Δορυφόρος αποκαλύπτει τα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου μετά το Big Bang

Πηγή: Πανεπιστήμιο JOHNS HOPKINS και New Scientist, 16 Μαρτίου 2006

Επιστήμονες που παρατηρούν πίσω στο χρόνο για το παλαιότερο φως στον κόσμο έχουν νέα στοιχεία για το τι συνέβη μέσα στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν ξαφνικά έπαθε μια τεράστια διαστολή για ένα πολύ μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου.

Χρονολόγιο του σύμπαντος: Η διαστολή του σύμπαντος στο μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας του είναι σχετικά βαθμιαία. Η άποψη ότι μετά το Big Bang έγινε μια γρήγορη περίοδος "πληθωρισμού" και που προηγήθηκε της κανονικής διαστολής που βλέπουμε σήμερα, τέθηκε για πρώτη φορά πριν 25 χρόνια. Οι νέες παρατηρήσεις του WMAP ευνοούν τα συγκεκριμένα σενάρια πληθωρισμού σε σχέση με άλλες παλαιότερες ιδέες.

Χρησιμοποιώντας τα νέα στοιχεία από έναν δορυφόρο της NASA, οι επιστήμονες έχουν άριστα στοιχεία για να υποστηρίξουν αυτό το σενάριο, γνωστό ως "πληθωρισμός". Τα στοιχεία, από το δορυφόρο Wilkinson Ελέγχου της Ανισοτροπίας της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας  (WMAP), συγκεντρώθηκαν μετά από συνεχείς παρατηρήσεις τριών ετών της ακτινοβολίας- το λυκόφως του Big Bang  -- γνωστής ως κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου -- και η οποία λούζει ολόκληρο το σύμπαν εδώ και 13,7 δισεκατομμύρια έτη περίπου.  Η ακτινοβολία αυτή που αποτυπώνει το σύνολο των ελεύθερων φωτονίων, όταν το διαστελλόμενο σύμπαν έγινε αρκετά ψυχρό και επέτρεψε έτσι την ύπαρξη των ουδέτερων ατόμων, είναι η πιο πρώιμη, μεγαλύτερη,  και η πιο απώτατη αισθητή ακτινοβολία σε όλη την επιστήμη.

Οι προηγούμενες παρατηρήσεις είχαν στηριχθεί στον χάρτη των θερμοκρασιακών μεταβολών αυτού του φωτός, που είχαν δώσει πολλές και ενδιαφέρουσες πληροφορίες για πρώτη φορά. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας στον χάρτη αυτό, που φτάνουν το ένα εκατομμυριοστό του ενός βαθμού, έχουν αντίκτυπο στις διαφορές της πυκνότητας της ύλης στο τότε σύμπαν. Αλλά με το πέρασμα του χρόνου οι διαφορές αυτές μετατράπηκαν στις μεγάλες δομές του σύμπαντος. Τους γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών και αστέρων.

Το 2003, η NASA ανήγγειλε ότι ο δορυφόρος WMAP είχε παραγάγει μια λεπτομερή εικόνα του σύμπαντος στη νηπιακή του κατάσταση, μετρώντας τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας αυτού του λυκόφωτος -- και απαντώντας έτσι σε πολλές από τις ερωτήσεις που βασάνιζαν τους φυσικούς, σχετικά με την ηλικία, τη σύνθεση και την ανάπτυξη του σύμπαντος. Η ομάδα του WMAP έχει στηριχθεί πάνω σε εκείνα τα αποτελέσματα με μια νέα μέτρηση της εξασθενημένης ακτινοβολίας από αυτό το λυκόφως για να καταλάβει τι συνέβαινε στις πρώτες στιγμές του κόσμου, όταν δημιουργήθηκαν οι απαραίτητες συνθήκες για το σχηματισμό των πρώτων αστεριών 400 εκατομμύρια έτη αργότερα.

