Σκοτεινή Ύλη και Σκοτεινή Ενέργεια: το Βάρος του Τίποτα

Έως και σήμερα, το μέγεθος του σύμπαντος δεν είναι γνωστό, αφού ο συνολικός όγκος του διαστήματος και ο αριθμός των γαλαξιών που εμπεριέχονται σε αυτό είναι άπειροι. Το παρατηρήσιμο σύμπαν αποτελεί την σφαιρική περιοχή γύρω από τη Γη με όλη την ύλη και τα αντικείμενα που μπορούμε να εντοπίσουμε σήμερα, επειδή η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπουν πρόλαβε να φτάσει μέχρι το Ηλιακό σύστημα και τη Γη από την αρχή της επέκτασης του σύμπαντος, και η συνεπτυγμένη απόσταση από τη Γη μέχρι την άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος είναι περίπου 14,26 gigaparsecs (46,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός ή 4,40×10²⁶ μέτρα) προς κάθε κατεύθυνση.

Αν και το παρατηρήσιμο σύμπαν έχει τόσο τεράστιες διαστάσεις, η εικάζεται πως η ορατή ύλη είναι ένα μικρό μέρος της συνολικής του σύστασης, και ότι στην πραγματικότητα, η πλειονότητα της μάζας και της ενέργειας στο σύμπαν αποτελείται από μορφές που δεν μπορούν να ανιχνευθούν απευθείας με τα τηλεσκόπια —τη σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια. Εκτιμάται πως μόνο το περίπου 5% του σύμπαντος αποτελείται από την κανονική ύλη που μπορούμε να παρατηρήσουμε άμεσα, ενώ το υπόλοιπο 95% αποτελείται από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια (μοντέλο Λάμδα-CDM: 26,8% σκοτεινή ύλη – 68,2% σκοτεινή ενέργεια), η ύπαρξη και η φύση των οποίων παραμένει αντικείμενο έντονης επιστημονικής αντιπαράθεσης.

Η σκοτεινή ύλη

Η «σκοτεινή ύλη» προτάθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1930 από τον πατέρα της αστρονομίας Fritz Zwicky, όταν παρατήρησε ότι οι γαλαξίες σε σμήνη κινούνταν με ταχύτητες που δεν εξηγούνταν από την ορατή μάζα, ενώ τη δεκαετία του 1970 η Vera Rubin επιβεβαίωσε το φαινόμενο μελετώντας τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών. Σήμερα, η ύπαρξή της ενισχύεται από κοσμολογικές παρατηρήσεις όπως η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία του υποβάθρου και η μελέτη της μεγάλης κλίμακας της δομής του σύμπαντος.

H σκοτεινή ύλη μοιάζει να είναι μείζονος σημασίας για τη σύγχρονη κοσμολογία, ίσως επειδή χωρίς αυτήν δεν μπορεί να εξηγηθεί το πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και οι δομές του σύμπαντος αλλά και το πως συγκρατούνται στις θέσεις τους σταθεροί άνευ βαρύτητας, καθώς η ορατή ύλη από μόνη της δεν έχει αρκετό χρόνο να συγκεντρωθεί και να τις σχηματίσει και ενδεχομένως να απαιτείται και για την ερμηνεία της ταχύτητας περιστροφής των γαλαξιών και τη δομή του σύμπαντος σε μεγάλης κλίμακας διαστάσεις. 

Έχει οριστεί ως μια άγνωστη μορφή ύλης που δεν εκπέμπει, απορροφά ή αντανακλά φως αλλά ούτε και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να μην είναι ορατή στην κοινή τηλεσκοπία, ωστόσο, η ύπαρξή της γίνεται αντιληπτή μέσα από τις βαρυτικές τις επιδράσεις στην ορατή ύλη, όπως στα αστέρια και στους γαλαξίες. Η σύστασή της πιθανολογείται να αποτελείται από σωματίδια που είναι σταθερά, ουδέτερα, αόρατα στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και που δεν αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά παρά μόνο κυρίως μέσω της βαρύτητας -συγκεκριμένα η συνηθισμένη βαρυονική ύλη, η ύλη από νετρίνα και η εξωτική ύλη υπερσυμμετρικών σωματιδίων ως απηχήσεις της Μεγάλης ‘Έκρηξης (Big Bang Theory) προ περίπου 14 δισεκατομμυρίων χρόνων. Αν και τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν μέσω βαρύτητας με την ορατή ύλη, δεν είναι πλήρως γνωστό το αν συνδέονται με γνωστές ή άγνωστες αλληλεπιδράσεις.

