Η ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων και η επιβεβαίωση από τον δορυφόρο COBE

στις

Τελικά τα εμπειρικά δεδομένα που είχαν προβλέψει οι κοσμολόγοι του Big Bang παρατηρήθηκαν το 1965 από τους φυσικούς των εργαστηρίων Bell Arno Penzias και Robert Wilson. Ο Robert Dicke του πανεπιστημίου Princeton ήταν ο πρώτος που έψαχνε στον ουρανό για την εναπομείνουσα ακτινοβολία της Μεγάλής Έκρηξης. Ο Dicke μάλιστα πρότεινε ότι η Μεγάλη Έκρηξη προήλθε από ένα προηγούμενο σύμπαν και ότι ήταν απαραίτητη μια θερμοκρασία πάνω από ένα δισεκατομμύριο βαθμούς για να δημιουργήσει το νέο σύμπαν μας. Αυτή η ενέργεια στη συνέχεια θα παρήγαγε ένα απειροελάχιστο ποσό ακτινοβολίας που πρέπει να είναι μετρήσιμη σήμερα, με βάση το νόμο του Planck ότι όλα τα σώματα εκπέμπουν ενέργεια που μπορεί να τεκμηριωθεί με ένα διάγραμμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

blackbody_curves

καμπύλη Planck του μέλανος σώματος

Ανάλογα με το μήκος του κύματος μπορούν να βρεθούν οπουδήποτε από την περιοχή των ακτίνων Χ έως τα ραδιοκύματα. Μια εκπομπή ακτινοβολίας από ένα σώμα εξαρτάται από τα συστατικά στοιχεία του σώματος, την επιφάνεια του σώματος και τη θερμοκρασία της επιφάνειας του. Το σώμα που εκπέμπει το μέγιστο ποσό ενέργειας λέγεται μέλαν σώμα. Με την χρήση της καμπύλης Planck του μέλανος σώματος ως οδηγό ο Dicke υπολόγισε ότι η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει να είναι περίπου 3 Kelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Ο συνάδελφος Jim Peebles του Dicke, επίσης, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όταν το κατάλοιπο της Πύρινης Βολίδας ψύχθηκε στους 3000° Kelvin θα ήταν σε θέση να σχηματιστούν πυρήνες καθώς και πυρήνες ηλίου από το υδρογόνο. Έτσι, το σύμπαν έμεινε με ένα μίγμα υδρογόνου – περίπου 75% – και ηλίου – κατά 25%, που μοιάζει με την ποσότητα του ηλίου που βρέθηκε στον ήλιο μας. Ο Peebles κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αφού τα δύο αφθονότερα στοιχεία στον Κόσμο δημιουργήθηκαν όταν ήταν το σύμπαν είχε θερμοκρασία 3000° Κ και από τότε το σύμπαν έχει επεκταθεί κατά έναν παράγοντα 1000, άρα η ακτινοβολία που έμεινε από το Big Bang πρέπει να έχει μια θερμοκρασία περίπου 10° Κ. Αργότερα, νέοι και καλύτεροι υπολογισμοί αυτών των εξισώσεων έδωσαν μια θερμοκρασία 3° Κ. Οι Dicke και Peebles ήταν βέβαιοι ότι υπήρχαν κατάλληλα όργανα που θα ήταν τα πρώτα που θα ανίχνευαν αυτήν την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου. 

penziaswilson2Οι Penziaw-Wilson μπροστά στην κωνική κεραία του Holmdel στο New Jersey, με την οποία ανακάλυψαν το 1964 τη διάχυτη ακτινοβολία υποβάθρου στο Σύμπαν

