Μεγαλώσαμε με την ιδέα ότι το σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται για πάντα, κάτι που σημαίνει ότι η λεγόμενη «κοσμολογική σταθερά» είναι θετική.
Το σύμπαν εξακολουθεί να διαστέλλεται, οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον και το γεγονός αυτό φαίνεται να είναι οριστικό.
Μία νέα ανάλυση ωστόσο, υποστηρίζει ότι αυτό μπορεί να είναι λάθος. Ισχυρίζεται πως η διαστολή μπορεί να επιβραδυνθεί, να σταματήσει και – στο μακρινό μέλλον – να αντιστραφεί. Η ιδέα αυτή προτείνει πως, η κοσμολογική σταθερά μπορεί να είναι αρνητική και όχι θετική, όπως υποθέταμε μέχρι τώρα.
Σύμφωνα με την μελέτη αυτή, η συνολική διάρκεια της ζωής του σύμπαντος, μπορεί να είναι περίπου 33 δισεκατομμύρια χρόνια. Το σύμπαν σήμερα έχει ηλικία σχεδόν 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, που σημαίνει ότι απομένουν περίπου 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό είναι ένα τεράστιο χρονικό διάστημα — πολύ πέρα από την ανθρώπινη εμπειρία — αλλά παραμένει μια σαφής πρόβλεψη.
Η πορεία προς αυτό το συμπέρασμα περνά μέσα από τη σκοτεινή ενέργεια —την πιθανή αιτία της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος— και ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται αξιόνιο. Η εργασία αυτή συνδυάζει αυτά τα στοιχεία σε ένα μοντέλο και το δοκιμάζει σε σχέση με πρόσφατες παρατηρήσεις από τηλεσκοπικές έρευνες.
Σκοτεινή ενέργεια και η κοσμολογική σταθερά
Ο Henry Tye, επίτιμος καθηγητής φυσικής στο Τμήμα Τεχνών και Επιστημών του Πανεπιστημίου Cornell, ανανέωσε ένα γνωστό θεωρητικό πλαίσιο που περιλαμβάνει την κοσμολογική σταθερά. Ενσωμάτωσε νέες μετρήσεις και εξέτασε πώς μια αργά μεταβαλλόμενη σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να αλλάξει την μακροπρόθεσμη μοίρα του σύμπαντος.
“Για τα τελευταία 20 χρόνια, οι άνθρωποι πίστευαν πως η κοσμολογική σταθερά είναι θετική και πως το σύμπαν θα διαστέλλεται για πάντα”, εξήγησε ο Tye. “Τα νέα δεδομένα φαίνεται να δείχνουν ότι η κοσμολογική σταθερά είναι αρνητική και ότι το σύμπαν θα καταλήξει σε μια Μεγάλη Σύνθλιψη (big crunch)”.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια ιδιότητα του ίδιου του σύμπαντος, που το ωθεί να διαστέλλεται με ολοένα και μεγαλύτερο ρυθμό. Αν ο λόγος της πίεσης προς την πυκνότητα της ενέργειας, που γράφεται ως w, είναι ακριβώς ίσος με −1, τότε η σκοτεινή ενέργεια συμπεριφέρεται σαν σταθερή κοσμολογική σταθερά, που δεν αλλάζει με τον χρόνο.
Πολλές παλαιότερες μετρήσεις ήταν συμβατές με w = −1. Όμως, πρόσφατα αποτελέσματα από την Έρευνα Σκοτεινής Ενέργειας (DES) και το Σκοτεινό Ενεργειακό Φασματοσκοπικό Όργανο (DESI) υποδεικνύουν ότι το w ίσως απομακρύνεται ελαφρώς από το −1. Αν αυτό ισχύει, τότε η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να εξελίσσεται με τον χρόνο.
Αξιόνιο και κοσμολογική σταθερά
Ένα αξιόνιο είναι ένα υποθετικό, εξαιρετικά πεδίο, το οποίο μπορεί αρχικά να συμπεριφέρεται σαν σκοτεινή ενέργεια και στη συνέχεια να αλλάζει τη συμπεριφορά του με την πάροδο του χρόνου.
Σε αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, το αξιόνιο παρέχει το μεγαλύτερο μέρος της «επιταχυνόμενης» επίδρασης στην αρχή, αλλά σταδιακά μεταβάλλεται, έτσι ώστε η ενέργειά του να μοιάζει λιγότερο με μια σταθερή ώθηση και περισσότερο με κάτι που εξελίσσεται δυναμικά, στο πέρασμα του χρόνου. Αυτή η μεταβολή ευθυγραμμίζεται με τις ενδείξεις από τα πειράματα DES και DESI.
Το προτεινόμενο μοντέλο συνδυάζει δύο συστατικά: ένα εξαιρετικά ελαφρύ αξιόνιο και μια κοσμολογική σταθερά. Οι βέλτιστες τιμές των παραμέτρων δείχνουν μια ελαφρώς αρνητική κοσμολογική σταθερά.
Η αρνητική αυτή σταθερά δεν κυριαρχεί σήμερα, επειδή το αξιόνιο εξακολουθεί να προσφέρει το μεγαλύτερο μέρος της επιτάχυνσης της διαστολής. Όμως, καθώς η επίδραση του αξιόνιου εξασθενεί με τον χρόνο, η αρνητική σταθερά μπορεί να αρχίσει να κυριαρχεί. Όταν αυτό συμβεί, η διαστολή του σύμπαντος θα σταματήσει και θα αρχίσει μια φάση συστολής.
