Για δεκαετίες, η θεωρία της βαρύτητας, που προκύπτει από τη γενική σχετικότητα,
Εκείνη τη στιγμή, οι ερευνητές το ανακάλυψαν για πρώτη φοράΗ συμπεριφορά των μακρινών γαλαξιών δεν ανταποκρίνεται στις προβλέψεις της θεωρίας της βαρύτητας. Οι παραμορφώσεις του χωροχρόνου από μακρινά σμήνη και αστρικά συστήματα αποδείχθηκαν πολύ ισχυρότερες από τη μάζα τέτοιων αντικειμένων που υπολογίστηκε με βάση τις παρατηρήσεις.
Αργότερα, στα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι ερευνητέςανακάλυψε ένα άλλο ασυνήθιστο γεγονός. Αποδεικνύεται ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος αυξάνεται με το χρόνο. Αυτό το φαινόμενο έθεσε μια άλλη πρόκληση στη θεωρία του Άλμπερτ Αϊνστάιν: οι βαρυτικές επιδράσεις της ύλης υποτίθεται ότι θα επιβραδύνουν τη διαστολή του σύμπαντος, όχι την επιτάχυνση. Το σύγχρονο κοσμολογικό μοντέλο - το μοντέλο ΛCDM - έχει βρει απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, αλλά οι επιστήμονες δεν εγκαταλείπουν την ελπίδα να αμφισβητήσουν την ιδιοφυΐα του πρώτου μισού του 20ού αιώνα.
Γιατί οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό;
Η επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος ανακαλύφθηκε στο1998 ως αποτέλεσμα της εργασίας δύο ανεξάρτητων ομάδων ταυτόχρονα: του Supernova Cosmology Project και της High-Z Supernova Search Group. Και οι δύο ερευνητικές ομάδες μελέτησαν την επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος αναλύοντας μακρινές αστρικές εκρήξεις.
Σχεδόν το ίδιο έχουν και οι σουπερνόβα τύπου Laτυπική φωτεινότητα. Παρατηρώντας τη φωτεινότητα τέτοιων αντικειμένων, μπορεί κανείς να προσδιορίσει πόσο μακριά βρίσκονται. Επιπλέον, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, το φως από μακρινά αντικείμενα μετατοπίζεται στην κόκκινη πλευρά του φάσματος. Μετρώντας την ερυθρή μετατόπιση, μπορεί κανείς να προσδιορίσει πόσο έχει διασταλεί το σύμπαν από τότε που εμφανίστηκε ο σουπερνόβα.
Αστροφυσικοί κατά τη διάρκεια αυτώνΤα πειράματα ήταν πεπεισμένα ότι το Σύμπαν θα έπρεπε να διαστέλλεται με πιο αργό ρυθμό, μετά τον οποίο η διαδικασία είτε θα σταματήσει είτε θα αρχίσει να συστέλλεται. Αλλά το απροσδόκητο αποτέλεσμα, στο οποίο κατέληξαν και οι δύο ομάδες επιστημόνων ανεξάρτητα, ήταν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό.
Η διαστολή του σύμπαντος επιβεβαιώθηκε αργότεραάλλες μεθόδους. Η μέτρηση του κοσμολογικού μικροκυματικού υποβάθρου (ίχνη του Big Bang), τα αποτελέσματα του βαρυτικού φακού και η ανάλυση των ακουστικών ταλαντώσεων του βαρυονίου επιβεβαιώνουν την υπόθεση της διαστολής του Σύμπαντος.
Το 2007, και οι δύο ομάδες που ανακάλυψαν την επίδραση της διαστολής του Σύμπαντος τιμήθηκαν με το Βραβείο Gruber στον τομέα της κοσμολογίας και το 2011, τρεις από τους συμμετέχοντες τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής.
Επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Εικόνα: NASA, STSci, Ann Feild
Πώς εξηγείται η επιταχυνόμενη επέκταση;
Για να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις (τη διαστολή του Σύμπαντος και την ισχυρότερη παραμόρφωση του χωροχρόνου από μακρινούς γαλαξίες), οι επιστήμονες εισήγαγαν δύο νέα μοντέλα - τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια.
Η σκοτεινή ύλη είναι μια υποθετική μορφήύλη, η οποία οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο σύμπαν. Ονομάζεται σκοτεινό γιατί δεν αλληλεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με κανέναν τρόπο. Με άλλα λόγια, τέτοια ύλη δεν ανακλά, δεν απορροφά ή εκπέμπει φως και άλλα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ωστόσο, έχει τη δική του μάζα, και ως εκ τούτου τη βαρυτική επιρροή. Η προσθήκη σκοτεινής ύλης σε κοσμολογικά μοντέλα βοηθά στην εξήγηση της ισχυρότερης βαρύτητας των μακρινών γαλαξιών.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια υποθετική μορφήενέργειας, σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, λίγα είναι γνωστά για αυτήν. Η σκοτεινή ενέργεια πιστεύεται ότι είναι πολύ ομοιογενής, όχι πολύ πυκνή και δεν μπορεί να αλληλεπιδράσει με καμία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις εκτός από τη βαρύτητα. Αυτή η ενέργεια συνδέεται με την ενέργεια του κενού. Αν υποθέσουμε ότι καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ο ελεύθερος χώρος αυξάνεται, αυτή η ενέργεια αυξάνεται, τότε μπορεί να εξηγηθεί η μετάβαση από την ομοιόμορφη στην επιταχυνόμενη διαστολή.
