Γιατί το σύμπαν επεκτείνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, διαδίδοντας το περιεχόμενό του σε όλο και μεγαλύτερες διαστάσεις του χώρου; Μια πρωτότυπη λύση σε αυτό το παζλ, σίγουρα το πιο συναρπαστικό ερώτημα στη σύγχρονη κοσμολογία, παρουσιάστηκε από τέσσερις θεωρητικούς φυσικούς, τον Edward W. Kolb του Fermi National Accelerator Laboratory του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, Σικάγο (ΗΠΑ): Sabino Matarrese του Πανεπιστημίου του Πάδοβα; Alessio Notari από το Πανεπιστήμιο του Μόντρεαλ (Καναδάς) και Antonio Riotto του INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) της Πάδοβας (Ιταλία). Η μελέτη τους υποβλήθηκε χθες στο περιοδικό Physical Review Letters.
Τα τελευταία εκατό χρόνια, η επέκταση του σύμπαντος αποτέλεσε αντικείμενο παθιασμένης συζήτησης, εμπλέκοντας τα πιο λαμπρά μυαλά του αιώνα. Όπως και οι σύγχρονοί του, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν αρχικά πίστευε ότι το σύμπαν ήταν στατικό: ότι ούτε επεκτάθηκε ούτε συρρικνώθηκε. Όταν η δική του Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας έδειξε σαφώς ότι το σύμπαν πρέπει να επεκταθεί ή να συρρικνωθεί, ο Αϊνστάιν επέλεξε να εισαγάγει ένα νέο συστατικό στη θεωρία του. Η «κοσμολογική σταθερά» του αντιπροσώπευε μια μαζική πυκνότητα κενού χώρου που οδήγησε το σύμπαν να επεκταθεί με έναν συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό.
Όταν το 1929 ο Edwin Hubble απέδειξε ότι το σύμπαν επεκτείνεται στην πραγματικότητα, ο Αϊνστάιν απέρριψε την κοσμολογική του σταθερά, αποκαλώντας το «το μεγαλύτερο λάθος της ζωής μου». Στη συνέχεια, σχεδόν έναν αιώνα αργότερα, οι φυσικοί ανέστησαν την κοσμολογική σταθερά σε μια παραλλαγή που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια. Το 1998, παρατηρήσεις πολύ μακρινών σουπερνόβων έδειξαν ότι το σύμπαν επεκτείνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτή η επιταχυνόμενη επέκταση φάνηκε να μπορεί να εξηγηθεί μόνο με την παρουσία ενός νέου συστατικού του σύμπαντος, μιας «σκοτεινής ενέργειας», που αντιπροσωπεύει περίπου το 70 τοις εκατό της συνολικής μάζας του σύμπαντος. Από τα υπόλοιπα, περίπου το 25 τοις εκατό φαίνεται να έχει τη μορφή ενός άλλου μυστηριώδους συστατικού, της σκοτεινής ύλης. ενώ μόνο περίπου το 5% περιλαμβάνει συνηθισμένη ύλη, αυτά τα κουάρκ, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια από τα οποία κατασκευάζουμε εμείς και οι γαλαξίες.
«Η υπόθεση της σκοτεινής ενέργειας είναι εξαιρετικά συναρπαστική», εξηγεί ο Antonio Riotto της Πάδοβας, «αλλά από την άλλη πλευρά αντιπροσωπεύει ένα σοβαρό πρόβλημα. Κανένα θεωρητικό μοντέλο, ούτε καν το πιο σύγχρονο, όπως η υπερσυμμετρία ή η θεωρία χορδών, δεν μπορεί να εξηγήσει την παρουσία αυτής της μυστηριώδους σκοτεινής ενέργειας στο ποσό που απαιτούν οι παρατηρήσεις μας. Εάν η σκοτεινή ενέργεια ήταν το μέγεθος που προβλέπουν οι θεωρίες, το σύμπαν θα είχε επεκταθεί με μια τόσο φανταστική ταχύτητα που θα εμπόδιζε την ύπαρξη όσων γνωρίζουμε στον Κόσμο μας. "
Η απαιτούμενη ποσότητα σκοτεινής ενέργειας είναι τόσο δύσκολο να συμβιβαστεί με τους γνωστούς νόμους της φύσης που οι φυσικοί έχουν προτείνει κάθε είδους εξωτικές εξηγήσεις, συμπεριλαμβανομένων νέων δυνάμεων, νέων διαστάσεων χωροχρόνου και νέων στοιχειωδών σωματιδίων υπεριώδους φωτός. Ωστόσο, η νέα έκθεση δεν προτείνει κανένα νέο συστατικό για το σύμπαν, μόνο μια συνειδητοποίηση ότι η παρούσα επιτάχυνση του σύμπαντος είναι συνέπεια του τυπικού κοσμολογικού μοντέλου για το πρώιμο σύμπαν: τον πληθωρισμό.
