Μήπως η “Σκοτεινή Ενέργεια” δεν υπάρχει; Το εναλλακτικό μοντέλο “Timescape”!

Το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο, το ΛCDM, υποθέτει την ύπαρξη κάποιας μυστηριώδους ενέργειας – της “σκοτεινής ενέργειας”, ή το L στο παραπάνω ακρώνυμο. Κανείς δε γνωρίζει τι ακριβώς αντιπροσωπεύει αυτή η ενέργεια, αλλά μέχρι στιγμής αποτελεί έναν όρο που χρειάζεται να βάλουμε στις εξισώσεις που μελετούν το Σύμπαν, για να μπορέσουμε να περιγράψουμε τα παρατηρησιακά δεδομένα. 

Τότε, εύλογα κάποιος θα μπορούσε να αναρωτηθεί: μήπως είναι λάθος οι εξισώσεις μας; Η απάντηση κι εδώ δεν είναι ξεκάθαρη, αλλά στο άρθρο αυτό θα δούμε μια τέτοια περίπτωση, σε ένα μοντέλο που προσπαθεί να μελετήσει το Σύμπαν, χωρίς να υποθέτει την ύπαρξη “σκοτεινής ενέργειας”. Πιο συγκεκριμένα, θα συνοψίσουμε μια πρόσφατη μελέτη, όπου αναλύει ξανά τα δεδομένα από υπερκαινοφανείς αστέρες (τα δεδομένα που έπεισαν την αστρονομική κοινότητα ότι απαιτείται κάποιου είδους “σκοτεινή ενέργεια”, και μάλιστα οδήγησαν στο Νόμπελ Φυσικής του 2011) και καταλήγει ότι ένα εναλλακτικό μοντέλο, το “timescape”, που δεν απαιτεί την ύπαρξη “σκοτεινής ενέργειας” ερμηνεύει καλύτερα τα δεδομένα. Για να καταλάβουμε καλύτερα τη γενικότερη κατηγορία των μοντέλων όπως το “timescape”, ας κάνουμε κάποια βήματα πίσω.

Το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο, όπως και κάθε φυσικό μοντέλο, κάνει κάποιες αρχικές υποθέσεις. Δύο είναι οι πιο σημαντικές για τη συγκεκριμένη περίπτωση:

1. Το Σύμπαν είναι ομοιογενές και ισότροπο, δηλαδή έχει κάποιες συμμετρίες που απλοποιούν τη μελέτη του, ή με άλλα λόγια τις εξισώσεις που θα χρησιμοποιήσουμε. Η υπόθεση αυτή έχει και παρατηρησιακή βάση, ειδικά μετά από κάποια κλίμακα αποστάσεων (βλέπε, για παράδειγμα, την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, ή αλλιώς το CMB).
   
2. Η θεωρία βαρύτητας που ισχύει στο Σύμπαν μας είναι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (ΓΘΣ) του Einstein. Και αυτή η υπόθεση έχει βάση, καθώς η ΓΘΣ έχει ελεγχθεί και συνεχίζει να ελέγχεται λεπτομερώς με νέες παρατηρήσεις (κάποια παραδείγματα μπορείτε να βρείτε εδώ και εδώ).

Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα;

1. Παρότι το Σύμπαν είναι ομοιογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες, είναι επίσης (παρατηρησιακά) επιβεβαιωμένο ότι σε μικρότερες κλίμακες υπάρχουν διακριτές δομές (Εικόνα 1): συμπλέγματα και νήματα γαλαξιών, αλλά και κοσμικά “κενά” (περιοχές του Σύμπαντος με πολύ χαμηλή πυκνότητα). Το που γίνεται αυτή η διαφοροποίηση, σε “μικρές” και “μεγάλες” κλίμακες, δεν είναι ακριβές – γενικά θεωρείται ότι το πιο συμμετρικό Σύμπαν εμφανίζεται σε κλίμακες μεγαλύτερες από 200 Mpc, δηλαδή μεγαλύτερες από 10.000 φορές από το μέγεθος του Γαλαξία μας. Οι εξισώσεις του καθιερωμένου μοντέλου θεωρούν ομοιογένεια και ισοτροπία γενικά! Κι άρα αυτό που φαίνεται σαν “σκοτεινή ενέργεια”, θα μπορούσε να οφείλεται στη χρήση απλοποιημένων εξισώσεων σε κλίμακες που δεν ισχύουν.
   
2. Το δεύτερο σημείο είναι κάπως πιο τεχνικό, και σχετίζεται με τη δομή των εξισώσεων της ΓΘΣ. Για να το καταλάβουμε, πρέπει να θυμηθούμε ότι η ΓΘΣ για να περιγράψει τη βαρύτητα, θεωρεί ότι κάθε μάζα/ενέργεια παραμορφώνει το χωροχρόνο, και αυτή η παραμόρφωση επηρεάζει την τροχιά των σωμάτων σε αυτό. Για παράδειγμα, το πιο μαζικό σώμα στο πλανητικό μας σύστημα ο Ήλιος, παραμορφώνει τον χωροχρόνο γύρω του, με αποτέλεσμα οι πλανήτες να “νιώθουν” μια βαρυτική έλξη και να κινούνται σε συγκεκριμένες τροχιές. Τώρα, η κατάσταση περιπλέκεται αν λάβουμε υπόψιν ότι η παραμόρφωση στον χωροχρόνο μπορεί να επηρεάσει και τον ίδιο τον Ήλιο (σε πιο τεχνικό επίπεδο, αυτό συμβαίνει γιατί οι εξισώσεις της ΓΘΣ είναι μη-γραμμικές). Βέβαια, συνήθως αυτή η “ανάδραση” είναι μικρή, οπότε αγνοείται.
   
