Η Κοσμική Συμφωνία
(Μέρος 1ο)

Από την ιστοσελίδα του SciAm.com, Ιανουάριος 2004

1o, 2ο, 3ο

Στην αρχή του Σύμπαντος υπήρχε το φως. Η πλήρως ιονισμένη ύλη παγίδευε το φως όπως παγιδεύεται το φως και μέσα σε μια πυκνή ομίχλη. Αλλά καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια ενώνονταν για να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα και η ύλη έχασε τη δυνατότητά της να παγιδεύει το φως.

Σήμερα, 14 δισεκατομμύρια χρόνια μετά, τα φωτόνια εκείνης της κολοσσιαίας έκλυσης ακτινοβολίας, σχηματίζουν την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB). 

Όταν συντονίζουμε τους δέκτες των τηλεοράσεών μας μεταξύ των καναλιών, εμφανίζεται στην οθόνη παρασιτικός θόρυβος. Το 15% περίπου αυτού του παρασιτικού θορύβου προέρχεται από την CMB.

Όταν οι αστρονόμοι εξερευνούν τον ουρανό για τα μικροκύματα αυτά διαπιστώνουν ότι τα σήματα είναι σχεδόν όμοια, από οποιαδήποτε κατεύθυνση και αν προέρχονται.

Η πανταχού παρουσία και η σταθερότητα αυτών των σημάτων μας δείχνει ότι προέρχεται από ένα πολύ απλούστερο παρελθόν, πολύ πριν εμφανιστούν δομές όπως των γαλαξιών και των άστρων. Όταν οι Arno Penzias και Robert Wilson ανίχνευσαν την ακτινοβολία CMB το 1965, η ανακάλυψή τους εδραίωσε τη θεωρία του Big Bang, η οποία λέει ότι το αρχικό σύμπαν ήταν μια πολύ θερμή και πυκνή κατάσταση πλάσματος από φωτόνια και φορτισμένα σωματίδια.

Από τότε η CMB έχει ψυχθεί εξαιτίας της διαστολής του Σύμπαντος, και σήμερα είναι εξαιρετικά ψυχρή- αντίστοιχη με αυτή που εκπέμπεται από ένα σώμα θερμοκρασίας 2,7 βαθμών Kelvin. Όταν όμως η CMB ελευθερώθηκε, η θερμοκρασία της ήταν περίπου 3.000 Κ. 

Το 1990 ο δορυφόρος COBE μέτρησε το φάσμα της ακτινοβολίας CMB και βρήκε να έχει ακριβώς την αναμενόμενη μορφή.

Ο  COBE όμως ανίχνευσε και ελαφρές μεταβολές - της τάξης του 1 προς 100.000 στη θερμοκρασία της CMB από περιοχή σε περιοχή του ουρανού. Οι ερευνητές αναζητούσαν τέτοιες μεταβολές από τη δεκαετία του 1970, διότι μόνο έτσι θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις διαφοροποιήσεις που οδήγησαν στο σχηματισμό των δομών του σύμπαντος - πως δηλαδή το πρωταρχικό πλάσμα εξελίχτηκε σε γαλαξίες, άστρα και πλανήτες. 

Από τότε οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν πολύ πιο εξελιγμένα όργανα για να χαρτογραφήσουν τις θερμοκρασιακές διαφορές της CMB. Το αποκορύφωμα αυτών των προσπαθειών, ήταν το 2001 όταν τέθηκε σε τροχιά γύρω από τον ήλιο, ο δορυφόρος WMAP, σε απόσταση 1,5 εκατομμύρια χιλιόμετρα πέρα από τη γήινη τροχιά.

Τα αποτελέσματα που μας έδωσε αποκάλυψαν ότι η θερμοκρασία της CMB μεταβάλλεται ακολουθώντας ένα τελείως διακριτό σχηματισμό που προβλέπεται από την κοσμολογική θεωρία. Τα θερμά και ψυχρά σημεία του χάρτη της ακτινοβολίας ανήκουν σε χαρακτηριστικά μεγέθη. Επιπλέον οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν τα δεδομένα αυτά για να εκτιμήσουν με ακρίβεια την ηλικία, τη σύνθεση και τη γεωμετρία του σύμπαντος. Η διαδικασία αυτή μοιάζει με την προσπάθεια να ανακατασκευαστεί ένα μουσικό όργανο ακούγοντας προσεκτικά τις νότες που παράγει. 