«Η λύση μας στο παράδοξο που θέτει το επιταχυνόμενο σύμπαν», λέει ο Riotto, «βασίζεται στη λεγόμενη πληθωριστική θεωρία, που γεννήθηκε το 1981. Σύμφωνα με αυτήν τη θεωρία, μέσα σε ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, το σύμπαν βίωσε μια απίστευτα γρήγορη επέκταση. Αυτό εξηγεί γιατί το σύμπαν μας φαίνεται να είναι πολύ ομοιογενές. Πρόσφατα, τα πειράματα Boomerang και WMAP, τα οποία μέτρησαν τις μικρές διακυμάνσεις στην ακτινοβολία υποβάθρου που προέρχονταν από το Big Bang, επιβεβαίωσαν την πληθωριστική θεωρία.
Πιστεύεται ευρέως ότι κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής επέκτασης στην ιστορία του σύμπαντος, δημιουργήθηκαν πολύ μικροσκοπικοί κυματισμοί στο χωροχρόνο, όπως προέβλεπε η θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτοί οι κυματισμοί τεντώθηκαν από την επέκταση του σύμπαντος και επεκτείνονταν σήμερα πολύ πέρα από τον κοσμικό ορίζοντα μας, δηλαδή σε μια περιοχή πολύ μεγαλύτερη από το παρατηρήσιμο σύμπαν, μια απόσταση περίπου 15 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Στην τρέχουσα εργασία τους, οι συγγραφείς προτείνουν ότι η εξέλιξη αυτών των κοσμικών κυματισμών αυξάνει την παρατηρούμενη επέκταση του σύμπαντος και εξηγεί την επιτάχυνσή του.
«Συνειδητοποιήσαμε ότι πρέπει απλώς να προσθέσετε αυτό το νέο βασικό συστατικό, τους κυματισμούς του χωροχρόνου που δημιουργήθηκαν κατά την εποχή του πληθωρισμού, στη Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν για να εξηγήσει γιατί το σύμπαν επιταχύνεται σήμερα», λέει ο Riotto. «Φαίνεται ότι η λύση στο γρίφο της επιτάχυνσης περιλαμβάνει το σύμπαν πέρα από τον κοσμικό μας ορίζοντα. Δεν απαιτείται μυστηριώδης σκοτεινή ενέργεια. "
Ο Fermilab's Kolb χαρακτήρισε την πρόταση των συγγραφέων την πιο συντηρητική εξήγηση για το επιταχυνόμενο σύμπαν. «Απαιτεί μόνο μια σωστή καταγραφή των φυσικών επιδράσεων των κυματισμών πέρα από τον κοσμικό μας ορίζοντα», είπε.
Τα δεδομένα από τα επερχόμενα πειράματα θα επιτρέψουν στους κοσμολόγους να δοκιμάσουν την πρόταση. «Εάν ο Αϊνστάιν είχε δίκιο όταν εισήγαγε για πρώτη φορά την κοσμολογική σταθερά, ή αν είχε δίκιο όταν αργότερα αντέκρουσε την ιδέα, θα δοκιμαστεί σύντομα από έναν νέο γύρο κοσμολογικών παρατηρήσεων ακριβείας», δήλωσε ο Kolb. «Νέα δεδομένα σύντομα θα μας επιτρέψουν να διακρίνουμε μεταξύ της εξήγησής μας για την επιταχυνόμενη επέκταση του σύμπαντος και τη λύση της σκοτεινής ενέργειας».
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), το εθνικό ινστιτούτο πυρηνικής φυσικής της Ιταλίας, υποστηρίζει, συντονίζει και διεξάγει επιστημονική έρευνα στην υποπυρηνική, πυρηνική και αστροσωματική φυσική και συμμετέχει στην ανάπτυξη σχετικών τεχνολογιών.
Το Fermilab, στο Batavia, Illinois, ΗΠΑ, διαχειρίζεται η University Research Research Association, Inc. για το Γραφείο Επιστημών του Τμήματος Ενέργειας, το οποίο χρηματοδοτεί προηγμένη έρευνα στη σωματιδιακή φυσική και την κοσμολογία.
Πρωτότυπη πηγή: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
