Τα φωτόνια από την μεγάλη έκρηξη Τι είναι η Ακτινοβολία υποβάθρου. Σύμφωνα με την θεωρία της «μεγάλης έκρηξης» (big bang), το Σύμπαν, ξεκινώντας από μηδενικές σχεδόν διαστάσεις (υλικό σημείο), συνεχώς διαστέλλεται. Καθώς διαστέλλεται, ψύχεται ταυτόχρονα, όπως ψύχεται ένα αέριο το οποίο εκτονώνεται αδιαβατικά. Υπάρχει μια ποικιλία από αδιαμφισβήτητα δεδομένα και φαινόμενα τα οποία συνηγορούν για το ότι η μεγάλη έκρηξη έλαβε χώρα πριν από 10-15 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτή είναι και η «ηλικία του Σύμπαντος». Στα αρχικά στάδια της διαστολής του Σύμπαντος, η θερμοκρασία του ήταν εξαιρετικά μεγάλη (εκατομμύρια βαθμών Κέλβιν), ώστε ήταν αδύνατον να σχηματιστούν άτομα, αφού η υπερβολικά μεγάλη ενέργεια των φωτονίων αποσπούσε τα ηλεκτρόνια που προσωρινά ενωνόντουσαν με τα πρωτόνια προς σχηματισμό ατόμων. Η ακτινοβολία (τα φωτόνια), η οποία αλληλοεπιδρούσε με τα φορτισμένα σωματίδια της ύλης (π.χ. ηλεκτρόνια) παρέμενε σε θερμική ισορροπία (μέσα στον όγκο του Σύμπαντος). Σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες, η μέση ενέργεια των φωτονίων της θερμικής ακτινοβολίας, η οποία εξ ορισμού ήταν ακτινοβολία μέλανος σώματος (αφού δεν υπήρχε ανακλώμενο φως από άλλες πηγές), ήταν αρκετές χιλιάδες ηλεκτρονιοβόλτ 1. Αυτή η τεράστια ενέργεια συσσωρευμένη σε πολύ μικρό (σχετικά) όγκο εμπόδιζε τον σχηματισμό σταθερών ουδέτερων ατόμων. Η σύσταση λοιπόν του Σύμπαντος σ αυτά τα αρχικά στάδια ήταν όπως ένα «πλάσμα», ένα αέριο από φορτισμένα (και ουδέτερα) ελεύθερα σωματίδια, και φωτόνια. Αφού δεν μπορούσαν να 1 Το ηλεκτρονιοβόλτ είναι μονάδα ενέργειας=1,6.10-19 joule 1
σχηματισθούν σταθερά άτομα, τα φωτόνια παρέμεναν παγιδευμένα και ταξίδευαν πολύ μικρές αποστάσεις μέχρι να σκεδαστούν ή να απορροφηθούν από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια (κάτι παρόμοιο με τα φωτόνια που εισέρχονται σε ένα μέταλλο). Σαν αποτέλεσμα, παρόλο που υπήρχε ένα τεράστιο πλήθος φωτονίων, το Σύμπαν ήταν «αδιαφανές», αφού δεν υπήρχε καθαρή ροή φωτονίων προς καμία διεύθυνση. Με την πάροδο του χρόνου, καθώς το Σύμπαν ψυχότανε, τα σταθερά σωμάτια, όπως τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια (τα οποία σχηματίσθηκαν και από την διάσπαση άλλων ασταθών σωματίων) συνενώθηκαν ώστε να σχηματίσουν τελικά την ύλη όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Για να συμβεί κάτι τέτοιο έπρεπε η θερμοκρασία του αερίου (του «πλάσματος») να ελαττωθεί αρκετά, ώστε η αντίστοιχη ενέργεια των φωτονίων να γίνει μικρότερη από την ενέργεια ιονισμού των ατόμων. Αυτό συνέβη μερικές εκατοντάδες χιλιάδες (10 5-10 6 ) χρόνια μετά την μεγάλη έκρηξη. αργότερα. Σ αυτή την εποχή η θερμοκρασία του Σύμπαντος έφτασε τους 