Δύο αναπάντητα ακόμη ερωτήματα που αντιμετωπίζει η θεωρητική φυσική και η κοσμολογία σήμερα αφορούν στην φύση της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος ESA θα συμβάλει καθοριστικά στην διερεύνησή τους.

Βασικός στόχος της αποστολής του Euclid θα είναι η συλλογή δεδομένων στο ορατό και στο εγγύς υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, για την ιστορία της κοσμικής διαστολής τα τελευταία 10 δισ. χρόνια. Με την ανάλυση των δεδομένων αυτών, οι επιστήμονες θα διερευνήσουν σε βάθος την άγνωστη ακόμη φύση και τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης, οι οποίες καθορίζουν την εξέλιξη του Σύμπαντος, συναποτελώντας το 96% της συνολικής «υλοενέργειας» που εμπεριέχει. Παράλληλα, η ανάλυση των δεδομένων αυτών θα συμβάλει στην υλοποίηση ακόμη αυστηρότερων ελέγχων της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) σε διαγαλαξιακές κλίμακες.

Η σκοτεινή ενέργεια ανακαλύφθηκε το 1998 και αντιπροσωπεύει μία άγνωστη μορφή ενέργειας με βαρυτικά απωστικές ιδιότητες, εξαιτίας της οποίας η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται. Η σκοτεινή ύλη, από την άλλη, είναι μία εξίσου άγνωστη μορφή ύλης που υπάρχει παντού, αλλά είναι αόρατη διότι δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και κατά συνέπεια δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα με την βοήθεια τηλεσκοπίων. 

Η κατανόηση, ειδικότερα, των φυσικών διεργασιών, μέσα από τις οποίες «αναδύθηκαν» οι δομές μεγάλης κλίμακας, είναι ένα από τα πιο ενεργά πεδία έρευνας στην σύγχρονη κοσμολογία και αρκετά ερωτήματα που σχετίζονται με την προέλευση και την εξέλιξή τους στον χρόνο, εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα. Κι όμως, οι τεράστιες αυτές δομές, που ξεκίνησαν ως μικρές διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης του αρχέγονου Σύμπαντος, μας προσφέρουν ένα από τα ισχυρότερα ερείσματα για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, χωρίς την οποία είναι πολύ δύσκολο να εξηγήσουμε πώς εντέλει σχηματίστηκαν. 

Το Euclid θα διερευνήσει τα φαινόμενα αυτά με την βοήθεια μιας θεμελιώδους πρόβλεψης της ΓΘΣ, η οποία έχει επανειλημμένα επιβεβαιωθεί με την αστρονομική παρατήρηση, σύμφωνα με την οποία το φως, όταν διέρχεται δίπλα από μία μεγάλη συσσώρευση μάζας, εκτρέπεται από την αρχική του πορεία. Για παράδειγμα, τα γαλαξιακά σμήνη έχουν τόσο μεγάλη μάζα, ώστε καμπυλώνουν, στρεβλώνουν και μεγεθύνουν το φως των γαλαξιών που «κρύβονται» πίσω τους. Ένα τέτοιο σμήνος, δηλαδή, λειτουργεί σαν ένας γιγάντιος «βαρυτικός» φακός που παραμορφώνει και μεγεθύνει τις εικόνες τους. Επειδή, μάλιστα, ο βαθμός αυτής της παραμόρφωσης εξαρτάται από την συνολική μάζα του σμήνους, που αντιστοιχεί τόσο στην ορατή, όσο και στην σκοτεινή ύλη, το φαινόμενο αυτό της ισχυρής βαρυτικής εστίασης, όπως ονομάζεται, επιτρέπει στους αστρονόμους να υπολογίσουν και την συνολική του μάζα. Τόσο μεγάλες παραμορφώσεις, σαν κι αυτήν που μόλις περιγράψαμε, είναι σπάνιες. Δεδομένου, όμως, ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει παντού, όλοι οι γαλαξίες υφίστανται κάποιου είδους παραμόρφωση, η οποία οφείλεται στο φαινόμενο της ασθενούς βαρυτικής εστίασης, όπου ο βαθμός της παραμόρφωσης είναι κατά πολύ μικρότερος. 

Επομένως, η παρουσία της σκοτεινής ύλης προκαλεί μία ελαφρά παραμόρφωση στο σχήμα των γαλαξιών που «κρύβονται» πίσω της. Με την βοήθεια του Euclid θα μετρήσουμε αυτή την παραμόρφωση, υπολογίζοντας κατά μέσο όρο τα σχήματα όσο το δυνατόν περισσότερων γαλαξιών. Δεδομένου ότι όσο περισσότερη σκοτεινή ύλη υπάρχει κάπου, τόσο περισσότερο παραμορφώνονται οι υποκείμενοι γαλαξίες, μπορούμε με αυτόν τον τρόπο να εκτιμήσουμε την κατανομή της στο Σύμπαν. 

