Σύγχρονη κοσμολογία: η επιτομή της Τεχνολογίας, των μεθόδων παρατήρησης και της Θεωρίας

στις

Η τελευταία δεκαπενταετία έχει χαρακτηριστεί και δικαίως ως η πιο σημαντική περίοδος για την επιστήμη της Κοσμολογίας, δηλαδή την επιστήμη που μελετά την γέννεση, δομή και εξέλιξη του Σύμπαντος. Η τεχνολογική επανάσταση στην ηλεκτρονική, την οπτική, την διαστημική έχει δώσει τη δυνατότητα κατασκευής συσκευών αποτύπωσης σήματος, τηλεσκοπίων, διαστημοσυσκευών και δορυφόρων που με την σειρά τους έδωσαν τη δυνατότητα παρατήρησης του σύμπαντος με εκπληκτική ακρίβεια. Πλέον οι γνώσεις μας για την εξέλιξη του Σύμπαντος και των κοσμικών δομών που περιέχει αυξάνονται σχεδόν με εκθετικό ρυθμό, τέτοιο που έχουμε σχεδόν πάψει να νιώθουμε έκπληξη με τις απανωτές μεταβολές που επιφέρουν στις γνώσεις μας για το Σύμπαν η ανάλυση των σύγχρονων παρατηρησιακών δεδομένων που συλλέγονται από δορυφορικά και επίγεια τηλεσκόπια και ανιχνευτές σωματιδίων. GALAXY

Η ενδελεχής ανάλυση των σύγχρονων δεδομένων διαστημικών και επίγειων παρατηρήσεων μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ομογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες και έχει ηλικία περίπου 13.8 δισεκατομμυρίων ετών.

Για να ξεκινήσουμε όμως την σύντομη εξιστόρηση της «Κοσμολογικής» μας διαδρομής πρέπει να τονίσουμε ότι η Κοσμολογία παρόλο που προσπαθεί να δώσει απάντηση σε θεμελιώδη ερωτήματα που έθεσε ο άνθρωπος από την αυγή ακόμα του πολιτισμού, κατορθώνει να ξεφεύγει από το θεολογικό αρχικό περιεχόμενο της μόνο στις αρχές του 20ού αιώνα με την θεμελίωση από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) και να κατακτήσει πια την θέση της, περίοπτη μάλιστα, ανάμεσα στις σύγχρονες επιστήμες.

Η σύγχρονη και τεκμηριωμένη άποψη για την αρχή και την εξέλιξη του Σύμπαντος (Θεωρία της «Μεγάλης Εκρήξεως», όνομα που προτάθηκε από τον φυσικό και αστρονόμο αββά George Lemaitre το 1927 αν και αρχικά με λίγο διαφορετικό όνομα: «η υπόθεση του πρωταρχικού ατόμου»), υποστηρίζει ότι το Σύμπαν ξεκίνησε από μια αρχικά υπέρπυκνη και υπέρθερμη κατάσταση η οποία θα μπορούσε θεωρητικά 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 σύνολό τους από καμία άλλη θεωρία είναι: (1) η διαστολή του Σύμπαντος, (2) το υπόβαθρο ακτινοβολίας μικροκυμάτων και (3) η γένεση και τα αρχικά ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων.

Η διαστολή του Σύμπαντος παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Αμερικανό αστρονόμο Χάμπλ στην δεκαετία του ’20, είχε όμως προβλεφθεί από την ΓΘΣ. Σημαντική απόδειξη της ορθότητας της θεωρίας της μεγάλης εκρήξεως απετέλεσε η ανακάλυψη το 1967 από τους Αμερικανούς αστρονόμους Πενσίας και Ουίλσον της λεγόμενης Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων του υπόβαθρου (για συντομογραφία ΚΑΜ), δηλαδή της θερμικής ακτινοβολίας που γέμισε το Σύμπαν μετά την αρχική έκρηξη και που η σημερινή της θερμοκρασία είναι 2.73οΚ περίπου. Η θερμική προέλευση της ΚΑΜ αποδείχτηκε περίτρανα με τα δεδομένα του δορυφόρου COBE της ΝΑΣΑ το 1989. Δύο νεότερες διαστημικές αποστολές παρατήρησης της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, πρώτα ο WMAP της NASA και κατόπιν ο PLANCK του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, εντόπισαν εκπληκτικής σπουδαιότητας διαταραχές της θερμοκρασίας της ΚΑΜ (εικόνα 1) η μελέτη των οποίων απέδειξε ότι η γεωμετρία της χωρικής συνιστώσας του χωρόχρονου είναι «Ευκλείδια». Επιπλέον, με την ανάλυση μακρινών υπερκαινοφανών αστέρων βρέθηκε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, γεγονός που έχει ερμηνευτεί ως αποτέλεσμα μιας άγνωστης μορφής ενέργειας, την οποία έχουμε ονομάσει «σκοτεινή ενέργεια», και η οποία δρα με φορά αντίθετη από αυτή της βαρύτητας.

original Σχήμα 1: Οι διαταραχές θερμοκρασίας του υπόβαθρου τη ακτινοβολίας μικροκυμάτων από τις παρατηρήσεις του δορυφόρου Planck της ESA. Ουσιαστικά αποτυπώνουν το Σύμπαν όταν είχε ηλικία μόλις 380000 έτη (3/100000 περίπου της σημερινής του ηλικίας). Αυτές οι παρατηρήσεις έδωσαν την δυνατότητα στους επιστήμονες να υπολογίσουν με ακρίβεια την καμπυλότητα του χώρου και επομένως το γεγονός ότι το Σύμπαν είναι «Ευκλείδιο» (έχει καμπυλότητα μηδέν).