3000 ο Κ και άρχισαν να σχηματίζονται άτομα υδρογόνου. Τότε «φωτίστηκε» το Σύμπαν. Αφού δεν υπήρχαν πλέον ελεύθερα ηλεκτρόνια σε μεγάλες ποσότητες, τα φωτόνια μπορούσαν τότε να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις, όπως σήμερα. Τα φωτόνια λοιπόν που σχηματίσθηκαν κατά την μεγάλη έκρηξη, άρχισαν τότε το ταξίδι τους προς όλες τις διευθύνσεις του Σύμπαντος, με τον ίδιο ρυθμό και ένταση (ισοτροπικά). Τα φωτόνια αυτά είχαν την εποχή εκείνη μια θερμική κατανομή φάσματος μέλανος σώματος, θερμοκρασίας 3000 ο Κ. Από τότε, το Σύμπαν έχει διασταλεί κατά ένα παράγοντα 1000 και έχει ψυχθεί ακόμη περισσότερο. Τα φωτόνια με τα οποία ήταν γεμάτο Σύμπαν παρέμειναν μέχρι σήμερα, αλλά τα μήκη κύματός τους μεγάλωσαν πολύ με την διαστολή του σύμπαντος. Η ακτινοβολία του Σύμπαντος, με την οποία είναι γεμάτος όλος ο χώρος, 2
υπολογίζεται θεωρητικά ότι έχει σήμερα ένα φάσμα μέλανος σώματος 2 θερμοκρασίας 3 ο Κ περίπου (για την ακρίβεια 2.73 ο Κ). Αυτή η ακτινοβολία, η οποία οφείλεται στα «απομεινάρια» της μεγάλης έκρηξης και ονομάζεται ακτινοβολία κοσμικού υποβάθρου (cosmic background radiation) παρατηρήθηκε πειραματικά για πρώτη φορά το 1965 και αντιστοιχεί στην κατηγορία των μικροκυμάτων. Η ακτινοβολία κοσμικού υποβάθρου ανακαλύφθηκε τυχαία το 1965 από τους A. Penzias και R.W. Wilson, σε μήκος κύματος 73.5 mm, ενώ προσπαθούσαν να βρουν τρόπους να ελαχιστοποιήσουν τον θόρυβο σε μια μεγάλη δορυφορική κεραία. Παρόλο ότι προσπάθησαν να απαλλαγούν από τον «θόρυβο» στα 73.5 mm στρέφοντας την κεραία προς άλλες διευθύνσεις, το σήμα είχε την ίδια ένταση αμετάβλητη σε όλες τις διευθύνσεις. Το γεγονός αυτό οδήγησε τους ερευνητές να συμπεράνουν ότι η πηγή της ακτινοβολίας αυτής είναι ολόκληρο το Σύμπαν. Οι Penzias και Wilson βρήκαν ότι η εν λόγω ακτινοβολία αντιστοιχεί σε θερμοκρασία μέλανος σώματος 3 ο Κ, σε πλήρη συμφωνία με τις θεωρητικές προβλέψεις για την ακτινοβολία κοσμικού υποβάθρου. Αργότερα, το 1990, σχεδιάστηκε και εκτοξεύθηκε ειδικός τεχνικός δορυφόρος στο διάστημα, για την λεπτομερή και ακριβή μέτρηση του φάσματος της ακτινοβολία κοσμικού υποβάθρου σε πολλά διαφορετικά μήκη κύματος. 2 Ο όρος μέλαν σώμα στη φυσική, περιγράφει ένα ιδανικό σώμα το οποίο απορροφά όλο το φως που προσπίπτει πάνω του (και κατ' επέκταση, όλη την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). Αυτό σημαίνει ότι ένα τέτοιο σώμα δεν ανακλά ούτε διαχέει το προσπίπτον σε αυτό φως (ή άλλης μορφής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) ούτε αφήνει το φως να το διαπεράσει και γι' αυτές του τις ιδιότητες ονομάζεται μέλαν σώμα. Ωστόσο, σε αντίθεση με την εικόνα που δίνεται από την ονομασία του, το ίδιο το σώμα εκπέμπει κάποια ακτινοβολία, το φάσμα της οποίας εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία του. 3
