Πώς οι σουπερνόβα βοηθούν στην αποκάλυψη των μυστηρίων της σκοτεινής ενέργειας

Το μεγαλύτερο συστατικό του σύμπαντος είναι κάτι για το οποίο δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα.

Οι καλύτερες και πιο ακριβείς παρατηρήσεις που έχουν συγκεντρώσει οι κοσμολόγοι εδώ και δεκαετίες δείχνουν ότι όλη η ύλη γύρω μας, κάθε άτομο που βλέπουμε οπουδήποτε στον κόσμο, αποτελεί μόλις το 5 τοις εκατό όλων όσων υπάρχουν. Ένα άλλο 27 τοις εκατό είναι η σκοτεινή ύλη, η οποία συγκρατεί τους γαλαξίες. Και οτιδήποτε άλλο – ένα εκπληκτικό 68 τοις εκατό του σύμπαντος – είναι η σκοτεινή ενέργεια, μια δύναμη που είναι υπεύθυνη για τη διαστολή του σύμπαντος.

Χωρίς τη σκοτεινή ενέργεια, ο ρυθμός επέκτασης θα επιβραδύνεται με την πάροδο του χρόνου. Αλλά είναι πολύ σαφές ότι αυτό δεν συμβαίνει και ο ρυθμός επέκτασης στην πραγματικότητα αυξάνεται. Πρέπει να υπάρχει κάποιο είδος δύναμης που ωθεί αυτήν την επέκταση, και αυτή η άγνωστη δύναμη είναι αυτό που ονομάζουμε σκοτεινή ενέργεια.

Ένα εκπληκτικό 68 τοις εκατό του σύμπαντος είναι σκοτεινή ενέργεια.

Είναι το μεγαλύτερο συστατικό του σύμπαντος και είναι ένα μυστήριο. Αλλά για έναν συγκεκριμένο τύπο επιστήμονα, αυτό κάνει τη μελέτη του μια ακαταμάχητη πρόκληση.

Σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας νωρίτερα αυτόν τον μήνα, οι ερευνητές παρουσίασαν δεδομένα μιας δεκαετίας από το μεγαλύτερο και πιο ομοιόμορφο δείγμα σουπερνόβα που συλλέχτηκε ποτέ. Τα δεδομένα ήταν μέρος του Dark Energy Survey, μιας διεθνούς συνεργασίας περισσότερων από 400 αστρονόμων που εργάζονται μαζί για να ξεδιαλύνουν τα μυστήρια της σκοτεινής ενέργειας.

Η ανάλυση επικεντρώθηκε σε μια ποικιλία σουπερνόβα που ονομάζονται Τύπος 1α. Αυτά είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για τους αστρονόμους επειδή έχουν μια εξαιρετικά προβλέψιμη φωτεινότητα, καθιστώντας τα ανεκτίμητα ως δείκτες μιλίων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ακριβή μέτρηση της απόστασης. Χρησιμοποιώντας αυτές τις σουπερνόβα για να υπολογίσουν την απόσταση από μακρινούς γαλαξίες, οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν και ελπίζουμε να μάθουν περισσότερα για το περίεργο υλικό της σκοτεινής ενέργειας.

a:hover]:shadow-highlight-franklin dark:[&>a:hover]:shadow-highlight-franklin [&>a]:shadow-underline-black dark:[&>a]:shadow-underline-white”>Λεπτά εφέ σε μεγάλη κλίμακα

Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αποτελεί ένα τεράστιο μέρος του σύμπαντος, αλλά τα αποτελέσματά της είναι ανεπαίσθητα. Για να ανιχνεύσουν την επιρροή του, οι ερευνητές πρέπει να εξετάσουν τεράστια σύνολα δεδομένων που δείχνουν τις κινήσεις των γαλαξιών σε μεγάλη κλίμακα. Απαιτεί πολύ ακριβή εργαλεία για να μπορέσει να ανιχνεύσει το είδος των εκτεταμένων επιδράσεων που έχει η σκοτεινή ενέργεια στις κινήσεις των γαλαξιών.

