Οι πέντε τρόποι που μπορεί να τελειώσει το σύμπαν και ο ρόλος της σκοτεινής ενέργειας

Κοιτάζοντας έξω στο Σύμπαν σήμερα, είναι εύκολο να είμαστε τρομαγμένοι από όλα αυτά που μπορούμε να βρούμε. Τα αστέρια που βλέπουμε στον νυχτερινό μας ουρανό είναι ένα μικρό κλάσμα – λίγες χιλιάδες από τα εκατοντάδες δισεκατομμύρια – που υπάρχουν στον Γαλαξία μας. Ο ίδιος ο Γαλαξίας είναι ένας μοναχικός γαλαξίας από τα τρισεκατομμύρια που υπάρχουν στο παρατηρούμενο Σύμπαν, το οποίο όμως εκτείνεται προς όλες τις κατευθύνσεις μήκους περίπου
46 δισεκατομμύρια έτη φωτός.
Στην αποκρυπτογράφηση του κοσμικού παζλ η ανακάλυψη της φύσης της σκοτεινής ενέργειας θα μας αποκαλύψει καλύτερα τη μοίρα του Σύμπαντος. Το εάν η σκοτεινή ενέργεια μεταβάλλεται είναι το κλειδί για να μάθουμε αν θα τελειώσουμε με ένα Μεγάλο Σχίσμα ή όχι. Όμως τώρα τα δεδομένα δείχνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια να είναι σταθερή.

Και όλα ξεκίνησαν πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια από μια καυτή, πυκνή, ταχέως αναπτυσσόμενη κατάσταση, γνωστή ως Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή είναι η πρώτη στιγμή κατά την οποία μπορούμε να περιγράψουμε το Σύμπαν μας ως χώρο γεμάτο από ύλη και ακτινοβολία και να προχωρήσουμε από αυτήν την κατάσταση, λαμβάνοντας υπόψη τους γνωστούς νόμους της φυσικής. Αυτοί οι νόμοι μας δίνουν τη δυνατότητα να εξηγήσουμε πώς ο Κόσμος πήρε το σχήμα του και καθώς όλα εξελίσσονται ακόμα, σχηματίζονται νέα αστέρια συνεχώς. Πώς όμως θα τελειώσει ο Κόσμος μας; Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η επιστήμη.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, οι επιστήμονες που μελέτησαν τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος εξέτασαν τρεις δυνατότητες, με βάση την απλή φυσική της Γενικής Σχετικότητας και το πλαίσιο του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Από τη μία πλευρά, η βαρύτητα λειτουργεί για να έλκει τα πάντα μαζί. Είναι μια ελκτική δύναμη που διέπεται από την ύλη και την ενέργεια, σε όλες τις μορφές τους, που υπάρχουν στο Σύμπαν. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει ο αρχικός ρυθμός επέκτασης, που δουλεύει για να οδηγήσει τα πάντα χωριστά και μακριά.

Το Big Bang σηματοδοτεί την εκκίνηση της μάχης, του μεγαλύτερου αγώνα όλων των εποχών: μεταξύ της βαρύτητας και του ρυθμού διαστολής του σύμπαντος. Ποιός θα κερδίσει τελικά στον Κόσμο μας; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση, με την κλασική συλλογιστική θα πρέπει να καθορίσει τη μοίρα του σύμπαντος μας.

Ένα Σύμπαν που υπακούει στους νόμους της σχετικότητας και γεμίζει ισοτροπικά και ομοιογενώς με  ύλη και / ή ακτινοβολία, δεν μπορεί να είναι στατικό. Πρέπει να επεκταθεί ή να συρρικνωθεί, ανάλογα με το τι υπάρχει μέσα και σε ποια ποσά.

