H χαρτογράφηση
των ανισοτροπιών στην
ακτινοβολία υποβάθρου του
ουρανού των 2.74 Kelvin από τον
δορυφόρο COBE. Αυτά τα κοσμικά
σχήματα στον ουρανό πιθανόν να
είναι κατάλοιπα από την εποχή
των 10-32 sec μετά τη Μεγάλη
Εκρηξη. Ο χάρτης δείχνει όλη την
ουρόνια 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.
|
Λίγες
επιστημονικές ανακαλύψεις αυτού
του αιώνα μπορούν να συγκριθούν σε
σπουδαιότητα με την παρατήρηση της
κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου,
μιας διάχυτης ακτινοβολίας
μικροκυμάτων που κατακλύζει
ολόκληρο το Σύμπαν και θεωρείται
ότι είναι το σημερινό υπόλειμμα
από την υπέρθερμη αρχέγονη Μεγάλη
Εκρηξη που δημιούργησε την ύλη, το
χώρο και το χρόνο, περίπου 12-15
δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
 
Οι Penziaw-Wilson μπροστά στην κωνική
κεραία του Holmdel New Jersey, με την οποία
ανακάλυψαν το 1964 τη διάχυτη
ακτινοβολία υπβάθρου στο Σύμπαν.
Σήμερα, 35 χρόνια
από την ανακάλυψή της από τους
Αμερικανούς ραδιοαστρονόμους Αrno
Penzias και Robert Wίlsοn των Bell Teleρhοne
Laboratories, ίσως έχει παύσει πια να
εντυπωσιάζει όσο παλαιότερα -
παρόλο που συνεχίζει να αποτελεί
το κλειδί όλων των σύγχρονων
κοσμολογικών θεωριών .
Ωστόσο, θα έπρεπε κανείς να
αναλογιστεί ότι μόλις λίγα χρόνια
πριν από την ανακοίνωση των Penzias
και WiIson το Μάιο του 1965, συζητήσεις
σχετικά με τη δημιουργία του
Σύμπαντος θεωρούντο "φιλοσοφικές"
και αταίριαστες για επιστήμονες.
Τώρα οι αστρονόμοι, στηριζόμενοι
κατά κύριο λόγο στην ανακάλυψη
αυτής της διάχυτης μικροκυματικής
ακτινοβολίας υποβάθρου, μιλούν για
ένα αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο
της δημιουργίας του Κόσμου.
Οπως συμβαίνει με
όλες τις σπουδαίες επιστημονικές
επαναστάσεις. το πλήθος των
προβλημάτων που απαντήθηκαν από
την εργασία των Penzias και Wίlsοn ήταν
όσο και των νέων προβλημάτων που
ανέκυψαν. Το πιο δραματικό από αυτά
αφορούσε την εξαιρετικά
ομοιόμορφη κατανομή της κοσμικής
ακτινοβολίας υποβάθρου. Η
παρατηρούμενη έλλειψη
οποιασδήποτε μετρήσιμης απόκλισης
φαινόταν να μη συμβιβάζεται με τη
δομή του σημερινού Σύμπαντος, ενός
κόσμου δηλαδή με δισεκατομμύρια
άστρα, γαλαξίες, σμήνη και
υπερσμήνη κάθε άλλο παρά
ομοιόμορφα κατανεμημένων.
Ηταν ακριβώς αυτό το μυστήριο που
αποτέλεσε τον κύριο στόχο του
δορυφόρου CΟBE (Cοsmίc Background Εxplorer ή
Εξερευνητής Κοσμικού υποβάθρου)
της NASA, ο οποίος από το Νοέμβριο του
1989 άρχισε να μελετά την
ακτινοβολία υποβάθρου σε διάφορα
μήκη κύματος.
