Ζούμε σε μια ιδιαίτερη στιγμή. Τις δύο τελευταίες δεκαετίες, οι περισσότεροι κοσμολόγοι δούλεψαν υπό την προϋπόθεση ότι θα μπορούσαν να γνωρίσουν τα πάντα σχετικά με το σύμπαν. Γνωρίζουν την ποσότητα της ύλης και της ενέργειας που περιέχει. Γνωρίζουν ότι το σχήμα του είναι επίπεδο. Μπορούν να ανιχνεύσουν την ιστορία του, ήδη από τις πρώτες στιγμές μετά το big bang και μπορούν να προβλέψουν ακόμη και τη μοίρα του. Ή τουλάχιστον πίστευαν ότι θα μπορούσαν.
Γιατί ήταν τόσο σίγουροι; Εξαιρετικής ακρίβειας μετρήσεις της ακτινοβολίας που προέρχεται από τη Μεγάλη Έκρηξη μας έκανε να πιστέψουμε ότι μπορούμε να επεξεργαστούμε την καμπυλότητα του σύμπαντος, με ένα ελάχιστο ρθυμό. Με τον τρόπο αυτό, καθόρισαν πόση ενέργεια περιέχει το σύμπαν και ότι το μεγαλύτερο μέρος της είναι σε μια εξωτική μορφή που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία αποτελεί την καθοδηγητική δύναμη για την επέκταση του χώρου.
Ωστόσο, πρόσφατες ανακαλύψεις έκαναν να αναρωτιούνται μερικοί – σαν τον κοσμολόγο Pedro Ferreira της Οξφόρδης – αν αυτοί οι ισχυρισμοί ήταν πρόωροι. Καθώς μαθαίνουμε περισσότερα για τη σκοτεινή ενέργεια και τις επιπτώσεις της στην διαστολή του χωρόχρονου, θα διαπιστώσουμε ότι η σκοτεινή ενέργεια και το σχήμα, ή η γεωμετρία του σύμπαντος είναι ανησυχητικά συνυφασμένα.
Αλλάζοντας τις αρχικές παραδοχές μας για την σκοτεινή ενέργεια μπορούμε να τροποποιήσουμε ριζικά τους περιορισμούς σχετικά με το σχήμα του σύμπαντος. Ισοδύναμα, με μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση της γεωμετρίας, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η φύση και η εξέλιξη της σκοτεινής ενέργειας. Η εικόνα του σύμπαντος, κατά κάποιο βαθμό, άνοιξε και πάλι.
Η κατάσταση αυτή έχει σοβαρές επιπτώσεις για το πώς θα προχωρήσουμε στην εξερεύνηση του σύμπαντος. Προβλέπονται πολλές αποστολές για την αναζήτηση της φύσης της σκοτεινής ενέργειας, αλλά όχι για τη μέτρηση της γεωμετρίας με πολύ πιο ακρίβεια, οπότε οι όλες προσπάθειες θα μπορούσαν να είναι μάταιες. Με λίγα λόγια, θα παραμείνουμε στο σκοτάδι σχετικά με την σκοτεινή ενέργεια.
Ήταν ο Αϊνστάιν που έδειξε ότι αυτό που εννοούμε σαν δύναμη της βαρύτητας είναι η γεωμετρία του χωροχρόνου. Η γενική θεωρία της σχετικότητας περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο ο χωροχρόνος παραμορφώνεται και τεντώνεται και, σε αντάλλαγμα, τα διάφορα σώματα του σύμπαντος αναγκαστικά θα κινούνται κατά μήκος του παραμορφωμένου χωροχρόνου. Αν εφαρμόσουμε την ιδέα του Αϊνστάιν για το σύνολο του χωροχρόνου, θα διαπιστώσουμε ότι το σύμπαν επεκτείνεται σύμφωνα με την υποκείμενη γεωμετρία του ίδιου του χώρου.
Η γεωμετρία του σύμπαντος μπορεί να λάβει τρεις πιθανές μορφές, κάθε μια εκ των οποίων συναρτάται άμεσα με το συνολικό ποσό της ύλης και της ενέργειας ανά μονάδα όγκου του χώρου. Αν υπάρχει πάρα πολύ ύλη, το σύμπαν θα έχει θετική καμπυλότητα. Αυτό σημαίνει ότι καμπυλώνεται σαν την επιφάνεια της μπάλας και μπορεί να καταρρεύσει με μια Μεγάλη Σύνθλιψη. Πολύ λίγη ύλη (μάζα) τότε η καμπυλότητα θα είναι αρνητική: το σύμπαν θα μοιάζει – θα καμπυλώνεται – σαν μια σέλα, που θα προκαλέσει μια συνεχόμενη διαστολή νικώντας κατά κράτος την βαρυτική έλξη (οπότε η ύλη κάποτε θα διαλυθεί στα συστατικά της).