"Με καταπλήσσει ότι κάποτε δεν μπορούσαμε να ξέρουμε τι συνέβαινε μέσα στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του πρώτου δευτερολέπτου του σύμπαντος, αλλά τώρα μπορούμε", λέει ο Charles Bennett, κύριος υπεύθυνος του WMAP και καθηγητής στο τμήμα φυσικής και αστρονομίας στο πανεπιστήμιο Johns Hopkins. "Δεν είχαμε την δυνατότητα ποτέ πριν να καταλάβουμε το νηπιακό σύμπαν με τέτοια ακρίβεια. Φαίνεται ότι το νηπιακό σύμπαν είχε μια πολύ απότομη αύξηση. Όσες δε περισσότερες παρατηρήσεις κάνει ο WMAP, τόσο περισσότερο αποκαλύπτεται πως το σύμπαν γεννήθηκε από μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις".

Τα προηγούμενα αποτελέσματα του WMAP εστιάστηκαν στις λεπτές παραλλαγές της θερμοκρασίας αυτής της ακτινοβολίας, που μας έδωσε μια σίγουρη ηλικία του σύμπαντος καθώς της γεωμετρίας  και της σύνθεσης. Τα νέα στοιχεία του WMAP δεν μας δίνουν μόνο ένα ακόμα λεπτομερέστερο χάρτη θερμοκρασιών, αλλά επίσης τον πλήρη χάρτη του ουρανού της πόλωσης της ακτινοβολίας. Αυτό το μεγάλο κατόρθωμα θα βοηθήσει τους επιστήμονες να έχουν καλύτερη εικόνα του αρχικού σύμπαντος.

Πρόσφατα ανιχνεύτηκε το σήμα πόλωσης στην ακτινοβολία αυτής της μεταλαμπής, που είναι το πιο ασθενές κοσμολογικό σήμα που έχει ανιχνευτεί ποτέ -- λιγότερο και από το ένα εκατοστό της ισχύος του σήματος της θερμοκρασίας που αναφέρθηκε πριν τρία έτη. Το σήμα αυτό της πόλωσης είναι 100 φορές πιο ασθενικό από το σήμα της θερμοκρασίας.

Ο δορυφόρος WMAP βρήκε τα χαρακτηριστικά της πόλωσης της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου ή πως η ακτινοβολία αυτή άλλαξε καθώς περνούσε από ένα περιβάλλον. Παραδείγματος χάριν, το φως του ήλιου που ανακλάται από ένα αντικείμενο είναι πολωμένο. Αν λοιπόν συγκρίνουμε τη φωτεινότητα των χαρακτηριστικών της πόλωσης που ξέρουμε με τα συμπαγή χαρακτηριστικά του μικροκυματικού υποβάθρου (το φως της μεταλαμπής), θα μας βοηθήσει να μάθουμε την ιστορία του σύμπαντος σε νηπιακή κατάσταση. Εδώ και πολύ καιρό υπήρχε η πρόβλεψη ότι η φωτεινότητα θα ήταν η ίδια για τα χαρακτηριστικά όλων των μεγεθών. Αντίθετα, οι απλούστερες εκδόσεις της θεωρίας του πληθωρισμού προβλέπουν σχετικές μειώσεις της φωτεινότητας, καθώς τα χαρακτηριστικά γίνονται μικρότερα, μια τάση που φαίνεται στα νέα στοιχεία.

"Είναι ένα ολοκαίνουργιο πεδίο", αναφέρει ο φυσικός Lyman Page του Princeton, και ένα μέλος της ομάδας του WMAP. "Εξετάζουμε τον κόσμο με έναν διαφορετικό τρόπο με σκοπό να ανοίξουμε ένα νέο παράθυρο για την κατανόηση του κόσμου στις πιο πρόωρες εποχές του".