Τον Απρίλιο του 1992,
ο George F. Smοοt του Lawrence Berkeley Laboratory και
οι συνεργάτες του ανακοίνωσαν τα
πρώτα ενθαρρυντικά αποτελέσματα: ο
CΟBE είχε καταγράψει διακυμάνσεις
στη μέση θερμοκρασία της κοσμικής
ακτινοβολίας υποβάθρου του
ουρανού της τάξης των 30
εκατομμυριοστών του βαθμού Κelvin. Οι
διακυμάνσεις αυτές φαίνεται να
αντιστοιχούν σε κοσμικές δομές --υπολείμματα
από την εποχή μόλις 300.000 χρόνια
μετά την τρομακτική έκρηξη που
πιστεύεται ότι δημιούργησε το
Σύμπαν. Τον πρώτο ενθουσιασμό από
την ανακάλυψη του CΟBE έχειτώρα
αντικαταστήσει η προσεκτική
μελέτη των μετρήσεων και η
προσπάθεια ερμηνείας τους.
Η κοσμολογία, όπως
την αντιλαμβανόμαστε σήμερα, έχει
αναπτυχθεί μέσα στο θεωρητικό
πλαίσιο που πρόσφερε το 1916 η Γενική
Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein ,
η οποία ήταν μια θεωρία βαρύτητας,
αντικαθιστώντας τη μέχρι τότε
Νευτώνια θεωρία της nαγκόσμιας
έλξης (τουλάχιστον για χώρους με
μεγάλες συγκεντρώσεις μάζας)
επέτρεψε στους επιστήμονες να
περιγράφουν το Σύμπαν με γλώσσα
δυναμική: το Σύμπαν μπορούσε να
είναι παραμορφωμένο -ακριβέστερα,
καμπυλωμένο- εξαιτίας των ουράνιων
σωμάτων που περιείχε, να δρα
βαρυτικά πάνω στο φως και στην
ενέργεια, να διαστέλλεται και να
συστέλλεται και, το κυριότερο,
μπορούσε να έχει μια αρχή και ένα
τέλος.
Η πρώτη παρατηρησιακή επιβεβαίωση
ενός διαστελλόμενου Σύμπαντος -
και συγχρόνως η απαρχή της θεωρίας
της Μεγάλης Εκρηξης - δόθηκε τη
δεκαετία του 1920 από τη σπουδαία
ανακάλυψη του Αμερικανού
αστρονόμου Edwin Hubble ότι οι γαλαξίες
απομακρύνονται ο ένας από τον
άλλον με ταχύτητες ανάλογες των
αποστάσεών τους. Για ένα Σύμπαν που
φαινόταν να διαστέλλεται, ήταν
φυσικό να υποθέσει κανείς ότι
κάποια στιγμή στο απόμακρο
παρελθόν του όλοι οι γαλαξίες θα
βρίσκονταν πολύ πλησιέστερα
μεταξύ τους, συμπιεσμένοι σε μια
μάζα αφάνταστα υψηλής πυκνότητας
και θερμοκρασίας.
Με το τέλος της
δεκαετίας του 1940, οι Ralph Alpher και Rοbert
Herman του Applied Physics Labοratοry στις ΗΠΑ
είχαν αναπτύξει σε ικανοποιητικό
βαθμό τη διδακτορική θέση του Alpher
σχετικά με τις ιδιότητες της
υπέρθερμης ύλης από την έκρηξη της
οποίας μπορούσε να είχε
δημιουργηθεί το Σύμπαν. Επρόκειτο
ουσιαστικά για την προώθηση μιας
ιδέας του George Gamow, Ρώσου επιστήμονα
που έφτασε στις ΗΠΑ το 1933 και
εγκαταστάθηκε στο Geοrge Washington Unίνersity.
Οι Alpher και Herman γρήγορα κατάλαβαν
ότι το σημερινό Σύμπαν θα έπρεπε να
είναι γεμάτο με το υπόλειμμα
εκείνης της αφάνταστα υψηλής
θερμοκρασίας της δημιουργίας του.