Εδώ βλέπουμε τι δυνατότητες υπάρχουν:

Το σύμπαν επανα-καταρρέει με μία Μεγάλη Σύνθλιψη . Η διαστολή ξεκινάει γρήγορα αλλά η μεγάλη ποσότητα της ύλης και της ακτινοβολίας λειτουργεί με τέτοιο τρόπο που ‘τραβάει’ λόγω έλξης τα πάντα πίσω. Για πολύ καιρό το Σύμπαν θα επεκτείνεται έως κάποιο μέγιστο μέγεθος, μετά η διαστολή θα αντιστραφεί σε συστολή και το Σύμπαν θα καταρρεύσει.
Το Σύμπαν θα διαστέλλεται για πάντα, με αποτέλεσμα ένα Big Freeze . Όλα ξεκινούν στο σύμπαν όπως παραπάνω, μόνο που τώρα το ποσό της ύλης και ενέργειας είναι ανεπαρκές για να εξουδετερώσει την αντιβαρύτητα (σκοτεινή ενέργεια).  Το Σύμπαν θα συνεχίζει να επεκτείνεται για πάντα και ο ρυθμός διαστολής θα συνεχίζει να πέφτει, αλλά ποτέ δεν θα φτάσει στο μηδέν.
Η διαστολή του Σύμπαντος ασυμπτωτικά πηγαίνει στο μηδέν . Φανταστείτε την οριακή κατάσταση μεταξύ των δύο παραπάνω παραδειγμάτων. Εάν υπήρχε ένα ακόμα πρωτόνιο, θα κατέρρεε. με ένα λιγότερο θα επεκταθεί το σύμπαν για πάντα. Σε αυτήν την κρίσιμη περίπτωση (ή Goldilocks), το Σύμπαν επεκτείνεται για πάντα, αλλά με πιο αργό ρυθμό.
Για να μάθουμε ποια δυνατότητα είναι σωστή, το μόνο που έπρεπε να κάνουμε ήταν να μετρήσουμε πόσο γρήγορα το Σύμπαν επεκτεινόταν και πώς αυτός ο ρυθμός επέκτασης άλλαξε με την πάροδο του χρόνου. Η φυσική θα καθορίσει τα υπόλοιπα.

Ενώ η ύλη και η ακτινοβολία γίνονται λιγότερο πυκνές καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται εξαιτίας του αυξανόμενου όγκου του, η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας εγγενής στον ίδιο το χώρο. Καθώς δημιουργείται νέος χώρος στο διαστελλόμενο Σύμπαν, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή (γιατί αυξάνει η σκοτεινή ενέργεια και ο χώρος).

Ήταν μια από τις μεγάλες αναζητήσεις της σύγχρονης αστροφυσικής. Μετρήστε το ρυθμό με τον οποίο επεκτείνεται το Σύμπαν και θα ξέρετε πώς αλλάζει σήμερα ο ιστός του χώρου. Μετρήστε τον τρόπο με τον οποίο η ταχύτητα διαστολής έχει αλλάξει με την πάροδο του χρόνου, και ξέρετε πώς άλλαξε ο ιστός του χώρου στο παρελθόν.

Βάλτε τα δύο αυτά στοιχεία μαζί, το πόσος είναι ο ρυθμός επέκτασης αλλά και πόσο έχει αλλάξει, και θα σας επιτραπεί να καθορίσετε από τι είναι φτιαγμένο το Σύμπαν και σε ποιά αναλογία.

Από όσο γνωρίζουμε, με βάση αυτές τις μετρήσεις, διαπιστώσαμε ότι το Σύμπαν αποτελείται από ακτινοβολία περίπου 0,01%, από νετρίνα 0,1%, από φυσική βαρυονική ύλη 4,9%, από σκοτεινή ύλη 27% και σκοτεινή ενέργεια 68%. Αυτή η αναζήτηση, η οποία ξεκίνησε ήδη από τη δεκαετία του 1920 για μερικούς, πήρε μια απροσδόκητη απάντηση στα τέλη της δεκαετίας του 1990.