Η ψυχρή σκοτεινή ύλη (Cold Dark Matter) είναι μια μορφή σκοτεινής ύλης με σωματίδια που κινούνται πολύ πιο αργά από το φως κατά την περίοδο της ίσης κυριαρχίας ύλης και ακτινοβολίας και ευθύνεται για το σχηματισμό γαλαξιών, σμηνών γαλαξιών και άλλων δομών του σύμπαντος, ενώ το μοντέλο Λ-CDM (Lambda Cold Dark Matter – πρότυπο μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης) είναι το κυρίαρχο κοσμολογικό μοντέλο που περιγράφει ένα σύμπαν με σκοτεινή ενέργεια που προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή και με ψυχρή σκοτεινή ύλη που ευθύνεται για τη δημιουργία της δομής μεγάλης κλίμακας.

Η Σκοτεινή Ενέργεια

Το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2011 είχε απονεμηθεί στους Saul Perlmutter, Brian Schmidt και Adam Riess για την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος μέσω μελέτης μακρινών υπερκαινοφανών, γεγονός αφετηρία της «σκοτεινής ενέργειας» ως μυστηριώδης δύναμη υπαίτια για την επιτάχυνση, ενώ τότε σχολιάστηκε εντόνως πως επειδή παρουσιάζεται κάθε άλλο παρά επιβράδυνση στον ρυθμό διαστολής του, η εν λόγω επιτάχυνση θα παγώσει το σύμπαν.

Η φύση της «σκοτεινής ενέργειας» ή ενέργειας του κενού παραμένει αβέβαιη και βασίζεται σε έμμεσες ενδείξεις από (i) μακρινές παρατηρήσεις και τον τρόπου που σχετίζονται με τη φασματική μετατόπιση προς το ερυθρό προτείνοντας μεγαλύτερη επέκταση του σύμπαντος στο δεύτερο μισό της ζωής του, (ii) τη θεωρητική ανάγκη για μια πρόσθετη μορφή ενέργειας –μη ύλης ή σκοτεινής ύλης- που σχηματίζει το παρατηρήσιμα επίπεδο σύμπαν, και (iii) εκτιμήσεις μοτίβων κυμάτων μεγάλης κλίμακας της συμπαντικής πυκνότητας μάζας.

Το πρότυπο κοσμολογικό μοντέλο περιλαμβάνει τρεις βασικές συνιστώσες: (i) τη ύλη, (ii) την ακτινοβολία, και (iii) τη «σκοτεινή ενέργεια», η οποία είναι πιο υποθετική από την σκοτεινή ύλη και περιγράφεται ως είδος ενέργειας που δρα σαν αντίστροφη βαρύτητα, απωθώντας την ύλη που την πλησιάζει και οδηγώντας στην επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Εκτιμάται πως η αρνητική πίεση της σκοτεινής ενέργειας -αντί να συμπιέζει το χώρο όπως η κανονική ύλη ή η ακτινοβολία- προκαλεί την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος, δρώντας ως μια απωθητική δύναμη στο πλαίσιο της γενικής σχετικότητας και εξηγώντας γιατί η βαρυτική έλξη δεν ανακόπτει αυτή τη διαστολή. Πρόκειται για μια υποθετική μυστηριώδη και αόρατη μορφή ενέργειας που δεν αλληλοεπιδρά με το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ή την κανονική ύλη με τους κλασσικούς τρόπους, με αποτέλεσμα να μην ανιχνεύεται με τις παραδοσιακές μεθόδους. Στο πλαίσιο της θεωρίας της σχετικότητας του Einstein, η σκοτεινή ενέργεια ταυτίζεται συχνά με την κοσμολογική σταθερά Λ, που αντιπροσωπεύει μια σταθερή ενεργειακή πυκνότητα του κενού που διαχέεται ομοιόμορφα στον χώρο και δημιουργεί αντιβαρυτική αρνητική πίεση που εξουδετερώνει την ελκτική δύναμη της βαρύτητας σε κοσμικές κλίμακες, ενώ μια ακόμη προτεινόμενη μορφή σκοτεινής ενέργειας είναι και τα βαθμωτά πεδία -δυναμικές ποσότητες με μεταβαλλόμενη ενεργειακή πυκνότητα στο χωροχρόνο.

