Οι τελευταίες θεωρίες για το Big Bang από την αποστολή του WMPAP

Άρθρο, Απρίλιος 2003

Ένας δορυφόρος της NASA, ο WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ) συνέλαβε την πιο παλιά και την καλύτερη εικόνα από την εποχή του Big Bang. Περιέχει τέτοια τρομακτική λεπτομέρεια που μπορεί να είναι ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά αποτελέσματα των τελευταίων ετών. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν αυτό το δορυφόρο για να συλλάβουν το νέο Κοσμικό πορτρέτο, το οποίο αποκαλύπτει το λυκόφως της Μεγάλης Έκρηξης ή το  Μικροκυματικό Κοσμικό Υπόβαθρο. Η ανακοίνωση έγινε το Φεβρουάριο του 2003.


Ένας πλήρης Ουράνιος χάρτης του παλαιότερου φωτός στο Σύμπαν. Τα χρώματα δείχνουν "τη θερμότερη περιοχή" (κόκκινο) και την "πιο ψυχρή" (μπλε σημεία). Η ωοειδής μορφή είναι μια προβολή για να παρουσιάσει ολόκληρο τον Ουρανό.

Η μικροκυματική ακτινοβολία που συνελήφθη σε αυτή την εικόνα είναι 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτές οι χρωματικές μορφές είναι μικροσκοπικές διαφορές της θερμοκρασίας μέσα σε αυτό το εξαιρετικά ομοιόμορφα διασκορπισμένο φως μικροκυμάτων, που λούζουν το Σύμπαν.

Η θερμοκρασία αυτής της Κοσμικής Αρχέγονης Ακτινοβολίας υπολογίζεται κατά μέσο όρο τώρα 2.73 βαθμούς επάνω από την απόλυτη θερμοκρασία. Το WMAP βρήκε τόσο μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στο αρχέγονο Σύμπαν, που μεταβάλλονται μόνο κατά ένα εκατομμυριοστό του βαθμού Kelvin.

Οι κόκκινες ή πράσινες χρωματικές δομές μας δείχνουν τους σπόρους που γέννησαν την σημερινή κοσμική δομή, τα σημερινά σμήνη γαλαξιών ή τους μεγάλους γαλαξίες.

Τα δεδομένα του WMAP υποστηρίζουν και ενισχύουν τη θεωρία του Big Bang καθώς και τις θεωρίες του πληθωρισμού.

Η ηλικία του Σύμπαντος

Τα δεδομένα του WMAP μας προσδιόρισαν και την ηλικία του σύμπαντος, που είναι 13.7 δισεκατομμυρίων ετών, με ένα σφάλμα περίπου 1%.

Η γέννηση των άστρων

Μια από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις που αποκαλύπτονται στα στοιχεία αυτά, είναι ότι η πρώτη γενεά των αστεριών άρχισε να λάμπει στον Κόσμο μόνο 200 εκατομμύρια χρόνια μετά από το Μεγάλη Έκρηξη, πολύ νωρίτερα από όσο ανέμεναν πολλοί επιστήμονες.

Από τη μελέτη αυτών των εξασθενημένων ακτινοβολιών της Μεγάλης Έκρηξης, η ομάδα WMAP υπολόγισε πότε άρχισαν τα φωτόνια να ταξιδεύουν μέσω του σύμπαντος, μιας βασικής χρονολογίας στην ιστορία του Κόσμου.

Για να υπολογίσει ακριβώς πότε άρχισε ο σχηματισμός των άστρων , η ομάδα του WMAP δεν είδε κατευθείαν το φως των πρώτων άστρων αλλά μέτρησε τις απίστευτα λεπτές παραλλαγές στην πόλωση της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Η σειρά της δημιουργίας των άστρων

Η 1η εικόνα απεικονίζει τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας (που παρουσιάζονται με διαφορετικά χρώματα) στο πιο παλαιό φως στον Κόσμο, όπως φαίνεται σήμερα από το WMAP. Οι διακυμάνσεις αυτές της θερμοκρασίας αντιστοιχούν στη μικρή συγκέντρωση υλικού στο νηπιακό Κόσμο, οι οποίες οδήγησαν τελικά στις σημερινές απέραντες δομές των γαλαξιών.

Η 2η εικόνα παρουσιάζει συμπυκνωμένη ύλη καθώς η βαρύτητα ελκύει την ύλη από τις περιοχές χαμηλότερης πυκνότητας στις περιοχές υψηλότερης πυκνότητας.

