2.884 εκρήξεις αστέρων και μια υποψία: η σκοτεινή ενέργεια δεν είναι σταθερή

Το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας στηρίζεται σε μια παραδοχή που για δεκαετίες φαινόταν ασφαλής: ότι η σκοτεινή ενέργεια, η άγνωστη συνιστώσα που επιταχύνει τη διαστολή του Σύμπαντος, είναι σταθερή στον χρόνο. Μια νέα συλλογή 2.884 υπερκαινοφανών αστέρων, που συγκρότησε διεθνής ομάδα με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου του Κουίνσλαντ, δίνει και αυτή ενδείξεις ότι η παραδοχή μπορεί να μην στέκει. Στην ανάλυσή τους, ένα μοντέλο όπου η σκοτεινή ενέργεια εξασθενεί με τον χρόνο προτιμάται έναντι του κλασικού με στατιστική σημαντικότητα 3,3 σίγμα.

Δεν πρόκειται για ανακάλυψη, και οι ίδιοι οι ερευνητές δεν την παρουσιάζουν ως τέτοια. Πρόκειται για μία ακόμη ένδειξη που δείχνει προς την ίδια, περίεργη κατεύθυνση μέσα σε δύο χρόνια, μετά τα ευρήματα του Dark Energy Survey και της συνεργασίας DESI. Και όταν σε αυτές προστεθεί μια καθαρά μαθηματική αμφισβήτηση του ίδιου μοντέλου, που δημοσιεύθηκε φέτος από μαθηματικούς του UC Davis, γίνεται κατανοητό γιατί η κοσμολογία περνά την πιο ρευστή φάση της από την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής στα τέλη της δεκαετίας του 1990.

Με μια ματιά

• Συλλογή 2.884 υπερκαινοφανών τύπου Ia δείχνει προτίμηση 3,3 σίγμα σε σκοτεινή ενέργεια που μεταβάλλεται στον χρόνο.
• Προστίθεται σε αντίστοιχες ενδείξεις από τη συνεργασία DESI και από το Dark Energy Survey, χωρίς να δείχνουν όλες ακριβώς την ίδια απόκλιση.
• Το κατώφλι των 5 σίγμα δεν έχει καλυφθεί, και η βαϋεσιανή ανάλυση των ίδιων δεδομένων δείχνει μόνο ασθενή προτίμηση.

Τι ακριβώς μετρήθηκε

Οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia είναι εκρήξεις λευκών νάνων με αρκετά προβλέψιμη εγγενή λαμπρότητα, γι' αυτό χρησιμοποιούνται ως «πρότυπα κεριά»: από το πόσο αμυδροί φαίνονται υπολογίζεται η απόστασή τους, και από την απόσταση σε συνάρτηση με την ερυθρά μετάθεση προκύπτει ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος σε διαφορετικές εποχές.

Το νέο σύνολο δεδομένων, με την ονομασία Unite, συνενώνει δύο από τους μεγαλύτερους καταλόγους που υπήρχαν ξεχωριστά: το Pantheon+, που βασίζεται σε φασματοσκοπικά επιβεβαιωμένες εκρήξεις από έρευνες όπως οι SDSS, PanSTARRS I και SNLS, και το DES-SN5YR του Dark Energy Survey. Η ουσία της εργασίας δεν είναι ότι προστέθηκαν νέες παρατηρήσεις, αλλά ότι τρεις δεκαετίες μετρήσεων από διαφορετικά τηλεσκόπια αναλύθηκαν με ενιαία μεθοδολογία, με κοινές διορθώσεις για τη διαστρική σκόνη, τη βαρυτική φακοποίηση και τις ιδιαιτερότητες κάθε οργάνου. «Ανακατασκευάσαμε τρεις δεκαετίες αστρονομικών παρατηρήσεων σε ένα ενιαίο, συνεπές πλαίσιο», εξηγεί ο υποψήφιος διδάκτορας Ryan Camilleri στην ανακοίνωση του πανεπιστημίου.

Το αποτέλεσμα ήταν διπλό. Στο κλασικό μοντέλο, η ακρίβεια βελτιώθηκε: η πυκνότητα ύλης προκύπτει 0,310 με αβεβαιότητα περίπου 1%. Μόλις όμως επιτραπεί στη σκοτεινή ενέργεια να μεταβάλλεται, η εικόνα αλλάζει. Οι ερευνητές αναφέρουν ισχυρή ένταση ανάμεσα στις μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και στον συνδυασμό υπερκαινοφανών με βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις, όταν η σκοτεινή ενέργεια θεωρείται σταθερή — ένταση που υποχωρεί αν της επιτραπεί να εξελίσσεται.

Τρεις ενδείξεις, όχι ταυτόσημες

Η πρώτη ένδειξη ήρθε το 2024 από τα δεδομένα του Dark Energy Survey. Η δεύτερη, ισχυρότερη, από τη συνεργασία DESI: στη δεύτερη δημοσίευση αποτελεσμάτων της, το δυναμικό μοντέλο προτιμάται έναντι του καθιερωμένου στα 3,1 σίγμα από τον συνδυασμό βαρυονικών ταλαντώσεων και μικροκυματικού υποβάθρου, και σε 2,8 έως 4,2 σίγμα όταν προστεθούν υπερκαινοφανείς, ανάλογα με τον κατάλογο που χρησιμοποιείται.