Ο νέος 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. Οι λευκές ράβδοι παρουσιάζουν την κατεύθυνση της πόλωσης του παλαιότερου φωτός. που δίνει τις ενδείξεις για τα γεγονότα που συνέβησαν στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου του σύμπαντος. Η μικροκυματική ακτινοβολία που συνελήφθη σε αυτή την εικόνα οφείλεται στην ακτινοβολία που γεννήθηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ενώ οι χρωματικές διαφορετικές μορφές είναι οι μικροσκοπικές διαφορές της θερμοκρασίας μέσα σε αυτό το εξαιρετικά ομοιόμορφα διασκορπισμένο φως μικροκυμάτων, που λούζουν το Σύμπαν.

Τα στοιχεία του WMAP είναι μια νέα απόδειξη για τις προβλέψεις του πληθωρισμού, που συνδυάζονται με άλλα στοιχεία της κοσμολογίας, υποστηρίζουν επίσης τις καθιερωμένες θεωρίες για το τι έχει συμβεί στην ύλη και την ενέργεια κατά τη διάρκεια των προηγούμενων 13,7 δισεκατομμυρίων ετών από την εποχή του πληθωρισμού, σύμφωνα με τους ερευνητές του WMAP. Το αποτέλεσμα είναι μια πολύ περιορισμένη και συνεπής εικόνα για το πώς το σύμπαν αναπτύχθηκε απότομα, από τις μικροσκοπικές κβαντικές διακυμάνσεις έως το σχηματισμό των αστεριών, των πλανητών και της ζωής.

Σύμφωνα με αυτήν την εικόνα, οι ερευνητές λένε, ότι μόνο το 4% του κόσμου είναι τα συνηθισμένα άτομα, άλλα 22% είναι μη αναγνωρισμένη ύλη ή σκοτεινή ύλη, και το υπόλοιπο 74% είναι η μυστήρια σκοτεινή ενέργεια. Αυτή η σκοτεινή ενέργεια προκαλεί τώρα μια άλλη επιταχυνομένη διαστολή του κόσμου, ευτυχώς, λένε, πιο ήπια από αυτήν που συνέβη πριν 13,7 δισεκατομμύρια έτη.

Αλλά ποιά δύναμη θα μπορούσε πραγματικά να έχει προκαλέσει τον πληθωρισμό; Έχουν φτιαχτεί εκατοντάδες θεωρητικά μοντέλα που υποστηρίζουν άγνωστα μέχρι τώρα ενεργειακά πεδία. Αλλά τα νέα στοιχεία είναι αρκετά ακριβή για να αποκλειστούν πολλές από αυτές τις ιδέες - ειδικά μερικές που είναι περίπλοκες. "Το απλούστερο μοντέλο ταιριάζει με τα στοιχεία πολύ καλά", λέει το μέλος της ομάδας του δορυφόρου WMAP David  Spergel, στο πανεπιστήμιο του Princeton στην πολιτεία Νιου Τζέρσεϋ.

Αυτό το απλό πρότυπο πρέπει να δημιουργεί ισχυρά βαρυτικά κύματα, τα οποία θα άφηναν τη διακριτική σφραγίδα τους στην πόλωση του μικροκυματικού υποβάθρο. Εάν είτε ο WMAP είτε ο επερχόμενος δορυφόρος Planck της ESA μπορέσει να ανιχνεύσει ένα σήμα των βαρυτικών κυμάτων, τότε οι φυσικοί θα αρχίσουν να μαθαίνουν γιατί  συνέβη ο πληθωρισμός, και αυτό φυσικά θα μπορούσε να έχει βαθιές επιπτώσεις στη θεμελιώδη φυσική.

