Το Φεβρουάριο του 2003 ο δορυφόρος WMAP (διάδοχος του COBE που φτιάχτηκε για να μετρήσει την Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου με 35 φορές καλύτερη ανάλυση) έφτιαξε μια ακόμα πιο λεπτομερή εικόνα της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (CMB), την ακτινοβολία που εκπέμφθηκε από το σύμπαν όταν είχαν περάσει 380.000 χρόνια από το Big Bang. Η ακτινοβολία αυτή που θεωρείται το αρχαιότερο φως στον Κόσμο, διέρρευσε από το νεογέννητο σύμπαν όταν αυτό ήταν ακόμα μια πυρακτωμένη σφαίρα πλάσματος.
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.
Πολύ πριν να υπάρξουν αστέρια και γαλαξίες, το σύμπαν αποτελούνταν από ένα καυτό, λαμπρό πλάσμα που αναταρασσόταν κάτω από τις ανταγωνιστικές επιδράσεις της βαρύτητας και της ακτινοβολίας. Τα καυτά σημεία στην Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου είναι οι εικόνες του συμπιεσμένου, πυκνού πλάσματος σε ένα σύμπαν που συνεχώς ψύχεται, ενώ τα ψυχρά σημεία του χάρτη είναι η υπογραφή των απόκρυφων, εσωτερικών, περιοχών του αερίου.
Ακριβώς όπως ο τόνος ενός κουδουνιού εξαρτάται από τη μορφή του και το υλικό από το οποίο αποτελείται, έτσι συμβαίνει και με τον ‘ήχο’ του αρχικού σύμπαντος — η αναλογία των υλικών του και τα μεγέθη των καυτών και ψυχρών σημείων στην CMB — που εξαρτάται από τη σύνθεση του σύμπαντος και τη μορφή του. Ο δορυφόρος WMAP επέτρεψε τελικά στους επιστήμονες να ακούσουν αυτή την ουράνια μουσική και να υπολογίσουν από τι αποτελείται ο Κόσμος μας.
Αναλύοντας τα δεδομένα του WMAP, οι ερευνητές συμπέραναν ότι το σύμπαν αποτελείται μόνο 4% από τη συνηθισμένη ύλη. Το 23% είναι η αόρατη σκοτεινή ύλη, που οι αστροφυσικοί θεωρούν ότι είναι φτιαγμένη, μέχρι σήμερα, από άγνωστα σωματίδια. Το υπόλοιπο, 73%, είναι η περίφημη σκοτεινή ενέργεια.
Το WMAP ανακάλυψε, επίσης, και άλλες βασικές ιδιότητες του Σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένης της ηλικίας του (13,7 δισεκατομμύρια έτη), του ρυθμού διαστολής και της πυκνότητας.
Μια από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις που αποκαλύφθηκαν από τα στοιχεία του WMAP, είναι ότι η πρώτη γενεά των άστρων άρχισε να λάμπει στον Κόσμο μόνο 200 εκατομμύρια χρόνια μετά από το Μεγάλη Έκρηξη, πολύ νωρίτερα από όσο ανέμεναν πολλοί επιστήμονες. 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.
Ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος (η σταθερά Hubble) βρέθηκε ότι είναι: Ho= 71 km/sec/Mpc (μ’ ένα περιθώριο λάθους περίπου 5%). Για να ταιριάξει δε η θεωρία με τα δεδομένα δεχόμαστε την παντοτινή διαστολή του σύμπαντος.
Το σύμπαν τελικά, σύμφωνα με τα δεδομένα του WMAP, είναι επίπεδο ενώ 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 η “σκοτεινή ενέργεια του κενού”.
Η ποσότητα της σκοτεινής ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν φαίνεται ότι παίζει κρίσιμο ρόλο στον καθορισμό της γεωμετρίας του Χώρου. Γιατί:
1. Αν η συνολική πυκνότητα της ύλης και της ενέργειας στο Σύμπαν ρ < ρο , (όπου ρο η κρίσιμος πυκνότητα) τότε ο χώρος είναι ανοικτός και με αρνητική καμπυλότητα όπως η επιφάνεια ενός σαμαριού.
2. Αν η πυκνότητα είναι ρ > ρο (όπου ρο η κρίσιμος πυκνότητα) 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.
3. Τέλος, αν η πυκνότητα είναι ακριβώς ίση με την κρίσιμη πυκνότητα ρ = ρο, τότε ο χώρος είναι επίπεδος όπως ένα φύλλο χαρτί. Αυτό το σενάριο επιβεβαίωσε και ο δορυφόρος WMAP.
