τη γενική σχετικότητα καταστέλλονται φυσικά σε περιβάλλοντα υψηλής πυκνότητας.
Χαρτογραφώντας τους γαλαξίες: Το απόλυτο τεστ για τη μεταβολή της σκοτεινής ενέργειας
Σε κοσμική κλίμακα, αυτές οι αποκλίσεις προσφέρουν ευκαιρίες για τη δοκιμή του μοντέλου. Παράλληλα με τις προβλέψεις του για τη διαστολή, οι ερευνητές μπορούν να εξετάσουν πώς αναπτύσσονται οι γαλαξίες και οι μεγαλύτερες δομές, καθώς και πώς η βαρύτητα καμπυλώνει το φως μέσω του φαινομένου του ασθενούς βαρυτικού φακού.
Οι κινήσεις των γαλαξιών προσφέρουν ακόμη μία δοκιμή μέσω των παραμορφώσεων στον χώρο των μετατοπίσεων προς το ερυθρό (redshift-space distortions) – μοτίβα που δημιουργούνται όταν αυτές οι κινήσεις επηρεάζουν τα redshifts που χρησιμοποιούνται για τη χαρτογράφηση των γαλαξιακών θέσεων.
Μαζί, αυτές οι μετρήσεις μπορούν να βοηθήσουν να προσδιοριστεί αν η προτεινόμενη κοσμική ιστορία είναι ευσταθής. Το DESI καθιστά αυτούς τους συγκριτικούς ελέγχους όλο και πιο απαιτητικούς. Μετρώντας τις θέσεις εκατομμυρίων γαλαξιών και κβάζαρ, συνθέτει τον μεγαλύτερο τρισδιάστατο χάρτη του σύμπαντος και ανιχνεύει τη διαστολή του σε βάθος δισεκατομμυρίων ετών.
Τον Μάρτιο του 2025, η επιστημονική κοινότητα του DESI έδωσε στη δημοσιότητα τα αποτελέσματα από τα πρώτα τρία χρόνια παρατηρήσεων. Όταν αυτά συνδυάστηκαν με μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, υπερκαινοφανών (supernovae) και ασθενούς βαρυτικού φακού, ενίσχυαν παλαιότερες ενδείξεις ότι η σκοτεινή ενέργεια ενδέχεται να εξελίσσεται, αντί να συμπεριφέρεται ως μια απλή κοσμολογική σταθερά.
Η ισχύς αυτών των ενδείξεων ποικίλλει ανάλογα με τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούνται και δεν έχουν φτάσει ακόμη στο επίπεδο που απαιτείται για μια οριστική ανακάλυψη. Επίσης, δεν αποδεικνύουν ότι η σκοτεινή ενέργεια άλλαξε πρόσημο.
Η μελέτη υπό την καθοδήγηση του İTÜ υποβλήθηκε για πρώτη φορά τον Οκτώβριο του 2024, μήνες πριν από την ανακοίνωση του DESI τον Μάρτιο του 2025, και παρέχει μια θεωρητική εξήγηση προς διερεύνηση. Η αναζήτηση φυσικών μηχανισμών που θα μπορούσαν να προκαλέσουν μια αλλαγή προσήμου παραμένει ενεργή σε ολόκληρη την κοσμολογία.
Οι συγγραφείς της μελέτης υποστηρίζουν ότι και άλλες θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας ενδέχεται να κρύβουν πιθανότητες που παραβλέφθηκαν, επειδή οι ερευνητές απαιτούσαν από την ενεργό πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας να παραμένει πάντα θετική.
Το DESI έχει πλέον ολοκληρώσει την προγραμματισμένη πενταετή έρευνά του, έχοντας παρατηρήσει περισσότερους από 47 εκατομμύρια γαλαξίες και κβάζαρ. Το πλήρες σύνολο δεδομένων του θα προσφέρει έναν πιο αυστηρό έλεγχο για το αν αυτή η φαινομενική εξέλιξη της σκοτεινής ενέργειας ευσταθεί.
Η ομάδα του İTÜ δεν έχει ακόμη συγκρίνει το μοντέλο της με αυτό το πλήρες σύνολο δεδομένων. «Εντοπίσαμε ένα εναλλακτικό μονοπάτι για το Σύμπαν μέσα σε μια υπάρχουσα θεωρία. Το επόμενο βήμα είναι να το δοκιμάσουμε αυστηρά έναντι του συνόλου των παρατηρησιακών δεδομένων. Η αρχική εικόνα είναι ενθαρρυντική και μας ενδιαφέρει ιδιαίτερα τι μπορεί να μας αποκαλύψει για την τάση Hubble», δήλωσε ο καθηγητής Özgür Akarsu.