Η σκοτεινή ενέργεια και η διαστολή του σύμπαντος και ο θερμικός θάνατος του απώτατου μέλλοντος

Dark energy

Στη φυσική κοσμολογία και την αστρονομία, η σκοτεινή ενέργεια είναι ένα υποθετικό είδος ενέργειας που εκτείνεται παντού στο σύμπαν και τείνει να επιταχύνει τη διαστολή του. Η σκοτεινή ενέργεια είναι η πιο αποδεκτή υπόθεση για να εξηγήσει παρατηρήσεις από το 1990 και έπειτα που δείχνουν ότι το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. 

Σύμφωνα με δεδομένα από το διαστημικό παρατηρητήριο Planck, και βασιζόμενοι στο Καθιερωμένο Πρότυπο της κοσμολογίας, η συνολική ύλη-ενέργεια του σύμπαντος φαίνεται να περιέχει 4,9% συνήθη ύλη, 26,8% σκοτεινή ύλη και 68,3% σκοτεινή ενέργεια.

Η σκοτεινή ενέργεια, Δεν πρέπει να συγχέεται με τη

Σκοτεινή ροή, το Σκοτεινό υγρό ή τη Σκοτεινή ύλη

Η σκοτεινή ενέργεια είναι ίσως το μεγαλύτερο αίνιγμα της σύγχρονης αστροφυσικής και της κοσμολογίας. Πώς καταλάβαμε όμως την ύπαρξή της; Τι ακριβώς παρατήρησαν οι επιστήμονες ώστε να οδηγηθούν στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν διαστέλλεται επιταχυνόμενα; Το ταξίδι στο μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας ξεκινά το 1917 με την εφαρμογή των εξισώσεων του Einstein στο σύνολο του σύμπαντος.

Ο θερμικός θάνατος του απώτατου μέλλοντος

Η σκοτεινή ενέργεια είναι η κυρίαρχη στον χώρο της υλοενέργειας με 68% για να ακολουθήσει η σκοτεινή ύλη με 27% και τελευταία η γνωστή μας ύλη από λευκούς νάνους έως μαύρες τρύπες με μόλις 5% σύμφωνα με το επικρατέστερο κοσμολογικό μοντέλο ΛCDM. Κι αν την σκοτεινή ύλη πήραμε πρέφα από την με ίση ταχύτητα περιστροφής εσωτέρων και εξωτέρων μερών γαλαξιών ή σμηνών γαλαξιών, όταν η αντιστρόφως ανάλογη επίδραση του τετραγώνου αποστάσεως από κέντρο περιστροφής από νόμο παγκοσμίου έλξης της βαρύτητας επίτασσε μικρότερες ταχύτητες εξωτέρων και την φανταζόμαστε σαν μια μη εκπέμπουσα φωτόνια «αλώ» αόρατης μεσοαστρικής ύλης, για την πλειοψηφική σκοτεινή ενέργεια, κυριολεκτικά «δεν έχουμε ιδέα» (τίτλος εξαιρετικού εκλαϊκευμένου βιβλίου των Jorge Cham, Daniel Whiteson του 2017, 2020 η ελληνική έκδοση από Πανεπιστημιακές Εκδ. Κρήτης).

Ξέρουμε μόνο ότι επηρεάζει το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος και αυτό το γνωρίζουμε από το 1998 από την παρατήρηση από 2 ομάδες: Supernova Cosmology Project και High Z Supernova Search Team, των «υπερκαινοφανών προτύπων κεριών», των supernova τύπου Ια (διπλών άστρων εκ των οποίων ο ένας λευκός νάνος που απορροφά έως δημιουργία υπερκαινοφανούς: supernova το 2ο άστρο με γνωστή ωστόσο φωτεινότητα, 

άρα 1: απόσταση και μετατόπιση φάσματος χρώματος επεμπόμενης ακτινοβολίας φαινομένου Doppler, άρα 2: ταχύτητας απομάκρυνσης και από το συνδυασμό των 2 ανωτέρω ρυθμού διαστολής) και αυτό που γνωρίζουμε είναι ότι το σύμπαν από τότε περίπου που δημιουργήθηκε η γη πριν 4,5 δις έτη, έχει σταματήσει η έως 1998 παραδεκτή επιβράδυνση διαστολής σύμπαντος και έχει αρχίσει η επιτάχυνση διαστολής αυτού, έως το θερμικό θάνατο του σύμπαντος σε 10Λ100 έτη γεγονός για το οποίο θεωρούμε υπεύθυνη τη σκοτεινή ενέργεια.

Σημειωτέον ότι έως τότε την επιβράδυνση διαστολής προβλέπανε και τα 3 σενάρια.