Η 3η εικόνα συλλαμβάνει την εποχή των πρώτων αστεριών, 200 εκατομμύρια χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Το αέριο έχει συμπυκνωθεί και έχει θερμανθεί τόσο που να αρχίσει την πυρηνική σύντηξη, την ενεργειακή μηχανή των αστεριών.

Η 4η εικόνα παρουσιάζει να λάμπουν περισσότερα άστρα. Οι γαλαξίες σχηματίζονται κατά μήκος των ινών που φάνηκαν για πρώτη φορά στην 2η εικόνα, σαν ένας Ιστός της δομής.

Τέλος στην 5η εικόνα φαίνεται η σημερινή εποχή, δισεκατομμύρια των δισεκατομμυρίων άστρων και γαλαξιών. Όλα αυτά δημιουργήθηκαν από τους σπόρους μέσα στο Σύμπαν - βρέφος.

Το περιεχόμενο του Σύμπαντος

Η ύλη από την οποία αποτελείται το Σύμπαν φτιάχνεται:
4% από τη γνωστή μας ύλη.
23% είναι το εξωτικό υλικό που είναι γνωστό σαν "ψυχρή σκοτεινή ύλη".
Και το 73% είναι ένα ακόμη πιο εξωτικό υλικό, η "σκοτεινή ενέργεια".
Μια δυνατότητα για τη σκοτεινή ενέργεια είχε εισαχθεί από τον Albert Einstein, που την ονόμασε "κοσμολογική σταθερά" λ. Η φύση της σκοτεινής ενέργειας είναι ένα ακόμη ένα μυστήριο. Αν αλλάζει με το χρόνο, ή συμβαίνουν κάποια άλλα άγνωστα γεγονότα στο σύμπαν, αυτό πιθανώς να αλλάξει.

Τα σωματίδια φάντασμα, τα νετρίνα, δεν παίζουν τελικά κανένα σπουδαίο ρόλο στην εξέλιξη της δομής του σύμπαντος.  Αυτά θεωρούνταν ότι θα είχαν εμποδίσει την αρχική συγκέντρωση αερίου στο σύμπαν, καθυστερώντας την εμφάνιση των πρώτων άστρων. Αυτό έρχεται σε σύγκρουση με τα νέα δεδομένα του WMAP.

Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος (η σταθερά Hubble) είναι: Ho= 71 km/sec/Mpc (μ' ένα περιθώριο λάθους περίπου 5%)

Για να ταιριάξει η θεωρία με τα δεδομένα, δεχόμαστε την παντοτινή διαστολή του σύμπαντος.

Η Γεωμετρία του Σύμπαντος

curvat low

Το Σύμπαν, τελικά σύμφωνα με τα δεδομένα του WMAP, είναι επίπεδο, η βαρυονική πυκνότητα είναι = 0.044 ± 0.004, η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης = 0.23 ± 0.04, και η εναπομένουσα πυκνότητα 0.73 ± 0.04 περιγράφεται σαν "σκοτεινή ενέργεια του κενού".

Το ποσό της σκοτεινής ύλης και ενέργειας στο Σύμπαν παίζει ένα κρίσιμο ρόλο στον καθορισμό της γεωμετρίας του Χώρου.

Υπάρχει μια κρίσιμος πυκνότητα, που υπολογίζεται θεωρητικά με τη βοήθεια της σταθεράς του Hubble,

που αν δεχτούμε ότι είναι 71 km/sec/Mpc τότε σήμερα η κρίσιμη πυκνότητα είναι περίπου ρο=9.10-27 kg/m3 ή  ρο=6 πρωτόνια/m3

Αν η πυκνότητα της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν ρ < ρο , τότε ο χώρος είναι ανοικτός και με αρνητική καμπυλότητα όπως η επιφάνεια ενός σαμαριού.

Αν η πυκνότητα είναι ακριβώς ίση με την κρίσιμη πυκνότητα ρ = ρο, τότε ο χώρος είναι επίπεδος όπως ένα φύλλο χαρτί.

Αν η πυκνότητα είναι ρ > ρο  μεγαλύτερη από την κρίσιμη πυκνότητα, τότε ο χώρος είναι κλειστός και θετικά καμπυλωμένος όπως η επιφάνεια μιας σφαίρας. Στην τελευταία περίπτωση, οι τροχιές του φωτός διίστανται και τελικά ενώνονται πάλι σε ένα σημείο.