Ωστόσο, σαν συνέπεια της μετέπειτα
διαστολής του Σύμπαντος, η
θερμοκρασία αυτή θα έπρεπε σήμερα
να έχει μειωθεί σημαντικά σε ένα
είδος διάχυτης ακτινοβολίας "στο
βάθος" όλων των υπόλοιπων
ακτινοβολιών από τις μετέπειτα "δραστηριότητες"
του Σύμπαντος. Η πρόβλεψή τους ότι
σήμερα αυτή η παραμένουσα
ακτινοβολία υποβάθρου θα ήταν γύρω
στους πέντε βαθμούς πάνω από το
απόλυτο μηδέν δημοσιεύτηκε στο
επιστημονικό περιοδικό Nature το 1948
αλλά πέρασε απαρατήρητη.
Περίπου δεκαπέντε
χρόνια αργότερα, η κοσμική
ακτινοβολία υποβάθρου
ανακαλύφθηκε κατά τύχη. Οι
ραδιοαστρονόμοι Αrno Penzias και Rοbert Wilsοn
των Bell Labοratοrίes, κατά τη διάρκεια
ενός τεστ ρουτίνας μιας κωνικής
κεραίας μικροκυμάτων στο Ηοlmdel του
New Jersey , παρατήρησαν ένα στατικό
ηλεκτρικό θόρυβο στο σήμα τους που
φαινόταν να προέρχεται από κάθε
σημείο του ουρανού. Αφού κάθε
προσπάθεια να απαλλαγούν από αυτό
το θόρυβο απέτυχε, ζήτησαν βοήθεια
από συναδέλφους τους και τότε
πληροφορήθηκαν από τον Rοbert Η . Dicke
του Princetοn ότι μόλις είχαν "ακούσει"
τον απόηχο από τη Μεγάλη Εκρηξη -
για την ακρίβεια, ό,τι "ακουγόταν"
300.000 χρόνια μετά τη στιγμή της
Δημιουργίας, αλλά εξασθενημένο σε
μια αντίστοιχη θερμοκρασία 2,74
βαθμών της κλίμακας Κelνίn λόγω της
διαστολής του Σύμπαντος που
ακολούθησε.
Αμέσως ήλθε στην
επικαιρότητα η θεωρία των Gamοw, Alpher
και Herman. Η εποχή ήταν επίσης ώριμη
για μια σύνδεση της κοσμολογίας με
τις ισχύουσες τότε θεωρίες των
στοιχειωδών σωματιδίων (σε λίγα
χρόνια θα ολοκληρωνόταν η
ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών
και των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων
από τους Salam, Weinberg και Glashow). Πολύ
σύντομα οι επιστήμονες μιλούσαν με
αυτοπεποίθηση για τα "τρία πρώτα
λεπτά" μετά τη στιγμή της
Μεγάλης Εκρηξης, ίσως και για τα
πρώτα εκατοστά του δευτερολέπτου
μετά τη Δημιουργία. Το λεγόμενο
αποδεκτό μοντέλο της δημιουργίας
του Σύμπαντος είχε γεννηθεί
Τα χρόνια που
ακολούθησαν την τυχαία
ανακάλυψη των Penzias και Wilsοn
γνώρισαν μια άλλη "Μεγάλη
Εκρηξη": θεωρίες, μοντέλα και
υποθέσεις γύρω από την
προσπάθεια να ενσωματωθούν στο
νέο αποδεκτό μοντέλο της
κοσμολογίας τα διάφορα
πειραματικά δεδομένα που είχαν
συσσωρευθεί από την εποχή των
πρώτων παρατηρήσεων του Hubble στη
δεκαετία του 1920 σχετικά με τη
διαστολή του Σύμπαντος. Το ίδιο
το αποδεκτό μοντέλο βελτιώθηκε
στις αρχές της δεκαετίας του 1980
με τη λεγόμενη πληθωρισμική
εκδοχή του Alan Guth του
Τεχνολογικού Ινστιτούτου της
Μασαχουσέτης. Για να αντιληφθεί
κανείς την αναγκαιότητα να
μελετηθεί η κατανομή της
κοσμικής ακτινοβολίας
υποβάθρου πάνω από το "θόρυβο"
της γήινης ατμόσφαιρας-
αναγκαιότητα που κατέληξε στην
εκτόξευση του δορυφόρου CΟBE
αφιερωμένου αποκλειστικά στην
παρατήρηση της ακτινοβολίας
υποβάθρου- πρέπει να ανατρέξει
στα αναπάντητα προβλήματα που
είχαν παραμείνει στα μέσα της
δεκαετίας του 1980 μετά την
αποδοχή του πληθωρισμικού
μοντέλου.