   Επιστρέφοντας στο κοσμολογικό παράδειγμα, η ανάδραση αυτή μπορεί να προέρχεται από τις διαφοροποιήσεις πυκνότητας στο Σύμπαν, για παράδειγμα από τις περιοχές κενού. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα πιο περίπλοκες εξισώσεις βαρύτητας, με τους έξτρα όρους να μπορούν να διαδραματίσουν το ρόλο της “σκοτεινής ενέργειας”.

Το μοντέλο που χρησιμοποιείται σε αυτή τη νέα ανάλυση των υπερκαινοφανών, το μοντέλο “timescape”, προσπαθεί να λάβει υπόψιν του τα παραπάνω σημεία. Σαν αποτέλεσμα προβλέπει ότι η βαρύτητα σε περιοχές χαμηλότερης πυκνότητας, από τη μέση συμπαντική πυκνότητα, είναι πιο αδύναμη και ο χρόνος εκεί προχωράει γρηγορότερα, ή αλλιώς η διαστολή του Σύμπαντος έχει προχωρήσει περισσότερο από όσο θεωρούμε εμείς, με τα ρολόγια μας, σαν γήινοι παρατηρητές.

Τι συνέπειες έχει αυτό στην ερμηνεία των παρατηρησιακών δεδομένων; Αρχικά, με βάση το καθιερωμένο μοντέλο, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι οι υπερκαινοφανείς φαίνονται πιο αμυδροί, κι άρα είναι σε μεγαλύτερη απόσταση, σε σχέση με ένα μοντέλο που θα είχε μόνο ύλη – άρα, το καθιερωμένο μοντέλο λέει ότι για να βρίσκονται σε μεγαλύτερη απόσταση, απαιτείται επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος, και άρα ένα νέο συστατικό στις εξισώσεις μας: η σκοτεινή ενέργεια!

Το εναλλακτικό μοντέλο ερμηνεύει τα ίδια δεδομένα με διαφορετικό τρόπο: Αρχικά, αναγνωρίζει ότι οι υπερκαινοφανείς φαίνονται να έχουν χαμηλότερη φωτεινότητα από ότι σε ένα συμμετρικό Σύμπαν με μόνο ύλη. Αντί να θεωρήσουν ότι αυτό οφείλεται στην ύπαρξη ενός νέου συστατικού στο Σύμπαν, εξηγούν την επιταχυνόμενη διαστολή με την ύπαρξη περιοχών “κοσμικού κενού” (στα αγγλικά, cosmic voids). Σε αυτές η διαστολή μπορεί να είναι πιο γρήγορη από τις περιοχές με μέση πυκνότητα. Άρα οι υπερκαινοφανείς που βρίσκονται σε αυτές τις περιοχές χαμηλής πυκνότητας, ή που το φως τους περνάει μέσα από αυτές, θα φαίνονται πιο αμυδροί.

Με λίγα λόγια, σύμφωνα με το εναλλακτικό μοντέλο, η “σκοτεινή ενέργεια” είναι μια οφθαλμαπάτη, που οφείλεται στο γεγονός ότι στο καθιερωμένο μοντέλο απλοποιούμε το Σύμπαν παραπάνω από όσο πρέπει. 

Τέλος, ιδιαίτερο ενδιαφέρον αποτελεί η σύγκριση των δύο μοντέλων: καθιερωμένου vs εναλλακτικού, με το δεύτερο να φαίνεται ότι στατιστικά ταιριάζει καλύτερα στα δεδομένα! Για την ώρα, αυτό δε σημαίνει ότι η “σκοτεινή ενέργεια” πετιέται στο καλάθι των αχρήστων. Υπάρχουν μια σειρά άλλες παρατηρήσεις που χρειάζεται να “κονταροχτυπηθούν” οι δύο εναλλακτικές. Παρόλα αυτά, είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι βρισκόμαστε σε μια εποχή όπου έχουμε αρκετά, και καλή ποιότητας, παρατηρησιακά δεδομένα, ώστε να μπορούμε να αρχίσουμε να μελετάμε τις λεπτομέρειες του καθιερωμένου μοντέλου, καθώς και εναλλακτικών του. Stay tuned!

Δείτε περισσότερα:

•  Does Dark Energy Exist? The Timescape model says no (βίντεο στα αγγλικά): εδώ
• Dark energy ‘doesn’t exist’ so can’t be pushing ‘lumpy’ Universe apart: εδώ