Την εποχή εκείνη οι φυσικοί Penzias και Wilson ασχολούνταν με την μέτρηση της ακτινοβολίας από το Γαλαξία μας. Δούλευαν σε μια στενή περιοχή του ουρανού όταν άκουσαν έναν θόρυβο που παρεμπόδιζε το σήμα τους. Αυτός ο θόρυβος προερχόταν από την Κοσμική Ακτινοβολία και είχε μια θερμοκρασία 3° K. Φαινόταν να προέρχεται από όλες τις κατευθύνσεις και δεν αυξομειωνόταν ποτέ. Βλέποντας ότι η αρχική έρευνά τους αλλοιώθηκε λόγω του ανεξήγητου θορύβου, παραιτήθηκαν από την συγγραφή μιας εργασίας για αυτό το ανεξήγητο φαινόμενο. Μήνες αργότερα ο Penzia ανακάλυψε πως η ομάδα του Peebles έψαχνε για αυτήν την ακτινοβολία λείψανο του Big Bang χωρίς επιτυχία. Εξετάζοντας ξανά το θόρυβο που έπιαναν με τις ραδιοκεραίες τους συνειδητοποίησαν οι Penzia και Wilson ότι είχαν σκοντάψει πάνω στην πιο σημαντική ανακάλυψη, που επιβεβαίωσε την αρχέγονη Μεγάλη Έκρηξη

Οι θεωρητικοί του Big Bang έκαναν αρκετές προβλέψεις που υποστήριζαν τελικά αυτή τη θεωρία. Η πρώτη είναι η παρατήρηση του Hubble για τη σχέση της απόστασης με τη μετατόπιση προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Αυτή η σχέση μας επιτρέπει να προσεγγίσουμε την ηλικία του σύμπαντος με τη βοήθεια τριών χωριστών ουρανίων σωμάτων που όλα τους φθάνουν στο ίδιο σχετικό αποτέλεσμα. Ο Hubble χρησιμοποίησε μεταβλητής έντασης άστρα, που είναι γνωστά ως «τυποποιημένα κεριά», για να φτιάξει μια κοσμική κλίμακα αποστάσεων. Γνωρίζοντας την απόσταση αυτών των ουράνιων αντικειμένων θα ήταν σε θέση να κατασκευάσει ένα διάγραμμα για την ηλικία του σύμπαντος. Αυτά τα τυποποιημένα κεριά είναι οι Κηφείδες μια σπάνια κλάση μεταβλητών άστρων στους γειτονικούς μας γαλαξίες, που η φωτεινότητά τους αυξάνεται και εξασθενίζει με ένα κανονικό ρυθμό, ο οποίος εξαρτάται από την πραγματική φωτεινότητα του αστεριού. Οι αστρονόμοι λοιπόν παρατηρούν ένα αμυδρό αστέρι της κλάσης των Κηφειδών σε έναν απόμακρο γαλαξία. Συγκρίνοντας ύστερα τη φωτεινότητα του αστεριού που βλέπουν με την πραγματική φωτεινότητα που υπολογίζουν, με την βοήθεια του ρυθμού που αυξομειώνεται το φως του, είναι δυνατό να υπολογιστεί η απόστασή του.

Κεντρικά σημεία στο ζήτημα της ηλικίας του σύμπαντος είναι δύο σημαντικοί θεωρητικοί όροι. Η σταθερά του Hubble που αναφέρεται στο πόσο γρήγορα αυξάνονται οι ταχύτητες των γαλαξιών ανάλογα με την απόστασή τους από τη Γη. Έχει γίνει μεγάλη συζήτηση σχετικά με την τιμή αυτής της σταθεράς, που αρχίζει από την τιμή των 50 Km/sec/Mpc (1 Mpc είναι περίπου 3 εκατομμύρια έτη φωτός) έως τα 100 Km/sec/Mpc. Η διαφορά αυτή στην τιμή εξηγεί και τη διαφορά στην εκτίμηση για την ηλικία του σύμπαντος κατά ± 5 δισεκατομμύρια.

