Ανιχνεύθηκε Σκοτεινή Ενέργεια; Have we detected dark energy?

Σε μια νέα δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review D, οι ερευνητές Vagnozzi et al υποστηρίζουν ότι ορισμένα ανεξήγητα αποτελέσματα του πειράματος XENON1T μπορεί να προκλήθηκαν από σκοτεινή ενέργεια και όχι από την σκοτεινή ύλη για την ανίχνευση της οποίας σχεδιάστηκε το πείραμα. Some unexplained results from the XENON1T dark-matter detector — a 1,300-kg vat of super-pure liquid xenon shielded from cosmic rays in a cryostat submerged in water deep 1.5 km beneath the Gran Sasso mountains of Italy — may have been caused by dark energy particles produced in a region of the Sun with strong magnetic fields, and not the dark matter the experiment was designed to detect, according to physicists from the XENON Collaboration. One photodetector array of the XENON1T detector seen through the other. Image credit: XENON Collaboration.

Ο Edwin Hubble το 1929 επιβεβαίωσε με τις αστρονομικές του παρατηρήσεις ότι το σύμπαν διαστέλλεται – κάτι που προέβλεπαν τα πρώτα κοσμολογικά πρότυπα που βασίστηκαν στην Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Τελικά όμως το σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά διαστέλλεται επιταχυνόμενα. Η ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος έγινε το 1998, από τους τους Saul Perlmutter, Brian Schmidt και Adam Riess, μέσα από την παρατήρηση των εκρήξεων σουπερνόβα τύπου Ιa (βραβείο Nobel Φυσικής 2011).

Οι κοσμολόγοι αποδίδουν την επιταχυνόμενη διαστολή σ’ αυτό που αποκαλούν σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ενέργεια συνδέεται με την περίφημη κοσμολογική σταθερά Λ που εισήγαγε αρχικά ο Einstein στις εξισώσεις του -παρά το γεγονός ότι στη συνέχεια μετάνιωσε και την απέσυρε νομίζοντας ότι έκανε λάθος!

Σε μια νέα δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review D, οι ερευνητές Vagnozzi et al υποστηρίζουν ότι ορισμένα ανεξήγητα αποτελέσματα του πειράματος XENON1T μπορεί να προκλήθηκαν από σκοτεινή ενέργεια και όχι από την σκοτεινή ύλη για την ανίχνευση της οποίας σχεδιάστηκε το πείραμα.

Κατασκεύασαν ένα φυσικό μοντέλο για να εξηγήσουν τα αποτελέσματα, τα οποία μπορεί να προέρχονται από σωματίδια σκοτεινής ενέργειας που παράγονται σε μια περιοχή του Ήλιου με ισχυρά μαγνητικά πεδία, αν και θα απαιτηθούν μελλοντικά πειράματα για να επιβεβαιωθεί αυτή η ερμηνεία. Σύμφωνα με τους ερευνητές η μελέτη τους θα μπορούσε να είναι ένα σημαντικό βήμα προς την άμεση ανίχνευση της σκοτεινής ενέργειας.

Η γνωστή ύλη που μας περιβάλλει και από την οποία είμαστε φτιαγμένοι αποτελεί περίπου το 5% του σύμπαντος. Το υπόλοιπο περιεχόμενο του σύμπαντος όχι μόνο δεν το βλέπουμε, αλλά στην ουσία δεν έχουμε ιδέα περί τίνος πρόκειται. Πρόκειται για την σκοτεινή ύλη που αποτελεί το 27% του σύμπαντος – η βαρύτητα της οποίας δεν αφήνει τους γαλαξίες και τον κοσμικό ιστό να διαλυθούν, και το υπόλοιπο 68% την σκοτεινή ενέργεια, η οποία προκαλεί την επιτάχυνση στην διαστολή του σύμπαντος.

Τα μεγάλης κλίμακας πειράματα, όπως το XENON1T, έχουν σχεδιαστεί για να ανιχνεύουν άμεσα τη σκοτεινή ύλη. Η βασική τους ιδέα είναι η αναζήτηση σωματιδίων σκοτεινής ύλης διαμέσου των συγκρούσεών τους με τα σωματίδια της συνηθισμένης ύλη. Όμως, για την σκοτεινή ενέργεια δεν υπάρχουν αντίστοιχα πειράματα.

Για να ανιχνεύσουν την σκοτεινή ενέργεια, οι επιστήμονες διερευνούν μακροσκοπικά τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις. Στις μεγαλύτερες κλίμακες, η επίδραση της σκοτεινής ενέργειας είναι απωστική κάνοντας την διαστολή του σύμπαντος επιταχυνόμενη.

Πριν από έναν περίπου χρόνο, το πείραμα XENON1T ανέφερε ένα απροσδόκητο σήμα, μια υπέρβαση πάνω από το αναμενόμενο υπόβαθρο [Πείραμα που ψάχνει για σκοτεινή ύλη ανίχνευσε ανεξήγητο σήμα]. «Αυτού του είδους οι υπερβάσεις είναι συνήθως τυχαίες, αλλά μερικές φορές οδηγούν σε θεμελιώδεις ανακαλύψεις», δήλωσε ο Δρ Luca Visinelli, ερευνητής στα Frascati National Laboratories στην Ιταλία, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Εξερευνήσαμε ένα μοντέλο στο οποίο αυτό το σήμα θα μπορούσε να αποδοθεί σε σκοτεινή ενέργεια, και όχι στην σκοτεινή ύλη για την οποία πραγματοποιείται το πείραμα.»