Το φάσμα
όπως μετρήθηκε από τον COBE.
Το φάσμα δείχνει την
κατανομή της ενέργειας της
ακτινοβολίας στα διάφορα
μήκη κύματος. Η συνεχής
καμπύλη παριστάνει τη
θεωρητικά προσδοκώμενη
κατανομή της ακτινοβολίας
που προέρχεται από τη
Μεγάλη Εκρηξη. Αυτή η
ακτινοβολία είναι τύπου
μέλανος σώματος.
|
Η ακτινοβολία
μικροκυμάτων υποβάθρου
θεωρείται ότι αποτελεί το
υπόλειμμα της θερμικής
ισορροπίας που χαρακτήριζε το
Σύμπαν περίπου 300.000 χρόνια μετά
τη Μεγάλη Εκρηξη. Η ακτινοβολία
που παρατηρείται σήμερα σε
θερμοκρασία 2,74 βαθμών Κelνίn
αντιστοιχεί σε μια αρχέγονη
θερμοκρασία 3.000 βαθμών που
μετατράπηκε σε ανιχνεύσιμη
όταν τα ελεύθερα ως τότε
ηλεκτρόνια παγιδεύτηκαν σε
κβαντισμένες ατομικές τροχιές
γύρω από πυρήνες υδρογόνου,
ηλίου και λιθίου.
Σαν αποτέλεσμα αυτής της
παγίδευσης, η αλληλεπίδραση
φωτονίων και πυρήνων και
ηλεκτρονίων μειώθηκε δραματικά
και η ύλη έγινε διαπερατή στην
ακτινοβολία.
Η περαιτέρω μείωση της
θερμοκρασίας εκείνης στη
σημερινή τιμή της κατά τρεις
τάξεις μεγέθους (δηλαδή χίλιες
φορές) οφείλεται στην
αντίστοιχη μετέπειτα διαστολή
του Σύμπαντος.
Η παραπάνω
εικόνα της πρώτης ηλικίας του
Σύμπαντος περιγράφει μια
τελείως ομοιόμορφη κατανομή
της κοσμικής ακτινοβολίας
υποβάθρου. Από μια άποψη, μια
τέτοια κατανομή φαινόταν μέχρι
πριν από λίγα χρόνια να
συμφωνεί απόλυτα με όλες τις
μετρήσεις της ακτινοβολίας
υποβάθρου με ακρίβεια 1/10.000.
Αλλά κάθε άλλο παρά συμφωνεί με
τη σημερινή εικόνα του
εξαιρετικά ανομοιόμορφου
Σύμπαντος γύρω μας. Είναι
χαρακτηριστικό ότι οι
σύγχρονες χαρτογραφήσεις
μεγάλης κλίμακας του ουρανού
γίνονται με βάση σμήνη γαλαξιών
και παρουσιάζουν δομές, τόσο
από υπερσμήνη γαλαξιών όσο και
από κενά, με διαστάσεις που
φτάνουν τα 300 εκατομμύρια έτη
φωτός! Πώς λοιπόν μπορεί κανείς
να ερμηνεύσει την εξέλιξη μιας
τέλειας ομοιογενούς κατανομής
ακτινοβολίας (και προφανώς ύλης)
σε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται
από υπερσυγκεντρώσεις γαλαξιών
σε "Μεγάλα Τείχη"
διασκορπισμένα ανάμεσα σε "Μεγάλα
Κενά";
Ο CΟBE λοιπόν εκτοξεύτηκε το 1989
ακριβώς για να δώσει απάντηση
σε αυτό το ερώτημα. Ηταν κάτι
περισσότερο από διαδικασία
ρουτίνας σε μια περίοδο
κανονικής επιστημονικής
δραστηριότητας.