Η άλλη σπουδαία σταθερά είναι γνωστή ως q, που καθορίζει την επιβράδυνση της διαστολής του σύμπαντος. Ανάλογα με την κρίσιμη πυκνότητα του σύμπαντος από την οποία εξαρτάται αυτή η σταθερά q, το σύμπαν θα αποδειχθεί είτε ότι θα διαστέλλεται συνεχώς σαν ένα επίπεδο και ανοικτά μοντέλο, είτε θα είναι ένα ταλαντούμενο κλειστό σύμπαν, που θα δοκιμάζει εναλλάξ μια Μεγάλη Σύνθλιψη και μια Μεγάλη Έκρηξη (με τη Μεγάλη Σύνθλιψη θα συμπυκνωθεί τελικά σε μια ιδιομορφία και μετά θα αρχίσει τη διαδικασία της Μεγάλης Έκρηξης. Ο διάδοχος του Hubble Allan Sandage πρόβλεψε ένα κλειστό σύμπαν όταν αυτός σχεδίασε διάφορους ραδιογαλαξίες πολλά δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Τα στοιχεία για αυτό το κλειστό σύμπαν μερικά χρόνια αργότερα κατέπεσαν και έτσι το μοντέλο του κλειστού σύμπαντος τελικά έφυγε από το προσκήνιο. Έως σήμερα η σταθερά του Hubble και η σταθερά q παραμένουν τα δύο σημαντικότερα αναπάντητα προβλήματα στη σύγχρονη κοσμολογία.

Οι αστρονομικές παρατηρήσεις έχουν υποστηρίξει, επίσης, τις προβλέψεις των θεωρητικών ότι ορισμένα στοιχεία θα μπορούσαν να έχουν δημιουργηθεί μόνο λίγες στιγμές μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Με βάση τη σχέση μεταξύ της ποσότητας του ηλίου στο σύμπαν και του αριθμού των διαφορετικών τύπων οικογενειών των σωματιδίων (ηλεκτρόνια, μιόνια, ταυ) οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει ένα νετρίνο για κάθε οικογένεια σωματιδίων. Εξ αιτίας της σημερινής πυκνότητας της ενέργειας του σύμπαντος θα υπάρχει και μια αντίστοιχη ποσότητα ηλίου, που θα έχει παραχθεί. Αυτή στη συνέχεια θα δημιουργήσει και τους διαφορετικούς τύπους των νετρίνων. Όταν είδαμε ότι η προβλεφθείσα ποσότητα των νετρίνων αντιστοιχούσε σε αυτό που παρατηρήθηκε, είχαμε μια άλλη σημαντική νίκη για την κοσμολογία του Big Bang.

history-universeΟ Δορυφόρος COBE

Μετά από την ανακάλυψη της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου το 1965 οι επιστήμονες ήταν πρόθυμοι να επεκτείνουν την έρευνά τους στο εξωτερικό διάστημα με τη βοήθεια ενός δορυφόρου σε τροχιά γύρω από τη Γη. Από το διάστημα τελικά μας δόθηκε η ευκαιρία να μελετήσουμε αυτό το φαινόμενο στα τέλη του 1989 με τον Κοσμικό Εξερευνητή Υποβάθρου (COBE). Ο δορυφόρος COBE έκανε τρία ξεχωριστά πειράματα με τα όργανα του. Το πρώτο όργανο γνωστό ως FIRAS, ήταν ένα φασματόμετρο για τις υπέρυθρες ακτίνες του ακραίου ορίου του φάσματος. Και δημιουργήθηκε με σκοπό να επιβεβαιώσει την έρευνα που είχε αναπτυχθεί μέχρι τότε, ότι η ακτινοβολία υποβάθρου πράγματι είχε το φάσμα ενός μέλανος σώματος.