«Για να κάνετε αυτές τις σούπερ ακριβείς μετρήσεις, χρειάζεστε τις καλύτερες κάμερες και τα καλύτερα διαθέσιμα τηλεσκόπια, στο έδαφος ή στο διάστημα», εξήγησε η Maria Vincenzi από το Πανεπιστήμιο Duke, η οποία ήταν επικεφαλής της κοσμολογικής ανάλυσης του δείγματος σουπερνόβα DES. «Η κατασκευή αυτού του είδους οργάνων είναι μια τόσο μνημειώδης προσπάθεια που είναι κάτι που δεν μπορεί να γίνει από μία μόνο ομάδα ή από τους πόρους ενός μόνο πανεπιστημίου».

Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να αποτελεί ένα τεράστιο μέρος του σύμπαντος, αλλά τα αποτελέσματά της είναι ανεπαίσθητα.

Οι περισσότερες προηγούμενες έρευνες στη σκοτεινή ενέργεια χρησιμοποιώντας σουπερνόβα έγιναν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται φασματοσκοπία, στην οποία το φως από μια σουπερνόβα χωρίζεται σε μήκη κύματος. Αναζητώντας τα μήκη κύματος του φωτός που απουσιάζουν, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν ποια μήκη κύματος έχουν απορροφηθεί — κάτι που σας λέει τη σύνθεση ενός αντικειμένου.

Αυτό είναι εξαιρετικά χρήσιμο για τη λήψη λεπτομερών πληροφοριών από ένα αντικείμενο, αλλά είναι επίσης μια πολύ δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασία που απαιτεί τη χρήση ενός εξειδικευμένου τηλεσκοπίου όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb.

Η πρόσφατη έρευνα ακολούθησε διαφορετική προσέγγιση. «Προσπαθήσαμε να κάνουμε τα πράγματα με έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο», είπε ο Vincenzi. Χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται φωτομετρία, στην οποία παρατήρησαν το φως από αντικείμενα και παρακολούθησαν πώς άλλαζε η φωτεινότητα σε διάστημα λίγων εβδομάδων, παράγοντας δεδομένα που ονομάζονται καμπύλη φωτός.

Στη συνέχεια τροφοδότησαν αυτές τις καμπύλες φωτός σε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης, ο οποίος εκπαιδεύτηκε για να αναγνωρίζει τους συγκεκριμένους σουπερνόβα που ήθελαν – τους σουπερνόβα τύπου 1α.

Η πτυχή της μηχανικής μάθησης ήταν βασική επειδή οι διαφορές μεταξύ των καμπυλών φωτός των τύπων σουπερνόβα μπορεί να είναι λεπτές. «Ο αλγόριθμος μηχανικής μάθησης μπορεί να δει πράγματα που ακόμη και ένα πολύ καλά εκπαιδευμένο μάτι μπορεί να μην μπορεί να δει», είπε ο Vincenzi, ενώ είναι και πολύ πιο γρήγορος.

Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να αναγνωρίσει ένα τεράστιο δείγμα περίπου 1.500 από αυτές τις σουπερνόβα σε όλο το σύνολο δεδομένων πέντε ετών, που συλλέχθηκαν από ένα μόνο όργανο που ονομάζεται Κάμερα Σκοτεινής Ενέργειας, τοποθετημένη στο τηλεσκόπιο Víctor M. Blanco στη Χιλή.

a:hover]:text-gray-63 [&>a:hover]:shadow-underline-black dark:[&>a:hover]:text-gray-bd dark:[&>a:hover]:shadow-underline-gray [&>a]:shadow-underline-gray-63 dark:[&>a]:text-gray-bd dark:[&>a]:shadow-underline-gray”>CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/D. Munizag

Με αυτό το εντυπωσιακό σύνολο δεδομένων, οι ερευνητές μπόρεσαν να κατανοήσουν περισσότερα για τη διαστολή του σύμπαντος από ποτέ, και τα ευρήματα υποστηρίζουν ένα ευρέως διαδεδομένο μοντέλο του σύμπαντος που είναι πραγματικά παράξενο.

Το παράξενο έχει να κάνει με την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας. Για να καταλάβετε γιατί αυτό είναι σημαντικό, σας βοηθά να ξεκινήσετε με το να σκεφτόμαστε κάτι πιο οικείο: την ύλη.

«Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, ο όγκος του σύμπαντος αυξάνεται. Αλλά η ποσότητα της ύλης δεν είναι. Είναι μια σταθερά της συνολικής ύλης. Έτσι, εάν ο όγκος αυξάνεται και η ύλη είναι σταθερή, η πυκνότητα θα μειωθεί», εξήγησε ο Dillon Brout από το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, ο οποίος ήταν επικεφαλής της κοσμολογικής ανάλυσης.

«Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, ο όγκος του σύμπαντος αυξάνεται. Αλλά η ποσότητα της ύλης δεν είναι».

Μέχρι εδώ καλά. Αλλά η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι έτσι — έχει σταθερή πυκνότητα με την πάροδο του χρόνου. «Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η πυκνότητα δεν μειώνεται. Παίρνετε μια αντίστοιχα μεγαλύτερη συνολική ποσότητα σκοτεινής ενέργειας», είπε ο Brout.

Αυτό σημαίνει ότι η σκοτεινή ενέργεια φαίνεται να είναι μια ιδιότητα του ίδιου του χώρου, γι’ αυτό και μερικές φορές είναι γνωστή και ως ενέργεια του κενού. «Αν έχετε περισσότερο χώρο, θα έχετε περισσότερη σκοτεινή ενέργεια. Εάν το σύμπαν αυξηθεί σε μέγεθος, λαμβάνετε ακριβώς τη σωστή ποσότητα σκοτεινής ενέργειας, επειδή είναι μια ιδιότητα του ίδιου του διαστήματος», είπε ο Brout.

Η σκοτεινή ενέργεια δεν μοιάζει με οτιδήποτε άλλο γνωρίζουμε στη φύση, έτσι μερικοί άνθρωποι είναι δύσπιστοι για τη θεωρία και πιστεύουν ότι πρέπει να υπάρχει κάποια άλλη εξήγηση για τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος, όπως κάτι σχετικά με τη γενική σχετικότητα που είναι λάθος ή ημιτελές.

Αλλά όλο και περισσότερο, οι κοσμολόγοι συμφωνούν ότι αυτή η θεωρία της σταθερής πυκνότητας της σκοτεινής ενέργειας με την πάροδο του χρόνου, που ονομάζεται ψυχρή σκοτεινή ύλη Λάμδα, είναι η καλύτερη εξήγηση που έχουμε για τις παρατηρήσεις που κάναμε. Η νέα έρευνα δεν αποδεικνύει οριστικά ότι αυτή η θεωρία είναι αληθινή, αλλά είναι συνεπής με αυτήν.

«Αυτό ήταν συναρπαστικό για όλους όσους εργάζονται στον τομέα τα τελευταία είκοσι χρόνια», είπε ο Vincenzi. «Επειδή είναι μια μορφή ενέργειας που είναι πολύ δύσκολο να συμβιβαστεί με οποιαδήποτε προηγούμενη γνώση της ενέργειας και των δυνάμεων που έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε στη φυσική».

Η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί ως η μία όψη ενός κοσμολογικού νομίσματος, με τη σκοτεινή ύλη να είναι η άλλη. Οι δύο δυνάμεις αντεπιτίθενται η μία στην άλλη: η μία σπρώχνει τα πράγματα και η άλλη τα τραβάει μαζί.

«Η ύλη και η σκοτεινή ύλη επηρεάζουν το σύμπαν με τη βαρύτητά τους. Έτσι, η σκοτεινή ύλη έχει την τάση να επιβραδύνει τη διαστολή του σύμπαντος, ενώ η σκοτεινή ενέργεια έχει την τάση να την επιταχύνει», είπε ο Brout. «Έτσι είναι πραγματικά σαν μια διελκυστίνδα μεταξύ της σκοτεινής ύλης με την έλξη της βαρύτητας και της απωθητικότητας της σκοτεινής ενέργειας».

«Αυτό ήταν συναρπαστικό για όλους όσους εργάζονται στον τομέα τα τελευταία είκοσι χρόνια».

Αυτό το μοντέλο σημαίνει ότι όσο περνά ο χρόνος και το σύμπαν διαστέλλεται, υπάρχει όλο και περισσότερη σκοτεινή ενέργεια. Σε προηγούμενα σημεία της ιστορίας του σύμπαντος, η φυσική του κυριαρχούνταν από τη σκοτεινή ύλη επειδή το μέγεθός της ήταν μικρότερο και η πυκνότητα της ύλης ήταν μεγαλύτερη. Καθώς το σύμπαν έχει γίνει μεγαλύτερο, η σκοτεινή ενέργεια έχει κυριαρχήσει.