Μόνο αν το σύμπαν έχει ακριβώς τη σωστή πυκνότητα, που αντιστοιχεί σε μερικά πρωτόνια ανά κυβικό μέτρο, θα πρέπει να είναι επίπεδο και να έχει μηδενική καμπυλότητα. Με αυτή την πυκνότητα θα συνεχίσει να διαστέλλεται για πάντα, διότι η η ενέργεια όλων των συστατικών της ύλης, που κινούνται μακριά το ένα από το άλλο, θα εξισορροπεί με ακρίβεια τη βαρυτική τους έλξη.
Επειδή είναι καίριας σημασίας για την εξέλιξη του σύμπαντος η κατανόηση της καμπυλότητας του χώρου γι αυτό είναι κι ένας από τους μεγαλύτερους στόχους της κοσμολογίας. Πριν από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, υπήρχαν υπόνοιες ότι το σύμπαν έπρεπε να είναι σχεδόν επίπεδο. Σε αντίθετη περίπτωση αυτό είτε η ύλη θα είχε διαλυθεί είτε θα είχε καταρρεύσει μόλις δημιουργήθηκε.
Αλλά όλα όσα ξέραμε ήταν μια γενική ιδέα και τίποτε άλλο. Στην πραγματικότητα, σε κάθε διάσκεψη για την κοσμολογία συζητούνταν μερικά διαφορετικά μοντέλα: ένα με επίπεδη γεωμετρία και γεμάτο σκοτεινή ύλη, ένα άλλο, επίσης, επίπεδο αλλά με σκοτεινή ενέργεια, ή ένα άλλο χωρίς τίποτα και έτσι είχε αρνητική καμπυλότητα. Κάθε τόσο και λίγο, η πιθανότητα να ζούμε σε ένα θετικά κυρτομένο σύμπαν, προκαλούσε συζητήσεις αλλά δίχως επιβεβαίωση, δίχως ακριβείς παρατηρήσεις, και έτσι υπήρξε πολύ ρητορική και κανένα συμπέρασμα.
Αυτό όμως άλλαξε με τις μετρήσεις της Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων Υποβάθρου (CMB), την ακτινοβολία που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη, που έγινε με μια πιο ακριβή και απλή μέθοδο. Στα τέλη της δεκαετίας του 1960, μια ομάδα με επικεφαλής τον Yakov Zel’Dovich στη Σοβιετική Ένωση, δημοσίευσε μια σύντομη ανακοίνωση που έδειχνε ότι μια ακριβής χαρτογράφηση της ακτινοβολίας CMB θα έχει πολύ διακριτά χαρακτηριστικά: θα πρέπει να αποτελείται από τυχαία κατανεμημένα θερμά και ψυχρά σημεία (σαν κηλίδες) με ένα χαρακτηριστικό μέγεθος .
Η ομάδα του Zel’Dovich υπολόγισε το μέγεθος αυτών των σημείων (κηλίδων) όταν αυτά είχαν σχηματιστεί 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, μια εποχή που στην κοσμική ιστορία είναι γνωστή ως επανασύνδεση (τα ηλεκτρόνια μπόρεσαν τότε να συνδεθούν με τα πρωτόνια σχηματίζοντας άτομα). Πόσο μεγάλα εμφανίζονται σε εμάς σήμερα τα σημεία της CMB εξαρτάται από το πόσο γρήγορα έχει επεκταθεί το σύμπαν από τότε. Σύμφωνα με λογικά απλές υποθέσεις από τι αποτελείται σήμερα το σύμπαν, μπορούμε να καθορίσουμε την απόσταση για να γίνει επανασύνδεση με κάποια σχετική ακρίβεια. Γνωρίζοντας αυτό, και υπό την προϋπόθεση ότι το σύμπαν είναι επίπεδο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τριγωνομετρία για την επεξεργασία του γωνιακού μεγέθους των κηλίδων στον ουρανό.
