Υπεύθυνος καθηγητής: Δερβέναγας Παναγιώτης ΠΕ04

Transcript

1 Υπεύθυνος καθηγητής: Δερβέναγας Παναγιώτης ΠΕ04 Ονόματα μαθητών: 1 η ομάδα: Γκίκα Άννα, Γαζής Τάσος, Ζαχαρόπουλος Γιώργος, Πετσαλάκης Βασίλης, Παγώνης Κώστας. 2 η ομάδα: Καραΐσκος Γιάννης, Σπάρος Λουκάς, Πούλος Σπύρος, Μάρκου Γιώργος, Μιφτάρι Αρμπέν 3 η ομάδα: Χότζα Νταϊάνα, Σβέρκος Ντίνος, Σύρος Χρήστος, Λούλος Βασίλης, Σμυρναίου Ηρώ 4 η ομάδα: Παπαγεωργίου Δημήτρης, Χατζηλάμπρος Τάσος, Μίχος Γιώργος, Πόρρος Θύμιος, Ματσώτας Μάριος

2 Πίνακας Περιεχομένων -Εισαγωγή -Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης -Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου -Τι εξηγεί η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης -Σκοτεινή Ύλη-Σκοτεινή Ενέργεια -Μελλοντική Εξέλιξη του Σύμπαντος -Αναπάντητα Ερωτήματα -Επίλογος-Συμπεράσματα -Βιβλιογραφία-Πηγές

3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εργασία, με την οποία ασχοληθήκαμε αυτό το τετράμηνο σχετίζεται με την προέλευση και την εξέλιξη του σύμπαντος. Από την ιστορία ξέρουμε πως το 1929 ο Edwin Hudble ανακάλυψε πως πραγματοποιείται διαστολή του σύμπαντος. Το 1931 ο Γάλλος Lemaitre μίλησε πρώτη φορά για την εξέλιξη του σύμπαντος. Το 1949, όμως, ο Fred Hoyle μίλησε για το <<Big Bang>> και ο ίδιος υποστήριξε ότι το σύμπαν υπήρχε πάντα. Το 1964 ο Penzias και ο Wilson ανακάλυψαν την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, για την οποία θα δοθεί εξήγηση παρακάτω. Συνεχίζοντας, η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης εξηγεί ότι κάποια άγνωστη ενέργεια έκανε το νεαρό σύμπαν να διασταλεί ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός, κάτι που θα μπορούσε να

5 επιτρέψει τη δημιουργία ενός μικρού χώρου με ομοιόμορφη θερμοκρασία, δηλαδή το χώρο του σύμπαντος που ζούμε και γνωρίζουμε σήμερα. Για να εξηγηθεί αυτή η επιτάχυνση της διαστολής αυτής υποθέτουμε ότι υπάρχει η σκοτεινή ενέργεια. Επιπρόσθετα, οι δυνάμεις βαρύτητας που παρατηρούμε μεταξύ των γαλαξιών δεν εξηγούνται μόνο με τη γνωστή ύλη. Χρειάζεται, λοιπόν, άλλη μια ύλη, για να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο, την οποία ονομάζουμε σκοτεινή. Σύμφωνα με τον Einstein, αυτή η ύλη και η ενέργεια είναι ισοδύναμες. Επίσης, θα αναλύσουμε ποια είναι τα πιθανά σενάρια για τη μελλοντική εξέλιξη του σύμπαντος και τέλος θα αναφερθεί τι δεν εξηγεί η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

6 Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ Η Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) είναι κοσμολογική θεωρία σύμφωνα με την οποία το σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή στην επιστημονική κοινότητα. Ο όρος Big Bang χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Fred Hoyle σε μια ραδιοφωνική εκπομπή του BBC, το κείμενο της οποίας δημοσιεύτηκε το Ο Hoyle δεν χρησιμοποίησε τον όρο για να περιγράψει μία θεωρία, αλλά για να ειρωνευτεί τη νέα ιδέα. Παρόλα αυτά ο όρος επικράτησε αποβάλλοντας το ειρωνικό του περιεχόμενο. Εισηγητής της θεωρίας υπήρξε ο Βέλγος Αββάς και αστρονόμος Λεμαίτρ. Ύστερα από τις διαπιστώσεις ότι: Εισηγητής της θεωρίας υπήρξε ο Βέλγος Αββάς και αστρονόμος Λεμαίτρ. Ύστερα από τις διαπιστώσεις ότι: Οι λύσεις της Θεωρίας της σχετικότητας προέβλεπαν ως αρχή του Σύμπαντος μια μαθηματική ανωμαλία. Εφόσον η εντροπία (το μέτρο της αταξίας) του σύμπαντος ολοένα και αυξάνει θα υπήρχε στιγμή στο παρελθόν με ελάχιστη εντροπία όπου η ύλη θα είχε την μέγιστη δυνατή πυκνότητα. Με βάση αυτές τις δύο παρατηρήσεις πρότεινε ως αρχή του σύμπαντος το αρχικό άτομο, όπου ολόκληρη η μάζα του Σύμπαντος είναι συγκεντρωμένη σε ένα και μοναδικό σημείο και ο χωρόχρονος δεν έχει ακόμα δημιουργηθεί. Το αρχικό άτομο εν καιρώ εξερράγη και από την ύλη που εκτοξεύτηκε δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και τα αστέρια.