Η ενδελεχής ανάλυση των σύγχρονων δεδομένων διαστημικών και επίγειων παρατηρήσεων μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το Σύμπαν στο οποίο ζούμε είναι ομογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες και έχει ηλικία περίπου 13.8 δισεκατομμυρίων ετών, πιστεύουμε δε ότι το πρώιμο Σύμπαν πέρασε από μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής, που ονομάζεται πληθωρισμός, σύντομης χρονικής διάρκειας και μετά από μία παρατεταμένη περίοδο στην οποία κυριαρχούσαν κατά σειρά η ακτινοβολία και μετά η ύλη, τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια εισήλθε και πάλι σε φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Γνωρίζουμε επίσης ότι από το συνολικό ποσό υλοενέργειας που περιέχει, μόνο το 30% αποτελείται από ύλη. Παρά την τεράστια πρόοδο της επιστήμης και της τεχνολογίας, μέχρι σήμερα δεν γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για την φύση του υπόλοιπου 70%, την «σκοτεινή ενέργεια», και που όπως είπαμε παραπάνω ευθύνεται για την σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Αν και πολλά μοντέλα «σκοτεινής ενέργειας» έχουν προταθεί, εξαιρετικά ενδιαφέρον είναι αυτό της κοσμολογικής σταθεράς, που είναι μία ενέργεια σταθερή στον χρόνο και την οποία πρωτοεισήγαγε ο Αϊνστάιν αυθαίρετα στις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ για να επιβάλει στατικές λύσεις, το οποίο αναπαράγει μεν με ακρίβεια τις παρατηρήσεις αλλά δεν είναι απαλλαγμένο από σημαντικά θεωρητικά προβλήματα. Η Κοσμολογική σταθερά έχει ερμηνευτεί ως η ενέργεια του κενού όπως υποστηρίζει η κβαντομηχανική (από το γεγονός ότι ζεύγη σωματίων & αντισωματίων δημιουργούνται από το κενό και παρόλο που ζουν ελάχιστα δίνουν στο κενό μη-μηδενική δυναμική ενέργεια). Στην ΓΘΣ όλες οι μορφές ενέργειας δημιουργούν βαρυτικό πεδίο, άρα και η ενέργεια του κενού. Σχηματικά μπορούμε να δούμε πως διαστέλλεται το Σύμπαν στην περίπτωση αυτή στην εικόνα 2.

Όμως έχουμε το παράδοξο ότι η κβαντική θεωρία πεδίου, που προβλέπει την ύπαρξη κοσμολογικής σταθεράς, προβλέπει επίσης ότι πρέπει να έχει τιμή 10120 φορές μεγαλύτερη από τη σημερινή τιμή της, όπως αυτή υπολογίζεται από την μελέτη των μακρινών υπερκαινοφανών αστέρων!

Πολλές θεωρίες για τη φύση της «σκοτεινής» ενέργειας έχουν προταθεί (πχ. παραλλαγές της θεωρίας της βαρύτητας, νέα σωματίδια, νέα πεδία) οι οποίες ελέγχονται από τους ερευνητές στο εάν και κατά πόσο επαληθεύονται από τις σύγχρονες κοσμολογικές παρατηρήσεις. Βασικές ερωτήσεις που προσπαθούν μεταξύ άλλων να απαντήσουν οι Κοσμολόγοι σήμερα είναι: το αρχικό πεδίο το οποίο δίνει έναυσμα στον πληθωρισμό στο νεαρό Σύμπαν και στη συνέχεια «σβήνει» για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια, έχει τα ίδια φυσικά χαρακτηριστικά με την σκοτεινή ενέργεια που ξανακυριαρχεί στην κοσμική εξέλιξη τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια; ή μήπως έχουμε να κάνουμε με δύο τελείως διαφορετικές καταστάσεις οι οποίες προέρχονται από διαφορετικά πεδία; Προτάσεις φυσικά υπάρχουν αλλά το ερώτημα αυτό παραμένει μέχρι σήμερα αναπάντητο.

