Η μεταβαλλόμενη ενέργεια του κενού ως μηχανισμός για την κατανόηση της κοσμικής ιστορίας του σύμπαντος

Η επιστήμη της Κοσμολογίας έχει ως στόχο τη μελέτη της εξέλιξης και της δομής του Σύμπαντος συνολικά, αλλά και των επιμέρους δομών που αυτό περιέχει. Η ενδελεχής ανάλυση τόσο των διαστημικών όσο και των επίγειων παρατηρήσεων (της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, πηγών ακτίνων-Χ, υπερκαινοφανών αστέρων, δομών μεγάλης κλίμακας, κτλ.) συγκλίνουν σε ένα Κοσμολογικό πρότυπο. Σύμφωνα με αυτό, το Σύμπαν δημιουργήθηκε με τη μεγάλη έκρηξη, είναι χωρικά επίπεδο, είναι ομογενές και ισότροπο και έχει ηλικία ~13.8 δισεκατομμυρίων περίπου ετών. Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι, για τη σύγχρονη Κοσμολογία, “Μεγάλη Έκρηξη” θεωρείται η εκτόνωση μιας αρχικά υπέρπυκνης και υπέρθερμης κατάστασης, η οποία θα μπορούσε να προέλθει από διάφορες εκφάνσεις των θεωριών κβαντικής βαρύτητας. Τα δε κύρια στοιχεία που υποστηρίζουν την ορθότητα αυτού του γενικού πλαισίου της θεωρίας και που δεν ερμηνεύονται στο σύνολο τους από καμία άλλη θεωρία, είναι: (1) η διαστολή του Σύμπαντος, (2) το υπόβαθρο ακτινοβολίας μικροκυμάτων και (3) η γένεση και τα ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων.

Στην πρώιμη περίοδό του, το Σύμπαν πέρασε από μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής (σύντομης χρονικής διάρκειας) που ονομάζεται πληθωρισμός. Στη συνέχεια, μετά από μία παρατεταμένη περίοδο στην οποία κυριαρχούσαν κατά σειρά η ακτινοβολία και η ύλη, τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια εισήλθε και πάλι σε φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Μάλιστα, γι’ αυτή τους την ανακάλυψη, οι Perlmutτer, Riess και Schmidt τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής για το έτος 2011.

Γνωρίζουμε επίσης ότι, από το συνολικό ποσό υλοενέργειας που περιέχει το Σύμπαν, μόνο το ~30% αποτελείται από ύλη. Παρά την τεράστια πρόοδο που έχει επιτευχθεί σε θεωρητικό αλλά και σε παρατηρησιακό επίπεδο, δε γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τη φύση του υπόλοιπου ~70%, το οποίο και ευθύνεται για τη σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Για τον λόγο αυτόν τής έχει δοθεί η αινιγματική ονομασία “σκοτεινή ενέργεια”! Πράγματι, κατά την τελευταία δεκαετία υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον στην κοινότητα των κοσμολόγων και των θεωρητικών φυσικών σχετικά με τη φύση αυτής της εξωτικής “σκοτεινής ενέργειας”. Η απουσία μιας θεμελιώδους θεωρίας, όσον αφορά στον φυσικό μηχανισμό επαγωγής της κοσμικής επιτάχυνσης, έχει ανοίξει ένα παράθυρο σε μια πληθώρα εναλλακτικών κοσμολογικών σεναρίων. Τα περισσότερα από αυτά βασίζονται είτε στην ύπαρξη νέων πεδίων στη φύση (και άρα νέας φυσικής), είτε σε κάποια τροποποίηση της γενικής σχετικότητας του Einstein σε κοσμολογικές κλίμακες.