7 Το 1948 George Gamov, Ρωσοαμερικανός φυσικός, μελετώντας θεωρητικά την υπερβολικά πυκνή κατάσταση του αρχικού ατόμου συμπέρανε ότι: Το Ήλιο και τα άλλα ελαφρά χημικά στοιχεία πρέπει να δημιουργήθηκαν εντός τεσσάρων δευτερολέπτων Μια διάχυτη ισότροπη ακτινοβολία, απομεινάρι της μεγάλης έκρηξης, θα πρέπει να είναι ακόμα και σήμερα ανιχνεύσιμη.

8 Το γνωστό και ως φαινόμενο της μετατόπισης προς το ερυθρό (redshift), η διαπίστωση δηλαδή ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους, απόδειξη της κοινής εκκίνησης στο απώτατο παρελθόν. ΚΟΣΜΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΠΟΒΑΘΡΟΥ

9 Ακτινοβολία Υποβάθρου ή Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου ονομάζεται το ίχνος, ή υπόλειμμα της ακτινοβολίας που εξέπεμπε το σύμπαν όταν βρισκόταν σε κατάσταση εξαιρετικά μεγάλων θερμοκρασιών και πιέσεων. Αντιστοιχεί σε ακτινοβολία μέλανος σώματος, θερμοκρασίας 2,73 Κ (Kelvin) και έρχεται από όλες τις κατευθύνσεις. Παρουσιάζει μεγάλη ισοτροπία και ομοιογένεια. Η ύπαρξη μιας τέτοιας ακτινοβολίας είχε προβλεφθεί ήδη από το 1940 θεωρητικά από τον Γκάμοφ και άλλους. Οι Πενζίας (Penzias) και Ρόμπερτ Γουίλσον (Wilson) όμως ήταν αυτοί οι οποίοι επιβεβαίωσαν τις προβλέψεις. Το 1965 με τη βοήθεια μιας κερατοειδούς σχήματος κεραίας, την οποία οι ίδιοι κατασκεύασαν, ανακάλυψαν μια ακτινοβολία για την οποία αγνοούσαν την πηγή της, καθώς την λάμβαναν από κάθε κατεύθυνση. Υπολόγισαν πως η ακτινοβολία αυτή αντιστοιχούσε σε ακτινοβολία μελανού σώματος 3,5 K. Την ονόμασαν Ακτινοβολία Μικροκυμάτων. Αργότερα, ο δορυφόρος COBE (Cosmic Backround Explorer) έκανε πιο λεπτομερείς μετρήσεις και υπολόγισε την θερμοκρασία στα 2,7 K, όπως σήμερα είναι γνωστό.

10 Παρακάτω βλέπουμε τις κοσμικές ακτίνες:

11 Η Ακτινοβολία Υποβάθρου:

12 ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Είναι το πιο περίεργο και πιο κοινό «πράγμα» στο σύμπαν. Είναι η αιτία της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος ενώ η πυκνότητα του σύμπαντος εξαρτάται καίρια από αυτή. Παρ' όλα αυτά, δεν ξέρουμε και πολλά για τη σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ενέργεια βρίσκεται παντού και είναι εξαιρετικά αραιή - ένα κυβικό μέτρο σκοτεινής ενέργειας περιέχει τόση ενέργεια, όση κι ένα άτομο υδρογόνου - και δεν συγκροτείται από σωματίδια. Η σκοτεινή ενέργεια είναι σαν ένα συνεχές, εξαιρετικά ελαστικό μέσο. Η ελαστικότητά της οδηγεί στο πιο σημαντικό και ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της: Η "βαρύτητά" της απωθεί αντί να έλκει. Για τα πρώτα εννιά δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η ελκτική δύναμη της βαρύτητα της ύλης επιβράδυνε τη διαστολή του σύμπαντος. Πριν πέντε δισεκατομμύρια χρόνια, η απωστική δύναμη της σκοτεινής ενέργειας υπερέβη την ελκτική δύναμη της ύλης, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος. Το να καταλάβουμε τη σκοτεινή ενέργεια είναι πολύ σημαντικό τόσο για τους αστρονόμους όσο και για τους φυσικούς. Μέσα στα επόμενα 20 χρόνια, επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια θα ρίξουν νέο φως στη σκοτεινή ενέργεια και ίσως φανούν και μερικές εκπλήξεις. Εγώ, για παράδειγμα, πιστεύω ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι το πιο βαθύ μυστήριο όλης της επιστήμης και ότι η λύση του γρίφου της σκοτεινής ενέργειας θα οδηγήσει σε εξελίξεις αλλού, από την κατανόηση της γέννησης του σύμπαντος, μέχρι τη θεωρία των χορδών.