Είναι αξιοπερίεργο επίσης ότι κοντά στη σημερινή εποχή η «σκοτεινή ενέργεια» συμμετέχει στο συνολικό ποσό συμπαντικής υλο-ενέργειας με ποσοστό που είναι συγκρίσιμο με αυτό της ύλης (σκοτεινής και βαρυονικής), γεγονός που αποτελεί το λεγόμενο «πρόβλημα σύμπτωσης», μιας και δεν υπάρχει κανείς a priori φυσικός λόγος για αυτή την σύμπτωση. Επιπλέον, υπάρχει και το πρόβλημα γιατί το ποσό της συμπαντικής υλο-ενέργειας έχει ακριβώς την κρίσιμη τιμή και όχι οποιανδήποτε από την απειρία των τιμών που θα μπορούσε να έχει.

original-2
Σχήμα 2: Η εξέλιξη της ακτίνας του Σύμπαντος με τον κοσμικό χρόνο για την περίπτωση ύπαρξης «σκοτεινής ενέργειας» με την μορφή Κοσμολογικής σταθεράς. Μετά την αρχική «έκρηξη» η διαστολή αρχίζει να επιβραδύνεται λόγω της ιδιοβαρύτητας του Σύμπαντος αλλά μετά από 7 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια τις ελκτικές δυνάμεις τις υπερνικά η «αντι-βαρυτική» δράση της «σκοτεινής ενέργειας». Δύο μοντέλα παρουσιάζονται: Η περίπτωση Ευκλείδιου Σύμπαντος (δηλαδή Σύμπαν το οποίο περιέχει την κρίσιμη τιμή συνολικής υλο-ενέργειας) φαίνεται με την ροζ καμπύλη ενώ η περίπτωση κλειστού Σύμπαντος (δηλαδή Σύμπαν το οποίο περιέχει παραπάνω από την κρίσιμη τιμή συνολικής υλο-ενέργειας αλλά και Κοσμολογική σταθερά) φαίνεται με την λευκή καμπύλη.

Μια πιθανή λύση στα προβλήματα αυτά μπορεί να αναζητηθεί στο γεγονός ότι εάν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό μεγαλύτερο της κρίσιμης τιμής τότε η βαρυτική έλξη δεν θα μπορούσε να δράσει καταλυτικά ώστε να καταρρεύσουν βαρυτικά οι κοσμικές δομές και να δημιουργηθούν αστέρες, στον πυρήνα των οποίων συντίθενται τα απαραίτητα συστατικά στοιχεία για την ύπαρξη ζωής (οξυγόνο, άνθρακας κλπ). Αντίστοιχα, εάν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό σημαντικά βραδύτερο της κρίσιμης τιμής, εάν δηλαδή περιείχε πολύ μεγαλύτερο συνολικά ποσό υλο-ενέργειας, τότε πάλι πριν προλάβουν να δημιουργηθούν οι κοσμικές δομές και οι αστέρες, το Σύμπαν θα είχε ξανά-συσταλεί σε μία υπέρθερμη θάλασσα ακτινοβολίας. Επομένως, το γεγονός της ύπαρξης μας προϋποθέτει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται περίπου με τον ρυθμό που μετράμε.

Αυτή η «κοσμική συνωμοσία» μπορεί να ερμηνευτεί εάν υπάρχουν άπειρα Σύμπαντα, όπου πραγματώνονται όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί παραμέτρων και εκδοχών, και επομένως σε αυτά όπου οι συνθήκες είναι ευνοϊκές αναπτύσσεται η ζωή. Άλλες ερμηνείες βασίζονται σε αυτό που ονομάζεται «Ανθρωπική Αρχή», δηλαδή ότι το Σύμπαν πρέπει να έχει όλες εκείνες τις ιδιότητες που επιτρέπουν τη ανάπτυξη ευφυούς ζωής σε κάποια φάση της εξέλιξης του, και ότι οι παρατηρητές είναι απαραίτητοι για την ύπαρξη του Σύμπαντος. Πολλές φορές αυτή η αρχή χρησιμοποιείται σαν πανάκεια για να δώσει λογικοφανή ερμηνεία σε φαινόμενα που δυσκολευόμαστε να ερμηνεύσουμε αλλά αυτή της η χρήση είναι αντι-επιστημονική. Αυτά βέβαια τα ερωτήματα βρίσκονται στην διεπαφή μεταξύ επιστήμης και φιλοσοφίας και θα αποτελούν λόγο έντονων συζητήσεων και διενέξεων πιθανώς στο διηνεκές.

Τελειώνοντας αυτή την σύντομη παρουσίαση των βασικών στοιχείων της σύγχρονης Κοσμολογίας και των παρατηρήσεων που στηρίζουν το θεωρητικό της εποικοδόμημα επισημαίνουμε ότι στα επόμενα χρόνια αναμένουμε έναν μεγάλο αριθμό στοχευμένων πειραμάτων* να δώσουν αποτελέσματα που πιστεύουμε ότι θα απαντήσουν σε πολλά αναπάντητα κοσμολογικά ερωτήματα, αλλά είμαστε επίσης βέβαιοι ότι θα θέσουν και πολλά νέα ερωτήματα…

* όπως τα πειράματα εντοπισμού της «σκοτεινή ενέργειας», ανάμεσα στα οποία τα: Dark Energy Survey, HETDEX και άλλα.

Μανώλης Πλειώνης Καθηγητής στο Τμήμα Αστροφυσικής ΑΠΘ  –  Σπύρος Βασιλάκος Ερευνητής στο Κέντρο Ερευνών Αστρονομίας και Εφηρμοσμένων Μαθηματικών

Πηγή

Advertisements