Η βασική κατανόηση της φυσικής πίσω από αυτές τις παρατηρήσεις, ανάγεται πίσω στα τέλη της δεκαετίας του 1960, όταν ο P. James E. Peebles και ο μαθητής του Jer Yu στο Princeton, κατάλαβαν ότι το πρωταρχικό σύμπαν περιείχε ηχητικά κύματα.

Την ίδια σχεδόν εποχή ο Yakov B. Zel'dovich και ο Rashid A. Sunyaev στο Ινστιτούτο Εφαρμοσμένων Μαθηματικών της Μόσχας κατέληξαν σε παρόμοια συμπεράσματα.

Όταν η ακτινοβολία ήταν ακόμη παγιδευμένη από την ύλη, το ισχυρά συζευγμένο σύστημα των φωτονίων, ηλεκτρονίων και πρωτονίων συμπεριφερόταν σαν ένα αέριο, με τα φωτόνια να σκεδάζονται συνέχεια επί των ηλεκτρονίων.

Όπως και στον αέρα, μια μικρή διαταραχή στην πυκνότητα του αερίου θα διαδιδόταν σαν ένα ηχητικό κύμα, μια αλληλουχία από ελαφρές συμπιέσεις και αραιώσεις. Οι συμπιέσεις θέρμαιναν το αέριο και οι αραιώσεις το έψυχαν, κι έτσι μια διαταραχή πυκνότητας στο αρχικό στάδιο είχε ως αποτέλεσμα έναν κατοπινό σχηματισμό διαφοροποιημένων θερμοκρασιών στη CMB. 

Οι ήχοι των αρχικών στιγμών

Όταν οι αποστάσεις στο σύμπαν μεγάλωσαν στο 1/1000 των σημερινών τιμών τους - περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big bang - η θερμοκρασία του αερίου ελαττώθηκε αρκετά, ώστε τα πρωτόνια να συλλάβουν τα ηλεκτρόνια και να γίνουν άτομα. Η μετάβαση αυτή που λέγεται επανασύνδεση, άλλαξε δραματικά την κατάσταση. Τα φωτόνια δεν σκεδάζονταν πια κατά τις συγκρούσεις με φορτισμένα σωμάτια, κι έτσι για πρώτη φορά μπορούσαν να ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις στο χώρο. 

Τα φωτόνια που εκπέμπονταν από τις θερμότερες και πυκνότερες περιοχές είχαν μεγαλύτερη ενέργεια από τα φωτόνια που εκπέμπονταν από τις αραιωμένες περιοχές, κι έτσι ο σχηματισμός των θερμών και των ψυχρών σημείων που δημιουργήθηκε από τα ηχητικά κύματα, αποτυπώθηκε μέσα στη CMB. 

Την ίδια εποχή η ύλη ελευθερώθηκε από την πίεση της ακτινοβολίας η οποία εμπόδιζε τη συγκέντρωση πυκνών συσσωματωμάτων ύλης. Κάτω από την ελκτική επίδραση της βαρύτητας, οι πυκνότερες περιοχές συμπτύχθηκαν ακόμη περισσότερο και σχημάτισαν τους πρώτους γαλαξίες και τα άστρα. 

Πράγματι οι μεταβολές 1/100.000 που παρατηρούνται στη CMB, είναι ακριβώς της τάξης μεγέθους που απαιτούνται για την γένεση των δομών μεγάλης κλίμακας που βλέπουμε σήμερα. 

Ποια ήταν όμως η πρωταρχική πηγή των διαταραχών που πυροδότησε τα ηχητικά κύματα; 

Φαντασθείτε ότι είστε ένας παρατηρητής που βιώνει το big bang και την μετέπειτα διαστολή. Σε κάθε συγκεκριμένη στιγμή θα βλέπετε μόνο μια πεπερασμένη περιοχή του σύμπαντος η οποία περικλείεται από την απόσταση που διάνυσε το φως από το big bang, μέχρι εκείνη τη στιγμή. Οι κοσμολόγοι αποκαλούν το όριο αυτής της περιοχής, ορίζοντα.