13 Σκοτεινή ύλη: Αποτελέσματα από το κέντρο του γαλαξία Πριν από περίπου μια δεκαετία τέθηκε σε τροχιά γύρω από τη γη ο δορυφόρος WMAP. Ο σκοπός του ήταν να καταγράψει την ακτινοβολία μικροκυμάτων που φτάνει στη γη από το διάστημα. Η ακτινοβολία αυτή σχετίζεται άμεσα με φαινόμενα που συνέβησαν στα πρώτα στάδια της γέννησης του σύμπαντος και οι παρατηρήσεις του WMAP υπήρξαν πολύ σημαντικές για την επιστήμη της κοσμολογίας. Πέρα από τις άλλες παρατηρήσεις, ο WMAP ανίχνευσε μία περίεργη πηγή ακτινοβολίας μικροκυμάτων στο κέντρο του γαλαξία μας. Η ανάλυση του δορυφόρου δεν ήταν αρκετή για να εξακριβώσουμε τις ιδιότητες της πηγής αυτής αλλά πολλοί φυσικοί πρότειναν ότι ίσως η ακτινοβολία προέρχεται από αλληλοεξουδετερώσεις σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Αξίζει να αναφέρουμε ότι τα συστατικά και οι ιδιότητες της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής και αστρονομίας. Τελικά, οι απορίες σχετικά με την πηγή αυτή, και την ενδεχόμενη σχέση της με τη σκοτεινή ύλη, φαίνεται να απαντούνται με τα τελευταία αποτελέσματα του δορυφόρου Planck της ESA (Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος). Ο δορυφόρος Planck αποτελεί την επόμενη γενιά του WMAP, τόσο από πλευράς τεχνολογίας όσο και ακρίβειας των παρατηρήσεων.

14 Έτσι λοιπόν, τα παρατηρησιακά αποτελέσματα του δορυφόρου Planck επιβεβαίωσαν ότι όντως στο κέντρο του γαλαξία μας υπάρχει μια πηγή ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Όσο για τη σχέση της πηγής αυτής με τη σκοτεινή ύλη, τα αποτελέσματα συνηγορούν στο ότι μάλλον η ακτινοβολία δεν προέρχεται από εξουδετερώσεις σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Το συμπέρασμα αυτό σχετίζεται με το σχήμα της πηγής. Τα φυσικά μοντέλα που περιγράφουν τη σκοτεινή ύλη, γενικά προβλέπουν ότι το σχήμα της πηγής πρέπει να είναι σχετικά σφαιρικό. Όμως αυτό που παρατηρήθηκε από τον δορυφόρο είναι περισσότερο επίμηκες παρά σφαιρικό. Κατά πάσα πιθανότητα λοιπόν, το περίεργο αυτό φαινόμενο σχετίζεται με κάποια άλλη αστροφυσική δραστηριότητα. Σε κάθε περίπτωση, τα αποτελέσματα του ευρωπαϊκού δορυφόρου ωθούν ένα βήμα μπροστά την εξερεύνηση του κέντρου του γαλαξία μας, μιας περιοχής με πολλά ακατανόητα και ενδιαφέροντα φαινόμενα.

15 ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ Στην αστρονομία και στην κοσμολογία, η σκοτεινή ύλη είναι ένας υποθετικός τύπος ύλης που συνεισφέρει κατά μεγάλο ποσοστό στη συνολική μάζα του σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη δε μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας από τηλεσκόπια. Προφανώς δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως ή άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε σημαντικό βαθμό. Αντίθετα, η ύπαρξη και οι ιδιότητές της βασίζονται στις βαρυτικές επιδράσεις πάνω στην ορατή ύλη, ακτινοβολία και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος. Σύμφωνα με την ερευνητική αποστολή Planck και πάνω στη βάση του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model of Cosmology), η συνολική ύλη-ενέργεια του σύμπαντος περιέχει 4.9% συνηθισμένη ύλη, 26.8% σκοτεινή ύλη και 68.3% σκοτεινή ενέργεια. Συνεπώς, η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι συνεισφέρει κατά 84.5% στη συνολική ύλη και κατά 26.8% στο συνολικό περιεχόμενο του σύμπαντος. Ως "σκοτεινή" θεωρείται η ύλη που συνίσταται από υποθετικά σωματίδια ύλης, άγνωστης σύνθεσης, τα οποία δεν εκλύουν ούτε αντανακλούν επαρκώς Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία ώστε να μπορούν να γίνονται άμεσα ανιχνεύσιμα από τα γνωστά αστρονομικά όργανα παρατήρησης.

