ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ: Η επιστήμη της γένεσης και εξέλιξης του σύμπαντος

Ζούμε ίσως στη πιο σημαντική εποχή στην ιστορία της Κοσμολογίας, όπου οι γνώσεις μας για την εξέλιξη του Σύμπαντος και των κοσμικών δομών που περιέχει αλλάζουν καθημερινά και αυξάνονται με σχεδόν εκθετικό ρυθμό. Έχουμε σχεδόν πάψει να νοιώθουμε έκπληξη με τους νεοτερισμούς που μας επιφυλάσσει η μελέτη του Κόσμου, με τις απανωτές μεταβολές που επιφέρουν στις γνώσεις μας η ανάλυση των σύγχρονων παρατηρησιακών δεδομένων που συλλέγονται από δορυφορικά και επίγεια τηλεσκόπια και ανιχνευτές σωματιδίων.

Για να ξεκινήσουμε όμως την σύντομη εξιστόρηση της διαδρομής μας 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, είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Το ερώτημα «Πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν και ο Άνθρωπος» -στο οποίο μέχρι σχετικά πρόσφατα η απάντηση αναζητιόταν μόνο στο χώρο της Φιλοσοφίας και της Θρησκείας- άπτεται πλέον της Επιστήμης και των μεθοδολογιών της. Η ιστορική διαδρομή που διάνυσε η ανθρώπινη νόηση για να φτάσει στο σημείο να μελετά με αυστηρά επιστημονικές μεθόδους την ίδια τη γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος είναι πολύ μακρά και έχει περάσει μέσα από δαιδαλώδεις λαβύρινθους αναζήτησης. Μόνο στις αρχές του 20ου αιώνα με την θεμελίωση από τον Αλβέρτο Αϊνστάιν της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) η Κοσμολογία κατακτάει πια την θέση της, περίοπτη μάλιστα, ανάμεσα στις σύγχρονες επιστήμες.

Μια από τις σημαντικότερες προβλέψεις της ΓΘΣ είναι ότι η ύπαρξη του Σύμπαντος είναι αναγκαστικά συνυφασμένη με την δυναμική του εξέλιξη, κάτι που ήρθε σε αντίθεση με την «στατικότητα» που πίστευε ακόμα και ο ίδιος ο θεμελιωτής της ΓΘΣ, ο Αϊνστάιν. Εξαιτίας δε αυτής της πίστης του στην στατικότητα του Σύμπαντος έχασε την ευκαιρία να διατυπώσει ο ίδιος την ορθή γενική λύση των εξισώσεων πεδίου της ΓΘΣ, λύση που βρήκε πρώτος ο Alexander Friedmann, ένας νεαρός Ρώσος μαθηματικός το 1922 και που απέδειξε ότι οι λύσεις προβλέπουν ένα δυναμικά εξελισσόμενο Σύμπαν. Αυτό αποδείχτηκε πειραματικά το 1929 με την ανακάλυψη της μετάθεσης στο ερυθρό του φάσματος των γαλαξιών, από τον αστρονόμο Edwin Hubble. Δυστυχώς ο Friedman δεν πρόλαβε να δει την επιβεβαίωση των λύσεων του, μιας και πέθανε από τυφοειδή πυρετό το 1925.