Η κυρίαρχη σύγχρονη θεωρία για την αρχή και την εξέλιξη του Σύμπαντος (θεωρία της μεγάλης έκρηξης) υποστηρίζει ότι αυτό ξεκίνησε από μια κατάσταση πολύ υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, και έκτοτε διαστέλλεται συνεχώς. Με τη μεγάλη έκρηξη παράγεται ο ίδιος ο χωρόχρονος, ο οποίος εξασφαλίζει το απαραίτητο υπόβαθρο μέσα στο οποίο το Σύμπαν εξελίσσεται. Η διαστολή του Σύμπαντος παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Αμερικανό αστρονόμο Hubble τη δεκαετία του 1920, είχε όμως προβλεφθεί από τη γενικευμένη θεωρία της βαρύτητας του Einstein (Γενική Θεωρία της Σχετικότητας). Σημαντική ένδειξη για την ορθότητα της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης αποτέλεσε η ανακάλυψη, από τους Αμερικανούς αστρονόμους Penzias και Wilson (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1978), της λεγόμενης Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων του υπόβαθρου (ΚΑΜ). Η ΚΑΜ είναι η αρχική θερμική ακτινοβολία που γέμισε το Σύμπαν μετά την αρχική έκρηξη, με άλλα λόγια πρόκειται για το ενεργειακό απολίθωμα των αρχέγονων φωτονίων (η θερμοκρασία της σήμερα είναι 2.7^ο Κ περίπου). Είναι φανερό ότι η μελέτη της μάς οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα για τη φυσική κατάσταση του πρώιμου Σύμπαντος. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, κατέστη δυνατή, κυρίως κατά την τελευταία δεκαετία, η δημιουργία χαρτών της χωρικής κατανομής της ΚΑΜ. Παρ’ όλα τα θετικά στοιχεία της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης, η τελευταία σχετίζεται με το πρόβλημα της αρχικής ανωμαλίας, δηλαδή του απειρισμού της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του Σύμπαντος κατά τη στιγμή της “έκρηξης”.

Πηγή: Prof. E.P.S. Shellard, 2003, University of Cambridge

Εξαιτίας της υποατομικής κλίμακας του Σύμπαντος, αυτό αρχικά συμπεριφέρεται ως ένα κβαντικό σύστημα. Παρά το γεγονός ότι μέχρι σήμερα δεν έχουμε μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, ο χρόνος στον οποίον τα κβαντικά φαινόμενα της βαρύτητας κυριαρχούν ονομάζεται χρόνος Planck και λαμβάνει χώρα τα πρώτα 10^-43 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη. Στη συνέχεια, και μόλις 10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη, θεωρούμε ότι το Σύμπαν περνά σε μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής (πληθωρισμός), η οποία τού δίνει μακροσκοπικές διαστάσεις, αυξάνοντας δραστικά το μέγεθός του (κατά ένα παράγοντα 10²⁵). Μέχρι στιγμής δε γνωρίζουμε το πεδίο, αποκαλούμενο “inflaton”, που προκαλεί τον πληθωρισμό, αλλά γίνονται προσπάθειες να καθοριστούν οι ιδιότητές του από παρατηρήσεις. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, βασική αρχή της κβαντομηχανικής, οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα (άρα και το νεαρό Σύμπαν), ακόμα και όταν βρίσκεται σε χαμηλή ενεργειακή κατάσταση, έχει ενέργεια που σχετίζεται με το “κενό”, η πυκνότητα του οποίου -στο πλαίσιο της καθιερωμένης κβαντικής θεωρίας πεδίου- παραμένει σταθερή και ανεξάρτητη από τον χρόνο. Η έρευνα έχει δείξει ότι αυτή η ενέργεια πρακτικά θα μπορούσε να ευθύνεται για την πρώιμη πληθωριστική περίοδο.

Το βασικό αποτέλεσμα αυτής της πληθωριστικής εποχής είναι ότι εξομαλύνει σε μεγάλο βαθμό τις αρχικές ανομοιογένειες κι επιβάλλει την επίπεδη (Ευκλείδεια) γεωμετρία στο χωρικό μέρος του χωρόχρονου. Στη συνέχεια, δεν είμαστε σίγουροι για το πότε ή το γιατί, η περίοδος αυτή της επιταχυνόμενης διαστολής τελειώνει. Εν συνεχεία, η ενέργεια που την οδηγούσε μετατρέπεται σε συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία, και με αυτόν τον τρόπο αρχίζει η συμβατική κοσμική ιστορία, όπως προβλέπεται από τη θεωρία της μεγάλης έκρηξης. Μετά τον αρχικό πληθωρισμό, το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή της ακτινοβολίας. Αρχικά έχουμε την ισοδυναμία μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, καθώς και τη δημιουργία των βαρυονίων (πρωτονίων, νετρονίων, κτλ.) όπου το βαθμωτό πεδίο του Higgs (Νόμπελ 2013) παίζει βασικό ρόλο. Στη συνέχεια έχουμε τη δημιουργία των πυρήνων των ελαφρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα (κυρίως υδρογόνου, ηλίου και πολύ λίγου λιθίου) και λίγο μετά, εξαιτίας της διαστολής και της συνεπακόλουθης ψύξης που υφίσταται το Σύμπαν, τα ηλεκτρόνια σταδιακά χάνουν την κινητική τους ενέργεια και τελικά συζεύγνυνται με τους ατομικούς πυρήνες για να δημιουργήσουν άτομα. Η εποχή της ακτινοβολίας διαρκεί περίπου ~400,000 χρόνια, ενώ η θερμοκρασία στο τέλος αυτής της περιόδου είναι ~3,000^ο Κ.

