Ιούν. 2007 των Ι. Κοντόπουλου & Σπ. Βασιλάκου
Εικ. 1: Το δαχτυλίδι της σκοτεινής ενέργειας όπως, για πρώτη φορά το αποτύπωσαν οι λήψεις του Χαμπλ.
Τη θεωρία του «κοσμικού μαγνητικού ιστού» προτείνουν δύο έλληνες αστροφυσικοί ώστε να φωτίσουν τον ρόλο της σκοτεινής ενέργειας που κυριαρχεί στο Σύμπαν.
Το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Η επιτάχυνση αυτή θα μπορούσε να ερμηνευθεί, τουλάχιστον κατά ένα ποσοστό, με τη δράση των μαγνητικών πεδίων σε κοσμολογικές κλίμακες.
Η τελευταία δεκαετία έχει χαρακτηριστεί η πιο σημαντική περίοδος στην ιστορία της αστροφυσικής και της κοσμολογίας. Τα σύγχρονα δεδομένα επίγειων και διαστημικών παρατηρήσεων (ακτινοβολία μικροκυμάτων, λαμπρότητα των απομακρυσμένων υπερκαινοφανών αστέρων, κατανομή σμηνών και υπερσμηνών γαλαξιών κτλ.) μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ομογενές και ισότροπο, έχει ηλικία 14 δισεκατομμυρίων ετών και διανύει σήμερα μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Γνωρίζουμε επίσης ότι αποτελείται από ύλη μόνον κατά 26%. Ωστόσο, παρά την τεράστια πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας, ως σήμερα δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτε για τη φύση του υπόλοιπου 74% το οποίο ευθύνεται για την επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος. Για τον λόγο αυτόν το ονομάζουμε απλά σκοτεινή ενέργεια!
Η κυρίαρχη σύγχρονη θεωρία (θεωρία της μεγάλης εκρήξεως) για την αρχή και την ιστορία του Σύμπαντος υποστηρίζει ότι αυτό ξεκίνησε από μια κατάσταση πολύ υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, και από τότε συνεχώς διαστέλλεται. Η διαστολή του Σύμπαντος παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον αμερικανό αστρονόμο Χαμπλ τη δεκαετία του 1920, είχε όμως προβλεφθεί από τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν (γενική θεωρία της σχετικότητας). Σημαντική απόδειξη της ορθότητας της θεωρίας της μεγάλης εκρήξεως αποτέλεσε η ανακάλυψη από τους αμερικανούς αστρονόμους Πενσίας και Γουίλσον της λεγόμενης κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, δηλαδή της ακτινοβολίας που γέμισε το Σύμπαν μετά την αρχική έκρηξη.
Η κυριαρχία της σκοτεινής ενέργειας
Τα πρώτα 7 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος χαρακτηρίζονται από την κυριαρχία της ύλης και της βαρύτητας, καθώς και από τη δημιουργία των μεγαλύτερων κοσμικών δομών (σμήνη γαλαξιών, γαλαξίες). Με την πάροδο του χρόνου, όμως, η δυναμική του Σύμπαντος και η ικανότητά του να γεννά κοσμικές δομές αλλάζουν. Ο ρυθμός παραγωγής γαλαξιών συνεχώς φθίνει και η περαιτέρω δημιουργία σμηνών γαλαξιών είναι πρακτικά αδύνατη στη σημερινή εποχή. Είναι προφανές ότι η διαστολή αραιώνει συνεχώς τη συγκέντρωση της ύλης και εξασθενεί τον ρόλο της βαρύτητας στην εξέλιξη του Σύμπαντος. Ταυτόχρονα όμως μια σκοτεινή (αόρατη) μορφή ενέργειας αρχίζει σιγά σιγά να κυριαρχεί. Η διατάραξη της σχέσης ύλης – σκοτεινής ενέργειας υπέρ της τελευταίας επέδρασε δραματικά στη μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλάζοντας τον ρυθμό διαστολής του από επιβραδυνόμενο σε επιταχυνόμενο.
Για να καταλάβουμε με απλό τρόπο πώς λειτουργεί η σκοτεινή ενέργεια, ας θυμηθούμε πρώτα πώς λειτουργεί η βαρύτητα όταν δύο σώματα απομακρύνονται μεταξύ τους: η δυναμική ενέργεια αυξάνεται και παράλληλα η κινητική τους ενέργεια ελαττώνεται, οπότε η απομάκρυνσή τους επιβραδύνεται. Με άλλα λόγια, η βαρύτητα από τη φύση της ευθύνεται για τη δημιουργία των κοσμικών συμπυκνώσεων (δομών όπως σμήνη γαλαξιών, γαλαξίες, αστέρες, πλανήτες), και προσπαθεί να «φρενάρει» την ίδια τη διαστολή του Σύμπαντος. Ας υποθέσουμε προς στιγμήν ότι το Σύμπαν είναι γεμάτο με ένα κοσμικό ρευστό το οποίο ακολουθεί τους συνήθεις νόμους των αερίων. Είναι ενδιαφέρον πως, αντίθετα από ό,τι θα περίμενε κανείς, η πίεση ενός τέτοιου κοσμικού ρευστού συνεισφέρει και αυτή στην επιβράδυνση της διαστολής: κάθε τμήμα του Σύμπαντος χάνει κινητική ενέργεια κατά τη διαστολή γιατί σπρώχνει τους γείτονές του προς τα έξω. Ακριβώς το αντίθετο αποτέλεσμα έχει ένα ελαστικό κοσμικό ρευστό: κάθε τμήμα του Σύμπαντος κερδίζει ενέργεια κατά τη διαστολή γιατί «έλκεται» από τους γείτονές του προς τα έξω. Η σκοτεινή ενέργεια λοιπόν δεν είναι τίποτε άλλο από την ελαστικότητα του κοσμικού ρευστού.