Οι Μαύρες Τρύπες

Για την σκοτεινή ύλη, ο χαρακτηρισμός σκοτεινή αποδίδεται στο ότι δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά και δεν εκπέμπει φως, αλλά και στο ότι είναι άγνωστη έως τώρα. Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες υποθέσεις είναι ότι η σκοτεινή ύλη δεν αποτελείται μόνο από σωματίδια, αλλά και από πρωτογενείς μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος.

Αναφορικά με τις «μαύρες τρύπες», πρόκειται για περιοχές του χωροχρόνου με τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο, που τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να ξεφύγει από αυτές, αποτελώντας κομβικά σημεία για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ κανονικής και μη-κανονικής ύλης στο σύμπαν. Υπάρχουν αστρονομικές μαύρες τρύπες, που δημιουργούνται από την κατάρρευση μαζικών άστρων, και εξωτικές μαύρες τρύπες, που προβλέπονται από θεωρίες πέραν της θεωρίας της σχετικότητας και ίσως περιέχουν ή αλληλεπιδρούν με σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Κάποιες θεωρίες υποστηρίζουν πως μαύρες τρύπες μπορεί να λειτουργούν ως παγίδες σκοτεινής ύλης ή να σχηματίζονται από περιοχές με υψηλή συγκέντρωση σκοτεινής ύλης, ενώ, παράλληλα, η σκοτεινή ενέργεια ίσως επηρεάζει τη δυναμική εξέλιξη των μαύρων τρυπών.

Κάποιοι θεωρούν ότι ο χωροχρόνος είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που κατασκευάστηκε για να περιγράψει τη βαρύτητα, σε αντίθεση με την σκοτεινή ύλη, η οποία είναι φυσική οντότητα και υπερστερεό που γεμίζει το κενό και εκτοπίζεται από την ορατή ύλη, ασκώντας πίεση που προκαλεί τη βαρύτητα -έτσι, η καμπύλωση του χωροχρόνου αντιστοιχεί στην εκτοπισμένη σκοτεινή ύλη (φυσική εκδήλωση καμπυλωμένου χωροχρόνου). Ακόμη, έχει ειπωθεί πως ο χρόνος είναι ο ρυθμός με τον οποίο λειτουργεί ένα ατομικό ρολόι, και μια φυσική διεργασία που εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση της υπερστερεάς σκοτεινής ύλης όπου υπάρχει. Όσο μεγαλύτερη είναι η εκτόπιση της σκοτεινής ύλης από ένα μαζικό σώμα ή η σχετική ταχύτητα ενός ρολογιού ως προς αυτήν, τόσο μεγαλύτερη η πίεση που ασκείται από τη σκοτεινή ύλη προς την επιφάνεια του ρολογιού και τόσο πιο αργά κυλά ο χρόνος για αυτό –εξηγώντας ίσως γιατί η ταχύτητα του φωτός μετριέται πάντα ως c.