Κατόπιν, το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή όπου η σημαντικότερη συνιστώσα του κοσμικού ρευστού που καθορίζει τη δυναμική συμπεριφορά του Σύμπαντος είναι η ύλη (σκοτεινή και βαρυονική), που κυριαρχεί για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος. Αυτή η περίοδος χαρακτηρίζεται από τη δημιουργία, μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, των κοσμικών δομών (αρχικά δομές τυπικού μεγέθους αστρικών σμηνών –και λίγο μικρότερες– και σταδιακά μεγέθους γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών). Με την πάροδο του χρόνου, όμως, η δυναμική του Σύμπαντος και η ικανότητά του να γεννά κοσμικές δομές αλλάζει. Ο ρυθμός παραγωγής γαλαξιών συνεχώς φθίνει, και η περαιτέρω δημιουργία σμηνών γαλαξιών μειώνεται δραστικά στη σημερινή εποχή, μιας και η διαστολή αραιώνει συνεχώς τη συγκέντρωση της ύλης και εξασθενεί το ρόλο της βαρύτητας. Ταυτόχρονα, όμως, μία “σκοτεινή” (αόρατη) μορφή ενέργειας, η οποία έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτήν που οδηγεί τον αρχικό πληθωρισμό, αρχίζει σιγά-σιγά να κυριαρχεί. Η διατάραξη της σχέσης ύλης −”σκοτεινής” ενέργειας υπέρ της τελευταίας επέδρασε δραματικά στη μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλάζοντας τον ρυθμό διαστολής του από επιβραδυνόμενο σε επιταχυνόμενο.

Συνεπώς, η “σκοτεινή” ενέργεια θα λέγαμε ότι σχετίζεται με ένα νέο πεδίο. Το ρόλο της “σκοτεινής” ενέργειας θα μπορούσε να παίξει η Κοσμολογική σταθερά, η οποία εισήχθη αρχικά από τον Einstein πριν από περίπου 100 χρόνια. Πράγματι, έχει βρεθεί ότι το μοντέλο με την Κοσμολογική σταθερά ερμηνεύει πολύ καλά το παρατηρούμενο Σύμπαν. Όμως η παρατηρούμενη τιμή της είναι απείρως μικρή σε σχέση με την τιμή που πρέπει να έχει στο πρώιμο Σύμπαν, ώστε να οδηγήσει στον αρχικό πληθωρισμό.

Συνοψίζοντας, τα βασικά ανοικτά θέματα στη σύγχρονη Κοσμολογία είναι:

• Πώς μπορεί να ξεπεραστεί το πρόβλημα της αρχικής ανωμαλίας;
• Με ποιό φυσικό μηχανισμό ξεκινά ο πρώιμος πληθωρισμός, πότε και γιατί τελειώνει, αλλά και πώς το Σύμπαν εισέρχεται στην περίοδο της ακτινοβολίας;
• Ποιός είναι ο λόγος για τον οποίον η πληθωριστική φάση “ανάβει” για λίγο στο νεαρό Σύμπαν, στη συνέχεια “σβήνει” για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια και κυριαρχεί ξανά στην κοσμική εξέλιξη τα τελευταία 7 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια.
• Ποιά είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας, η οποία σχετίζεται με την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος; Θεωρίες για τη φύση της “σκοτεινής” ενέργειας έχουν προταθεί πολλές (π.χ. παραλλαγές της θεωρίας της βαρύτητας, νέα σωματίδια, νέα πεδία) κι αυτές μελετώνται και ελέγχονται από τους ερευνητές ως προς το εάν και κατά πόσον επαληθεύονται από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.

Ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει ο διευθυντής του Ι.Α.Α.Δ.Ε.Τ. του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών και Διευθυντής Ερευνών Κ.Ε.Α.Ε.Μ. της Ακαδημίας Αθηνών Δρ Σ. Βασιλάκος, προτείνει την εφαρμογή στην Κοσμολογία της θεώρησης ότι η ενέργεια του κενού εξελίσσεται με τον χρόνο. Στόχος της παραπάνω πρότασης είναι η επίλυση των προαναφερθέντων ζητημάτων. Με άλλα λόγια, η Κοσμολογική σταθερά του Einstein δεν είναι πλέον μια σταθερά της φύσης, αλλά εξαρτάται από τον χρόνο (Κοσμολογική παράμετρος). Η θεώρηση αυτή βρίσκεται σε πλήρη αντιστοιχία με την ομογένεια και ισοτροπία του Σύμπαντος και δεν αντιτίθεται σε καμία από τις βασικές αρχές τις Κοσμολογίας. Η επιστημονική ομάδα προτείνει κάτι καινούριο: εάν υπάρχει η Κοσμολογική παράμετρος, τότε δεν χρειάζεται η εισαγωγή νέων πεδίων στη φυσική, ούτε η τροποποίηση της θεωρίας βαρύτητας. Η λύση των κλασσικών εξισώσεων πεδίου του Einstein μας δίνει ένα μοντέλο του Σύμπαντος που είναι απαλλαγμένο από τα παραπάνω προβλήματα. Συγκεκριμένα, το Σύμπαν ξεκινά χωρίς αρχική ανωμαλία (χωρίς “μεγάλη έκρηξη”), ευρισκόμενο σε φάση πρώιμου πληθωρισμού (χώρος de-Sitter), ως αποτέλεσμα των κβαντικών ανωμαλιών που προέρχονται από την κβαντική βαρύτητα (θεωρία χορδών). Σε πρόσφατο άρθρο της ομάδας με τίτλο: “Do we come from a quantum anomaly?” προτείνεται ότι οι βαρυτικές κβαντικές ανωμαλίες, ως αποτέλεσμα της κβαντικής βαρύτητας στο πρώιμο Σύμπαν, ευθύνονται για τη δημιουργία του Κόσμου μας. Αυτές οι ανωμαλίες δρουν πριν τον κοσμικό πληθωρισμό και δημιουργούν ενέργεια του κενού, η οποία εξαρτάται από τον χρόνο. Σε αυτήν την ενέργεια το Σύμπαν οφείλει τη μακροσκοπική του διάσταση και σε αυτό το πλαίσιο γίνεται εφικτή η κατανόηση της κοσμικής ιστορίας του Σύμπαντος. Πράγματι, η γρήγορη μεταστοιχείωση του αρχέγονου κενού σε ακτινοβολία παράγει τα αρχέγονα φωτόνια της ΚΑΜ, αλλά και σταματά με φυσικό τρόπο τον πρώιμο πληθωρισμό. Με αυτόν τον τρόπο, το Σύμπαν εισέρχεται ομαλά στην εποχή της ακτινοβολίας, ικανοποιώντας όλες τις αρχές του καθιερωμένου προτύπου. Τέλος, ο μηχανισμός μας σε ένα πολύ μεταγενέστερο στάδιο της ιστορίας του Σύμπαντος πρακτικά οδηγεί την Κοσμολογική παράμετρο στο να τείνει στη σημερινή παρατηρούμενη τιμή της, συνδέοντας με φυσικό και ομαλό τρόπο τον πρώιμο πληθωρισμό με τη σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Ταυτόχρονα, ο προβλεπόμενος ρυθμός παραγωγής των κοσμικών δομών βρίσκεται σε απόλυτη αντιστοιχία με τις παρατηρήσεις.

Ο μηχανισμός αυτός έχει δημοσιευθεί σε διεθνή ευρωπαϊκά και αμερικανικά επιστημονικά περιοδικά με κριτές υψηλού κύρους (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Journal of Cosmology & Astroparticle Physics, Physical Review D.). Επίσης, γι’ αυτήν την ιδέα η επιστημονική ομάδα έχει λάβει σειρά τιμητικών διακρίσεων στον διεθνή διαγωνισμό βαρύτητας που γίνεται κάθε χρόνο στις ΗΠΑ: Essay Competition of Gravity Research. Η τελευταία διάκριση ήρθε το 2019 με την εργασία “Do we come from a Quantum Anomaly?”. Η εν λόγω επιστημονική εργασία έγινε σε συνεργασία με τους καθηγητές N. Mavromatos (London) και J. Sola (Barcelona) και δημοσιεύθηκε σε ειδική έκδοση του επιστημονικού περιοδικού Intern. Journal. of Mod. Physics D.