«Η σκοτεινή ενέργεια κυριαρχεί στα μέρη του σύμπαντος που είναι ως επί το πλείστον άδεια, στις τεράστιες αποστάσεις μεταξύ των γαλαξιών που είναι ως επί το πλείστον γεμάτοι με κενό χώρο. Στις περιοχές του γαλαξία που είναι γεμάτες με πολύ περισσότερη ύλη ή σκοτεινή ύλη, όπως σε έναν γαλαξία ή στο ηλιακό σύστημα, δεν αισθανόμαστε ούτε βλέπουμε τα αποτελέσματα της σκοτεινής ενέργειας», εξήγησε ο Brout.

Αυτός είναι μέρος του λόγου που η σκοτεινή ενέργεια είναι τόσο δύσκολο να μελετηθεί: οι ερευνητές πρέπει να εξετάσουν τις κινήσεις μεγάλης κλίμακας των γαλαξιών για να δουν τα αποτελέσματά της.

Αν όλα αυτά φαίνονται αντιφατικά και παράξενα, τότε κουμπώστε, γιατί υπάρχουν ακόμα περισσότερες παραξενιές που πρέπει να αποκαλυφθούν σε αυτή την ιστορία.

Παρόλο που οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι υπάρχει τρομερή πολλή σκοτεινή ενέργεια στο σύμπαν, τα αποτελέσματά της είναι σχετικά μικρά. Παρόλο που οδηγεί τη διαστολή του σύμπαντος, η οποία είναι σχεδόν ασήμαντη, υπάρχει ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στην κοσμολογία όπου τα αποτελέσματά του είναι πιο αδύναμα από ό,τι η θεωρία προβλέπει ότι θα έπρεπε να είναι — πολύ πιο αδύναμο.

Στην πραγματικότητα, οι προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής, της πιο διαδεδομένης θεωρίας για το πώς λειτουργεί η ύλη σε ατομική κλίμακα, δηλώνουν ότι η σκοτεινή ενέργεια πρέπει να είναι τάξεις μεγέθους ισχυρότερη από ό,τι είναι.

«Αν η σκοτεινή ενέργεια είναι η ενέργεια του κενού, η τιμή που βρίσκουμε είναι 120 τάξεις μεγέθους από τη θεωρητική προσδοκία της κβαντικής μηχανικής. Και αυτό είναι απλά απίστευτο», είπε ο Brout. «Μερικές φορές αποκαλείται η μεγαλύτερη ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και παρατηρήσεων σε όλη την επιστήμη».

Αλλά αν η σκοτεινή ενέργεια ήταν τόσο ισχυρή όσο προβλέπει η κβαντομηχανική, τότε θα είχε διασκορπίσει υλικό στο πρώιμο σύμπαν, εμποδίζοντας τη δημιουργία πρώιμων γαλαξιών. Η ανάπτυξη της ζωής όπως τη γνωρίζουμε εξαρτάται αναμφισβήτητα από τη σχετική αδυναμία της σκοτεινής ενέργειας.

Αυτή η ασυμφωνία στη φαινομενική τιμή της κοσμολογικής σταθεράς, η οποία είναι μέρος της γενικής σχετικότητας, είναι ένα σημαντικό ερώτημα για την κοσμολογία. Έχει περιγραφεί ακόμη και ως το «πιο ενοχλητικό πρόβλημα» της φυσικής.

Για τους ερευνητές της σκοτεινής ενέργειας, ωστόσο, αυτή η συγκλονιστική ασυμφωνία είναι που κάνει το θέμα τόσο επιτακτικό και κρίσιμο στη μελέτη.

«Μετράμε τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια, που αποτελούν το 95 τοις εκατό του σύμπαντος», είπε ο Brout. «Και αγόρι μου, αν δεν καταλαβαίνουμε το 95 τοις εκατό του σύμπαντος, πρέπει να ψάξουμε και να προσπαθήσουμε να το καταλάβουμε».

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *