Η Ηχώ της Δημιουργίας

Transcript

1 Η Ηχώ της Δημιουργίας Δρ Μάνος Δανέζης Επίκουρος Καθηγητής Αστροφυσικής Ήδη από το 1946 ο George Gamow ( ), βασιζόμένος στη Θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης, διατύπωσε τις απόψεις του για τη δημιουργία των στοιχείων της ύλης κατά τη διάρκεια των πρώτων περιόδων του Σύμπαντος. Στο πλαίσιο αυτής της θεωρίας, ο Gamow πρόβλεψε ότι θα έπρεπε, κάθε στιγμή, να δεχόμαστε από κάθε κατεύθυνση του χώρου που μας περιβάλλει μια ακτινοβολία κατανεμημένη ισότροπα. H ακτινοβολία αυτή θα ήταν το υπόλειμμα της ακτινοβολίας που δημιουργήθηκε κατά την περίοδο της Mεγάλης Έκρηξης. Aυτή η μη ανιχνευθείσα, κατά τον Gamow, μέχρι τότε ακτινοβολία, αν εντοπιζόταν, θα αποτελούσε μια σημαντική απόδειξη τόσο της Θεωρίας της Mεγάλης Έκρηξης όσο και της Θεωρίας για τη γέννηση των στοιχείων. Tο 1965 οι Αμερικανοί φυσικοί Arno Allan Penzias και Robert Woodrow Wilson μελέτησαν την κατανομή της ακτινοβολίας που φτάνει μέχρι τη Γη, σε μήκη κύματος λίγων εκατοστών. Μετά από έρευνα ετών ανίχνευσαν μια διάχυτη ακτινοβολία που έφτανε ομοιόμορφα απ όλα τα σημεία του Διαστήματος. Η ακτινοβολία αυτή αντιστοιχούσε σε εκπεμπόμενη ακτινοβολία μέλανος σώματος θερμοκρασίας 2,7 βαθμών Kέλβιν. Από φυσικής απόψεως, ήταν αξιοπρόσεκτο ότι η ακτινοβολία αυτή δεν είχε ως αίτιό της καμιά γήινη ή αστρική πηγή και έτσι θεωρήθηκε ότι ήταν ο ραδιοφωνικός απόηχος της Mεγάλης Έκρηξης. H ισοτροπία της μετρηθείσας τότε ακτινοβολίας μικροκυμάτων υπήρξε εντυπωσιακή, εφόσον οι διαφορές της έντασής της κατά τις διάφορες διευθύνσεις δεν ήταν μεγαλύτερες του 1%. Γι αυτήν ακριβώς την ανακάλυψή τους τιμήθηκαν με το Nομπέλ Φυσικής το Εντούτοις, μετά από νέες μετρήσεις των Marc Postman και Tom Lauer, κατά το διαπιστώθηκε μια ελαχιστότατη ανισοτροπία. Η ανισοτροπία αυτή εξηγείται εφόσον γνωρίζουμε ότι ο Γαλαξίας μας, μαζί με άλλους 119 γαλαξίες του Τοπικού Σμήνους γαλαξιών, που τον περιβάλλουν, κινείται σε σχέση με το υπόβαθρο της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, με ταχύτητα περίπου 690 Km/sec, προς ένα σημείο του ουρανού όπου βρίσκεται ο αστερισμός της Παρθένου. H ανισοτροπία αυτή εμμέσως μάς δίνει τη δυνατότητα να βγάλουμε πολύ ενδιαφέροντα συμπεράσματα για την κατανομή της ύλης μέσα στο Σύμπαν. 1

2 Όπως πιστεύει ο Tom Lauer, η κίνηση του Τοπικού Σμήνους γαλαξιών οφείλεται στη βαρυτική έλξη μιας τεράστιας σκοτεινής και αόρατης ύλης, που ονομάζεται Mεγάλος Έλκτης. Όπως αναφέραμε, η ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου είναι δυνατόν να αποτελεί το υπόλειμμα της ακτινοβολίας του Σύμπαντος χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η παρατηρούμενη σήμερα ακτινοβολία των 2,74 Κ είναι το υπόλειμα μια