Η σύγχρονη κοσμολογία θεωρεί ότι το μοντέλο που πιο ορθά ανταποκρίνεται στην φυσική πραγματικότητα και βασίζετε στην ΓΘΣ του Einstein, είναι αυτό της «Μεγάλης Έκρηξης», το οποίο προτάθηκε από τον αββά George Lemaitre, φυσικό και αστρονόμο του Καθολικού Παν/μιου του Λουβέν, το 1927 (2 χρόνια πριν παρατηρηθεί η διαστολή του Σύμπαντος από τον Hubble) αν και με αρχικά διαφορετικό όνομα («η υπόθεση του πρωταρχικού ατόμου»). Θεμελιώθηκε σε θεωρητικό επίπεδο στα μέσα του 20ου αιώνα από τους Gamow, Herman & Alpher οι οποίοι έκαναν συγκεκριμένες προβλέψεις που μπορούσαν να επιβεβαιώσουν ή να απορρίψουν το μοντέλο αυτό. Οι προβλέψεις αυτές επιβεβαιώθηκαν περίτρανα μετά από δεκαετίες, με την ανακάλυψη από τους Αμερικανούς αστρονόμους Πενσίας και Ουίλσον της λεγόμενης Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων, δηλαδή του ενεργειακού απολιθώματος της αρχικής θερμικής ακτινοβολίας που γέμισε το Σύμπαν μετά την «Μεγάλη Έκρηξη», της οποίας η θερμοκρασία σήμερα είναι 2.7οΚ περίπου, όπως περίπου προέβλεψε ο Gamow δεκαετίες πριν. Η άλλη σημαντική πρόβλεψη αυτής την θεωρίας ήταν τα ποσά των ελαφρών στοιχείων του περιοδικού πίνακα (υδρογόνου, δευτέριου, ηλίου και λιθίου) που δημιουργούνται μέσα στα πρώτα 3 λεπτά της «Μεγάλης Έκρηξης» και που οι παρατηρήσεις επιβεβαίωσαν με ακρίβεια. Αποσαφηνίζουμε λοιπόν ότι τα κύρια στοιχεία που υποστηρίζουν την ορθότητα του γενικού πλαισίου της Θεωρίας της «Μεγάλης Έκρηξης», και που δεν ερμηνεύονται στο σύνολο τους από καμία άλλη θεωρία, όπως παραδείγματος χάριν η θεωρία της «Σταθερής Κατάστασης» των Hoyle, Bondi και Gold, είναι: (1) η διαστολή του Σύμπαντος, (2) το υπόβαθρο ακτινοβολίας μικροκυμάτων και (3) η γένεση και τα ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων.

Τι υποστηρίζει λοιπόν αυτό το μοντέλο; Οι λύσεις των εξισώσεων πεδίου της ΓΘΣ, υποθέτοντας ότι το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακας (μια υπόθεση που έχει επιβεβαιωθεί), υποστηρίζουν ότι το Σύμπαν ξεκίνησε πριν από 14 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια να διαστέλλεται από μία αρχική κατάσταση υψηλότατης πυκνότητας και θερμοκρασίας. Εξαιτίας του απειροστού μεγέθους του Σύμπαντος αυτό αρχικά συμπεριφέρεται ως ένα κβαντικό σύστημα. Παρά το γεγονός ότι μέχρι σήμερα δεν έχουμε μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, ο χρόνος στον οποίο τα κβάντικά φαινόμενα της βαρύτητας κυριαρχούν λαμβάνει χώρα μόλις 10-43 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη. Στη συνέχεια η σημερινή εκδοχή της θεωρίας υποστηρίζει ότι μόλις 10-35 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη το Σύμπαν περνά μια φάση επιταχυνόμενης εκθετικής διαστολής (πληθωρισμός) και η οποία αυξάνει δραστικά το μέγεθος του Σύμπαντος (κατά ένα παράγοντα 1025). Το βασικό αποτέλεσμα αυτής της πληθωριστικής εποχής είναι ότι αυξάνει σε μακροσκοπικό επίπεδο τις κβαντικές διαταραχές, παρέχοντας τους «σπόρους» για την δημιουργία των κοσμικών δομών αλλά επίσης επιβάλλει και την Ευκλείδια γεωμετρία στο χωρικό μέρος του χωρόχρονου. Στη συνέχεια, δεν είμαστε σίγουροι για το πότε ή γιατί – η περίοδος αυτή της επιταχυνόμενης διαστολής τελειώνει, και η ενέργεια που την οδηγούσε μετατρέπεται σε συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία, και με αυτό τον τρόπο αρχίζει η συμβατική κοσμική ιστορία του Σύμπαντος. Μετά τον πληθωρισμό το Σύμπαν εισέρχεται στην «κλασσική» εποχή της ακτινοβολίας και καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται με την πάροδο του χρόνου, συντίθενται τα δομικά συστατικά της ύλης, τα πρωτόνια, τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια αλλά και τα νετρίνα. Στις αρχικές υψηλές θερμοκρασίες και έως ότου το Σύμπαν να ψυχθεί στους ~4000 οΚ, η αρχική θερμική ακτινοβολία είναι συζευγμένη με την ύλη λόγω των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δρουν σαν ανακλαστήρες της ακτινοβολίας. Κατόπιν το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή της κυριαρχίας της ύλης (σκοτεινής και βαρυονικής), και η οποία κυριαρχεί για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος. Μόλις η θερμοκρασία πέσει αρκετά και τα ηλεκτρόνια χάσουν την κινητική τους ενέργεια συζεύγνονται με τους ατομικούς πυρήνες για να δημιουργήσουν άτομα οπότε και η συζευγμένη με τους πυρήνες ακτινοβολία απελευθερώνεται και ξεκινά το αέναο ταξίδι της στο Σύμπαν, και αυτή είναι η ακτινοβολία που παρατήρησαν πρώτοι οι Πενζίας και Ουίλσον. Σε αυτή την φάση αρχίζουν να δημιουργούνται, μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, οι κοσμικές δομές αρχικά τυπικού μεγέθους αστρικών σμηνών – και λίγο μικρότερες – και σταδιακά μεγέθους γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών. Με την πάροδο του χρόνου όμως η κοσμική διαστολή αραιώνει συνεχώς την συγκέντρωση της ύλης και εξασθενεί τον ρόλο της βαρύτητας. Ταυτόχρονα όμως, μία «σκοτεινή» (αόρατη) μορφή ενέργειας η οποία έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτή που οδηγεί τον αρχικό πληθωρισμό αρχίζει σιγά-σιγά να κυριαρχεί. Η διατάραξη της σχέσης ύλης−«σκοτεινής» ενέργειας υπέρ της τελευταίας επιδρά δραματικά στη μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος αλλάζοντας τον ρυθμό διαστολής του από επιβραδυνόμενο σε επιταχυνόμενο.