Εάν όμως το σύμπαν δεν είναι επίπεδο, τότε θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα διαφορετικό σύνολο κανόνων. Το τυπικό μέγεθος των θερμών και ψυχρών σημείων σε ένα επίπεδο σύμπαν πρέπει να είναι περίπου 1 μοίρα σε ολόκληρο τον ουρανό, περίπου δύο φορές το γωνιακό μέγεθος της Σελήνης, όπως φαίνεται από τη γη. Εάν τα θερμά και ψυχρά σημεία φαίνονται μεγαλύτερα σε εμάς, τότε το διάστημα έχει θετική καμπυλότητα. Αν φανούν μικρότερα, τότε η καμπυλότητα του σύμπαντος είναι αρνητική.
Το 1992, ο δορυφόρος COBE της NASA έκανε τον πρώτο χάρτη όλου του ουρανού για τα θερμά και ψυχρά σημεία. Οι εικόνες βέβαια ήταν υπερβολικά ασαφείς για να δούμε με σιγουριά τη γεωμετρία του σύμπαντος, αλλά έδωσε το έναυσμα σε ομάδες να δουν μια σαφέστερη εικόνα της CMB, ελπίζοντας να δουν τη μαγική γωνιώδη απόσταση των κηλίδων περίπου 1 μοίρα.
Στη συνέχεια έγινε η ανάλυση των σημάτων που συλλέχθηκαν από δύο πειράματα με επιστημονικά μπαλόνια: το Maxima και το Boomerang.
Και τα δύο πειράματα μετέφεραν μια νέα γενιά ανιχνευτών μικροκυμάτων, που ήταν πολύ πιο ευαίσθητοι από ό,τι είχαμε πριν. Ήταν, επίσης, εξοπλισμένα με τηλεσκόπια που ήταν μια τάξη μεγέθους πιο ακριβείας από αυτά του δορυφόρου COBE. Με τα δύο αυτά χαρακτηριστικά σήμαινε ότι ήταν σε θέση να χαρτογραφήσουν με αρκετή ακρίβεια την CMB.
Στις αρχές του 2000 είδαμε λοιπόν με σαφήνεια ότι τα καυτά και ψυχρά σημεία είχαν ένα τυπικό μέγεθος της 1 μοίρας. Αυτό σήμαινε ότι η γεωμετρία του σύμπαντος ήταν σχεδόν επίπεδη. Έχουμε έτσι άμεσες και σαφείς αποδείξεις ότι ζούμε σε ένα πολύ ειδικό σύμπαν.
Μαζί με τις μετρήσεις αργότερα που έγιναν από το δορυφόρο WMAP της NASA, τα αποτελέσματα προβλέπουν ότι η γεωμετρία του σύμπαντος είναι επίπεδη, με μία ελάχιστη καμπυλότητα. Ξαφνικά η ζωή έγινε πολύ πιο απλή για τους κοσμολόγους που εργάζονται πάνω σε διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα, με διάφορες γεωμετρίες. Από εκεί και μετά όλες οι δημοσιεύσεις δήλωναν προκαταβολικά ότι το σύμπαν ήταν επίπεδο. Τέλος είχαμε κάποια βεβαιότητα σχετικά με την κατάσταση του σύμπαντος.
Αλλά κάτι άλλο δραματικό εκτυλίσσεται παράλληλα. Για δεκαετίες, ξέραμε ότι δεν υπήρχε αρκετό υλικό στο σύμπαν για την εξισορρόπηση των κοσμικών λογαριασμών. Όλα τα γνωστά άτομα σε άστρα, στο αέριο και τη σκόνη, που απλώνονται σε όλο τον κόσμο, ανέρχονται σε λιγότερο από το 4% του συνόλου της ύλης και της ενέργειας που ξέρουμε ότι υπάρχει στο σύμπαν σύμφωνα με την σημερινή του κατάσταση.
Ακόμη και λαμβάνοντας υπόψη την αόριστη σκοτεινή ύλη που πιστεύουμε ότι συγκρατεί τους γαλαξίες και τους επιτρέπει να στρέφονται με ιλιγγιώδεις ταχύτητες χωρίς τον κίνδυνο να διαλυθούν, δεν έχουμε αρκετή ύλη και ενέργεια για να γίνει επίπεδο το σύμπαν. Το έλλειμμα στο σύνολο της υλο-ενέργειας του σύμπαντος φαίνεται να είναι περίπου 70 τοις εκατό. Και αν υπήρχε αυτό το έλλειμμα, τότε το σύμπαν θα είχε αρνητική καμπυλότητα. Πρέπει λοιπόν να υπάρχει κάτι άλλο εκεί έξω για να εξισορροπήσει το έλλειμμα.