αρχέγονης θερμοκρασίας Κ που επικρατούσε στο Σύμπαν χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Στη συνέχεια η θερμοκρασία αυτή προκειμένου να φτάσει στα σημερινά επίπεδα μειώθηκε σχεδόν χίλιες φορές, καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και καταλάμβανε όσο και περισσότερο χώρο. Η προηγούμενη θεωρητική εικόνα, όσο όμορφη και τακτική κι αν φαίνεται, περιγράφει μια ομοιόμορφη κατανομή ύλης και ακτινοβολίας στο Σύμπαν η οποία, όπως αποδεικνύεται σήμερα, δεν αντιστοιχεί απόλυτα στην πραγματικότητα. Το γεγονός αυτό προκύπτει από σύγχρονες χαρτογραφήσεις μεγάλης κλίμακας του ουρανού, οι οποίες στηρίζονται στην καταγραφή σμηνών γαλαξιών. Στους χάρτες αυτούς παρουσιάζεται μια μη ομοιόμορφη κατανομή της ύλης του Σύμπαντος, άρα και της ακτινοβολίας. Η δομή του Σύμπαντος χαρακτηρίζεται από τοπικές υπερσυγκεντρώσεις σμηνών γαλαξιών, αλλά και κενών διαστημάτων που οι διαστάσεις τους φτάνουν τα 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Το υλικό που περιβάλλει κάθε ένα από τα μεγάλα αυτά κενά ονομάζεται Μεγάλο Τείχος. Πώς είναι δυνατόν λοιπόν μια ισότροπη ακτινοβολία, όπως αυτή των 2,7Κ, να ερμηνεύσει και να περιγράψει την εξέλιξη ενός τελείως ανομοιογενούς Σύμπαντος που χαρακτηρίζεται από υπερσυγκεντρώσεις γαλαξιών στα Μεγάλα Τείχη διασκορπισμένων μέσα στα μεγάλα κενά; Στο ερώτημα αυτό έδωσε απάντηση η επιστημονική κοινότητα μέσω των αστρονομικών οργάνων του διαστημικού εργαστηρίου COBE (Cosmic Backgrοund Explorer), ο οποίος εκτοξεύτηκε το Όπως αναφέραμε, ένα κομμάτι από την αρχική λάμψη της Mεγάλης Έκρηξης εξακολουθεί πιθανότατα να βρίσκεται σήμερα γύρω μας με τη μορφή της μικροκυματικής ακτινοβολίας που κάλυπτε το Σύμπαν τα πρώτα εκατομμύρια χρόνια τα οποία ακολούθησαν την έκρηξη. Όπως πιστεύουμε σήμερα, οι γαλαξίες πρέπει να σχηματίστηκαν από αυξανόμενες δυνάμεις βαρύτητας, οι οποίες συνένωσαν την ύλη. Δηλαδή αυτό σημαίνει ότι το αρχικό Σύμπαν δεν είχε παντου την ίδια ακριβώς πυκνότητα. Για να αληθεύει όμως αυτή η άποψη, θα έπρεπε οι διακυμάνσεις της ύλης να δημιουργούν και διακυμάνσεις της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. 2

3 Πράγματι, το COBE, που είχε τεθεί σε τροχιά 800 Km πάνω από την επιφάνεια της Γης από τα τέλη του 1989, εντόπισε διακυμάνσεις στη θερμοκρασία της ακτινοβολίας, η οποία βρίσκεται στους 270 βαθμούς κάτω από το μηδέν. Aυτές οι διακυμάνσεις τριάντα εκατομμυριοστά του ενός βαθμού ισοδυναμούν με ανεπαίσθητες διαφορές στην πυκνότητα της ύλης, δηλαδή κυματισμούς από λεπτά νέφη που περιβάλλονται από λιγότερο πυκνή ύλη. Το COBE κατάφερε να τραβήξει μια «φωτογραφία» του Σύμπαντος χρόνια μετά τη Mεγάλη Έκρηξη. Δηλαδή σε μια χρονική στιγμή κατά την οποία η νεφελώδης πύρινη σφαίρα της ακτινοβολίας και της ύλης που είχε προκληθεί από την έκρηξη, ψυχόταν. Οι διακυμάνσεις αυτές αντιστοιχούν πυκνώματα ύλης όχι μικρότερα των 500 εκατομμυρίων ετών φωτός. Όμως, παρά την ελάχιστη διακύμανση της ακτινοβολίας υποβάθρου την οποία εντόπισε το COBE, πολλά ερωτήματα έμειναν αναπάντητα. Το πιο σημαντικό αφορούσε την αδυναμία του διαστημοπλοίου COBE να συσχετίσει τις διακυμάνσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου με συγκεκριμένους γαλαξιακούς σχηματισμούς, τα λεγόμενα υπερσμήνη γαλαξιών, επειδή η διακριτική ικανότητα των οργάνων του διαστημοπλοίου ήταν ελαχιστότατη. Οι μικροδιακυμάνσεις μικρής κλίμακας της ακτινοβολίας υποβάθρου αποτελούν κριτήριο πολλών κοσμολογικών μοντέλων και κυρίως του πληθωριστικού, που τις προβλέπει και το οποίο θα αναπτύξουμε σε άλλη μας εκπομπή. Σε ένα δεύτερο επίπεδο, οι μικροδιακυμάνσεις μας δίνουν πληροφορίες για το είδος της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος, δηλαδή της ύλης που δεν εκπέμπει ακτινοβολία για να τη μετρήσουμε, ή αποτελείται από παράξενα και εξωτικά αντικείμενα τα οποία βρίσκονται έξω από την εποπτεία των ανθρώπινων αισθήσεων και μετρήσεων. Η ύπαρξη αυτών των μικροδιακυμάνσεων της ύλης και της ακτινοβολίας μέσα τις βρεφικές περιόδους του Σύμπαντος, αποτελεί σήμερα την καλύτερη ερμηνεία της εξέλιξης και της δυναμικής συμπεριφοράς τόσο των γαλαξιών όσο και των σμηνών γαλαξιών. Σύμφωνα με μια πολύ ενδιαφέρουσα θεωρητική πιθανότητα, οι μικροδιακυμάνσεις μπορεί να οφείλονται, τουλάχιστον εν μέρει, σε δημιουργούμενα βαρυτικά κύματα. Οι παρατηρήσεις μάς οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η ποσότητα της σκοτεινής ύλης που δεν ακτινοβολεί, είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη που ακτινοβολεί και γίνεται αντιληπτή από τις αισθήσεις ή τα όργανά μας. Εκτός των προηγουμένων παρατηρήσεων, οι αντίστοιχες μετρήσεις μάς έχουν οδηγήσει στο συμπέρασμα ότι η ύλη που που γεμίζει το Σύμπαν, τουλάχιστον μέχρι μια απόσταση του ενός 3

4 δισεκατομμυρίου ετών φωτός, κατά 99% περίπου, αποτελείται από υλικό εντελώς διαφορετικό από αυτό που συναντάμε στα άστρα. Θεωρητικά μπορούμε να προβλέψουμε ότι το υλικό αυτό αποτελείται από θερμή και ψυχρή σκοτεινή ύλη. Επειδή όμως η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το υλικό του υπόλοιπου Σύμπαντος, παρά μόνο μέσω της βαρύτητας, θα περιμέναμε η ψυχρή σκοτεινή ύλη να σχημάτιζε αυτοτελείς συμπυκνώσεις πριν από την αποδέσμευση της κοινής ύλης από την ακτινοβολία. Τα πυκνώματα αυτά, θα συγκέντρωναν γύρω τους βαρυτικά τη συμβατική ύλη σε δομές που αργότερα θα κατέληγαν σε γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών. Οι εν λόγω συμπυκνώσεις θα έπρεπε να είχαν αφήσει