“Βλέπουμε πότε και πώς θα καταρρεύσει το σύμπαν”
“Στο παρελθόν, έχει διατυπωθεί ότι, αν η κοσμολογική σταθερά είναι αρνητική, τότε το σύμπαν τελικά θα καταρρεύσει. Αυτό δεν είναι κάτι νέο”, είπε ο Tye. “Ωστόσο, το συγκεκριμένο μοντέλο μας δείχνει πότε και πώς θα καταρρεύσει το σύμπαν”.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε τις τυπικές εξισώσεις Friedmann, που περιγράφουν τη διαστολή του σύμπαντος, προσθέτοντας τη δυναμική του αξιόνιου, και προχώρησε στην εξέλιξη του συστήματος προς το μέλλον. Αρχικά έγινε μια απλοποιημένη αναλυτική εκτίμηση, ώστε να προσδιοριστεί μια γενική τάξη μεγέθους. Έπειτα πραγματοποιήθηκε πλήρης αριθμητική προσομοίωση με τις βέλτιστες τιμές των παραμέτρων.
Και οι δύο προσεγγίσεις καταλήγουν στο ίδιο ποιοτικό αποτέλεσμα: μια αναστροφή της διαστολής, ακολουθούμενη από συστολή, όταν υπάρχει μια μικρή αρνητική σταθερά και το αξιόνιο εξακολουθεί να «κυλά» σήμερα.
Με βάση τις καλύτερες τιμές των παραμέτρων, η συνολική διάρκεια ζωής του σύμπαντος -από τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) μέχρι τη Μεγάλη Σύνθλιψη (Big Crunch)- υπολογίζεται σε περίπου 33 δισεκατομμύρια χρόνια.
Η φάση της συστολής προχωρά ταχύτερα από την προηγούμενη φάση της διαστολής. Έτσι, όταν η διαστολή σταματήσει, το σύμπαν θα αρχίσει να συρρικνώνεται σε μικρότερο χρονικό διάστημα από αυτό που χρειάστηκε για να φτάσει στο μέγιστο μέγεθός του.
Η αβεβαιότητα
Τα προγράμματα DES (Dark Energy Survey) και DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) παρέχουν ενδείξεις, αλλά όχι οριστικές αποδείξεις, για την ύπαρξη εξελισσόμενης σκοτεινής ενέργειας. Οι παράμετροι του μοντέλου είναι αμφίσημες, που σημαίνει ότι διαφορετικοί συνδυασμοί τιμών μπορούν να ταιριάζουν με τα ίδια δεδομένα σχεδόν εξίσου καλά.
Αν μετακινηθούμε από το βέλτιστο σημείο προσαρμογής προς τιμές πιο κοντά στον μέσο όρο των επιτρεπτών δεδομένων, η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής του σύμπαντος μεγαλώνει. Αυτό δείχνει ότι ο αριθμός των 33 δισεκατομμυρίων ετών εξαρτάται από το πού ακριβώς βρίσκονται οι σημερινές μετρήσεις στον χώρο των παραμέτρων.
Το DES έχει χαρτογραφήσει μεγάλες περιοχές του νότιου ουρανού, ενώ το DESI δημιουργεί λεπτομερείς τρισδιάστατους χάρτες γαλαξιών και κοσμικών δομών. Καθώς αυτές οι έρευνες βελτιώνουν τους καταλόγους τους και άλλες αποστολές συνεισφέρουν νέα δεδομένα, τα περιθώρια σφάλματος θα μειώνονται.
Το πεδίο μπορεί είτε να ενισχύσει την ιδέα μιας εξελισσόμενης σκοτεινής ενέργειας και να καθορίσει με μεγαλύτερη ακρίβεια το χρονικό πλαίσιο, είτε να επανέλθει στην εικόνα μιας σταθερής σκοτεινής ενέργειας, με αιώνια διαστολή και χωρίς τη “Μεγάλη Σύνθλιψη”.
Η κοσμολογική σταθερά
Μοντέλα που περιγράφουν εξίσου καλά το σημερινό σύμπαν μπορούν να προβλέπουν τελείως διαφορετικά μελλοντικά σενάρια. Η μετάβαση από μια σταθερή κοσμολογική σταθερά σε ένα σενάριο που περιλαμβάνει αξιόνιο και σταθερά αλλάζει ριζικά την μακρινή προοπτική του σύμπαντος.
Το πρόσημο αυτής της σταθεράς – θετικό ή αρνητικό – παίζει τεράστιο ρόλο στο μέλλον, ακόμα κι αν η επίδρασή του σήμερα είναι λεπτή και δυσδιάκριτη. Αν το βέλτιστο σημείο που προτείνει η μελέτη είναι σωστό, η συνολική διάρκεια ζωής του σύμπαντος είναι περίπου 33 δισεκατομμύρια χρόνια, με περίπου 20 δισεκατομμύρια χρόνια να απομένουν.
Αν όχι, το σύμπαν θα μπορούσε να διαρκέσει πολύ περισσότερο. Οι χρονικές αυτές κλίμακες είναι τόσο τεράστιες, που ξεπερνούν την ανθρώπινη κατανόηση: άστρα θα γεννηθούν και θα σβήσουν, γαλαξίες θα εξελίσσονται, και πολιτισμοί θα μπορούσαν να αναδυθούν και να εξαφανιστούν πολλές φορές, πριν εμφανιστεί οποιαδήποτε επιβράδυνση στη διαστολή.
To κεντρικό νόημα είναι πως, με τα νέα δεδομένα και ένα ευέλικτο μοντέλο σκοτεινής ενέργειας, το μέλλον του σύμπαντος μπορεί να είναι πεπερασμένο και όχι άπειρο, και σήμερα, έχουμε έναν σαφή τρόπο για να υπολογίσουμε πώς μπορεί να μοιάζει αυτό το μέλλον.