Έτσι, αν η σκοτεινή ενέργεια κυριαρχεί στην διαστολή του Σύμπαντος, τι σημαίνει άραγε αυτό για τη μοίρα μας; Όλα εξαρτώνται από το πώς – ή αν – η σκοτεινή ενέργεια εξελίσσεται με το χρόνο. Εδώ είναι οι πέντε δυνατότητες που υπάρχουν.

1.) Η σκοτεινή ενέργεια να είναι η κοσμολογική σταθερά Λ που να κυριαρχεί στην διαστολή. Αυτή είναι η προεπιλεγμένη επιλογή δεδομένου των καλύτερων δεδομένων που έχουμε σήμερα. Ενώ η ύλη γίνεται λιγότερο πυκνή καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται, γιατί αραιώνει όσο αυξάνεται ο όγκος, η σκοτεινή ενέργεια αντιπροσωπεύει μια μη μηδενική ποσότητα ενέργειας εγγενής στον ιστό του ίδιου του χώρου. Καθώς λοιπόν το Σύμπαν επεκτείνεται, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή, αναγκάζοντας το ρυθμό διαστολής να τείνει ασυμπτωτικά προς το μηδέν, αλλά με μια θετική τιμή.

Αυτό οδηγεί σε ένα εκθετικά διαστελλόμενο Σύμπαν που τελικά θα απομακρύνει όλα όσα δεν ανήκουν στην τοπική ομάδα του Γαλαξία. Ήδη, το 97% του ορατού Σύμπαντος είναι απρόσιτο κάτω από αυτές τις συνθήκες.

Το σενάριο Big Rip (Μεγάλο Σχίσμα) θα συμβεί αν διαπιστώσουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια αυξάνεται σε ισχύ, ενώ παραμένει απωστική με την πάροδο του χρόνου. Τότε όλα τα άστρα, οι πλανήτες και όλα τα άτομα θα ‘σχιστούν’ σε 22 δισ. έτη από τώρα.

2.) Η σκοτεινή ενέργεια να είναι δυναμική και να μεγαλώνει με την πάροδο του χρόνου . Η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να είναι μια νέα μορφή ενέργειας που είναι εγγενής στο ίδιο το διάστημα, υποδηλώνοντας ότι έχει μια σταθερή ενεργειακή πυκνότητα. Αλλά θα μπορούσε επίσης να αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Ένας πιθανός τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να αλλάξει είναι ότι θα μπορούσε να ενισχυθεί σε μέγεθος, γεγονός που θα μπορούσε να επιταχύνει το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος με την πάροδο του χρόνου.

Όχι μόνο θα φαίνονταν τα πιο μακρινά αντικείμενα να επιταχύνονται μακριά από εμάς, αλλά θα το έκαναν με αυξανόμενο ρυθμό. Ακόμα χειρότερα, τα αντικείμενα που τώρα είναι βαρυτικά δεσμευμένα σήμερα – όπως τα σμήνη των γαλαξιών, οι μεμονωμένοι γαλαξίες, το ηλιακό σύστημα και ακόμη και τα άτομα – θα έσπαγαν τους δεσμούς τους κάποια στιγμή καθώς θα ενισχυόταν η σκοτεινή ενέργεια. Στις τελευταίες στιγμές του Σύμπαντος, τα υποατομικά σωματίδια και ο ιστός του ίδιου του χώρου θα ξεριζωθούν. Αυτή η μοίρα του σύμπαντος «Big Rip» είναι η δεύτερη δυνατότητα που υπάρχει.

Ενώ οι πυκνότητες ενέργειας της ύλης, της ακτινοβολίας και της σκοτεινής ενέργειας είναι πολύ γνωστές, εξακολουθεί να υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα στην εξίσωση της κατάστασης της σκοτεινής ενέργειας. Θα μπορούσε να είναι σταθερή, αλλά θα μπορούσε είτε να μεγαλώσει ή να μειωθεί σε ισχύ με την πάροδο του χρόνου.