Οι επιστήμονες που εργάζονται στο πείραμα XENON1T αναζητούν σωματίδια σκοτεινής ύλης. Επιστήμονες από το πανεπιστήμιο Cambridge ισχυρίζονται ότι το XENON1T μπορεί να ανιχνεύσει και σωματίδια σκοτεινής ενέργειας. Dark energy, the mysterious force that causes the universe to accelerate, may have been responsible for unexpected results from the XENON1T experiment, deep below Italy’s Apennine Mountains.

Αρχικά, η πιο δημοφιλής εξήγηση για την περίσσεια, ήταν τα αξιόνια – υποθετικά σωματίδια, εξαιρετικά ελαφριά – που παράγονται στον Ήλιο. Ωστόσο, αυτή η ερμηνεία δεν ανταποκρίνεται στις παρατηρήσεις, καθώς η ποσότητα αξιονίων που θα απαιτούνταν για να εξηγήσει το σήμα στον ανιχνευτή XENON1T θα άλλαζε δραστικά την εξέλιξη των άστρων πολύ βαρύτερων από τον Ήλιο, σε αντίθεση με τις παρατηρήσεις μας.

Προς το παρόν δεν υπάρχει κάποια αποδεκτή θεωρία για το τι είναι σκοτεινή ενέργεια, αλλά τα περισσότερα φυσικά μοντέλα για αυτήν θα οδηγούσαν στην ύπαρξη μιας πέμπτης δύναμης. Υπάρχουν τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στο σύμπαν (βαρυτική, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική) και οτιδήποτε δεν μπορεί να εξηγηθεί με μία από αυτές τις δυνάμεις αναφέρεται συνήθως ως το αποτέλεσμα μιας άγνωστης πέμπτης δύναμης.

Γνωρίζουμε ότι η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν λειτουργεί εξαιρετικά καλά στο τοπικό σύμπαν. Επομένως, μια ‘πέμπτη δύναμη’ που σχετίζεται με τη σκοτεινή ενέργεια είναι ανεπιθύμητη και πρέπει να «κρυφτεί» ή να «καλυφθεί» όταν πρόκειται για μικρές κλίμακες, και να μπορεί να λειτουργήσει μόνο στις μεγαλύτερες κλίμακες όπου η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν δεν μπορεί να εξηγήσει την επιτάχυνση του Σύμπαντος. Για να αποκρύψουν την πέμπτη δύναμη, πολλά μοντέλα για την σκοτεινή ενέργεια είναι εξοπλισμένα με τους λεγόμενους μηχανισμούς (συγκάλυψης , οι οποίοι κρύβουν δυναμικά την πέμπτη δύναμη.

Ο Vagnozzi και οι συνεργάτες του δημιούργησαν ένα φυσικό μοντέλο, το οποίο χρησιμοποίησε έναν τύπο μηχανισμού συγκάλυψης γνωστό ως κάλυψη χαμαιλέοντα, για να δείξει ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ενέργειας που παράγονται στα ισχυρά μαγνητικά πεδία του ήλιου θα μπορούσαν να εξηγήσουν την περίσσεια στον ανιχνευτή XENON1T.

Η κάλυψη του χαμαιλέοντα σταματά την παραγωγή σωματιδίων σκοτεινής ενέργειας σε πολύ πυκνά αντικείμενα, αποφεύγοντας τα προβλήματα που προκύπτουν στο μοντέλο με τα ηλιακά αξιόνια, δήλωσε ο Vagnozzi. Μας επιτρέπει επίσης να αποσυνδέσουμε αυτό που συμβαίνει στο τοπικό πολύ πυκνό Σύμπαν από αυτό που συμβαίνει στις μεγαλύτερες κλίμακες, όπου η πυκνότητα είναι εξαιρετικά μικρή.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το μοντέλο τους για να δείξουν τι θα συνέβαινε στον ανιχνευτή εάν η σκοτεινή ενέργεια παράγεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή του Ήλιου, που ονομάζεται ταχοκλίνη, όπου τα μαγνητικά πεδία είναι ιδιαίτερα ισχυρά. «Ήταν πραγματικά εκπληκτικό το γεγονός ότι αυτή η περίσσεια θα μπορούσε θεωρητικά να προκληθεί από σκοτεινή ενέργεια κι όχι από σκοτεινή ύλη», δήλωσε ο Vagnozzi.

Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι πειράματα όπως το XENON1T, που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης, θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό της σκοτεινής ενέργειας. Ωστόσο, η δελεαστική πιθανότητα εντοπισμού της σκοτεινής ενέργειας πρέπει να επιβεβαιωθεί πιο πειστικά και να αποκλειστεί η περίπτωση ότι αυτό δεν ήταν απλώς κάτι τυχαίο.

Αν το XENON1T ανίχνευσε πράγματι σκοτεινή ενέργεια, τότε αναμένουμε παρόμοιες ανιχνεύσεις να επαναληφθούν σε μελλοντικά πειράματα, και με πολύ ισχυρότερο σήμα. Έτσι, οι σχεδιαζόμενες αναβαθμίσεις του πειράματος XENON1T, καθώς επίσης και παρόμοια πειράματα, όπως το LUX-Zeplin και το PandaX-xT, θα μπορούσαν να εντοπίσουν άμεσα την σκοτεινή ενέργεια μέσα στην επόμενη δεκαετία.

Πηγές: Sunny Vagnozzi et al. ‘Direct detection of dark energy: the XENON1T excess and future prospects.’ Physical Review D (2021). DOI: 10.1103/PhysRevD.104.063023 - https://www.cam.ac.uk/research/news/have-we-detected-dark-energy-cambridge-scientists-say-its-a-possibility - http://www.sci-news.com/astronomy/xenon1t-dark-energy-10074.html - https://physicsgg.me/2021/09/18/