Το επόμενο ζήτημα που προσπαθήθηκε να απαντήσει το COBE ήταν το εξής: έχει η ακτινοβολία υποβάθρου την ίδια θερμοκρασία σε όλες τις κατευθύνσεις; Η θεωρία του Big Bang δηλώνει ότι προκειμένου να υπάρχει μια συμπύκνωση της μάζας και έτσι να σχηματιστούν οι γαλαξίες, θα πρέπει να υπάρχει μια ανομοιογένεια που να έμεινε από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης, και που θα είναι ανιχνεύσιμη. Το Διαφορικό Ραδιόμετρο Μικροκυμάτων (DMR) σχεδιάστηκε να ανιχνεύσει τις διακυμάνσεις της ανισοτροπίας σε μια κλίμακα 30 εκατομμυριοστών της μιας μοίρας.

Η θεωρία του πληθωρισμού πρόβλεπε τέτοιες διακυμάνσεις και οι κβαντικές διαδικασίες κατά τη διάρκεια εκείνων των αρχέγονων σταδίων της Μεγάλης Έκρηξης (όταν το σύμπαν ήταν στο μέγεθος ενός πρωτονίου), επέτρεψαν στα νέφη της ύλης να συμπυκνωθούν στους γαλαξίες. Η μοίρα της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης εξαρτιόταν βασικά από τις μετρήσεις του DMR, που μπορούσε να συγκρίνει την εισερχόμενη Μικροκυματική Ακτινοβολία από δύο διαφορετικές διευθύνσεις και να αναζητά διαφορές στο κυρίαρχο μήκος κύματος. Τέτοιες διαφορές θα υποδείκνυαν διαφορές στην πυκνότητα στο αρχέγονο σύμπαν και οι υψηλής πυκνότητας περιοχές θα είχαν προκαλέσει τη δημιουργία των σημερινών γαλαξιών. Σε επίπεδο ανάλυσης 1/3.000 και 1/10.000 δεν είχε παρουσιαστεί κανένα ίχνος διακύμανσης, αλλά τέλη του 1991 παρουσιάστηκαν διακυμάνσεις σε επίπεδο ανάλυσης 1/100.000. Με άλλα λόγια, το κυρίαρχο μήκος κύματος της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου μεταβαλλόταν κατά 0.001% ανάλογα με τη διεύθυνση που ήταν στραμμένος ο δορυφόρος.

cob4

Το φάσμα, όπως μετρήθηκε από τον COBE, δείχνει την κατανομή της ενέργειας της ακτινοβολίας στα διάφορα μήκη κύματος. Η συνεχής καμπύλη παριστάνει τη θεωρητικά προσδοκώμενη κατανομή της ακτινοβολίας που προέρχεται από τη Μεγάλη Έκρηξη και όπως φαίνεται είναι τύπου μέλανος σώματος

Το τρίτο πείραμα ήταν το γνωστό ως Πείραμα του Διάχυτου Υπέρυθρου Υποβάθρου ή DIRBE. Είχε ως σκοπό να εξετάσει τις απώτατες γωνίες του σύμπαντος στις υπέρυθρες ακτίνες, 15 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη, και να συσσωρεύσει στοιχεία όσον αφορά το υπέρυθρο φως αυτών των αρχέγονων γαλαξιών. Το όργανο DIRBE μπόρεσε να συσσωρεύσει πολλά δεδομένα που τελικά επιβεβαίωσαν πολλές θεωρίες της κοσμολογίας του Big Bang. Έτσι, λίγο μετά αφότου το COBE τοποθετήθηκε σε τροχιά ήρθε εκείνο το συναρπαστικό στοιχείο που ανέμενε ανυπόμονα για καιρό η επιστημονική κοινότητα. Η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου ταίριαζε με την καμπύλη του μέλανος σώματος με μία απόκλιση 1%. Εξήντα επτά ξεχωριστά σημεία της συχνότητας που λήφθηκαν από το COBE ταίριαζαν τέλεια με το θεωρητικό φάσμα του μέλανος σώματος. Η παρατήρηση είχε επιβεβαιώσει ακριβώς την κοσμολογία του Big Bang η οποία το είχε προβλέψει πολύ καιρό πριν. Αυτή η ανακάλυψη αποδείχθηκε το εύκολο μέρος του πειράματος.