16 Η θεωρητική ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης προκύπτει από παρατηρούμενα βαρυτικά αποτελέσματα σε ορατή ουράνια ύλη, όπως οι αστέρες και οι γαλαξίες. Στόχος της υπόθεσης της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης είναι να εξηγήσει διάφορες αστρονομικές παρατηρήσεις που δεν φαίνεται να συμφωνούν με τη συνήθη θεωρία για τη βαρύτητα, όπως ανωμαλίες στην ταχύτητα περιφοράς των αστέρων στις παρυφές των γαλαξιών. Η ταχύτητα αυτή είναι μεγαλύτερη από την αναμενόμενη, πράγμα που εξηγείται είτε με την παραδοχή ότι η υπάρχουσα θεωρία για τη βαρύτητα είναι λάθος (υπόθεση στην οποία αντίκεινται πολλά επιχειρήματα) είτε με τη θεώρηση της ύπαρξης μιας μεγάλης ποσότητας μάζας που, προς το παρόν τουλάχιστον, δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης θα έλυνε ένα πλήθος προβλημάτων συνέπειας στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Ωστόσο, ο καθορισμός της φύσης αυτής της ελλείπουσας μάζας του Σύμπαντος είναι ένα από τα πιο περίπλοκα προβλήματα της σύγχρονης κοσμολογίας.

17 Η ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ ΚΑΙ Η ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Πείραμα της Nasa Τα βαρυτικά «πηγάδια» που παράγονται από τη σκοτεινή ύλη ακολουθούνται από το σχηματισμό των γαλαξιών. Εκεί συγχωνεύτηκαν τα αέρια ελεύθερου υδρογόνου, και δημιουργήθηκαν τα πρώτα αστέρια. Το Πείραμα Κοσμικού Υπέρυθρου Υποβάθρου (CIBER) μελετά τη συνολική φωτεινότητα του ουρανού, ώστε να εξετάσει στοιχεία από τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες, χρησιμοποιώντας φασματικές υπογραφές και αναζητώντας συγκεκριμένα χωρικά μοτίβα. Επιστήμονες της NASA αναζητούν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα με την έναρξη του πειράματος CIBER στις 4 Ιουνίου, αφού εκτοξευτεί με τον πύραυλο Black Brant XII από το Wallops Flight στη Βιρτζίνια. «Τα πρώτα μεγάλα αστέρια που σχηματίστηκαν στο σύμπαν παρήγαγαν άφθονο υπεριώδες φως, το οποίο ιόνισε αέρια από ουδέτερο υδρογόνο. Το CIBER παρατηρεί κοντά στο υπέρυθρο φάσμα, καθώς η διαστολή του σύμπαντος μετέτρεψε τα αρχικά βραχέα υπεριώδη μήκη κύματος σε μακρά σχεδόν υπέρυθρα σήμερα. Το πείραμα ερευνά δύο χαρακτηριστικές υπογραφές του σχηματισμού των πρώτων αστεριών: τη συνολική φωτεινότητα του ουρανού μετά την αφαίρεση όλων των παρεμβολών, και ένα χαρακτηριστικό μοτίβο χωρικών διακυμάνσεων», δήλωσε o Τζέημι Μποκ, επικεφαλής ερευνητής του CIBER, από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. «Οι στόχοι του πειράματος είναι θεμελιώδους σημασίας για την αστροφυσική, καθώς εξετάζει τη διαδικασία του σχηματισμού των πρώτων γαλαξιών, αλλά η μέτρηση είναι επίσης εξαιρετικά ενδιαφέρουσα από άποψη τεχνικής δυσκολίας», πρόσθεσε. Αυτή θα είναι η τέταρτη πτήση του CIBER πάνω σε έναν πύραυλο της NASA. Οι προηγούμενες εκτοξεύσεις ήταν το 2009, 2010 και 2012 αντίστοιχα, από την περιοχή White Sands στο Νέο Μεξικό. Μετά από κάθε πτήση ο εξοπλισμός του πειράματος ανακτήθηκε για τροποποιήσεις, ανάλυση και προετοιμασία για μεταγενέστερες πτήσεις. Σε αυτή την πτήση το CIBER θα πετάξει σε έναν αρκετά μεγαλύτερο και ισχυρότερο πύραυλο από ότι στο παρελθόν. Αυτό σημαίνει ότι το CIBER θα βρεθεί σε μεγαλύτερο υψόμετρο (563 χιλιόμετρα), διαθέτοντας έτσι περισσότερο χρόνο παρατήρησης για τα όργανά του. Το πείραμα θα προσθαλασσωθεί με ασφάλεια στον Ατλαντικό Ωκεανό, 400 μίλια από την ακτή της Βιρτζίνια, αλλά δε θα ανακτηθεί. Το CIBER αποτελεί προϊόν συνεργασίας του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας με το Πανεπιστήμιο Irvine της Καλιφόρνια, τη διαστημική υπηρεσία της Ιαπωνίας (JAXA), και το Ινστιτούτο Αστρονομίας και Επιστήμης του Διαστήματος της Κορέας (KASI). Η ίδια ομάδα αναπτύσσει μια βελτιωμένη εκδοχή του πειράματος, το οποίο θα ολοκληρωθεί το επόμενο έτος και θα διαθέτει πιο ισχυρούς αισθητήρες και οπτικές δυνατότητες.