Ο ορίζοντας δηλαδή είναι το σύνολο των σημείων, πέρα από τα οποία δεν μπορούμε να δούμε. Αυτή η περιοχή συνεχώς μεγαλώνει ώσπου σήμερα έχει φτάσει στην ακτίνα του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

Επειδή η πληροφορία δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως, ο ορίζοντας καθορίζει την σφαίρα μέσα στην οποία μπορεί να έχει φτάσει η επίδραση οποιουδήποτε φυσικού μηχανισμού αλληλεπίδρασης. 

Καθώς όμως πηγαίνουμε πίσω στο χρόνο για να εξερευνήσουμε την γέννηση κάποιων δομών που έχουν σήμερα κάποιο συγκεκριμένο μέγεθος, ο ορίζοντας γίνεται σε κάποια στιγμή του παρελθόντος μικρότερος από το μέγεθος της ίδιας της δομής. (Βλέπε την εικόνα 1).

Καμιά συνεπώς φυσική διαδικασία που υπακούει στην αιτιότητα δεν θα μπορούσε να εξηγήσει τη δημιουργία της δομής αυτής. Στην κοσμολογία το δίλημμα αυτό είναι γνωστό ως πρόβλημα του ορίζοντος. 

Εικόνα1

Ευτυχώς η θεωρία του πληθωρισμού λύνει το πρόβλημα του ορίζοντα, και συγχρόνως δίνει και έναν φυσικό μηχανισμό για τη δημιουργία των πρωταρχικών κυμάτων και το σπόρο για τη γέννηση όλων των δομών του σύμπαντος.

Η θεωρία αυτή δέχεται μια νέα μορφή ενέργειας, της οποίας φορέας είναι ένα πεδίο που λέγεται inflaton. Η ενέργεια αυτή προκάλεσε μια μεγάλη επιτάχυνση της διαστολής του σύμπαντος κατά τις πρώτες του στιγμές.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σύμπαν που παρατηρούμε σήμερα να είναι ένα μικρό μόνο μέρος του σύμπαντος που υπήρχε πριν από τον πληθωρισμό.

Επιπλέον οι κβαντικές διακυμάνσεις του πεδίου inflaton μεγεθύνθηκαν από την πολύ γρήγορη διαστολή, και γέννησαν τις αρχικές διαταραχές οι οποίες είναι περίπου όμοιες σε όλες τις κλίμακες, δηλαδή οι διαταραχές στις μικρές περιοχές έχουν τα ίδια μεγέθη με αυτές που επηρεάζουν τα πολύ μεγάλα μεγέθη περιοχών. Αυτές οι διαταραχές γίνονται διακυμάνσεις της πυκνότητας ενέργειας από περιοχή σε περιοχή του πρωταρχικού πλάσματος.  

Επειδή ο πληθωρισμός παρήγαγε τις διαταραχές πυκνότητας όλες μαζί σχεδόν από τις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, οι φάσεις όλων των ηχητικών κυμάτων ήταν συγχρονισμένες. Το αποτέλεσμα ήταν ένα ηχητικό φάσμα με αρμονικές, σαν αυτό που παράγουν τα μουσικά όργανα.

Ας θεωρήσουμε ότι φυσάμε σ' έναν ηχητικό σωλήνα, ανοικτό και στα δύο του άκρα. Η θεμελιώδης συχνότητα του ήχου που παράγεται, αντιστοιχεί σ' ένα στάσιμο κύμα (ή τρόπο ταλάντωσης) με μέγιστα πλάτη ταλάντωσης των μορίων του αέρα στα δύο άκρα του σωλήνα και ελάχιστο πλάτος στο μέσον. Βλέπε εικόνα 2.

Εικόνα 2. Θεμελιώδης ήχος και αρμονικές, σ' έναν ηχητικό σωλήνα.

Το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στο θεμελιώδη τρόπο ταλάντωσης είναι διπλάσιο από το μήκος του σωλήνα.

1o, 2ο, 3ο