τα ίχνη τους πάνω στην ακτινοβολία υποβάθρου, δημιουργώντας ανισοτροπίες στην κατανομή της. Πιθανότατα, λοιπόν, οι μικροδιακυμάνσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου που έχουν παρατηρηθεί να οφείλονται σ αυτές τις αρχέγονες ανισοτροπίες του συμπαντικού υλικού. Ένα άλλο αίτιο δημιουργίας των μικροδιακυμάνσεων της ακτινοβολίας μικροκυμάτων πιθανότατα να είναι τα βαρυτικά κύματα. Από τα μέσα της δεκαετίας του 80, πολύ πριν εκτοξευθεί το COBE, ο Roberto Fabbri και ο Martin Pollock στην Ιταλία, ο Larry Allot και ο Mark Wise στις Η.Π.Α. και ο Alexei Starobinsky στη Μόσχα είχαν διατυπώσει την άποψη ότι η ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων στο Σύμπαν πιθανότατα να δημιουργούσε μικροανισοτροπίες στην ακτινοβολία υποβάθρου, σαν αυτές που αργότερα ανακάλυψε το διαστημικό εργαστήριο COBE. Για να ξεχωρίσουμε ποιο ποσοστό από τις παρατηρούμενες μικροδιακυμάνσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου οφείλονται στις διαταραχές της πυκνότητας της ύλης και ποιο στα δημιουργούμενα βαρυτικά κύματα, θα πρέπει να μελετήσουμε τη διασπορά των ανισοτροπιών της ακτινοβολίας υποβάθρου σε διαφορετικές συμπαντικές κλίμακες. Τα βαρυτικά κύματα βεβαια δεν μπορούν να προκαλέσουν μεγάλες ανισοτροπίες αλλά αντίστοιχες αυτών που υπολόγισε ο COBE. Όπως ήδη αναφέραμε, η ακτινοβολία μικροκυμάτων, μαζί με την παρατηρούμενη απομάκρυνση όλων των γαλαξιών από τη Γη, που θα συζητήσουμε στην επόμενη εκπομπή μας, αποτελούν τα δύο κύρια αποδεικτικά στοιχεία στα οποία στηρίζεται η κοσμολογική Θεωρία της Mεγάλης Έκρηξης. Tο πρώτο ερώτημα το οποίο τέθηκε μετά την ανακάλυψη της ακτινοβολίας μικροκυμάτων ήταν το αν θα μπορούσε αυτή η ακτινοβολία να μην πηγάζει από το κοσμικό υλικό των πρώτων στιγμών της δημιουργίας του Σύμπαντος, αλλά από μια σειρά φυσικών γεγονότων μεταγενέστερων εποχών. 4

5 Tο 1968 οι αστροφυσικοί F. Hoyle, N. C. Wickramasinghe και V. C. Reddish, υπέθεσαν ότι ολόκληρη η ποσότητα του αέριου ηλίου που ανιχνεύεται στο Σύμπαν είναι προϊόν των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων οι οποίες δημιουργούνται στο εσωτερικό των αστεριών. Μέσω της εργασίας τους απέδειξαν ότι η παραγόμενη ακτινοβολία είναι δυνατόν αφού απορροφηθεί και εκπεμφθεί ξανά από τα μεσογαλαξιακά σωματίδια να δώσει τελικά ένα φαινόμενο όπως αυτό της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Tο πρόβλημα, όμως, ήταν ότι δεν είχαν εντοπιστεί στο Σύμπαν τα κατάλληλα σωματίδια που θα μπορούσαν να προκαλέσουν αυτό το φαινόμενο. Nεότερες έρευνες εντόπισαν στο διάστημα κόκκους σιδήρου, μήκους ενός χιλιοστού και πάχους ενός μικρομέτρου, τους ονομαζόμενους κοσμικούς κόκκους, που θα μπορούσαν να προκαλέσουν το προηγούμενο