Οι επιστήμονες θέλουν να μετρήσουν την παραμόρφωση του χρόνου σε αρχαίους, μακρινούς γαλαξίες, προκειμένου να λύσουν θεμελιώδη μυστήρια σχετικά με την πραγματικότητά μας, συμπεριλαμβανομένης της πιθανής ύπαρξης μιας “πέμπτης δύναμης” πέρα από την καθιερωμένη φυσική, αναφέρει μια νέα μελέτη.
Κοιτάζοντας τους γαλαξίες που βρίσκονται δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη, οι ερευνητές ελπίζουν να εντοπίσουν σημάδια ενός φαινομένου που ονομάζεται βαρυτική ερυθρομετατόπιση, κατά το οποίο το φως γίνεται πιο κόκκινο αφού διαφύγει από τη βαρυτική έλξη μαζικών αντικειμένων. Αυτό το μετατοπισμένο προς το ερυθρό φως περιέχει ενδείξεις για το πώς τα βαρυτικά πεδία των τεράστιων αντικειμένων παραμορφώνουν το χρόνο, γεγονός που θα μπορούσε να περιορίσει ένα πλήθος αναπάντητων ερωτημάτων για το σύμπαν μας.
Για παράδειγμα, οι μετρήσεις παραμόρφωσης του χρόνου θα μπορούσαν να αποκαλύψουν αν οι νόμοι της βαρύτητας αλλάζουν σε ακραίες κλίμακες με τρόπους που δεν προβλέπονται από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν ή από τις εξισώσεις του Λεονάρδου Όιλερ που περιγράφουν τις ουράνιες κινήσεις. Αυτή η έννοια της “τροποποιημένης βαρύτητας” θα μπορούσε να εκτιμήσει αν μια μυστηριώδης δύναμη που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντός μας και να ρίξει φως στη σκοτεινή ύλη, μια άγνωστη ουσία που αντιπροσωπεύει τη συντριπτική πλειοψηφία της μάζας στο σύμπαν. Θα μπορούσε επίσης να διερευνήσει την ύπαρξη μιας ανεξερεύνητης πέμπτης δύναμης που δρα μόνο στα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, σε αντίθεση με τα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται οι πλανήτες, τα αστέρια και οι άνθρωποι.
Ο Camille Bonvin, αναπληρωτής καθηγητής κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης, αναπτύσσει εδώ και χρόνια μια μαθηματική μέθοδο για τη μέτρηση της παραμόρφωσης του χρόνου. Τώρα, ο Bonvin και ο Levon Pogosian, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο Simon Fraser, έχουν καταστρώσει ένα σχέδιο για την καταγραφή “μιας άμεσης μέτρησης της παραμόρφωσης του χρόνου” και την εύρεση “ενός πιθανού όπλου για την τροποποιημένη βαρύτητα”, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε την Πέμπτη στο Nature Astronomy.
“Ο λόγος που θέλουμε να δοκιμάσουμε τις εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι επειδή υπάρχει ένα μεγάλο μυστήριο στο σύμπαν μας που προς το παρόν δεν ξέρουμε πώς να εξηγήσουμε”, δήλωσε ο Bonvin σε ένα email στο Motherboard. “Έχουμε παρατηρήσει ότι περίπου 8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά την αρχή του σύμπαντος, η διαστολή του σύμπαντος αρχίζει να επιταχύνεται και δεν γνωρίζουμε τον λόγο γι’ αυτό. Μια τέτοια επιταχυνόμενη διαστολή δεν είναι δυνατή αν η βαρύτητα περιγράφεται από τη γενική σχετικότητα (τη θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα) και αν στο σύμπαν μας υπάρχει μόνο ύλη και ακτινοβολία”.
“Επιπλέον, ο λόγος για τον οποίο θέλουμε να ελέγξουμε την εξίσωση του Euler είναι επειδή δεν έχουμε ελέγξει ποτέ την εγκυρότητά της για τη σκοτεινή ύλη”, συνέχισε. “Η εξίσωση του Euler περιγράφει την κίνηση της ύλης στο σύμπαν. Έχει δοκιμαστεί και επικυρωθεί με μεγάλη ακρίβεια για τη συνηθισμένη (ορατή) ύλη. Ωστόσο, πιστεύουμε ότι εκτός από τη συνηθισμένη ύλη, υπάρχει μεγάλη ποσότητα (85%) σκοτεινής αόρατης ύλης στο σύμπαν. Δεν ξέρουμε τι είναι αυτή η σκοτεινή ύλη, δεν την έχουμε ανιχνεύσει ποτέ, και επομένως δεν ξέρουμε αν υπακούει στην εξίσωση του Euler. Μπορεί κάλλιστα η σκοτεινή ύλη να επηρεάζεται από επιπλέον δυνάμεις (που ονομάζουμε πέμπτη δύναμη) και ότι εξαιτίας αυτού δεν υπακούει στην εξίσωση του Euler. Για το λόγο αυτό, είναι πολύ ενδιαφέρον να ελέγξουμε την εγκυρότητα αυτής της εξίσωσης για τη σκοτεινή ύλη”.