Πολλοί ερευνητές που
εργάζονταν πάνω στο αποδεκτό
κοσμολογικό μοντέλο είχαν
αρχίσει να ανησυχούν για την
αδυναμία των επίγειων
πειραμάτων να παρατηρήσουν
διακυμάνσεις στην κατανομή της
ακτινοβολίας υποβάθρου που θα
εξηγούσαν την προέλευση των
σημερινών δομών στο Σύμπαν . Η
ανακοίνωση από τον Smοοt στις 23
Απριλίου 1992 ότι "η Μεγάλη
Εκρηξη ήταν ζωντανή και πολύ-πολύ
υγιής" προκάλεσε ίσως
περισσότερο ανακούφιση παρά
ενθουσιασμό ανάμεσα στην
κοινότητα των κοσμολόγων .
Ο CΟBE ανίχνευσε
διακυμάνσεις στην κατανομή της
κοσμικής ακτινοβολίας
υποβάθρου που διαφέρουν από τη
μέση θερμοκρασία των 2,74 βαθμών
Κelvin του ουρανού μόνο κατά 30
εκατομμυριοστά του βαθμού. Το
μεγαλύτερο μέρος των
διακυμάνσεων -περίπου τα δύο
τρίτα των δεδομένων- είναι στην
πραγματικότητα αποτύπωση του
ηλεκτρικού θορύβου των οργάνων
του δορυφόρου και των
ακτινοβολιών από κοντινές "πρόσφατες"
πηγές του ουρανού. Η μαθηματική
ανάλυση των διακυμάνσεων
δείχνει ότι πίσω από την oλική
εικόνα φαίνεται να υπάρχουν
σήματα που ανταποκρίνονται σε
αληθινές στατιστικές
διακυμάνσεις στην κατανομή της
ακτινοβολίας υποβάθρου. Οι
μικρότερες από τις δομές αυτές
εκτείνονται μέχρι και 500
εκατομμύρια έτη φωτός μέσα στο
διάστημα!
Δύο νέες
διαστημικές αποστολές
ετοιμάζονται αυτό τον καιρό με
θέμα τη μελέτη της ακτινοβολίας
υποβάθρου και θα εκτοξευθούν τα
επόμενα χρόνια. Η πρώτη
προέρχεται από τη NASA που θα
εκτοξεύσει τον ΜΑΡ (Micrοwaνe Anisotropy
Probe) και η δεύτερη από την
Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία
που θα εκτοξεύσει τον Planck σε
πέντε χρόνια περίπου.
Τα τελευταία οκτώ χρόνια από
την ανακάλυψη της ανισοτροπίας
στην ακτινοβολία υποβάθρου που
πρόσφερε ο COBE,
πραγματοποιήθηκαν πολλές
μετρήσεις, οι οποίες
επαλήθευσαν το αποτέλεσμα.
Δυστυχώς, όμως, όλες οι
μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν
στην επιφάνεια της Γης, με
αποτέλεσμα η ακριβειά τους να
είναι σημαντικά μικρότερη από
αυτήν του CΟΒΕ. Τα αποτελέσματα
των μετρήσεων μπορούν να
συνοψιστούν στα εξής:
0ι μετρήσεις είναι σε συμφωνία
με τη θεωρία της Εκθετικής
Διαστολής και ταυτόχρονα
απορρίπτουν όλες τις θεωρίες
της εξέλιξης του σύμπαντος οι
οποίες δεν περιέχουν την ύπαρξη
μη βαρυονικής σκοτεινής ύλης.