φαινόμενο. Tα σωματίδια αυτά, όπως απέδειξαν εργαστηριακές μελέτες, μπορούν να δημιουργηθούν, όταν ατμοί μετάλλων ψυχθούν και συμπυκνωθούν σχετικά αργά. Tέτοια σωματίδια μπορούν να παραχθούν κατά τις εκρήξεις των Υπερκαινοφανών και να μεταφέρονται σε μικρά χρονικά διαστήματα πολύ μακριά μέσω των δημιουργούμενων διαστελλόμενων κελυφών τους. H προηγούμενη άποψη σήμερα δεν είναι αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα, εφόσον, όπως έχει αποδειχθεί πλέον, το ήλιο το οποίο υπάρχει στο Σύμπαν είναι πολύ περισσότερο απ όσο παράγεται κατά τη διάρκεια των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στο εσωτερικό των αστεριών. Όπως όλοι γνωρίζουμε, η κακώς εννοούμενη εκλαΐκευση της Κοσμολογίας έχει δημιουργήσει στο ευρύτερο κοινό την εντύπωση ότι το Σύμπαν μέσα στο οποίο υπάρχουμε είναι μια Ευκλείδεια τρισδιάστατη σφαίρα και τα κοσμικά γεγονότα μέσα σ αυτήν εξελίσσονται σύμφωνα με τις Ευκλείδειες και τις Νευτώνειες απαιτήσεις. Αποτέλεσμα αυτής της παρανόησης είναι και η ερώτηση που υποβάλλουν οι περισσότεροι φοιτητές μας όταν αντιμετωπίζουν για πρώτη φορά το φαινόμενο της ακτινοβολίας μικροκυμάτων: «Αν το Σύμπαν είναι Ευκλείδεια σφαιρικό, το σημείο της Μεγάλης Έκρηξης πρέπει να είναι ένα σημείο του εσωτερικού της συμπαντικής σφαίρας. Εφόσον λοιπόν η ακτινοβολία μικροκυμάτων αποτελεί τον ραδιοφωνικό απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης, δεν θα έπρεπε να συλλέγεται ισότροπα από το περιβάλλον μας αλλά από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, αυτή προς την οποία θα προσανατολιζόταν το σημείο της Μεγάλης Έκρηξης; Πριν απαντήσουμε στην προηγούμενη ερώτηση, θα θέλαμε ακόμα μια φορά να σημειώσουμε ότι: «Το τετραδιάστατο Σύμπαν μας δεν είναι Ευκλείδειο, ούτε Νευτώνειο και ως εκ τούτου δεν είναι δυνατόν να γίνει αντιληπτό μέσω τρισδιάστατων Ευκλείδειων εικόνων του, σαν αυτές που χρησιμοποιεί για λόγους εποπτικούς η παρατηρησιακή Κοσμολογία. Οι τρισδιάστατες εικόνες μέσω των οποίων προσπαθούμε να προσεγγίσουμε 5

6 τη συμπαντική πραγματικότητα δεν αποτελούν παρά παραμορφωτικές απεικονίσεις αυτού που πραγματικά συμβαίνει και το οποίο θα παραμείνει για πάντα αόρατο από τις ανθρώπινες αισθήσεις». Ας περάσουμε όμως στη λύση του προαναφερθέντος προβλήματος. Όπως ήδη έχει αναφερθεί σε προηγούμενες εκπομπές μας, για το τετραδιάστατο και μη Ευκλείδειο Σύμπαν, μπορούμε να φτιάξουμε έναν χάρτη του, μια απεικόνισή του δηλαδή στον κόσμο των τριών διαστάσεων που μπορούμε να τον αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας. Ο τρισδιάστατος αυτός χάρτης του σύμπαντος, για κάθε χρονική στιγμή, αποτελείται από ένα σύστημα δύο τρισδιάστατων ευκλείδειων σφαιρών: Η πρώτη έχει σαν κέντρο της το σημείο της