Η Πληθωριστική Θεωρία, μια προέκταση της θεωρίας του Big Bang, προβλέπει ότι η πυκνότητα του σύμπαντος είναι  πολύ κοντά στην κρίσιμη, παράγοντας ένα επίπεδο σύμπαν, όπως ένα φύλλο χαρτί.

Τελικά το WMAP καθόρισε, μέσα στα όρια του λάθους των οργάνων του, ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο και συνεχώς διαστελλόμενο.

Πρέπει όμως να αναθεωρήσουμε και την άποψη που έχουμε για το πως ήταν το Σύμπαν όταν έγινε το Big Bang γιατί είναι λάθος.

Το Σύμπαν δεν δημιουργήθηκε από ένα σημείο, αλλά ήταν από την πρώτη στιγμή της ύπαρξής του άπειρο σε έκταση!

Βέβαια είναι αλήθεια ότι αν πάρουμε μια περιοχή γύρω μας όσο μεγάλη θέλουμε, τότε λίγο μετά τη δημιουργία του Σύμπαντος η περιοχή αυτή βρισκόταν πραγματικά συγκεντρωμένη σε μια μικρή 'μπάλα'. Επειδή όμως το Σύμπαν είναι άπειρο, υπάρχουν άπειρες τέτοιες περιοχές, που ξεκίνησαν η καθεμιά από άπειρα σημεία, και το καθένα από αυτά τα σημεία μπορεί να απέχει άπειρη απόσταση από εμάς.

Κοσμολογικές παράμετροι (updated) Φεβρουάριος 2004)

Θερμοκρασία CMBR  T_0 [<b>K</b>] :   2.725 +- 0.001 [COBE-FIRAS,PDG]
Σταθερά Hubble H_0 [\textbf{km} <b>s</b>^{-1} \textbf{Mpc}^{-1}] :   72 +- 8 [Hubble]   -   71 {}^{+4}_{-3} [WMAP]   -   70 {}^{+4}_{-3} [SDSS]
Κανονικοποιημένη πυκνότητα ολικής ενέργειας \Omega^0 :   1.02 +- 0.02 [WMAP]
Κανονικοποιημένη πυκνότητα βαρυονικής ενέργειας \Omega^0_{<b>b</b>} :   0.044 +- 0.004 [WMAP]
\Omega^0_{\textbf{b}} h^2 :   0.0224 +- 0.0009 [WMAP]   -   0.0238 +- 0.0006 [SDSS]
Κανονικοποιημένη πυκνότητα ενέργειας ύλης \Omega^0_{<b>M</b>} :   0.27 +- 0.04 [WMAP]   -   0.30 +- 0.04 [SDSS]   -   0.35 {}^{+0.19}_{-0.13} [2dFGRS]
\Omega^0_{\textbf{M}} h^2 :   0.135 {}^{+0.008}_{-0.009} [WMAP]   -   0.1471 {}^{+0.0090}_{-0.0080} [SDSS]
Κανονικοποιημένη πυκνότητα ενέργειας κενού  \Omega^0_{\Lambda} :   0.73 +- 0.04 [WMAP]   -   0.707^{+0.031}_{-0.039} [SDSS]
Ηλικία του Σύμπαντος t_0 [<b>Gyr</b>] :   13.7 +- 0.2 [WMAP]   -   14.1^{+1.0}_{-0.9} [SDSS]
Κανονικοποιημένη πυκνότητα ενέργειας νετρίνων \Omega^0_{\nu} h^2 :   < 0.0072 \textbf{(95%)} [WMAP]   -   < 0.018 <b>(95%)</b> [SDSS]

Οι φάσεις του Σύμπαντος

 Ηλικία Φάση Θερμοκρασία (Κ)
0 - 10-43sec Χρόνος Planck, δεν ισχύουν οι γνωστοί νόμοι της φυσικής άπειρη
10-32 sec Τέλος του πληθωρισμού 1019
100 sec Σχηματισμός δευτερίου και Ηλίου 109
1 μήνας Το φάσμα CMB σταθεροποιήθηκε 107
10.000 ετών Εποχή της ακτινοβολίας: Η ακτινοβολία μετατρέπεται σε ύλη και το αντίστροφο, 20.000
380.000 ετών Τελευταία σκέδαση,
Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου		 3.000
Δείτε και τα σχετικά άρθρα
Το πεπρωμένο αυτού του κόσμου
Η διαστολή του Σύμπαντος
Επιβεβαιώθηκε ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο.
Είναι το Σύμπαν επίπεδο;
HomeHome