18 Σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια: Οι δύο όψεις του ιδίου νομίσματος; αστρονόμοι του πανεπιστημίου St Andrews πιστεύουν ότι μπορούν να διευκρινίσουν την σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος ρίχνοντας περισσότερο φως σε δύο από τα πιο μυστήρια συστατικά του. Ο Dr Hong Sheng Zhao του Πανεπιστημίου Φυσικής και Αστρονομίας, έχει δείξει ότι η αινιγματική σκοτεινή ύλη και η συμπληρωματική της, σκοτεινή ενέργεια, πιθανότατα συνδέονται πολύ περισσότερο από ότι θεωρούνταν μέχρι τώρα. Μόνο το 4% του σύμπαντος είναι φτιαγμένο από υλικό που είναι γνωστό το υπόλοιπο 96% χωρίζεται σε δύο τομείς, την σκοτεινή ύλη και τη σκοτεινή ενέργεια. Ένας Βρετανός Αστροφυσικός ο Dr Zhao σημειώνει. Η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια μπορεί να είναι οι δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Καθώς οι αστρονόμοι θα κατανοούν όλο και περισσότερο τα περίπλοκα αποτελέσματα της σκοτεινής ενέργειας στους γαλαξίες στο μέλλον, θα λύσουμε ευθύς αμέσως το μυστήριο της σκοτεινής ύλης. Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι ολόκληρο το σύμπαν και οι γαλαξίες συγκρατούνται μεταξύ τους λόγω της βαρυτικής έλξης που ασκείται από μια τεράστια ποσότητα αόρατης ύλης, την οποία πρώτη φορά παρατήρησε ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky το 1933, η οποία είναι ευρέως γνωστή ως σκοτεινή ύλη. Στο μοντέλο του Dr Zhao, η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη είναι απλά δύο διαφορετικές εκδηλώσεις του ιδίου πράγματος, το οποίο αυτός καλεί σκοτεινό ρευστό (dark fluid). Στην κλίμακα των γαλαξιών, το σκοτεινό αυτό ρευστό συμπεριφέρεται ως ύλη αλλά στην συμπαντική κλίμακα συμπεριφέρεται ως ενέργεια οδηγώντας στην διαστολή του σύμπαντος. Αξίζει να σημειωθεί, πως το μοντέλο του Dr Zhao, σε αντίθεση με άλλα μοντέλα, είναι αρκετά λεπτομερές ώστε να παράγει την αναλογία 3 : 1 σκοτεινής ενέργειας προς σκοτεινή ύλη, η οποία προβλέπεται από τους κοσμολόγους. Προσπάθειες για την αναζήτηση πολύ μαζικών, σκοτεινής ύλης, σωματιδίων είναι σε εξέλιξη. Ο LHC (Large Hadron Collider) στο CERN είναι ένας επιταχυντής σωματιδίων που μεταξύ άλλων, ενδεχομένως ανιχνεύσει σωματίδια σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τον Dr Zhao, οι προσπάθειες αυτές μπορεί να αποβούν άκαρπες. Πιο συγκεκριμένα, η σκοτεινή ύλη μπορεί να εμφανίζεται σε εκπληκτικά χαμηλές θερμοκρασίες, τόσο χαμηλές που δεν μπορούν να ερευνηθούν με τον LHC. Η αναζήτηση σωματιδίων σκοτεινής ύλης έχει μέχρι στιγμής επικεντρωθεί στην έρευνα σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Αν η σκοτεινή ύλη λοιπόν είναι ένα δίδυμο φαινόμενο της σκοτεινής ενέργειας, τότε αυτή δεν πρόκειται να εμφανιστεί σε ερευνητικές διατάξεις όπως ο LHC, όμως παρατηρείται συνέχεια από τους αστρονόμους στους γαλαξίες. Παρόλα αυτά το σύμπαν μπορεί να κενό σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Τα ευρήματα του Dr Zhao είναι επίσης συμβατά, με μια ερμηνεία του σκοτεινού συστατικού ως τροποποίηση του νόμου της βαρύτητας, παρά σωματιδίων ενέργειας.

