Νέα μαθηματική έρευνα υποδηλώνει ότι η σκοτεινή ενέργεια ενδέχεται να μην είναι απαραίτητη για την ερμηνεία της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος, κλονίζοντας τα θεμέλια του καθιερωμένου κοσμολογικού μοντέλου.
Οι μαθηματικοί αμφισβητούν το κατά πόσο η σκοτεινή ενέργεια είναι πράγματι υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Proceedings of the Royal Society A, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ντέιβις (UC Davis) παρουσιάζουν μαθηματικές αποδείξεις που δείχνουν ότι οι αστάθειες στο εσωτερικό των εξισώσεων Αϊνστάιν-Όιλερ (Einstein-Euler) υποδηλώνουν ότι το τρέχον μοντέλο του διαστελλόμενου σύμπαντος ενδέχεται να μην είναι βιώσιμο.
Οι εξισώσεις Αϊνστάιν-Όιλερ συνδυάζουν τη γενική σχετικότητα και τη ρευστοδυναμική, και χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μοντελοποίηση γαλαξιών, μελανών οπών και της διαστολής του σύμπαντος. Τα ευρήματα αμφισβητούν άμεσα το μοντέλο Λάμδα-ψυχρής σκοτεινής ύλης (Λ-CDM), το επικρατέστερο κοσμολογικό πλαίσιο για τη Μεγάλη Έκρηξη.
Ο Μπλέικ Τεμπλ του UC Davis παρομοίασε το καθιερωμένο μοντέλο με ένα ασταθές μολύβι που ισορροπεί στη μύτη του, σημειώνοντας πως οποιαδήποτε παρέμβαση το κάνει να καταρρεύσει.
Η αστάθεια του χωροχρόνου Φρίντμαν αμφισβητεί τη σκοτεινή ενέργεια
Σύμφωνα με τον Τεμπλ, οι υπολογισμοί της ομάδας δείχνουν ότι οι χωροχρόνοι Φρίντμαν (Friedmann), τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της κοσμικής διαστολής, είναι ασταθείς τόσο σε μικρή όσο και σε μεγάλη κλίμακα κοντά στη Μεγάλη Έκρηξη.
Ο ίδιος δήλωσε ότι αυτό τις καθιστά τις πιο ασταθείς λύσεις από όλες. «Οι ασταθείς λύσεις στη φυσική και την επιστήμη θεωρούνται μη φυσικές», δήλωσε ο Τεμπλ. «Δεν πρόκειται να τις παρατηρήσετε ποτέ στη φύση».
Ο Τεμπλ ανέφερε ότι αυτή η αστάθεια υποδεικνύει μια απλούστερη εξήγηση, η οποία παραμένει εξολοκλήρου εντός της αρχικής θεωρίας του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα. «Η αστάθεια όλων των χωροχρόνων Φρίντμαν απέναντι στην επιταχυνόμενη διαστολή υποδηλώνει μια απλούστερη, πιο φυσική εξήγηση για την επιτάχυνση του σύμπαντος σε σχέση με τη σκοτεινή ενέργεια», δήλωσε ο ίδιος.
Γιατί επέστρεψε η κοσμολογική σταθερά
Η σκοτεινή ενέργεια προτάθηκε πριν από σχεδόν 30 χρόνια ως ένας τρόπος για να εξηγηθεί γιατί η διαστολή του σύμπαντος φαίνεται να επιταχύνεται. Η έννοια αυτή ανάγεται στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1915. Για να δημιουργήσει ένα στατικό σύμπαν, ο Αϊνστάιν πρόσθεσε έναν όρο αντιβαρύτητας, γνωστό ως κοσμολογική σταθερά.
Αφότου ο Έντουιν Χαμπλ ανακάλυψε το 1929 ότι το σύμπαν διαστέλλεται, ο Αϊνστάιν φέρεται να χαρακτήρισε την κοσμολογική σταθερά ως το «μεγαλύτερο σφάλμα» του, επειδή, χωρίς αυτήν, οι εξισώσεις του θα είχαν προβλέψει τη διαστολή.