Τα αποτελέσματα αυτά δικαίωσαν πλήρως την υπόθεση της μεγάλης έκρηξης και της εναπομείνασας ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου. Η ένταση της ακτινοβολίας είναι ίδια προς όλες τις διευθύνσεις με ακρίβεια 1/1000000. Νεότερα δεδομένα από τον δορυφόρο COBE το 1992 έδειξαν κάποιες εξαιρετικά μικρές διακυμάνσεις τις έντασης προς ορισμένες διευθύνσεις. Η διερεύνηση αυτών των δεδομένων θα βοηθήσει την κατανόηση του σχηματισμού των πρώτων Γαλαξιών του Σύμπαντος. Για τη παραπάνω θερμοκρασία βρίσκουμε τον αριθμό των φωτονίων nφ από την μεγάλη έκρηξη ανά κυβικό μέτρο ίσο περίπου προς: nφ = 4x10 8 φωτόνια / m 3. Δηλαδή 10 8 φωτόνια από την μεγάλη έκρηξη διαπερνούν το σώμα μας αυτή τη στιγμή. Δεν είναι εντυπωσιακό; Δεν διατρέχουμε όμως κάποιο κίνδυνο, αφού η μέση ενέργεια ενός τέτοιου φωτονίου είναι περίπου ίση προς 0.0006 ev. Η ένταση αυτής της ακτινοβολίας είναι περίπου 5 τάξεις μικρότερη από την ένταση μιας κοινής λάμπας φωτισμού των 100W. 4
H χαρτογράφηση των ανισοτροπιών στην ακτινοβολία υποβάθρου του ουρανού των 2.74 Kelvin από τον δορυφόρο COBE. Αυτά τα κοσμικά σχήματα στον ουρανό είναι κατάλοιπα από την εποχή των 10-32 sec μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο χάρτης δείχνει όλη την ουράνια σφαίρα. Ο Γαλαξίας μας είναι η κόκκινη λωρίδα που διέρχεται οριζόντια από το μέσο, Οι γαλάζιες και ροζ περιοχές είναι ελαφρά θερμότερες και ψυχρότερες από το μέσο όρο, περίπου 1 μέρος στα 90.000. Η εικόνα είναι το άθροισμα παρατηρήσεων του COBE στα 53 και 90 GHz και αντιστοιχεί σε χωρική διακριτική ικανότητα 100. Ακόμα και οι μικρότερες ανομοιογένειες, 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 φαίνεται απίστευτο, μπορούμε εύκολα να ανιχνεύσουμε τα φωτόνια της ακτινοβολίας κοσμικού υποβάθρου στο σπίτι μας με ένα κοινό δέκτη τηλεόρασης ή ένα ραδιόφωνο FM. 1..Το «χιόνι» στην τηλεόραση σε κάποιο κανάλι που δεν υπάρχει σήμα από κάποιον σταθμό, οφείλεται (εν μέρει) στον ηλεκτρομαγνητικό θόρυβο από τα (περίπου 10 8 ανά κυβικό μέτρο) φωτόνια της μεγάλης έκρηξης που περιβάλλουν την κεραία από όλες τις διευθύνσεις. 2..Ορισμένα φωτόνια προέρχονται από την ίδια την κεραία, ένα μέρος όμως των φωτονίων προέρχεται από τα απομεινάρια της μεγάλης έκρηξης. Τον ίδιο θόρυβο, υπό μορφή σφυρίγματος, μπορούμε να ανιχνεύσουμε και με ένα ραδιόφωνο στην άκρη-άκρη της ζώνης των FM, κοντά στην συχνότητα των 108 MHz. Είναι απίστευτο και όμως αληθινό και επιβεβαιώνει τη θεωρία της ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ!!!! Βιβλιογραφία 1. Α. Ζδέτσης, «Εισαγωγή στην σύγχρονη φυσική», Μέρος Α 2. https://el.wikipedia.org 5