19 Ο Dr Zhao καταλήγει. Χωρίς να έχει σημασία τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, αυτά είναι δύο φαινόμενα τα οποία πιθανότατα δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Η επιταχυνόμενη Διαστολή του Σύμπαντος και η Σκοτεινή Ενέργεια Οι περισσότεροι επιστήμονες, μέχρι τα τέλη σχεδόν του περασμένου αιώνα, θεωρούσαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνεται, κάτι που θεωρούνταν απολύτως φυσιολογικό, αφού σ αυτές τις κολοσσιαίες κοσμικές κλίμακες η βαρύτητα είναι εκείνη η φυσική αλληλεπίδραση που υπερισχύει. Και καθώς η βαρύτητα είναι πάντα ελκτική, από τη στιγμή της δημιουργίας του και μετά, από τη στιγμή δηλαδή που η Μεγάλη Έκρηξη γέννησε τον ίδιο το χώρο και το χρόνο, η διαστολή του επιβραδύνεται. Γι αυτό, όταν ξεκίνησε στα 1987 το διεθνές ερευνητικό

20 πρόγραμμα Supernova Cosmology Project, ο βασικός του στόχος ήταν να υπολογίσει, μέσα από την ανίχνευση συγκεκριμένων σουπερνόβα εκρήξεων, αυτόν ακριβώς το ρυθμό επιβράδυνσης της διαστολής του. Λίγα χρόνια αργότερα, και συγκεκριμένα το 1995, μία δεύτερη ερευνητική ομάδα, η High Z Supernova Team, μπήκε στο παιχνίδι. Τα αποτελέσματα των δύο ερευνητικών ομάδων που ανακοινώθηκαν επίσημα τον Ιανουάριο και τον Φεβρουάριο του 1998 άφησαν τη διεθνή επιστημονική κοινότητα «με το στόμα ανοιχτό»! Γιατί η ανάλυση των δεδομένων, αντί απλά να οδηγήσει στον υπολογισμό του ρυθμού επιβράδυνσης της διαστολής του Σύμπαντος με περισσότερη ακρίβεια, όπως όλοι περίμεναν, οδήγησε τους ερευνητές στο ακριβώς αντίθετο, στο συμπέρασμα δηλαδή ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται! Οι επιστήμονες κατέληξαν ότι, προκειμένου να εξηγηθεί αυτή η επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή, το συνολικό απόθεμα μάζας και ενέργειας του Σύμπαντος θα πρέπει να κυριαρχείται από ένα άγνωστο, παράξενο και βαρυτικά απωστικό «κάτι». Αυτό το κάτι το ονόμασαν «σκοτεινή Ενέργεια». Και είναι πράγματι σκοτεινή γιατί, ακόμα και σήμερα, 15 χρόνια μετά την επιβεβαίωση της ύπαρξής της, η φύση της σκοτεινής αυτής ενέργειας εξακολουθεί να διαφεύγει από τους επιστήμονες. Με αυτά τα νέα δεδομένα προκύπτει κάτι εξίσου εντυπωσιακό, που αναδεικνύει παράλληλα και τον όγκο της άγνοιάς μας για το Σύμπαν στο οποίο ζούμε. Γιατί φαίνεται ότι από το συνολικό ποσοστό μάζας και ενέργειας του Σύμπαντος ένα συγκλονιστικό 68,3% αντιστοιχεί στην άγνωστη σκοτεινή ενέργεια, ενώ ένα ακόμα 26,8% αντιστοιχεί στην εξίσου άγνωστη σκοτεινή ύλη, και μόλις το 4,9% που απομένει αντιστοιχεί στην κλασική, βαρυονική ύλη από την οποία αποτελούνται τα μυριάδες άστρα των 100 δισεκατομμυρίων γαλαξιών του Σύμπαντος, αλλά κι εμείς οι ίδιοι.