Είναι η παραπάνω εξιστόριση της εξέλιξης του Σύμπαντος μονοσήμαντα καθορισμένη; Όχι, διότι εξαρτάται από το συνολικό ποσό της υλο-ενέργειας που περιέχει αλλά και από την είδος του κοσμικού ρευστού που γεμίζει το Σύμπαν. Εάν περιέχει μικρό ποσό υλο-ενέργειας τότε το Σύμπαν θα διαστέλλεται επ΄άπειρον («Ανοικτό» Σύμπαν). Εάν περιέχει μεγάλο ποσό υλο-ενέργειας τότε το Σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα έως ότου συνθλιβεί κάτω από την επίδραση τη ιδιο-βαρύτιτάς του («Κλειστό» Σύμπαν). Αν όμως περιέχει το κρίσιμο ποσό υλο-ενέργειας, που είναι το σύνορο μεταξύ των δύο παραπάνω περιπτώσεων, τότε το πως θα διασταλλεί το Σύμπαν εξαρτάται και από το είδος της υλο-ενέργειας που περιέχει. Πχ, μπορεί το συνολικό ποσό της ύλης στο Σύμπαν, που αποτελείται από την κοινή (βαρυονική) ύλη αλλά και από την σκοτεινή ύλη (ύλη που δεν εκπέμπει ηλεκτομαγνητική ακτινοβολία και αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης) να έχει την κρίσιμη τιμή, οπότε το Σύμπαν θα συνεχίσει να διαστέλλεται με επιβραδυνόμενο σταθερό ρυθμό. Μπορεί όμως στην δυναμική του Σύμπαντος να συνεισφέρει και η λεγόμενη «σκοτεινή» ενέργεια (μια άγνωστης μορφής ενέργεια που τα αποτελέσματα της προσομοιάζουν αυτό που λεμε «αντι-βαρύτητα»), στην οποία περίπτωση το συνολικό ποσό της ύλης είναι μικρότερο από την κρίσιμη τιμή αλλά συμπληρώνεται από την «σκοτεινή ενέργεια» οπότε μετά από κάποιο χρόνο, τις ελκτικές δυνάμεις της κοσμικής ιδιο-βαρύτητας τις υπερνικά η «σκοτεινή ενέργεια». Δρώντας σαν «αντι-βαρύτητα» αντιστρέφει την αρχική επιβράδυνση της διαστολής σε επιτάχυνση και έτσι το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται αλλά με επιταχυνόμενο ρυθμό.