Επίσης, τα αποτελέσματα
απορρίπτουν τη θεωρία πως οι
αρχικές διαταραχές που
οδήγησαν στη δημιουργία των
σημερινών σχηματισμών
οφείλονταν στο "σπάσιμο"
της συμμετρίας και το χωρισμό
τωντεσσάρων δυνάμεων. Σε
συνδυασμό με ορισμένες
τελευταίες μετρήσεις που
υποδείκνυαν ότι πρώτα
σχηματίστηκαν οι γαλαξίες και
μετά τα σμήνη μπορούμε να πούμε
ότι η σημερινή θεώρηση είναι
αυτή της εκθετικής διαστολής
και της ψυχρής σκοτεινής ύλης.
Από τις
μετρήσεις της ανισοτροπίας
μπορούμε ακόμα να μετρήσουμε
και να ελέγξουμε πειραματικά
τις προβλέψεις της θεωρίας για
το Ω, τη σταθερά του ΗubbΙe ή την
πυκνότητα βαρυονίων με
ακρίβεια της τάξης του 20%.
Υπάρχει η δυνατότητα εξαγωγής
της τιμής του Ω από μετρήσεις
υπερκαινοφανών αστέρων. Η
ανισοτροπία της ακτινοβολίας
υποβάθρου θα μας επιτρέψει να
διασταυρώσουμε την τιμή αυτή
και με μία εντελώς διαφορετική
μέθοδο.
Μία επιπλέον
ιδιότητα της ανισοτροπίας της
ακτινοβολίας υποβάθρου που δεν
έχει παρατηρηθεί ακόμα είναι το
γεγονός ότι πρέπει να είναι
μερικά πολωμένη. Οι νέοι
δορυφόροι ΜΑΡ και Planck θα έχουν
τα κατάλληλα όργανα ώστε να
μετρήσουν αυτή την πόλωση.
Υπάρχει η αντίληψη ότι
μελετώντας τη θα είμαστε σε
θέση να ξεχωρίσουμε τη
συνεισφορά των κυμάτων
βαρύτητας λόγω της εκθετικής
διαστολής και, γνωρίζοντας αυτή
τη συνεισφορά, να υπολογίσουμε
την ενεργειακή κλίμακα της
διαστολής. Επίσης, η πόλωση θα
μας δώσει πληροφορίες για τον
ιονισμό που παρατηρήθηκε στο
σύμπαν κατά τη δημιουργία των
πρώτων άστρων και για το τέλος
της σκοτεινής περιόδου που
ξεκίνησε την περίοδο της
επανασύνδεσης.
Από την
ανακάλυψή της μέχρι σήμερα η
ακτινοβολία υποβάθρου έχει
παίξει τεράστιο ρόλο στην
κοσμολογία. Μας αποκάλυψε
κάποια από τα βαθιά κρυμμένα
μυστικά του σύμπαντος και μας
άνοιξε "ένα παράθυρο σε μία
εποχή όπου το σύμπαν είχε
ηλικία μόλις 300.000 ετών. Η μελέτη
της ανισοτροπίας της
ακτινοβολίας, κυρίως χάρη στους
δύο δορυφόρους που θα
εκτοξευθούν τα επόμενα χρόνια,
ελπίζουμε ότι θα λύσει πάρα
πολλές από τις σημερινές
απορίες μας για την εξέλιξη του
σύμπαντος και θα αποκαλύψει τις
τιμές των κοσμολογικών
παραμέτρων που ακόμα μας
διαφεύγουν. Σίγουρα πάντως θα
θέσει σε δοκιμασία όλες τις
θεωρίες μας για την εξέλιξη
αυτή. Σε αναμονή λοιπόν της
εκτόξευσης του ΜΑΡ και του Planck
το 2005.
|
|