Σ’ αυτήν την περίπτωση, δηλαδή, ο βαρυτικός φακός δεν είναι κάποιο γαλαξιακό σμήνος, άλλα μία εκτεταμένη κατανομή σκοτεινής ύλης, η οποία παρεμβάλλεται ανάμεσα στο τηλεσκόπιο και σε πολλούς γαλαξίες «υποβάθρου» που «κρύβονται» πίσω της. Το βαρυτικό πεδίο της σκοτεινής ύλης παραμορφώνει ανεπαίσθητα το σχήμα κάθε γαλαξία υποβάθρου, ενώ ο βαθμός της παραμόρφωσής του εξαρτάται από την κατανομή της πυκνότητάς της. Επομένως, διερευνώντας έναν μεγάλο αριθμό γαλαξιών υποβάθρου, μπορούμε να εξάγουμε πληροφορίες  για τις δομές «προσκηνίου», δηλαδή για την κατανομή της σκοτεινής ύλης που λειτουργεί ως βαρυτικός φακός. 

Μετρώντας, στην συνέχεια, την μετατόπιση προς το ερυθρό κάθε γαλαξία υποβάθρου, οι επιστήμονες μπορούν να «διαχωρίσουν» τις δομές σκοτεινής ύλης, οι οποίες βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις. Υπενθυμίζουμε εδώ ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό προκαλείται από την διαστολή του Σύμπαντος, εξαιτίας της οποίας το μήκος κύματος της ακτινοβολίας του κάθε γαλαξία που απομακρύνεται από εμάς «ξεχειλώνει», με άλλα λόγια όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπισή του προς το ερυθρό και με τόσο μεγαλύτερη ταχύτητα απομακρύνεται.

Με αυτόν τον τρόπο, η αξιοποίηση ενός μεγάλου δείγματος γαλαξιών υποβάθρου σε διαφορετικές αποστάσεις και με διαφορετικές μετατοπίσεις προς το ερυθρό ο καθένας, λειτουργεί ως μία τομογραφία των δομών σκοτεινής ύλης. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid θα κάνει ακριβώς αυτό, θα μετρήσει δηλαδή τις παραμορφώσεις 1,5 δισ. γαλαξιών υποβάθρου, οι οποίοι εκτείνονται σε τεράστιες αποστάσεις και κατά συνέπεια αντιστοιχούν σε διαφορετικά στάδια της κοσμικής εξέλιξης, μέχρι και 10 δισ. χρόνια πριν, δημιουργώντας έτσι την μεγαλύτερη και ακριβέστερη τρισδιάστατη «απεικόνιση» της κατανομής της σκοτεινής ύλης που έχει υλοποιηθεί μέχρι τώρα. Με αυτές τις πληροφορίες, οι κοσμολόγοι θα μπορούν να εκτιμήσουν τον τρόπο και την ταχύτητα με την οποία μεταβάλλεται η μεγάλης κλίμακας κατανομή των γαλαξιακών δομών στην διάρκεια της κοσμικής εξέλιξης και κατά συνέπεια να υποβάλουν σε αυστηρό έλεγχο την φύση και την ποσότητα της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, οι οποίες επηρεάζουν τον ρυθμό με τον οποίο οι δομές αυτές διευρύνονται.

To Euclid, ωστόσο, θα διερευνήσει τα ίδια φαινόμενα και με έναν άλλον τρόπο, χρησιμοποιώντας τις επονομαζόμενες ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων (Baryon Acoustic Oscillations, BAO). Οι ταλαντώσεις αυτές είναι ένα «μοτίβο» διακυμάνσεων στην κατανομή πυκνότητας των γαλαξιακών σμηνών και η ανάλυσή τους μπορεί να μας δώσει έναν ανεξάρτητο τρόπο μέτρησης του ρυθμού διαστολής του Σύμπαντος και της μεταβολής του στην διάρκεια της κοσμικής εξέλιξης.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας, η ύλη στο «βρεφικό» Σύμπαν κατανέμεται ως μία σχεδόν ομοιόμορφη «θάλασσα» φορτισμένων σωματιδίων, εντός της οποίας η βαρύτητα προσπαθεί να σχηματίσει περιοχές με μεγαλύτερη συσσώρευση ύλης, μία διαδικασία κατά την οποία η πυκνότητα της ύλης στο εσωτερικό αυτών των περιοχών, και κατά συνέπεια η θερμοκρασία της, αυξάνεται. Η αύξηση, ωστόσο, της θερμοκρασίας σε αυτές τις περιοχές αυξάνει την εσωτερική τους πίεση, η οποία αντιστέκεται στην περαιτέρω βαρυτική τους κατάρρευση, έτσι ώστε η συσσώρευση να επιβραδύνεται και σταδιακά να αντιστρέφεται. Καθώς τότε η θερμοκρασία και η πίεση στο εσωτερικό τους μειώνεται, η βαρύτητα επικρατεί ξανά και αρχίζει μία νέα φάση συμπίεσης. Κάπως έτσι, η διελκυστίνδα αυτή ανάμεσα στην βαρύτητα και την εσωτερική πίεση εξαναγκάζει την ύλη στο πρώιμο Σύμπαν να υπόκειται σε ταλαντώσεις, παρόμοιες με τις ακουστικές, οι οποίες άρχισαν να διαχέονται προς τα έξω σαν φυσαλίδες, παρασύροντας και μέρος της ύλης μαζί τους.