Εν τω μεταξύ,  έχει λυθεί ένας ελαφρώς πιο πεζός γρίφος. Τα αρχικά στοιχεία του WMAP υποδείκνυαν ότι τα πρώτα άστρα άρχισαν να ιονίζουν το αέριο μετά από 200 εκατομμύρια χρόνια μόνο, αφήνοντας φαινομενικά πολύ λίγο χρόνο για το αέριο να συγκεντρωθεί σε συμπαγείς μάζες για να δημιουργηθούν τα αστέρια. Τα νέα στοιχεία όμως παρουσιάζουν ότι ο ιονισμός δεν συνέβηκε στα πρώτα 400 εκατομμύρια έτη - μια μακρά χρονική σκοτεινή εποχή, και με άφθονο χρόνο για να σχηματιστούν τα πρώτα αστέρια.

Το WMAP προωθήθηκε στις 30 Ιουνίου του 2001, και είναι τώρα εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά από τη γη σε κατεύθυνση αντίθετη από τον ήλιο. Είναι σε θέση να παρακολουθήσει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σε επίπεδα λεπτότερα από το ένα εκατομμυριοστό του ενός βαθμού.

Η ομάδα WMAP περιλαμβάνει ερευνητές στο Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Goddard, το πανεπιστήμιο Johns Hopkins, το Πανεπιστήμιο Princeton, το Καναδικό ίδρυμα Θεωρητικής Αστροφυσικής στο Τορόντο, το πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, το Πανεπιστήμιο του Κόρνελ, το πανεπιστήμιο του Σικάγου, το πανεπιστήμιο Brown, το πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολούμπια, το πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας και το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες.

Τα αποτελέσματα του WMAP έχουν υποβληθεί προς δημοσίευση στο Astrophysical Journal.

Πώς ξεκίνησε το σύμπαν

Οι νόμοι της φυσικής γενικά περιγράφουν το πώς εξελίσσεται ένα φυσικό σύστημα, δεδομένης της αρχικής του κατάστασης. Μια θεωρία όμως που θα εξηγεί την αρχή του σύμπαντος θα πρέπει να περιλαμβάνει ένα εντελώς νέο είδος νόμου. Ο νόμος αυτός θα πρέπει να μπορεί να εξηγεί και την ίδια την αρχική κατάσταση. Εάν παρομοιάσουμε τους νόμους με οδικούς χάρτες που σου λένε πώς να φτάσεις απ' το σημείο Α στο Β, οι νέοι νόμοι θα πρέπει να δικαιολογούν και γιατί ξεκινάς αρχικά απ' το Α. Ως τώρα έχουν γίνει πολλές ενδιαφέρουσες προτάσεις προς αυτή την κατεύθυνση. Το 1983, ο James B. Hartle του πανεπιστημίου της California στη Santa Barbara και ο Stephen Hawking του πανεπιστημίου του Cambridge χρησιμοποίησαν την κβαντομηχανική για να περιγράψουν το σύμπαν στο σύνολο του, κατασκευάζοντας μια κοσμική κυματοσυνάρτηση ανάλογη με την κυματοσυνάρτηση για τα άτομα και τα στοιχειώδη σωμάτια. Η κυματοσυνάρτηση καθορίζει τις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, η συνήθης διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος παύει να υφίσταται στο πολύ πρώιμο σύμπαν, καθώς η διεύθυνση του χρόνου αποκτά τις ιδιότητες μίας χωρικής διεύθυνσης. Όπως ακριβώς δεν υπάρχει κάποιο όριο στο χώρο, έτσι δεν υπάρχει και κάποια αρχή στο χρόνο. Κάνοντας μια εναλλακτική υπόθεση, ο Alexander Vilenkin του πανεπιστημίου Tufts πρότεινε την ύπαρξη κάποιου είδους φαινομένου σήραγγος στο οποίο μπορεί να υπολογιστεί η σχετική πιθανότητα για ένα σύμπαν με μηδενικό μέγεθος να μετατραπεί από μόνο του σε ένα πεπερασμένου μεγέθους σύμπαν.