Στη δεκαετία του 1990, ωστόσο, η κοσμολογική σταθερά αναβίωσε και συνδέθηκε με τη σκοτεινή ενέργεια ως μια πιθανή εξήγηση για την επιταχυνόμενη διαστολή. Τα σύγχρονα κοσμολογικά μοντέλα βασίζονται στην έννοια του «σύμπαντος Φρίντμαν» (Friedmann universe), στο οποίο η ύλη διαστέλλεται ενώ παραμένει ομοιόμορφα κατανεμημένη σε ολόκληρο τον χώρο σε οποιαδήποτε δεδομένη χρονική στιγμή.
Αναζητώντας μια εναλλακτική εξήγηση
Ο Τεμπλ και οι συνεργάτες του πίστευαν ότι υπήρχαν μαθηματικά προβλήματα με αυτή την εικόνα, γεγονός που τους ώθησε να διερευνήσουν άλλες πιθανές αιτίες της κοσμικής επιτάχυνσης. «Η πρώτη μας ιδέα ήταν ότι ίσως το σύμπαν διαστέλλεται επειδή υπήρξε ένα κρουστικό κύμα, και η ανώμαλη επιτάχυνση ήταν το διαστελλόμενο κύμα πίσω από αυτό το κρουστικό κύμα», δήλωσε ο Τεμπλ.
«Στη συνέχεια συνειδητοποιήσαμε ότι υπάρχει μια οικογένεια αυτο-όμοιων λύσεων κατά τη διάρκεια της εποχής της ακτινοβολίας του Big Bang, η οποία θα μπορούσε να μοντελοποιήσει αυτό το διαστελλόμενο κύμα». Οι αυτο-όμοιες εξισώσεις περιγράφουν συστήματα που διατηρούν το ίδιο γενικό μοτίβο ή δομή σε διαφορετικές κλίμακες.
Οι αυτο-όμοιες εξισώσεις αποκαλύπτουν αστάθεια
Στη νέα μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια αυτο-όμοια εκδοχή των εξισώσεων του Αϊνστάιν, η οποία αναπτύχθηκε σε προηγούμενη εργασία τους, προκειμένου να αναπαραστήσουν το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο ως σημείο ηρεμίας των εξισώσεων.
Αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να αναλύσουν πλήρως τη σταθερότητα του μοντέλου και, ευρύτερα, τη σταθερότητα όλων των χωροχρόνων Φρίντμαν κατά την εποχή της κυριαρχίας της ύλης στο Big Bang. «Αποδεικνύουμε ότι, όπως και το στατικό μοντέλο του Αϊνστάιν, οι χωροχρόνοι Φρίντμαν είναι όλοι ασταθείς σε ακτινικές διαταραχές σε μεγάλες κλίμακες μήκους», δήλωσε ο Τεμπλ.
«Αυτό φαίνεται να αποκλείει το μοντέλο Λάμδα-ψυχρής σκοτεινής ύλης ως μια βιώσιμη, σταθερή λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν για τη γενική σχετικότητα, με ή χωρίς σκοτεινή ενέργεια». «Αυτό σημαίνει», πρόσθεσε ο ίδιος, «ότι η Μεγάλη Έκρηξη θα πρέπει γενικά να μοιάζει ακριβώς με έναν χωροχρόνο Φρίντμαν κοντά στο κέντρο συμμετρίας, αλλά σε γενικές γραμμές θα πρέπει να παρατηρούνται επιταχύνσεις που αποκλίνουν από το μοντέλο Φρίντμαν μακριά από το κέντρο».
Κοσμική επιτάχυνση χωρίς σκοτεινή ενέργεια
Οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος προκύπτει φυσικά από τις εξισώσεις Αϊνστάιν-Όιλερ και δεν απαιτεί ούτε κοσμολογική σταθερά ούτε σκοτεινή ενέργεια. Τα ευρήματά τους αμφισβητούν επίσης την Κοπερνίκεια αρχή, την ιδέα δηλαδή ότι η Γη δεν κατέχει μια ιδιαίτερη ή προνομιακή θέση στο σύμπαν.
«Τόσο το μοντέλο Λάμδα-ψυχρής σκοτεινής ύλης όσο και ένας σφαιρικά συμμετρικός χωροχρόνος προϋποθέτουν ένα ιδιαίτερο σημείο στο οποίο πρέπει να βρισκόμαστε ώστε το μοντέλο να είναι φυσικά εύλογο», δήλωσε ο Τεμπλ. «Αν αυτή η αρχή αποκλείει το ένα, οφείλει να αποκλείσει και το άλλο».