Τα τελευταία 20 χρόνια περίπου με τις εκπληκτικής σημασίας παρατηρήσεις των διαταραχών θερμοκρασίας του υπόβαθρου μικροκυμάτων (κυρίως με τα πειράματα BoomeranG και τα δεδομένα των δορυφόρων WMAP και PLANCK, εικόνα 1), βρέθηκε ότι το Σύμπαν έχει το κρίσιμο ποσό υλο-ενέργειας και άρα η γεωμετρία του χώρου είναι «Ευκλείδια». Επιπλέον, με την ανάλυση μακρινών υπερκαινοφανών αστέρων, που παρατηρήθηκαν σχετικά πρόσφατα με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια της Γης, βρέθηκε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτό συνεπάγεται την συμμετοχή στο συνολικό ποσό της συμπαντικής υλο-ενέργειας και της «σκοτεινής ενέργειας», όπως αναφέραμε προηγούμενα. Αν και πολλά μοντέλα «σκοτεινής ενέργειας» έχουν προταθεί, εξαιρετικά ενδιαφέρον μοντέλο, αν και προβληματικό, είναι αυτό της λεγόμενη κοσμολογικής σταθεράς (που την πρωτοεισήγαγε ο Αϊνστάιν αυθαίρετα στις εξισώσεις πεδίου της ΓΘΣ για να επιβάλει στατικές λύσεις), που είναι μία ενέργεια σταθερή στον χρόνο. Η φυσική της ερμηνεία ως η ενέργεια του κενού υποστηρίζεται από την κβαντομηχανική (από το γεγονός ότι ζεύγη σωματίων & αντισωματίων δημιουργούνται από το κενό και παρόλο που ζουν ελάχιστα δίνουν στο κενό μη-μηδενική δυναμική ενέργεια). 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 αυτή που μετράμε με την μελέτη των μακρινών υπερκαινοφανών αστέρων. Άλλο μοντέλο «σκοτεινής ενέργειας» είναι και η «πεμπτουσία» (quintessence) που είναι ένα δυναμικό πεδίο του οποίου η ενέργεια εξελίσσετε στον χώρο και τον χρόνο.

Εικόνα 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 (2/100000 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).

Σχηματικά μπορούμε να δούμε πως διαστέλλεται το Σύμπαν σε αυτή την περίπτωση στην εικόνα 2, όπου η ροζ καμπύλη αντιστοιχεί στην εξέλιξη τη ακτίνας του Σύμπαντος σαν συνάρτηση του χρόνου. Λίγο μετά την αρχική έκρηξη η διαστολή αρχίζει να επιβραδύνεται λόγω της ιδιοβαρύτητας του ίδιου του Σύμπαντος, δηλαδή λόγω των ελκτικών δυνάμεων που ασκεί στο ίδιο το Σύμπαν η περιεχομένη εντός του υλο-ενέργεια. Μετά όμως από κάποιο χρόνο, τις ελκτικές δυνάμεις τις υπερνικά η «σκοτεινή ενέργεια» (μια έκφανση της οποία είναι και η λεγόμενη Κοσμολογική Σταθερά) που δρα σαν μια δύναμη με αντίθετο πρόσημο από αυτό της βαρύτητας, δηλαδή δρα σαν «αντι-βαρύτητα». Έτσι η αρχική επιβράδυνση της διαστολής αντιστρέφεται και γίνεται επιτάχυνση, την οποία σήμερα μετράμε με την βοήθεια των υπερκαινοφανών αστέρων.

Εικόνα 2: Η εξέλιξη της ακτίνας του Σύμπαντος με τον κοσμικό χρόνο για την περίπτωση ύπαρξης «σκοτεινής ενέργειας» με την μορφή Κοσμολογικής σταθεράς. 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.

Είναι αξιοπερίεργο ότι η «σκοτεινή ενέργεια» συμμετέχει στο συνολικό ποσό συμπαντικής υλο-ενέργειας με ποσοστό που είναι περίπου ίσο 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 η συμπαντική υλο-ενέργεια έχει ακριβώς την κρίσιμη τιμή και όχι οποιανδήποτε από την απειρία των τιμών που θα μπορούσε να έχει.

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 συνομωσία» 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 ονομάζετε «Ανθρωπική Αρχή» (η ασθενής εκδοχή της), δηλαδή ότι η ίδια η ύπαρξη τη ανθρώπινης ζωής προϋποθέτει ότι το Σύμπαν περιέχει το συγκεκριμένο ποσό υλο-ενέργειας (όπως επίσης ότι τις συγκεκριμένες τιμές που μετράμε των σταθερών τη φύσης). 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.

Τελειώνοντας αυτή την σύντομη παρουσίαση των βασικών στοιχείων της σύγχρονης Κοσμολογίας επισημαίνουμε ότι στα επόμενα χρόνια αναμένουμε έναν μεγάλο αριθμό στοχευμένων πειραμάτων να δώσουν αποτελέσματα που πιστεύουμε ότι θα απαντήσουν σε πολλά αναπάντητα κοσμολογικά ερωτήματα.

ΔΙΑΒΑΣΤΕ ΕΠΙΣΗΣ