Απωθητικό υλικό
Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα ήρθε το 1998, όταν δύο διαφορετικές ομάδες σημείωσαν ότι πολύ μακρινά σουπερνόβα έλαμπαν πιο εξασθενημένα από αυτό που θα πρέπει να είναι. Μέχρι στιγμής η απλούστερη εξήγηση είναι ότι η επέκταση του σύμπαντος τώρα επιταχύνεται.
Τώρα, αν το σύμπαν διαστέλλεται με επιτάχυνση τότε κάτι πρέπει να πιέζει τον χωροχρόνο. Έχουμε διαπιστώσει ότι εάν το 70 τοις εκατό του σύμπαντος αποτελείται από ένα εξωτικό, απωθητικό υλικό που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, τότε θα μπορούσε να καλύψει αυτές τις ελλείψεις της ενέργειας. Έτσι, αν και το 96 τοις εκατό του σύμπαντος είναι η αόρατη σε μας σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, τότε τακτοποιείται η εξήγηση του Σύμπαντος.
Ο Αϊνστάιν είχε προτείνει ένα πιθανό υποψήφιο για αυτή την απωστική μορφή ενέργειας: την κοσμολογική σταθερά, ή λάμδα, που είναι τελείως μια ομαλή μορφή ενέργειας που δεν αραιώνει καθώς ο χώρος επεκτείνεται. η κοσμολογική σταθερά ή Λάμδα έχει υιοθετηθεί από πολλούς κοσμολόγους, σε τέτοιο βαθμό που το σημερινό, καθιερωμένο μοντέλο είναι γνωστό ως Λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης. Και ένα από τα κυριότερα χαρακτηριστικά του είναι ότι ο Κόσμος είναι επίπεδος.
Αλλά δεν είναι τόσο απλό. Ειλικρινά δεν έχουμε ιδέα για το τι αντιπροσωπεύει φυσικά το Λ. Ακόμη και η καλύτερη δυνατή υπόθεση μας δίνει λάθος απάντηση πάνω από εκατό τάξεις μεγέθους. Έτσι μας δίνεται η δυνατότητα η σκοτεινή ενέργεια να μην είναι σταθερή στο χρόνο και στο χώρο. Όσο τα μοντέλα μας προβλέπουν τη σωστή ποσότητα της κοσμικής επιτάχυνσης θα έχουν ανοικτή τη δυνατότητα της επιλογής.
Έτσι, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο; Έτσι νόμιζα ότι είναι, λέει ο Pedro Ferreira, μέχρι πρόσφατα, όταν μια έρευνα κλόνισε την πίστη μου στην ιδέα αυτή. Ο Chris Clarkson και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Κέιπ Τάουν, αποφάσισε να δει πώς η γνώση της σκοτεινής ενέργειας επιδράει πάνω στις μετρήσεις της καμπυλότητας του σύμπαντος και το αντίστροφο
Για να κατανοήσουμε τα αποτελέσματά τους, να θυμάστε πως εμείς μετράμε την καμπυλότητα από το μέγεθος των καυτών και ψυχρών σημείων στην ακτινοβολία CMB. Το πόσο μεγάλα εμφανίζονται σε μας τα σημεία – το γωνιακό μέγεθος τους δηλαδή – εξαρτάται από δύο αγνώστους: πόση απόσταση έχει διανύσει το το φως από τότε που σχηματίστηκε η CMB στην επανασύνδεση, καθώς και τη γεωμετρία του χώρου.
Αν υποθέσουμε ότι το σύμπαν διαποτίζεται (διαπερνάται) από την κοσμολογική σταθερά και περιέχει μια μικρή ποσότητα σκοτεινής ύλης και ατόμων, μπορούμε να υπολογίσουμε την απόσταση αυτή που έχει διανύσει το φως με μεγάλη ακρίβεια από την επίλυση των εξισώσεων της γενικής σχετικότητας. Αλλά δεν γνωρίζουμε εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι η κοσμολογική σταθερά. Αν είναι κάτι με μια πολύ πιο περίπλοκη εξέλιξη, τότε γνωρίζουμε πολύ λίγα για την απόσταση του έως τον επανασυνδυασμό. Χωρίς να γνωρίζουμε λοιπόν πόσο μακριά είναι τα καυτά και ψυχρά σημεία της CMB, δεν μπορούμε να προβλέψουμε πόσο μεγάλα θα είναι σε ένα σύμπαν με αρνητική, μηδέν ή θετική καμπυλότητα.
Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να υπολογίσουμε την γεωμετρία του χωροχρόνου. Θα μπούμε τότε σε ένα φαύλο κύκλο: για να γνωρίσουμε τη γεωμετρία του σύμπαντος πρέπει να προβλέψουμε την σκοτεινή ενέργεια. Ωστόσο, για να καθοριστεί πόσο πολύ σκοτεινή ενέργεια υπάρχει, πρέπει να γνωρίζουμε τη γεωμετρία. Γνωρίζοντας το ένα μόνο χωρίς το άλλο είναι ανώφελο και μια συνταγή για την καταστροφή.
Τα τελευταία αποτελέσματα είναι απογοητευτικά. Έχοντας προσηλυτιστεί – λέει ο Pedro Ferreira – για τη μεγάλη ανακάλυψη της χιλιετίας, ότι δηλαδή το σύμπαν είναι επίπεδο, βρίσκω τον εαυτό μου τώρα να υπαναχωρεί. Και υπάρχει ένα προαίσθημα ότι δεν μπορεί ποτέ να είναι δυνατό να γνωρίσουμε τον Κόσμο μας όπως θα θέλαμε.
Εκτός από ότι φαίνεται να έχουμε εισέλθει σε μια νέα, πιο φιλόδοξη, εποχή για την κοσμολογία. Ενώ η κοσμολογία στη δεκαετία του 1990 σε μεγάλο βαθμό καθοδηγείτο από τις προσπάθειες μας για τη μέτρηση της γεωμετρίας του σύμπαντος, καθώς και μια σειρά από άλλες ιδιότητες του, τώρα εστιάζουμε σε μεγάλο βαθμό από τον καθορισμό του μεγάλου άγνωστου – της σκοτεινής ενέργειας.
Πώς όμως μπορούμε να το κάνουμε αυτό, χωρίς να γνωρίζουμε τη γεωμετρία του σύμπαντος; Ευτυχώς τα νέα πειράματα είναι σχεδιασμένα για να τη βαθύτατη γνώση του Σύμπαντος. Όσο περισσότερες πληροφορίες που υπάρχουν από διάφορα στάδια της εξέλιξης του σύμπαντος, τόσο ευκολότερο θα είναι να καταλάβουμε όχι μόνο τι η σκοτεινή ενέργεια κάνει σε διάφορους χρόνους, αλλά και τι κάνει η γεωμετρία του σύμπαντος σε διαφορετικούς τόπους.
Υπάρχουν σχέδια για να οικοδομήσουμε ένα τεράστιο ραδιοφωνικό τηλεσκόπιο που ονομάζεται Δίκτυο ενός Τετραγωνικού Χιλιομέτρου, είτε στην Αυστραλία είτε στη Νότιο Αφρική, που θα μας επιτρέψει να μετρήσουμε τις θέσεις ενός δισεκατομμυρίου γαλαξιών. Γαλαξίες που έχουν συσσωρευτεί μαζί μπορεί να θεωρηθούν ότι βρίσκονται εκεί που ήταν τα καυτά και τα ψυχρά σημεία στην CMB, ώστε το καθαρό αποτέλεσμα να είναι παρόμοιο σαν να κάνουμε δειγματοληψία της κατάστασης του σύμπαντος αλλά σε πολλές διαφορετικές χρονικές στιγμές, γεγονός από το οποίο μπορούμε να καθορίσουμε την γεωμετρία με μεγαλύτερη ακρίβεια.
Ενώ μια νέα αποστολή δορυφόρου, από τη NASA και την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος, θα μετρήσει πόσο η σκοτεινή ενέργεια επηρεάζει την εξέλιξη και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των γαλαξιών σε τεράστιες αποστάσεις.
Αυτά τα πρότζεκτ θα πρέπει να οργανωθούν και να λειτουργήσουν μέσα σε μια δεκαετία. Εν τω μεταξύ, άλλα μικρότερα πρότζεκτ φροντίζουν για την απομάκρυνση της άγνοιας μας. Πράγματι, αυτή η νέα εποχή της ανακάλυψης και της εξερεύνησης, θα φέρει καρπούς που, ευτυχώς, κάποια μέρα θα μας επιτρέψουν να κατανοήσουμε τη γεωμετρία του σύμπαντος. Απλώς θα πάρει λίγο περισσότερο χρόνο από ό,τι πιστευόταν αρχικά.
Πηγή: New Scientist και συγγραφές ο Pedro Ferreira που είναι κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, συγγραφέας του βιβλίου The State of the Universe (Phoenix, 2006)
Leave a Comment