Γνωρίζουμε πολλά για τον ρόλο που παίζει η σκοτεινή ενέργεια στην εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλά γνωρίζουμε ελάχιστα για τη φύση της. Η σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος, αλλά δεν γνωρίζουμε με ποιον τρόπο. Θεωρίες για τη φύση της έχουν προταθεί πολλές (π.χ., παραλλαγές της θεωρίας της βαρύτητας, άγνωστα έως σήμερα σωματίδια, νέα πεδία). Καθεμία προτείνει και από μια νέα φυσική θεωρία και, όπως είναι λογικό, οι θεωρίες αυτές είναι δύσκολο να επαληθευθούν από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.
Η νέα θεωρία
Η δική μας πρόταση διαφέρει από τις παραπάνω ως προς το ότι αποτελεί εφαρμογή στην κοσμολογία της κλασικής φυσικής των μαγνητικών πεδίων, η οποία ήταν γνωστή από τον 19ο αιώνα. Οι παρατηρήσεις καταδεικνύουν την παρουσία «κοσμικών» μαγνητικών πεδίων, δηλαδή μαγνητικών πεδίων που διαπερνούν τον χώρο μεταξύ των γαλαξιών, και μέχρι στιγμής υπάρχουν αρκετές υποθέσεις σχετικά με τη γέννηση και την εξέλιξή τους. Αν υποθέσουμε ότι γεννήθηκαν κατά την αρχική μεγάλη έκρηξη, τότε συνεισφέρουν στην πίεση του κοσμικού ρευστού, άρα αντιτίθενται και αυτά στη διαστολή του Σύμπαντος. Εμείς προτείνουμε κάτι καινούργιο: αν υπάρχει ένας μηχανισμός ο οποίος γεννά κοσμικά μαγνητικά πεδία μέσα σε συγκεκριμένες κοσμικές δομές (σμήνη γαλαξιών, γαλαξίες) σε ένα πολύ μεταγενέστερο στάδιο της ιστορίας του Σύμπαντος, τότε αναπτύσσεται ένας κοσμικός μαγνητικός ιστός ο οποίος συνδέει όλες τις κοσμικές δομές μεταξύ τους. Σε πρόσφατο άρθρο μας, που πρόκειται να δημοσιευθεί στο ευρωπαϊκό επιστημονικό περιοδικό «Astronomy and Astrophysics», αναλύουμε πώς ένας τέτοιος κοσμικός ιστός παρουσιάζει χαρακτηριστικά ελαστικότητας καθώς οι κοσμικές δομές απομακρύνονται μεταξύ τους, άρα έχει τα χαρακτηριστικά εκείνα που αποδίδονται στη σκοτεινή ενέργεια.
Εικ. 2: Κοσμικός πόλεμος ανάμεσα στην ύλη και την ενέργεια.
Για να ερμηνεύσει το σενάριό μας όλη τη σκοτεινή ενέργεια απαιτούνται κοσμικά μαγνητικά πεδία έντασης μερικών εκατοντάδων εκατομμυριοστών του Gauss, τιμή μεγαλύτερη από αυτές που έχουν παρατηρηθεί έως σήμερα. Με συντηρητικούς όμως υπολογισμούς θα μπορούσε να εξηγήσει κανείς το 10% της σκοτεινής ενέργειας θεωρώντας ότι το Σύμπαν διατρέχεται από κοσμικά μαγνητικά πεδία έντασης μερικών δεκάδων εκατομμυριοστών του Gauss, τιμές που έχουν ήδη παρατηρηθεί σε κέντρα σμηνών γαλαξιών.
Το συμπέρασμα είναι ότι με τη θεωρία μας είναι δυνατόν να ερμηνεύσουμε ένα ποσοστό τουλάχιστον της επιτάχυνσης της διαστολής του Σύμπαντος με μαγνητικά πεδία που περιγράφονται από γνωστή φυσική.
Κοσμικός πόλεμος ανάμεσα στην ύλη και στην ενέργεια
Οι εικόνες του Χαμπλ έδειξαν για πρώτη φορά την όψη της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Κατέδειξαν ταυτόχρονα τη διελκυστίνδα μεταξύ της τάσης για συστολή, που οφείλεται στην έλξη της ύλης, και της τάσης για διαστολή, που οφείλεται στην ώση της σκοτεινής ενέργειας. Η «μάχη» άρχισε τουλάχιστον πριν από εννέα δισεκατομμύρια χρόνια. Στην αρχή υπερίσχυε η έλξη της ύλης, αλλά στη συνέχεια υπερίσχυσε η σκοτεινή ενέργεια, και η διαστολή του Σύμπαντος άρχισε να επιταχύνεται.
Αναδημοσίευση από το ένθετο ΒΗΜΑSCIENCE της εφημερίδας “ΤΟ ΒΗΜΑ” της Κυριακής, 3/6/2007
Οι κκ Ι. Κοντόπουλος και Σπ. Βασιλάκος είναι ερευνητές του Κέντρου Ερευνών Αστρονομίας και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών της Ακαδημίας Αθηνών.