21 Για να περιγράψουμε όσο είναι δυνατό την εξέλιξη των επαναστατικών ιδεών που οδήγησαν την επιστημονική κοινότητα να παραδέχεται σήμερα ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται, θα χρειαστεί να ανατρέξουμε περίπου 100 χρόνια πριν, όταν η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας δεν είχε διατυπωθεί ακόμα, σε μια εποχή όπου ήταν κοινή πεποίθηση ότι το Σύμπαν είναι σταθερό, αιώνιο και αμετάβλητο. Σύμφωνα με το κοσμοείδωλο εκείνης της εποχής, το Σύμπαν αποτελούνταν αποκλειστικά από τον Γαλαξία μας, ένα απομονωμένο δηλαδή σμάρι άστρων περιβαλλόμενο από το απέραντο κενό του διαστήματος. Μέσα σ αυτό το γενικότερο κλίμα απόρριψης μιας κοσμολογικής εξέλιξης, κι αυτός ακόμη ο Αϊνστάιν, που διατύπωσε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, ήταν αδύνατο να μείνει ανεπηρέαστος. Πιστεύοντας και ο ίδιος ακράδαντα σε ένα στατικό Σύμπαν και συνειδητοποιώντας ότι η επίλυση των εξισώσεων της Γενικής Σχετικότητας αναδεικνύει και δυναμικές λύσεις, με άλλα λόγια επιτρέπει την ύπαρξη είτε διαστελλόμενων είτε συστελλόμενων συμπάντων, ο Αϊνστάιν προσπάθησε «τεχνητά» να τις «ακυρώσει» εισάγοντας στις εξισώσεις του, κάπως αυθαίρετα ίσως, έναν ακόμη όρο, γνωστό σήμερα ως κοσμολογική σταθερά. Η κοσμολογική σταθερά αντιπροσώπευε μια μορφή ενέργειας διάχυτης σε όλο το χώρο, η οποία είχε την παράξενη ιδιότητα να αντιστέκεται στη περαιτέρω συστολή του Σύμπαντος ακριβώς κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να οδηγεί σε ένα στατικό Σύμπαν. Σιγά-σιγά όμως η εικόνα των επιστημόνων για το Σύμπαν άρχισε να αλλάζει. Ήδη στα 1922 και 1924, ο Ρώσος μαθηματικός Friedmann ( ) δημοσίευσε ορισμένες λύσεις των εξισώσεων της Γενικής Σχετικότητας, οι οποίες αντιστοιχούσαν σε μη στατικά Σύμπαντα. Η τυχαία ανακάλυψη το 1965 από τους Arno Penzias (1933- ) και Robert Wilson (1936- ) της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, του θερμικού αυτού υπολείμματος του υπέρθερμου παρελθόντος του αρχέγονου Σύμπαντος, αποτέλεσε το δεύτερο, μετά τη διαστολή του Σύμπαντος, θεμελιώδες παρατηρησιακό δεδομένο πάνω στο οποίο στηρίζεται η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Το τρίτο αφορά στην επονομαζόμενη εποχή της πυρηνοσύνθεσης και στις μετρήσιμες περιεκτικότητες του νεαρού Σύμπαντος σε υδρογόνο, ήλιο και λίθιο, οι οποίες ταιριάζουν απόλυτα με αυτές που προβλέπει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Οι τρεις αυτές θεμελιώδεις παρατηρήσεις σε συνδυασμό με τις μελέτες, μεταξύ άλλων, των Friedmann, Lemaitre και

22 Gamow οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι εάν γυρίσουμε την κοσμική ταινία της εξέλιξης του Σύμπαντος προς τα πίσω, όταν οι γαλαξίες του Σύμπαντος βρίσκονταν πλησιέστερα ο ένας με τον άλλον, όταν το ίδιο το Σύμπαν γινόταν ολοένα και νεότερο, ολοένα και θερμότερο, θα φτάσουμε σε ένα «σημείο» όπου η πυκνότητα και η θερμοκρασία του γίνονται άπειρες, όπου ο χώρος και ο χρόνος παύουν να έχουν νόημα. Πρόκειται για τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, που πριν από 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια δημιούργησε τον ίδιο το χώρο και το χρόνο, καθώς και όλη την ύλη και την ενέργεια που εμπεριέχει. Από τη στιγμή αυτή και μετά, το Σύμπαν συνέχισε να διαστέλλεται με επιβραδυνόμενο ρυθμό εξαιτίας της βαρύτητας που τείνει να φρενάρει την επέκτασή του, ενώ η θερμοκρασία του συνεχώς μειώνονταν. Το εξαιρετικά ενδιαφέρον είναι ότι κάτι αντίστοιχο με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν προβλέπεται και από την κβαντική φυσική, τη φυσική του ελάχιστου. Ο κενός χώρος, λέει η κβαντική φυσική, δεν είναι στην πραγματικότητα καθόλου κενός αλλά αντίθετα είναι γεμάτος με μια «θάλασσα» εικονικών στοιχειωδών σωματιδίων που δημιουργούνται ξαφνικά και εξαϋλώνονται τόσο αστραπιαία που η απευθείας ανίχνευσή τους είναι αδύνατη. Το γεγονός αυτό προσδίδει στον κενό χώρο μια ενεργειακή πυκνότητα, μιας μορφής ενέργεια, αντίστοιχη κατά κάποιο τρόπο με την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Μια παράξενη ενέργεια με αρνητική πίεση, που της προσδίδει βαρυτικά απωστικές ιδιότητες. Όταν όμως οι επιστήμονες προσπάθησαν να υπολογίσουν αυτή την ενέργεια του κενού βασισμένοι στις γνώσεις τους της κβαντικής φυσικής βρέθηκαν μπροστά σε ένα ακόμα παράδοξο αφού η τιμή στην οποία κατέληξαν ήταν (10 στην 120 η δύναμη) φορές μεγαλύτερη από αυτήν που απαιτείται για να εξηγήσει την κοσμική επιτάχυνση. Ένας ασύλληπτα ακραίος αριθμός, ακόμα και για τα κοσμολογικά δεδομένα, αφού για παράδειγμα από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης μέχρι σήμερα έχει περάσει ένας αριθμός της τάξης των (δέκα στην 17 η δύναμη) «μόλις» δευτερολέπτων. Για να το πούμε διαφορετικά, αν και η κβαντική μηχανική μας προσφέρει με απόλυτα φυσικό τρόπο έναν υποψήφιο για τη σκοτεινή ενέργεια, ο υποψήφιος αυτός είναι 120 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερος από αυτόν που θέλουμε. Και για να γίνουν τα πράγματα ακόμη πιο δυσνόητα, η κοσμική επιτάχυνση του Σύμπαντος, η στιγμή δηλαδή που η κοσμολογική σταθερά, ή οτιδήποτε άλλο είναι αυτή η σκοτεινή ενέργεια, υπερίσχυσε της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, φαίνεται να ξεκίνησε πριν από περίπου 6,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Γιατί όμως τότε και όχι νωρίτερα ή αργότερα; Η βαθύτερη αιτία γι αυτό παραμένει μέχρι σήμερα άγνωστη. Άλλοι επιστήμονες πάλι, υιοθετούν την άποψη ότι η σκοτεινή ενέργεια είναι κάποιο νέο είδος δυναμικού ενεργειακού πεδίου, διάχυτου σε όλο το χώρο, που ονομάστηκε πεμπτουσία, η οποία σε αντίθεση με τη κοσμολογική σταθερά μεταβάλλεται στο χώρο και στο χρόνο. Κάποιοι άλλοι, τέλος, που αποτελούν και τη μειοψηφία, υποστηρίζουν ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν κάπου καταρρέει και απαιτείται μια νέα θεωρία βαρύτητας.