Παρά την επιστημονική πρόοδο, κανένα είδος σκοτεινής ύλης δεν έχει ανιχνευθεί σε πειράματα, ενώ ορισμένοι θεωρούν πως τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η σκοτεινή ενέργεια έχουν εισαχθεί στην επιστήμη για να διορθώσουν το καθιερωμένο μοντέλο Λ-CDM, θεωρώντας τες περισσότερο προσαρμοσμένες παραμέτρους παρά ρεαλιστικές φυσικές οντότητες -ίσως προσωρινά μαθηματικά τεχνάσματα και όχι θεμελιώδεις φυσικές πραγματικότητες. Ακόμη, δεδομένων των αρχικών υποθέσεων πως το σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο για την περαιτέρω εννοιολόγηση και ακολούθηση του μοντέλου Λ-CDM, εντοπίζονται αποκλίσεις σε μικρότερες κλίμακες των κλασσικών γαλαξιακών –όπως σε απομονωμένους ή νάνους γαλαξίες– όπου η δυναμική της περιστροφής ή η κατανομή της μάζας δεν συμβαδίζει με τις προβλέψεις της θεωρίας της σκοτεινής ύλης, υποδηλώνοντας είτε πως η βαρύτητα ενδέχεται να δρα διαφορετικά σε τέτοιες περιοχές είτε πως το μοντέλο της σκοτεινής ύλης έχει ελλείμματα ή/και λάθη. Εκτός του ότι υπάρχουν και κάποιες άλλες θεωρίες ίσως ικανές να ερμηνεύσουν το ζήτημα της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος, στα πολλά σημεία που χρήζουν ιδιαίτερης προσοχής σχετικά με την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια, ανήκει και το γεγονός πως η κοσμολογική σταθερά Λ απαιτεί μια τιμή πολύ μικρότερη από αυτήν που προβλέπεται από τη θεωρία πεδίου, μια απόκλιση (~120 τάξεις μεγέθους) ίσως ενδεικτική κάποιου κενού σε θεμελιώδες επίπεδο.

Σχετικά πρόσφατα, ο καθηγητής Rajendra Gupta αμφισβήτησε το τρίπτυχο του πρότυπου κοσμολογικού μοντέλου, αποκαλύπτοντας σε δημοσίευσή του πως δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη στο σύμπαν, ενώ απέδωσε την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος στην εξασθένηση των θεμελιωδών δυνάμεων της φύσης καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, και όχι στη σκοτεινή ενέργεια. Τέλος, η επιστημονική κοινότητα ίσως δεν συμμερίζεται ούτε την άποψη του αστροφυσικού David Merritt, ο οποίος θεωρεί τη σκοτεινή ενέργεια μια ad hoc και συμβατικιστική υπόθεση, που προστίθεται για να διασώσει το υπάρχον θεωρητικό πλαίσιο από αντικρουόμενες παρατηρήσεις, χωρίς να εισάγει νέα ελέγξιμα εμπειρικά στοιχεία.

*Oι εικόνες δημιουργήθηκαν με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 

Bertone, G., & Tait, T. M. P. (2018). A new era in the search for dark matter. Nature, 562(7725), 51–56. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0542-z

Carr, B., K?hnel, F., & Sandstad, M. (2016). Primordial black holes as dark matter. Physical Review D, 94(8), 083504. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.94.083504

Castelvecchi, D. (2016). Universe has ten times more galaxies than researchers thought. Nature. https://doi.org/10.1038/nature.2016.20809

Gupta, R. P. (2024). Testing CCC+TL cosmology with observed baryon acoustic oscillation features. The Astrophysical Journal, 964(1), 55. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad1bc6

Prescod-Weinstein, C. (2021). The disordered cosmos: A journey into dark matter, spacetime, and dreams deferred (First edition). Bold Type Books.

Spergel, D. N. (2015). The dark side of cosmology: Dark matter and dark energy. Science, 347(6226), 1100–1102. https://doi.org/10.1126/science.aaa0980

Για υποστήριξη σε φοιτητικές εργασίες, δημοσιεύσεις σε επιστημονικά περιοδικά, στατιστική ανάλυση δεδομένων, σχεδιασμό έρευνας, επαγγελματικές παρουσιάσεις ppt/poster, σημειώσεις μαθημάτων, αρθρογραφία – κείμενα ιστοσελίδας, επιμέλεια κειμένων, μεταφράσεις κειμένων και σύνταξη βιογραφικού… contact ACADEMON!