3.) Η σκοτεινή ενέργεια να είναι δυναμική και να αποσυντίθεται με την πάροδο του χρόνου . Πώς θα μπορούσε να αλλάξει η σκοτεινή ενέργεια; Αντί να ενισχύεται, θα μπορούσε να αποδυναμώνεται. Σίγουρα ο ρυθμός διαστολής είναι σύμφωνος με μια σταθερή ποσότητα ενέργειας που ανήκει στον ίδιο τον χώρο, αλλά αυτή η ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε επίσης να μειώνεται.

Εάν αυτή αποσυντεθεί προς το μηδέν, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μία από τις αρχικές δυνατότητες που εκφράστηκαν παραπάνω: το Big Freeze – τη Μεγάλη Ψύξη. Το Σύμπαν θα εξακολουθούσε να επεκτείνεται, αλλά χωρίς αρκετή ύλη και άλλες μορφές ενέργειας ώστε να επανα-καταρρεύσει.

Εάν όμως αυτή η σκοτεινή ενέργεια αποσυντεθεί για να γίνει αρνητική, θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια άλλη από τις υπάρχουσες δυνατότητες: τη Μεγάλη Σύνθλιψη (Big Crunch). Το Σύμπαν θα μπορούσε να γεμίσει με ενέργεια εγγενή στο χώρο που ξαφνικά άλλαξε πρόσημο και ανάγκασε τον χώρο να επανα-καταρρεύσει (recollapse). Ενώ ο χρόνος για αυτές τις αλλαγές είναι πολύ πολύ μεγαλύτερος από το χρόνο που πέρασε από τη Μεγάλη Έκρηξη, θα μπορούσε ακόμα και να συμβεί.

Οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να εξελιχθεί στο μέλλον. Να διατηρηθεί σταθερή ή να αυξηθεί σε ισχύ (με ένα Big Rip στο τέλος του Κόσμου) που θα μπορούσε ενδεχομένως να αναζωογονήσει το Σύμπαν, ενώ η αναστροφή του πρόσημου θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη

4.) Η σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να μετατραπεί σε άλλη μορφή ενέργειας, αναζωογονώντας το Σύμπαν . Αν η σκοτεινή ενέργεια δεν καταρρεύσει, αλλά αντίθετα παραμένει σταθερή ή ακόμα και να αυξάνει, προκύπτει ότι υπάρχει μια άλλη πιθανότητα. Αυτή η ενέργεια, εγγενής του χώρου σήμερα, δεν μπορεί να παραμείνει σε αυτή τη μορφή για πάντα. Αντίθετα, θα μπορούσε να μετατραπεί σε ύλη και ακτινοβολία, παρόμοια με αυτά που συνέβησαν όταν ο κοσμικός πληθωρισμός τελείωσε και ξεκίνησε το καυτό Big Bang.

Εάν η σκοτεινή ενέργεια παραμείνει σταθερή μέχρι εκείνο το σημείο, θα δημιουργήσει μια πολύ, πολύ ψυχρή και διάχυτη εκδοχή του καυτού Big Bang, όπου μόνο τα νετρίνα και τα φωτόνια θα μπορούν να αυτο-δημιουργήσουν. Αλλά αν η σκοτεινή ενέργεια αυξήσει την τιμή της (την ισχύ της), θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια κατάσταση που να μοιάζει με πληθωρισμό ακολουθούμενη από ένα καινούργιο, πραγματικά καυτό Big Bang για άλλη μια φορά. Αυτός είναι ο πιο απλός τρόπος για να αναζωογονηθεί το Σύμπαν και να δημιουργηθεί ένα σύνολο παραμέτρων σαν κύκλος, όπου το νεοσύστατο Σύμπαν αποκτά άλλη μια ευκαιρία να συμπεριφέρεται ακριβώς όπως το δικό μας.