Η θεωρία του πληθωρισμού, η προέκταση της θεωρίας του Big Bang, προβλέπει ότι η πυκνότητα του σύμπαντος πρέπει να είναι πολύ κοντά στην κρίσιμη πυκνότητα, παράγοντας έτσι ένα επίπεδο σύμπαν.
Η εξέλιξη και το σχήμα του σύμπαντος
Αν λύσουμε τις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν, με τη βοήθεια και της μετρικής του διαστελλόμενου χώρου, βρίσκουμε ότι η μελλοντική εξέλιξη του Σύμπαντος εξαρτάται από το συνολικό ποσό της ύλης και της ενέργειας που περιέχει. Στην πιο απλή μορφή αυτών των λύσεων, (χωρίς να υπολογίσουμε την κοσμολογική σταθερά Λ), υπάρχουν οι εξής δυνατές περιπτώσεις μεταξύ ύλης και γεωμετρίας:
1. Αν το σύμπαν περιέχει μικρή ποσότητα ύλης τότε θα διαστέλλεται συνεχώς γιατί η βαρύτητα δεν μπορεί να το συγκρατήσει (είναι η περίπτωση του ανοικτού σύμπαντος). Η δε γεωμετρία που το διέπει είναι υπερβολική (στις δύο διαστάσεις ένα ανάλογο σχήμα είναι αυτό μιας σέλας αλόγου).
2. Αν περιέχει μεγάλη ποσότητα ύλης τότε το σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα γιατί η βαρύτητα θα αρχίσει να γίνεται τότε σημαντική (περίπτωση κλειστού σύμπαντος). Η δε γεωμετρία που το διέπει είναι σφαιρική.
3. Αν περιέχει ένα συγκεκριμένο κρίσιμο ποσό ύλης (το σύνορο μεταξύ των δύο παραπάνω περιπτώσεων), τότε η γεωμετρία είναι η γνωστή μας Ευκλείδια (επίπεδο σύμπαν).
Με την προσθήκη της κοσμολογικής σταθεράς Λ αυτή η αντιστοιχία μεταξύ ύλης και γεωμετρίας παύει αν ισχύει και είναι δυνατόν το Σύμπαν να περιέχει μικρό ποσό κανονικής ύλης αλλά η γεωμετρία που το διέπει να είναι η Ευκλείδια. Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή η Κοσμολογική Σταθερά Λ λειτουργεί σαν εν δυνάμει ύλη (σκοτεινή ενέργεια του κενού), η οποία συμπληρώνει την απαραίτητη ποσότητα της κανονικής ύλης (βαρυονικής και σκοτεινής ύλης) ώστε το Σύμπαν να είναι επίπεδο.
Έχει λοιπόν βρεθεί ότι το Σύμπαν διαστέλλεται σήμερα με ρυθμό πολύ κοντά στην κρίσιμη τιμή, γεγονός που χρειάζεται εξήγηση μιας και γνωρίζουμε από τις λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν, ότι εάν το Σύμπαν δεν ξεκινούσε την διαστολή του με ακριβώς αυτό τον ρυθμό, τότε με την πάροδο του χρόνου θα απέκλινε όλο και περισσότερο από αυτόν και σήμερα θα μετρούσαμε εντελώς διαφορετικό ρυθμό διαστολής.
Η παρουσία των κοσμικών δομών (αστέρων, γαλαξιών και σμήνη γαλαξιών), δείχνει ότι ο ρυθμός διαστολής είναι ακριβώς αυτός που χρειάζεται για να δημιουργηθούν.
Γιατί αν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό πολύ μεγαλύτερο της κρίσιμης τιμής τότε η βαρύτητα που ασκείται συνολικά στο Σύμπαν, από την εμπεριεχόμενη εντός αυτού ύλης και ενέργειας, δεν θα ήταν σε θέση να αντιστρέψει τη διαστολή σε συστολή ούτε στις περιοχές υψηλής πυκνότητας. Κι έτσι δεν θα είχαν γεννηθεί τα άστρα, στον πυρήνα των οποίων δημιουργούνται τα συστατικά στοιχεία από τα οποία είναι φτιαγμένα τα έμβια όντα (οξυγόνο, υδρογόνο, άνθρακας κλπ) και η εξέλιξη των οποίων τελικά τροφοδοτεί, με αυτά τα στοιχεία, το Σύμπαν.
Επίσης, εάν το Σύμπαν διαστελλόταν με ρυθμό σημαντικά βραδύτερο της κρίσιμης τιμής τότε πάλι πριν προλάβουν να δημιουργηθούν τα άστρα, το Σύμπαν θα είχε ξανασυσταλλεί σε μία υπέρθερμη θάλασσα ακτινοβολίας. Επομένως, το γεγονός της ύπαρξης των κοσμικών δομών προϋποθέτει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται περίπου με τον ρυθμό που μετράμε.