Το 1998, ο Hawking μαζί με τον Neil Turok, επίσης στο Cambridge, πρότειναν την αυθόρμητη δημιουργία μιας φυσαλίδας, ίδιας με αυτή του ανοικτού πληθωρισμού, απ' το τίποτα. Η νέα αυτή εκδοχή του ανοικτού πληθωρισμού παρακάμπτει την ανάγκη για την εισαγωγή της μετάπτωσης του ψευδοκενού. Ωστόσο, ο Vilenkin και ο Andrei Linde του πανεπιστημίου του Stanford αμφισβήτησαν την εγκυρότητα των υποθέσεων που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό. Ο Linde προσπάθησε να παρακάμψει το πρόβλημα των αρχικών συνθηκών αξιώνοντας ότι ο πληθωρισμός είναι μία διαδικασία χωρίς αρχή. Στην κλασική εικόνα, ο πληθωρισμός τερματίζεται καθώς το πεδίο inflaton φτάνει στο ελάχιστο του δυναμικού του. Λόγω όμως των κβαντικών διακυμάνσεων, το πεδίο μπορεί να κινηθεί και προς υψηλότερες ενέργειες.

Έτσι, υπάρχουν πάντα περιοχές στο σύμπαν - στην πραγματικότητα αυτές αποτελούντο μεγαλύτερο μέρος του όγκου του - που βρίσκονται στην πληθωριστική φάση. Αυτές περικλείουν θύλακες στους οποίους ο πληθωρισμός έχει σταματήσει και ένα σταθερό σύμπαν έχει αναπτυχθεί. Σε κάθε θύλακα, οι θεμελιώδεις φυσικές σταθερές έχουν ένα διαφορετικό σύνολο τιμών. Εμείς ζούμε σε εκείνον του οποίου οι τιμές των σταθερών επιτρέπουν την ύπαρξη μας. Το υπόλοιπο σύμπαν υφίστατο και θα υφίσταται πληθωρισμό για πάντα. Αλλά ο Vilenkin μαζί με τον Arvind Borde, επίσης στο Tufts, υποστήριξαν ότι αυτή η επέκταση του πληθωρισμού δεν περιγραφεί πλήρως την προέλευση του σύμπαντος. Αν και ο πληθωρισμός μπορεί να είναι αιώνιος καθώς ο χρόνος κυλά προς τα εμπρός, τελικά απαιτείται μία αρχή.

Οι J. Richard Gott III και Li-Xin Li του πανεπιστημίου του Princeton έκαναν πριν λίγα χρόνια την πρόταση ότι το σύμπαν είναι παγιδευμένο σε ένα συνεχή κύκλο, σαν κάποιο ταξιδιώτη στο χρόνο που γυρνά στο παρελθόν για να γίνει γονιός του εαυτού του. Για ένα τέτοιο πρόσωπο, δεν υπάρχει ανάγκη εξήγησης της προέλευσης του. Στην υπόθεση των Gott και Li, η φυσαλίδα μας διέφυγε απ' αυτό το κυκλικό "πρωτοσύμπαν" και έτσι δε συμμετέχει στον αέναο κύκλο, αλλά αντιθέτως συνεχώς διαστέλλεται και ψύχεται.

Δυστυχώς, μπορεί να είναι πολύ δύσκολο (ίσως όμως όχι αδύνατο) για τους αστρονόμους να ελέγξουν τις ιδέες αυτές. Ο πληθωρισμός εξαλείφει σχεδόν όλα τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά της κατάστασης που προηγήθηκε αυτού. Πολλοί φυσικοί υποψιάζονται ότι για μία πληρέστερη περιγραφή του προπληθωρισπκού σύμπαντος - και μία εξήγηση για την προέλευση των ίδιων των φυσικών νόμων - θα πρέπει να αναμένουμε μία πραγματικά θεμελιώδη φυσική θεωρία, ίσως τη θεωρία των χορδών.

Των Mortin Bucher - David Spergel στο Scientific American