Αν και η υπόθεση της σκοτεινής ενέργειας περιγράφει καλάΟι διαδικασίες που παρατηρούνται στο Σύμπαν, η ίδια η ύπαρξη και η αλληλεπίδρασή του μόνο με το βαρυτικό πεδίο είναι δύσκολο να συσχετιστούν με τη γενική θεωρία της σχετικότητας και τη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν.
Πώς να δοκιμάσετε τη θεωρία;
Ορισμένοι μελετητές πιστεύουν ότι αν η θεωρίαΗ βαρύτητα δεν μπορεί να εξηγήσει τη σκοτεινή ενέργεια, ίσως είναι ημιτελής, και μια επιπλέον παράμετρος ή μεταβλητή πρέπει να προστεθεί στην εξίσωση που θα συνδέσει όλες τις παρατηρήσεις μεταξύ τους. Για να ελέγξουν αυτή την υπόθεση, οι επιστήμονες αναζητούν στο παρελθόν σημάδια παραβίασης της θεωρίας της βαρύτητας.
Μια τέτοια εργασία είναι η διεθνής έρευνασκοτεινή ενέργεια χρησιμοποιώντας το 4μετρο τηλεσκόπιο Victor Blanco στη Χιλή. Τα αποτελέσματα αυτής της παρατήρησης παρουσιάστηκαν τον Αύγουστο στο Διεθνές Συνέδριο Σωματιδιακής Φυσικής και Κοσμολογίας (COSMO’22) στο Ρίο ντε Τζανέιρο.
Οι συμμετέχοντες στη μελέτη αναζήτησαν στοιχείατο γεγονός ότι η δύναμη της βαρύτητας έχει αλλάξει σε όλη την ιστορία του σύμπαντος ή στο μακρινό παρελθόν. Για την εργασία τους χρησιμοποίησαν, εκτός από το κύριο τηλεσκόπιο Blanco, δεδομένα από τον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος.
Οι αστροφυσικοί έχουν μελετήσει εικόνες γαλαξιώνη παρουσία πιο λεπτών παραμορφώσεων λόγω της καμπυλότητας του χώρου από τη σκοτεινή ύλη - ένα φαινόμενο που ονομάζεται ασθενής βαρυτικός φακός. Η δύναμη της βαρύτητας καθορίζει το μέγεθος και την κατανομή των δομών της σκοτεινής ύλης και το μέγεθος και η κατανομή με τη σειρά τους καθορίζουν πόσο καμπυλωτοί εμφανίζονται αυτοί οι γαλαξίες σε εμάς.
Με τη μέτρηση όλων αυτών των παραμέτρων, είναι δυνατός ο προσδιορισμός της δύναμηςβαρύτητα σε μακρινούς γαλαξίες. Και δεδομένου ότι το φως από αυτά χρειάζεται εκατομμύρια και δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει σε εμάς, στην ουσία, οι επιστήμονες ερευνούν πώς συμπεριφερόταν η βαρύτητα στο παρελθόν.
Οι ερευνητές ανέφεραν ότι έχουν ήδη μελετήσειβαρυτικές δυνάμεις και σχήματα σε περισσότερους από 100 εκατομμύρια γαλαξίες, αλλά σε όλα τα πειράματα, οι παρατηρήσεις συνάδουν πλήρως με τη θεωρία του Αϊνστάιν. Έτσι, η φύση της σκοτεινής ενέργειας παραμένει ένα μυστήριο.
Ο βαρυτικός φακός, όπως αυτό που φαίνεται στην πρώτη εικόνα του James Webb, βοηθά τους επιστήμονες να εξερευνήσουν τη σκοτεινή ύλη και τη βαρύτητα σε απομακρυσμένα συστήματα. Εικόνα: NASA, ESA, CSA, STScI
Τι άλλο;
Η θεωρία του Αϊνστάιν εξακολουθεί να ισχύει, αλλά οι ερευνητέςσυνεχίσει να δοκιμάζει τις δυνάμεις του. Μια νέα προσπάθεια να εξηγηθεί η φύση της σκοτεινής ενέργειας θα γίνει από δορυφορικές αποστολές. Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος σχεδιάζει να εκτοξεύσει το διαστημικό τηλεσκόπιο Ευκλείδης το 2023. Τα όργανα της συσκευής θα μετρούν τις ερυθρές μετατοπίσεις των γαλαξιών που βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από τη Γη και θα εξερευνούν τη σχέση μεταξύ μετατόπισης ερυθρού και απόστασης.
Οι προγραμματιστές αναμένουν ότι ο Euclid θα είναι σε θέσηκοιτάξτε πίσω 8 δισεκατομμύρια χρόνια. Με τη βοήθεια εξαιρετικά ακριβών μετρήσεων, θα μπορέσει να ανακαλύψει πώς ήταν τα πράγματα με τη βαρύτητα, τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια σε αυτήν την εποχή.
Η NASA σχεδιάζει μια παρόμοια αποστολή:το 2027, σχεδιάζει να εκτοξεύσει το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman σε τροχιά της Γης. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι θα είναι σε θέση να μελετήσει γαλαξίες που βρίσκονται σε απόσταση 11 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και να μελετήσει το αρχαιότερο σύμπαν.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι πρώτες εικόνες του υπόγειου τμήματος του Άρη εξέπληξαν τους επιστήμονες
Από το σώμα στο στόμα: οι επιστήμονες κατάλαβαν από πού προέρχονται τα δόντια
Πού στον πλανήτη θα είναι το πιο επικίνδυνο μέχρι το 2100: δημοσιεύτηκε νέος χάρτης
Εξώφυλλο: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, μέσω Wikimedia Commons