Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;

Εν συντομία, κανείς δε γνωρίζει! Τότε τι μας κάνει να υποθέτουμε την ύπαρξή της; Η απάντηση βρίσκεται στο μυστήριο του μηχανισμού εξέλιξης του ίδιου του σύμπαντος!

Ας δούμε το θέμα αυτό αναλυτικότερα. Η κυρίαρχη δύναμη της φύσης σε κοσμολογικές αποστάσεις (δηλαδή πολύ μεγάλες, όπως της τάξεως της απόστασης μεταξύ γαλαξιών) είναι η βαρύτητα, η οποία περιγράφεται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας (στο εξής ΓΘΣ) του Α. Einstein. Σύμφωνα με αυτή, το σύμπαν μπορεί να διαστέλλεται ή να συστέλλεται, ανάλογα με την ποσότητα ύλης και ενέργειας που περιλαμβάνει. Με άλλα λόγια, το ίδιο το σύμπαν αποτελεί δυναμική οντότητα! Η πρόβλεψη αυτή ήταν σε ένταση τόσο με τις αστρονομικές παρατηρήσεις της εποχής όσο και με τα πιστεύω του ίδιου του Einstein, ο οποίος “αυθαίρετα” τροποποίησε κατάλληλα τη θεωρία του προκειμένου να προβλέπει στατικό σύμπαν, εισάγοντας τη λεγόμενη κοσμολογική σταθερά Λ το 1917.

Το 1931, ωστόσο, αναγκάστηκε να την ανακαλέσει, καθώς μετά την ανακάλυψη του νόμου του Hubble, ήταν πλέον παραδεκτό ότι το σύμπαν τελικά διαστέλλεται. Το επόμενο διάστημα η μελέτη της εξέλιξης του σύμπαντος εντάθηκε και σταδιακά διαμορφώθηκε η σημερινή επικρατούσα θεωρία της μεγάλης έκρηξης (Big Bang) .

Το 1998 πραγματοποιήθηκε μια ανακάλυψη σταθμός για την πορεία αυτή. Μέσω της μελέτης της ερυθρομετατόπισης του φωτός των υπερκαινοφανών αστέρων (supernova cosmology project), διαπιστώθηκε το εξαιρετικά αναπάντεχο γεγονός ότι το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά έχει και επιταχυνόμενο ρυθμό! Σύμφωνα με τη ΓΘΣ, καμία γνώριμη μορφή ύλης δεν μπορεί να προκαλέσει τέτοια διαστολή, καθώς πρέπει να διαθέτει αρνητική πίεση. Ένας εύλογος τρόπος, λοιπόν, προκειμένου να δικαιολογηθούν τα ευρήματα αυτά είναι η υπόθεση ύπαρξης ακριβώς μια τέτοιας μυστηριώδους ποσότητας, της επονομαζόμενης “σκοτεινής ενέργειας”.

Ουσιαστικά, η σκοτεινή ενέργεια εισάγεται προκειμένου να εξηγήσει την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Ο καθιερωμένος τρόπος με τον οποίο ενσωματώνεται στις εξισώσεις της ΓΘΣ είναι, ειρωνικά, μέσω της κοσμολογικής σταθεράς Λ που πρωτο-εισήγαγε ο Einstein! Πλέον, βέβαια, η τιμή αυτής της σταθεράς προσδιορίζεται με πολύ διαφορετικό τρόπο, ώστε να ερμηνεύει την επιταχυνόμενη διαστολή, και αντιστοιχεί σε μια σταθερή πυκνότητα ενέργειας. Μάλιστα, κατόπιν περαιτέρω ερευνών, διαμορφώθηκε η περισσότερη αποδεκτή θεωρία μας για την εξέλιξη του σύμπαντος, το λεγόμενο μοντέλο “ΛCDM” (εκ του “Lambda cold dark matter”) στο πλαίσιο του οποίου σήμερα περίπου το 69% (!) της συνολικής ενέργειας του σύμπαντος έχει τη μορφή της σκοτεινής ενέργειας, με τη σκοτεινή ύλη να αποτελεί περίπου το 26% και τη γνωστή μας ύλη μόλις το 5% !

Ποια είναι, όμως, η φυσική υπόσταση της σκοτεινής ενέργειας; Σε αυτό το ερώτημα δεν υπάρχει μια ευρέως αποδεκτή απάντηση και αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής. Μία δυνατή ερμηνεία συνίσταται στο ότι η ενέργεια αυτή οφείλεται σε κβαντικές διακυμάνσεις του κενού*. Η βασική ιδέα είναι ότι σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, δηλαδή τη φυσική του μικρόκοσμου, ο (σχεδόν) κενός χώρος στο σύμπαν δεν είναι ποτέ πραγματικά κενός, αλλά βρίθει “οιονεί σωματιδίων”. Έτσι λοιπόν αυτή η “ενέργεια του κενού” θα μπορούσε επί της αρχής να αποτελεί τη σκοτεινή ενέργεια. Όταν, ωστόσο, εκτελέσει κανείς τους μαθηματικούς υπολογισμούς με βάση το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, θα διαπιστώσει τεράστια ασυμφωνία θεωρητικής πρόβλεψης της τιμής της ενέργειας του κενού και της τιμής της σταθεράς Λ που χρειάζεται βάσει αστροφυσικών παρατηρήσεων.

Κάποιοι αποδίδουν αυτή την ασυμφωνία σε ένα άλλο μεγάλο πρόβλημα της σύγχρονης φυσικής, την έλλειψη θεωρίας κβαντικής βαρύτητας, ή με άλλα λόγια το ασυμβίβαστο κβαντικής μηχανικής και γενικής σχετικότητας. Έτσι, ισχυρίζονται ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί ουσιαστικά απλή έκφανση της θεωρίας κβαντικής βαρύτητας που ακόμη δε διαθέτουμε. Διαφορετική προσέγγιση αποτελεί η υπόθεση ότι η σκοτεινή ενέργεια οφείλεται σε ένα άγνωστο θεμελιώδες πεδίο της φύσης (quintessence ή πεμπτουσία), του οποίου τις ιδιότητες δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη. Τέλος, μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η θεώρηση ότι η ίδια η ΓΘΣ δεν είναι ακριβής σε όλες τις αποστάσεις και ότι αν τροποποιηθεί κατάλληλα, εξαλείφεται η ανάγκη για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας.

Όλες οι ανωτέρω ερμηνείες είναι πιθανές αλλά αντιμετωπίζουν προβλήματα. Πιθανώς το επόμενο μεγάλο βήμα μας για την κατανόηση των νόμων της φύσης να επιτευχθεί μέσω αυτών των κοσμολογικών διερευνήσεων.

*Για ενδιαφέρουσες επεκτάσεις αυτής της βασικής ιδέας, μπορείτε να δείτε το ακόλουθο άρθρο για την ακτινοβολία Hawking.