1ο: ρ>ρκρ με μεγάλη συστολή/κατάρρευση bing crunch αντίθετη του bing bang, 2o,3o ρ<=ρκρ με επιβραδυνόμενη διαστολή λόγω βαρύτητας, όπου ρ η πυκνότητα σύμπαντος και ρκρ η κρίσιμη πυκνότητα των 3 ατόμων Η (υδρογόνου) ανά κυβικό μέτρο είναι η κρίσιμη πυκνότητα σύμπαντος, πάνω από την οποία σταματά η διαστολή κι αρχίζει η συστολή. Είναι όμως έτσι τα πράγματα ή μήπως έχει αξία η υπόθεση του Robert R. Caldwell του Dartmouth College ότι μπορεί η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας να αυξάνει με τη διαστολή του σύμπαντος που τότε θα ονομάζεται και ενέργεια φάντασμα fantom energy έως το προβλεπόμενο μελλοντικό γεγονός του big rip της μεγάλης ρήξης των θεμελιωδών δυνάμεων που για σενάριο λόγου ρ/p =w=-1,5 θα γίνει εντός 22 δις από σήμερα(9 μηδενικά η δύναμη του 10, καμιά σχέση με τα 100 μηδενικά του θερμικού θανάτου γιατί το γεγονός μετατίθεται μαθηματικά "αύριο"), όπου ρ η πυκνότητα σύμπαντος που επηρεάζεται από βαρύτητα και εσωτερικής πίεσης υλικών p που αντιστέκεται στην βαρύτητα.

Physical cosmology Full-sky image (Wikipedia) derived from nine years' WMAP

data. Big Bang · Universe Age of the universe Chronology of the universe.

Σήμερα τόσο ο θερμικός θάνατος του απώτατου μέλλοντος όσο και η μεγάλη ρήξη των θεμελιωδών δυνάμεων είναι πιθανά με εξαιρετικό ποσοστό αβεβαιότητας, τόσο που περισσότερα στοιχεία θα μας δώσει η θεολογία με την "καινή κτίση" των έσχατων χρόνων. Αυτά σε συνδυασμό με νεώτερα δεδομένα θα δούμε σε προσεχή ανάρτηση, κρατήστε μόνο την 2η εξίσωση του ορθοδόξου Ρώσου Friedman που αναφέρει το video στην αρχή: ä/a=-4πG/3(ρ+3p)+Λ/3 (σε απλοποιημένη μορφή με απάλειψη της ταχύτητας φωτός c) και τον ορισμό του w=ρ/p. 

β. Τι είναι η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου; Το θέμα αυτό εξηγείται στο επεισόδιο για το Big Bang.

γ. Ποια διαφορά έχουν τα σενάρια 2 και 3 για την εξέλιξη του σύμπαντος; Στο σενάριο 2 η διαστολή του σύμπαντος συνεχίζεται για πάντα και ποτέ δε μηδενίζεται διότι η ύλη είναι πολύ αραιή και έτσι οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις δεν είναι ικανές να "φρενάρουν" αρκετά το σύμπαν. Στο σενάριο 3 ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος τείνει στο μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι κάποτε το σύμπαν σχεδόν θα έπαυε να διαστέλλεται. Πρακτικά όμως ο ρυθμός διαστολής ποτέ δεν μηδενίζεται διότι εάν γινόταν αυτό τότε μοιραία θα οδηγούμασταν στο σενάριο 1 (κατάρρευση του σύμπαντος).

δ. Γιατί λέμε ότι "η κοσμολογική σταθερά επέστρεψε" όταν ανακαλύφθηκε η σκοτεινή ενέργεια; Η κοσμολογική σταθερά εφευρέθηκε από τον Einstein για να λειτουργεί ως αντιβαρύτητα, δηλαδή για να δημιουργεί μια «δύναμη» προς τα έξω. Ο Einstein την εφηύρε (λανθασμένα) για να εξηγήσει το πώς το σύμπαν παραμένει στατικό. Αργότερα είδαμε ότι υπάρχει πράγματι κάποια μορφή ενέργειας που λειτουργεί ως αντιβαρύτητα και επομένως η κοσμολογική σταθερά ήταν χρήσιμη και πάλι.

ε. Γιατί εξακολουθούμε να μιλούμε για «βαρυτικές δυνάμεις» ενώ ο Einstein ερμήνευε τη βαρύτητα ως μια καμπύλωση του χωροχρόνου; Διότι η έννοια της δύναμης είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την περιγραφή φαινομένων. Το αποτέλεσμα είναι ακριβώς το ίδιο είτε μιλούμε για βαρυτική δύναμη είτε για καμπύλωση του χωροχρόνου. Επομένως για λόγους ευκολίας συνήθως προτιμούμε την πρώτη φράση.

6. Τα ποσοστά των συστατικών του σύμπαντος μετά από 

τις παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck εδώ

Βίντεο: Στον κόσμο του σύμπαντος
Σκοτεινή ύλη, αποκαλύπτοντας το μυστήριο

πηγή