Ωστόσο, 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία στο Σύμπαν μειώνεται αρκετά και οι πυρήνες υδρογόνου και ηλίου ενώνονται με ελεύθερα ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας για πρώτη φορά ουδέτερα άτομα, και αποδεσμεύοντας την ακτινοβολία από την ύλη, που αρχίζει πλέον να διασχίζει το Διάστημα ανεμπόδιστα. Αυτό επιτρέπει στην ύλη να ψυχθεί ακόμη πιο αποτελεσματικά και καθώς η θερμοκρασία της μειώνεται, η βαρύτητα κυριαρχεί οριστικά, σηματοδοτώντας έτσι την απαρχή του σχηματισμού των δομών μεγάλης κλίμακας. «Αποτυπωμένες» σε αυτές τις δομές είναι οι φυσαλίδες της ύλης που δημιουργήθηκαν από τα ακουστικά κύματα, οι οποίες δεν είναι άλλες από αυτές τις διακυμάνσεις που αντιλαμβανόμαστε σήμερα ως ΒΑΟ.

Ιδιαίτερα σημαντικό είναι ότι το μέγεθος των ακουστικών ταλαντώσεων βαρυονίων καθορίζεται από τις ιδιότητες του πρώιμου Σύμπαντος, καθώς και από τα διαφορετικά είδη ύλης και ενέργειας που εμπεριέχει, δηλαδή την συνηθισμένη (βαρυονική) ύλη, την σκοτεινή ύλη και την σκοτεινή ενέργεια. Το γεγονός αυτό προσφέρει στους κοσμολόγους ένα δεύτερο πολύτιμο εργαλείο στην προσπάθειά τους να υποβάλουν σε ακόμη αυστηρότερο έλεγχο την φύση και τις ιδιότητες της σκοτεινής ενέργειας και της σκοτεινής ύλης που κυριαρχούν σε διαφορετικές εποχές της κοσμικής εξέλιξης. Επιπλέον, ο τρόπος με τον οποίο μεταβάλλονται οι ταλαντώσεις αυτές με τον χρόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της διαστολής του Σύμπαντος.

Με δυο λόγια, τόσο το φαινόμενο της ασθενούς βαρυτικής εστίασης, όσο και οι ακουστικές ταλαντώσεις βαρυονίων παρέχουν διαφορετικούς τρόπους μέτρησης βασικών παραμέτρων που επηρεάζουν την διαστολή του Σύμπαντος, επιτρέποντας έτσι στους κοσμολόγους να διασταυρώσουν τα αποτελέσματα των μετρήσεών τους, συμβάλλοντας στην εξάλειψη των συστηματικών σφαλμάτων και στις δύο προσεγγίσεις. Μετρώντας τις δομές μεγάλης κλίμακας μέσω διαφορετικών φυσικών ιδιοτήτων, όπως είναι το βαρυτικό δυναμικό, η πυκνότητα και η ταχύτητα διαστολής, οι κοσμολόγοι μπορούν να υποβάλουν σε αυστηρό έλεγχο, όχι μόνο τα διαφορετικά μοντέλα σκοτεινής ενέργειας, αλλά και την Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, ελέγχοντας για παράδειγμα εάν τα δεδομένα που λαμβάνονται από τις παρατηρήσεις αυτές είναι συμβατά με τις θεωρητικές της προβλέψεις.

Το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid αναμένεται να εκτοξευθεί τον Σεπτέμβριο του 2022. 

Πηγή: ESA Science & Technology - Euclid 

Φωτογραφία: Καλλιτεχνική αναπαράσταση του τηλεσκοπίου Euclid
Credit: Euclid Consortium 

Περισσότερες πληροφορίες για την σκοτεινή ενέργεια μπορείτε να βρείτε στο ακόλουθο άρθρο: Η Σκοτεινή Ενέργεια, το Κβαντικό Κενό και το Πρόβλημα της Κοσμολογικής Σταθεράς - ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥ (eef.edu.gr) 

Περισσότερες πληροφορίες για την σκοτεινή ύλη μπορείτε να βρείτε στο βιβλίο της ψηφιακής παράστασης με τίτλο Αναζητώντας την Σκοτεινή Ύλη, στον ακόλουθο σύνδεσμο: anazhtwntas-thn-skoteinh-ulh_web.pdf (eef.edu.gr), καθώς και στο άρθρο: Αναζητώντας τη σκοτεινή ύλη - ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥ (eef.edu.gr)

 

π