Ο George Smoot και οι συνάδελφοί του επίσης από το Μπέρκλευ πέρασαν τρία σκληρά χρόνια για να ταξινομήσουν τα δισεκατομμύρια μέρη των στοιχείων που παρείχε το όργανο DMR. Η ανακοίνωσή του στις 23 Απριλίου του 1992 στην ετήσια συνεδρίαση της Αμερικανικής Ένωσης Φυσικών στην Ουάσιγκτον, το είπε καλύτερα: Η αγγλική γλώσσα δεν έχει αρκετά υπερθετικά για να μεταβιβάσει την ιστορία των αποτελεσμάτων, που έχουμε παρατηρήσει. Βρήκαμε απολιθώματα 15 δισεκατομμυρίων ετών που δημιουργήθηκαν στη γέννηση του σύμπαντος. Το πείραμα, όπως είπε και ο Smoot, έδειξε ότι η Μεγάλη Έκρηξη ήταν ζωντανή και πολύ-πολύ υγιής.

unicobe2Αριστερά: Η χαρτογράφηση των ανισοτροπιών στην ακτινοβολία υποβάθρου του ουρανού των 2.74 Kelvin από τον δορυφόρο COBE.

Αυτά τα κοσμικά σχήματα στον ουρανό πιθανόν να είναι κατάλοιπα από μια εποχή 10-32 sec μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο χάρτης δείχνει όλη την ουρόνια σφαίρα ενώ ο Γαλαξίας μας είναι η κόκκινη λωρίδα που βρίσκεται στον ισημερινό. Οι γαλάζιες και ροζ περιοχές είναι ελαφρά θερμότερες και ψυχρότερες από το μέσο όρο, περίπου 1 μέρος ως προς τα 90.000. Η εικόνα αυτή είναι το άθροισμα παρατηρήσεων του COBE στα 53 και 90 GHz και αντιστοιχεί σε χωρική διακριτική ικανότητα 100. Ακόμα και οι μικρότερες ανομοιογένειες ή  μικροδιακυμάνσεις, είναι πολύ μεγάλες για να έχουν παίξει οποιοδήποτε ρόλο στη διαμόρφωση του Σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα. Οι μικροδιακυμάνσεις πιστεύεται πως αποτελούν τα «σπέρματα» του σχηματισμού των σημερινών δομών του σύμπαντος

Αν και οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στο μικροκυματικό υπόβαθρο ήταν μικρότερες από τριάντα εκατομμυριοστά του ενός βαθμού, αυτά τα πεδία της διακύμανσης της θερμοκρασίας και της πυκνότητας ήταν πλάτους περισσότερο από 500 εκατομμύρια έτη φωτός. Αυτοί οι μικροσκοπικοί συνδυασμοί που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης ήταν η ίδια η πυκνότητα που χρειαζόταν προκειμένου να δημιουργηθούν οι γαλαξίες και ακολούθως η ίδια η ζωή η ίδια.

Επιτέλους, η απόδειξη του μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης είχε τελειώσει. Γενιές φυσικών, αστρονόμων και κοσμολόγων – Αϊνστάιν, Λεμέτρ, Χάμπλ, Γκάμοφ, Άλφερ, Μπάαντε, Πενζίας, Ουίλσον, Σμούτ και πολλοί άλλοι – είχαν καταφέρει να αντιμετωπίσουν το έσχατο ερώτημα περί δημιουργίας του Κόσμου. Ήταν πια ξεκάθαρο πως το σύμπαν ήταν διαστελλόμενο, δυναμικό και εξελισσόμενο για πάνω από 13 δισεκατομμύρια χρόνια.  Η αλλαγή από ένα σύμπαν αιώνιο και αμετάβλητο στο σύμπαν της Μεγάλης Έκρηξης είχε ολοκληρωθεί.

Advertisements