Με άλλα λόγια, οι ερευνητές ελπίζουν να ανακαλύψουν αν υπάρχει μια εντελώς νέα πέμπτη “σκοτεινή δύναμη” που δεν περιγράφεται από τις εξισώσεις του Euler, ή αν η βαρύτητα τροποποιείται με τρόπους που δεν εμπίπτουν στις προβλέψεις του Αϊνστάιν. Η μελέτη αυτή αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας τόσο για την κατανόηση της φύσης της σκοτεινής ύλης όσο και για την κατανόηση του γιατί το σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, ένα φαινόμενο γνωστό ως κοσμική επιτάχυνση.
“Προς το παρόν υπάρχουν δύο τρόποι να εξηγηθεί αυτή η παράξενη συμπεριφορά”, εξήγησε ο Bonvin, αναφερόμενος στην κοσμική επιτάχυνση. “Ο πρώτος είναι να προσθέσουμε μια νέα μορφή ενέργειας στο σύμπαν, που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία έχει κάποιες πολύ παράξενες ιδιότητες και οδηγεί το σύμπαν σε μια επιταχυνόμενη διαστολή”.
“Ο δεύτερος τρόπος εξήγησης της επιτάχυνσης του σύμπαντος είναι να τροποποιήσουμε τη θεωρία της βαρύτητας, με τέτοιο τρόπο ώστε η ίδια η βαρύτητα να είναι υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη διαστολή”, πρόσθεσε. “Αυτές οι λεγόμενες “τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας” συμπεριφέρονται όπως η γενική θεωρία της σχετικότητας σε μικρές αποστάσεις (στη Γη, στο ηλιακό σύστημα), όπου η γενική θεωρία της σχετικότητας έχει δοκιμαστεί με μεγάλη ακρίβεια. Αλλά διαφέρουν από τη γενική σχετικότητα σε πολύ μεγάλες αποστάσεις: χρειάζεται μια διαφορετική συμπεριφορά της βαρύτητας για να τεθεί το σύμπαν σε επιτάχυνση. Για να προσδιορίσουμε αν η επιταχυνόμενη διαστολή οφείλεται στη σκοτεινή ενέργεια ή στην τροποποιημένη βαρύτητα, πρέπει να δοκιμάσουμε τη γενική σχετικότητα σε πολύ μεγάλες αποστάσεις”.
Η παραμόρφωση του χρόνου είναι το κομμάτι που λείπει από αυτό το παζλ, είπε η ομάδα, επειδή μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ Εδώ στη Γη, βιώνουμε τη ροή του χρόνου ως μια προβλέψιμη εξέλιξη πανομοιότυπων μονάδων, όπως τα δευτερόλεπτα ή οι ώρες, αλλά η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν αποκάλυψε ότι ο χρόνος δεν είναι μια τέτοια σταθερά σε όλο το σύμπαν.
“Η παραμόρφωση του χρόνου περιγράφει το γεγονός ότι ο χρόνος δεν είναι απόλυτος”, δήλωσε ο Bonvin. “Ο ρυθμός με τον οποίο περνάει ο χρόνος εξαρτάται από το βαρυτικό πεδίο. Για παράδειγμα, ο χρόνος περνάει πιο αργά κοντά σε ένα ογκώδες αντικείμενο απ’ ό,τι στο κενό. Αυτή την αλλαγή στο πέρασμα του χρόνου την ονομάζουμε: παραμόρφωση του χρόνου”.
“Το ενδιαφέρον είναι ότι η στρέβλωση του χρόνου υπάρχει σε όλες τις σύγχρονες θεωρίες βαρύτητας”, συνέχισε. “Ωστόσο, το πλάτος της χρονικής παραμόρφωσης (πόσο επιβραδύνει το χρόνο η παρουσία ενός ογκώδους αντικειμένου) διαφέρει από θεωρία σε θεωρία. Συγκεκριμένα, στη γενική σχετικότητα, η παραμόρφωση του χρόνου και η παραμόρφωση του χώρου (το βαρυτικό πηγάδι που δημιουργείται από ένα ογκώδες αντικείμενο) προβλέπεται να είναι η ίδια. Σε άλλες θεωρίες βαρύτητας αυτό γενικά δεν ισχύει. Έτσι, αν μπορούμε να μετρήσουμε τη στρέβλωση του χρόνου και τη στρέβλωση του χώρου και να τα συγκρίνουμε, μπορούμε να ελέγξουμε αν η γενική σχετικότητα ισχύει ή όχι”.
Για να ανιχνεύσουν τη στρέβλωση του χρόνου, οι επιστήμονες χρειάζονται εξελιγμένες αστρονομικές έρευνες που μπορούν να μετρήσουν με ακρίβεια τη βαρυτική ερυθρομετατόπιση σε γαλαξίες που υπήρχαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία μόλις μερικών δισεκατομμυρίων ετών (σήμερα έχει ηλικία περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών). Το Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), μια τεράστια γαλαξιακή έρευνα στην Αριζόνα, έχει ήδη αρχίσει να συλλέγει παρατηρήσεις αυτού του διαμετρήματος. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Euclid του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, το οποίο αναμένεται να εκτοξευθεί την επόμενη εβδομάδα, θα προσθέσει στο μοναδικό σύνολο δεδομένων, καθώς και το Square Kilometer Array, το οποίο θα είναι το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο στη Γη όταν ολοκληρωθεί αργότερα στη δεκαετία του 2020.