23 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Ποια είναι τα πιθανά σενάρια; Η κυρίαρχη άποψη για την μελλοντική εξέλιξη του σύμπαντος είναι ότι μεγαλώνει, κρυώνει και σιγά σιγά «πεθαίνει». Π.χ. Σε δισεκατομμύρια χρόνια, κάποια στιγμή δεν θα υπάρχει φως. Μια άλλη άποψη που έχει διατυπωθεί από τους λάτρεις των διαφόρων θρησκειών (π.χ. βουδιστές, χριστιανοί, καθολικοί, μουσουλμάνοι) είναι πως ο θεός της κάθε θρησκείας θα σώσει τον κόσμο και την ανθρωπότητα. Επίσης, μπορεί ο άνθρωπος να διατηρηθεί όταν το Σύμπαν θα παγώνει και η διαστολή του θα φθάνει στα έσχατα όρια. Υπάρχουν μερικοί επιστήμονες, όπως ο διάσημος φυσικός Dyson, οι οποίοι δέχονται ότι ο άνθρωπος θα εξακολουθεί να υπάρχει επ άπειρον. Γιατί όταν φθάσει το Σύμπαν στα πολύ μακρινά όρια της εξελίξεως του, η τεχνολογία του ανθρώπου θα μπορεί να δημιουργεί νησίδες συγκεντρωμένης ύλης και ενέργειας.

24 ΑΝΑΠΑΝΤΗΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗ ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, παρά τις πειραματικές της επιβεβαιώσεις αφήνει και κάποια φυσικά και φιλοσοφικά ερωτήματα αναπάντητα, τα βασικότερα των οποίων είναι: Προβλέπει ένα μικρότερο σύμπαν από αυτό που υπάρχει σήμερα. Δεν εξηγεί την Κοσμολογική Αρχή, αλλά την δέχεται αξιωματικά, πράγμα ασυμβίβαστο με την μαθηματική ανάλυση. Τι υπήρχε πριν; Πως από το τίποτα προήλθαν τα πάντα; Γιατί δημιουργήθηκαν οι συγκεκριμένοι φυσικοί νόμοι και όχι κάποιο άλλοι; Γιατί για παράδειγμα ο χωροχρόνος είναι τετραδιάστατος;

25 ΕΠΙΛΟΓΟΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συνολικά, η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αφήνει πολλά αναπάντητα ερωτήματα, ωστόσο αποτελεί την επικρατέστερη θεωρία για τη δημιουργία του σύμπαντος στις μέρες μας. Όπως κάθε θεωρία, έτσι και αυτή έχει κάποια κενά, αφήνοντας μερικά αναπάντητα ερωτήματα ήσσονος σημασίας. Παρουσιάζει επίσης αδυναμία ερμηνείας κάποιων φαινομένων και δέχεται αξιωματικά κάποιες αρχές όπως συμβαίνει με κάθε θεωρία. Αναμένουμε ότι αυτή η θεωρία θα ολοκληρωθεί στο μέλλον καθώς τα όργανα παρατήρησης και η ανθρώπινη σκέψη θα εξελίσσονται. Προβλέπεται πως θα μπορεί να ερμηνεύσει κάθε φαινόμενο που θα παρατηρηθεί στο μέλλον και φυσικά δεν θα κλονιστούν τα θεμέλια της από κάποια νεοεμφανιζόμενη θεωρία. Άλλωστε οι υπόλοιπες κοσμολογικές θεωρίες που υπάρχουν σήμερα προσπαθούν να την συμπληρώσουν και να την επεκτείνουν.

26 -Βικιπαίδεια ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΗΓΕΣ -Ελληνική ομάδα εκλαΐκευσης του πολυτεχνείου.

27