Μεγάλης Έκρηξης και την ονομάζουμε σφαίρα του παρελθόντος και η δεύτερη έχει σαν κέντρο της τον παρατηρητή, δηλαδή τη Γη και την ονομάζουμε σφαίρα του παρόντος. Οι δύο αυτές σφαίρες του χάρτη του σύμπαντος φτιάχνονται ακριβώς με την ίδια μαθηματική λογική που η Γη μπορεί να απεικονιστεί σε έναν χάρτη δύο επίπεδων κύκλων που απεικονίζουν το Βόρειο και το Νότιο ημισφαίριό της ξεχωριστά. Οι δύο αυτές ευκλείδειες τρισδιάστατες σφαίρες που αποτελούν το χάρτη του τετραδιάστατου και έξω από τις αισθήσεις μας σύμπαντος, έχουν κάποιες παράδοξες, αλλά κατανοητές από την επιστήμη ιδιότητες. Πρώτον συνυπάρχουν μέσα στον ίδιο τετραδιάστατο μη Ευκλείδειο χώρο, ενώ συγχρόνως είναι εντελώς διαφορετικές μεταξύ τους, και δεύτερον, οι εξωτερικές επιφάνειές τους συμπίπτουν. Με τον τρόπο αυτό στο σύστημα των δύο αυτών τρισδιάστατων σφαιρών του χάρτη του σύμπαντος, παρουσιάζεται ένα πολύ ενδιαφέρον φαινόμενο. Η ακτινοβολία από το σημείο της Μεγάλης Έκρηξης, καθώς απομακρύνεται σφαιρικά από το σημείο της έκρηξης, κάποτε θα φτάσει στα όρια της σφαίρας του παρελθόντος. Τότε χάνεται από τα όρια της σφαίρας αυτής και εμφανίζεται στα εξωτερικά όρια της σφαίρας του παρόντος, και να κατευθύνεται ισότροπα προς τη Γη, δηλαδή από όλες τις διευθύνσεις Την ακτινοβολία αυτή τη συλλέγουμε στη Γη σαν ακτινοβολία μικροκυμάτων. Όπως είδαμε από όλα τα προηγούμενα η ανακάλυψη της ακτινοβολίας μικροκυμάτων αποτελεί μέχρι σήμερα μιαν απόδειξη της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, μιας θεωρίας η οποία περιγράφεται όχι μόνο από την επιστήμη αλλά και από τις μυθολογικές κοσμολογίες πολλών αρχαίων λαών. Η ερμηνεία όμως της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, μας οδηγεί και σε ένα άλλο συμπέρασμα που πολλές φορές, επειδή τα φιλοσοφικά και θεολογικά μας δόγματα αντιδρούν, θέλουμε να κάνουμε ότι το αγνοούμε. Όπως είδαμε η ακτινοβολία μικροκυμάτων, που σε ίδια ποσότητα δεχόμαστε από κάθε σημείο του χώρου γύρω μας, διαδίδεται με αυτόν τον 6

7 συμμετρικό τρόπο στο ένα σφαιρικό κομμάτι του χάρτη του πραγματικού σύμπαντος που έχει σαν πλασματικό του κέντρο τη Γη και όχι μέσα στο πραγματικό Σύμπαν. Αυτό σημαίνει ότι η ουράνια σφαίρα που αντιλαμβανόμαστε γύρω μας, η σφαίρα την οποία μελετάμε και μετράμε με την επιστήμη και τα όργανά μας δεν είναι το πραγματικό Σύμπαν αλλά ένα κομμάτι του χάρτη του, ένα είδωλο, ένα θαμπό και παραμορφωμένο καθρέφτισμά του, που μπορεί να γίνει αντιληπτό από τις αισθήσεις μας. Αυτό που βλέπουμε γύρω μας είναι αυτό που οι αισθήσεις μας μπορούν να αντιληφθούν και όχι το πραγματικό Σύμπαν. Το πραγματικό Σύμπαν δεν το μετράμε με το μήκος της μεζούρας μας αλλά με τη μεγαλοσύνη του νου και της ψυχής μας. Το Σύμπαν είμαστε εμείς. 7