Η συμφωνία πάντως δεν είναι απόλυτη. Η καθηγήτρια Tamara Davis, συν-επικεφαλής της ομάδας, το διατυπώνει με προσοχή: η νέα συλλογή βλέπει απόκλιση από το καθιερωμένο μοντέλο «αν και σε κάπως διαφορετική κατεύθυνση». Δύο ανεξάρτητες μετρήσεις βρίσκουν ενδείξεις χρονικής μεταβολής, αλλά δεν δείχνουν ακριβώς την ίδια μεταβολή. Αυτό είναι αναμενόμενο σε αυτό το επίπεδο στατιστικής σημαντικότητας, είναι όμως και ο λόγος που η συζήτηση παραμένει ανοιχτή.

Χαρακτηριστικό της ευαισθησίας των αποτελεσμάτων είναι μια δεύτερη εργασία της ίδιας ομάδας, για τον τρόπο μέτρησης της μάζας των γαλαξιών που φιλοξενούν τις εκρήξεις — παράγοντας που επηρεάζει τη βαθμονόμηση της λαμπρότητας. Διορθώνοντας μια εσωτερική ασυνέπεια του Pantheon+, η σημαντικότητα για μεταβαλλόμενη σκοτεινή ενέργεια ανεβαίνει, για το συγκεκριμένο υποσύνολο, από 3,4 σε 4,0 σίγμα. Όταν μια τεχνική επιλογή στη φωτομετρία μετακινεί το αποτέλεσμα κατά μισό σίγμα, η απόσταση από το κατώφλι των 5 σίγμα που απαιτεί η φυσική υψηλών ενεργειών για να μιλήσει για ανακάλυψη αποκτά άλλη σημασία.

Υπάρχει και μια πιο θεμελιώδης επιφύλαξη. Στην ίδια εργασία, η βαϋεσιανή στατιστική προσέγγιση δείχνει μόνο ασθενή προτίμηση για δυναμική σκοτεινή ενέργεια, ενώ η συχνοτική δίνει τα 3,3 σίγμα. Δηλαδή δύο έγκυρες μέθοδοι αξιολόγησης των ίδιων δεδομένων καταλήγουν σε διαφορετική εκτίμηση του πόσο εντυπωσιακό είναι το εύρημα.

Η αμφισβήτηση από τα μαθηματικά

Παράλληλα, και ανεξάρτητα από τις παρατηρήσεις, μαθηματικοί του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Davis δημοσίευσαν στο Proceedings of the Royal Society A μια θεωρητική ένσταση. Αναλύοντας τις εξισώσεις Einstein-Euler, υποστηρίζουν ότι οι χωροχρόνοι Friedmann — η γεωμετρική βάση του καθιερωμένου μοντέλου — είναι ασταθείς σε ακτινικές διαταραχές μεγάλης κλίμακας. «Αυτό φαίνεται να αποκλείει το μοντέλο Λάμδα-ψυχρής σκοτεινής ύλης ως βιώσιμη ευσταθή λύση των εξισώσεων», δηλώνει ο ομότιμος καθηγητής Blake Temple.

Η ερμηνεία που προτείνουν είναι ότι η επιτάχυνση της διαστολής μπορεί να προκύπτει από αυτή την αστάθεια, χωρίς να χρειάζεται καθόλου σκοτεινή ενέργεια. Το τίμημα είναι βαρύ: η εναλλακτική εισάγει ένα κέντρο σφαιρικής συμμετρίας, δηλαδή μια προνομιακή θέση στο Σύμπαν, κάτι που η σύγχρονη κοσμολογία αποφεύγει. Και, όπως σημειώνουν και οι συγγραφείς, πρόκειται για μαθηματική πρόκληση προς το καθιερωμένο μοντέλο, όχι για παρατηρησιακή απόδειξη ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι περιττή.

Τι θα κρίνει το ζήτημα

Η σκοτεινή ενέργεια αντιστοιχεί περίπου στα δύο τρίτα του ενεργειακού περιεχομένου του Σύμπαντος και καθορίζει πώς θα εξελιχθεί. Αν αποδειχθεί ότι εξασθενεί, αλλάζει τόσο το αναμενόμενο μέλλον του Σύμπαντος όσο και η κατεύθυνση της θεωρητικής φυσικής, που θα χρειαστεί ένα δυναμικό πεδίο αντί μιας σταθεράς.

Η απάντηση θα έρθει από περισσότερα δεδομένα, όχι από καλύτερη επιχειρηματολογία. Η ομάδα του Κουίνσλαντ προετοιμάζει ενσωμάτωση παρατηρήσεων από το πρόγραμμα DEBASS, ενώ το DESI συνεχίζει τη χαρτογράφηση. Μέχρι τότε, η ειλικρινής περιγραφή της κατάστασης είναι ότι το καθιερωμένο μοντέλο δείχνει επίμονες ρωγμές από περισσότερες της μίας πλευρές, χωρίς καμία από αυτές να έχει φτάσει στο σημείο που η κοινότητα θα δεχόταν ως απόδειξη.