“Η μέτρηση της παραμόρφωσης του χρόνου, στις πολύ μεγάλες αποστάσεις που μας ενδιαφέρουν, δεν έχει γίνει ποτέ”, δήλωσε ο Bonvin. “Οι τρέχουσες έρευνες δεν είναι αρκετά ακριβείς για να εκτελέσουν αυτή τη μέτρηση. Οι επερχόμενες έρευνες, όπως το DESI, το Euclid και το SKA, θα αλλάξουν όμως το παιχνίδι. Θα είναι δυνατή η μέτρηση της παραμόρφωσης του χρόνου με τα δεδομένα που θα παραδίδουν αυτές οι έρευνες”.
“Αυτό είναι πολύ ενδιαφέρον, γιατί για πρώτη φορά θα μπορέσουμε να συγκρίνουμε την παραμόρφωση του χρόνου με αυτή του χώρου, για να ελέγξουμε αν ισχύει η γενική σχετικότητα, και θα μπορέσουμε επίσης να συγκρίνουμε την παραμόρφωση του χρόνου με την ταχύτητα του γαλαξία, για να δούμε αν ισχύει η εξίσωση του Euler”, σημείωσε. “Έτσι, με μία νέα μέτρηση, θα είμαστε σε θέση να ελέγξουμε δύο θεμελιώδεις θεωρίες”.
Ο Bonvin είναι ήδη μέλος των συνεργατικών σχημάτων Euclid και SKA και σχεδιάζει επίσης να συνεργαστεί με την ομάδα DESI. Αυτός ο πλούτος των νέων δεδομένων θα περιλαμβάνει περιοχές στρεβλωμένου χρόνου που μπορεί να αποκαλύψουν εξωτική φυσική πέρα από το πεδίο των θεωριών του Αϊνστάιν και του Euler. Αν οι νέες μετρήσεις της παραμόρφωσης του χρόνου δεν αθροίζουν το άθροισμα της παραμόρφωσης του χώρου και του χρόνου, τα αποτελέσματα θα αμφισβητήσουν τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, ενώ αν οι μετρήσεις δεν ταιριάζουν με την ταχύτητα αυτών των μακρινών γαλαξιών, αυτό σημαίνει ότι οι εξισώσεις του Euler μπορεί να είναι ανεπαρκείς.
“Μέχρι τώρα είχαμε μόνο μετρήσεις του αθροίσματος της παραμόρφωσης του χρόνου και του χώρου, οπότε δεν μπορούσαμε να κάνουμε αυτή τη δοκιμή”, δήλωσε ο Bonvin. “Αυτό που έκαναν οι επιστήμονες αντ’ αυτού, ήταν να μετρήσουν την ταχύτητα των γαλαξιών, να υποθέσουν ότι η σκοτεινή ύλη υπακούει στην εξίσωση Euler, προκειμένου να συσχετίσουν αυτές τις ταχύτητες με την παραμόρφωση του χρόνου και στη συνέχεια να τη συγκρίνουν με την παραμόρφωση του χώρου συν τον χρόνο. Το πρόβλημα είναι ότι αν η σκοτεινή ύλη δεν υπακούει στην εξίσωση του Euler, αυτή η μέθοδος απλώς δεν λειτουργεί. Η δοκιμή είναι άκυρη. Με τη νέα μας μέθοδο, δεν θα χρειαστεί να κάνουμε αυτή την επιπλέον υπόθεση: θα είμαστε σε θέση να μετρήσουμε απευθείας την παραμόρφωση του χρόνου και να τη συγκρίνουμε με την παραμόρφωση του χώρου συν χρόνο”.
Για το σκοπό αυτό, αυτή η νέα τεχνική μέτρησης της παραμόρφωσης του χρόνου θα μπορούσε να παίξει ρόλο στην επίλυση των μακροχρόνιων αινιγμάτων της κοσμικής επιτάχυνσης, της σκοτεινής ύλης και της παρουσίας δυνάμεων πέρα από το καλά επιβεβαιωμένο καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας.
“Αυτό που πραγματικά θέλουμε να κάνουμε τώρα είναι να εφαρμόσουμε τη μέθοδό μας σε δεδομένα”, κατέληξε ο Bonvin. “Με τα δεδομένα του παρελθόντος και τα σημερινά δεδομένα δεν μπορούμε να μετρήσουμε τη στρέβλωση του χρόνου. Είναι μικρότερη από την αβεβαιότητα της μέτρησης. Με την επόμενη γενιά ερευνών αυτό θα αλλάξει και θα μπορέσουμε να μετρήσουμε. Επομένως, είναι πολύ συναρπαστικό να ετοιμάζουμε αυτές τις αναλύσεις και να μετράμε αυτό το φαινόμενο για πρώτη φορά”.