Το απλούστερο μοντέλο πληθωρισμού είναι ότι ξεκινήσαμε από την κορυφή ενός ενεργειακού ‘λόφου’ , από όπου ξεκίνησε ο πληθωρισμός και φτάσαμε σε μια κοιλάδα, όπου ο πληθωρισμός έληξε και οδήγησε στο καυτό Big Bang. Εάν η κοιλάδα αυτή δεν έχει τιμή μηδέν, αλλά κάποια θετική, μη μηδενική τιμή, μπορεί να είναι δυνατή η κβαντική σήραγγα σε κατάσταση κατώτερης ενέργειας, η οποία θα είχε σοβαρές συνέπειες για το σύμπαν που γνωρίζουμε σήμερα.

5.) Η σκοτεινή ενέργεια σχετίζεται με την ενέργεια μηδενικού σημείου του κβαντικού κενού και θα αποσυντεθεί, καταστρέφοντας το Σύμπαν που ξέρουμε . Αυτή είναι η πιο καταστροφική πιθανότητα από όλες τις δυνατότητες που υπάρχουν. Τι γίνεται όμως αν η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι η πραγματική τιμή του κενού χώρου στο σημείο – κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, αλλά είναι το αποτέλεσμα των συμμετριών στις απαρχές του σύμπαντος και έχουν σπάσει σε μια κατάσταση ψευδο-ελάχιστης ενέργειας;

Αν αυτή η άποψη είναι αληθινή, θα υπήρχε ένας τρόπος να γίνει η κβαντική σήραγγα σε μια κατάσταση κατώτερης ενέργειας, αλλάζοντας τους νόμους της φυσικής και καταστρέφοντας σήμερα όλες τις δεσμευμένες καταστάσεις (δηλαδή τα σωματίδια) των κβαντικών πεδίων. Εάν το κβαντικό κενό είναι ασταθές με τον συγκεκριμένο τρόπο, οπουδήποτε και αν συμβεί αυτή η διάσπαση θα καταλήξει στην καταστροφή των πάντων μέσα στο Σύμπαν σε μια φυσαλίδα, που διαστέλλεται προς τα έξω με την ταχύτητα του φωτός. Εάν ένα τέτοιο σήμα φτάσει σε μας, θα συνοδευόταν από την στιγμιαία καταστροφή μας.

Παρόλο που δεν γνωρίζουμε ποιά από αυτές τις δυνατότητες για το μέλλον του σύμπαντος μας είναι αληθινή, τα δεδομένα είναι απίστευτα συμβατά με την πρώτη επιλογή: η σκοτεινή ενέργεια να είναι πραγματικά σταθερή. Αυτή τη στιγμή, οι παρατηρήσεις μας για το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν – ιδιαίτερα λόγω της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος – θέτουν αυστηρούς περιορισμούς αν υπάρχει χώρος για να αλλάξει η σκοτεινή ενέργεια.

Με την ερχόμενη έλευση της ναυαρχίδας των διαστημικών αποστολών της NASA στην επόμενη δεκαετία του 2020. με σκοπό να απαντήσει σε ζωτικής σημασίας ερωτήσεις τόσο στην ανίχνευση εξωπλανητών όσο και στην έρευνα σκοτεινής ενέργειας, το WFIRST ή Wide Field Infrared Survey Telescope, θα είμαστε έτοιμοι να δούμε την σκοτεινή ενέργεια ίσως με έναν καλύτερο παράγοντα κατά 10 περίπου.

Εάν η σκοτεινή ενέργεια προσφέρει οποιεσδήποτε ενδείξεις ότι η μοίρα μας θα είναι διαφορετική από αυτή που προβλέπουμε σήμερα, το παρατηρητήριο WFIRST θα είναι αυτό που έχει την καλύτερη ευκαιρία για να αποκαλύψει επιστημονικά αυτή τη νέα αλήθεια για το σύμπαν μας. Μέχρι τότε, το μόνο που έχουμε είναι οι πιθανότητες που γνωρίζουμε να τις εξετάσουμε. Τα υπόλοιπα εξαρτώνται από την επιστήμη.

Πηγή

Από το physics4u