Τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να προσφέρουν αποδείξεις για τον πληθωρισμό

Πηγή: CERN Courier, 5 Μαρτίου 2007

"Εν αρχή ήταν ο Λόγος", αρχίζει το Ευαγγέλιο του ο Ιωάννης, και αυτό βρίσκει κάποια εφαρμογή στην πιθανότητα να ανακαλύψουμε κύματα βαρύτητας από το ίδιο το Big Bang σε συχνότητες τυπικές των ηχητικών κυμάτων. Το προσεκτικό άκουσμα αυτού του σήματος υποβάθρου θα εξέταζε τη φάση του πληθωρισμού αμέσως μετά το ξεκίνημα του Κόσμου.

Η αστρονομία είναι επιστήμη βασισμένη στα φωτόνια. Πρώτα ήταν περιορισμένη στο ορατό φως και έπειτα διευρύνθηκε για να περιλάβει και τα ραδιοκύματα, ένας τομέας της έρευνας που έχει αναπτυχθεί εκρηκτικά κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Έχουν ανοίξει νέα παράθυρα στον ουρανό σε διαφορετικά μήκη κύματος χάρις στη χρήση των δορυφόρων για να αποφύγουν την απορρόφηση των κυμάτων από τη γήινη ατμόσφαιρα. Εντούτοις, σε οποιοδήποτε μήκος κύματος, η αναζήτηση για την αρχή του χρόνου σταματά απότομα σε μια χρονική στιγμή, 380.000 έτη μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν εμφανίστηκε η εκπομπή του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων (CMB).

Τότε το σύμπαν έγινε διαφανής στην ακτινοβολία και δεν υπάρχει καμία ελπίδα να κοιτάξουμε πιο πίσω στον χρόνο με τη βοήθεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αν και γεγονότα που προηγήθηκαν αυτής της εποχής, όπως ο πληθωρισμός,  μπορούν να αφήσουν κάποια σφραγίδα στο χάρτη της CMB, ένας άμεσος αγγελιοφόρος από τον πολύ πρόωμο Κόσμο πρέπει να είναι διαφορετικής φύσης.

Τα αρχέγονα νετρίνα από τον καιρό της πυρηνοσύνθεσης (μετά το Big Bang) θα ήταν ένας καλός υποψήφιος για έναν τέτοιο αγγελιοφόρο του πρώιμου σύμπαντος, αλλά η πολύ χαμηλή τους ενέργεια και η αλληλεπίδραση τα κάνει αυτήν την περίοδο μη ανιχνεύσιμα. Τα κύματα βαρύτητας είναι ένας άλλος υποψήφιος αγγελιαφόρος που προσελκύει το ενδιαφέρον ως έναν πιθανό μάρτυρα του πολύ πρώιμου Κόσμου.

Η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν προβλέπει ότι αυτές οι διαστρεβλώσεις του χωροχρόνου διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Αν και η μελέτη της μεταβολής της περιόδου συστημάτων διπλών πάλσαρ έχει δείξει την ύπαρξή τους, η άμεση ανίχνευση τους είναι δύσκολο να επιτευχθεί παρά τη μεγάλη προσπάθεια που γίνεται για αυτές τις λεπτές διαταραχές του χωροχρόνου.

Μια θεωρητική μελέτη από τους Juan Garcia-Bellido και Daniel Figueroa από το Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης, ρίχνει νέο φως στο αναμενόμενο εύρος και τη φασματική ιδιότητα των αρχέγονων κυμάτων βαρύτητας. Η μελέτη εστιάζεται στη βίαια επαναθέρμανση του Κόσμου μετά από τον υβριδικό πληθωρισμό. Σύμφωνα με τους ερευνητές, πολλές επεκτάσεις του καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής αναμένουν αυτήν την διαδικασία, και στη θεωρία χορδών και στις υπερσυμμετρικές θεωρίες.

Οι ερευνητές προτείνουν ότι μια τέτοια διαδικασία θα οδηγούσε στο σχηματισμό δομών υψηλής ενέργειας σαν φυσαλίδες, οι οποίες θα συγκρούονταν και θα παρήγαδαν ένα πιθανολογικό υπόβαθρο των κυμάτων βαρύτητας. Λαμβάνοντας υπόψη την αναμενόμενη μετατόπιση προς το ερυθρό αυτής της ακτινοβολίας κατά 24 τάξεις, κάτι που οφείλεται στην κοσμική διαστολή από τότε, ο υπολογισμός τους προβλέπει μια μέγιστη ένταση των κυμάτων βαρύτητας σε συχνότητες από - περίπου -  1 Hz για ένα μοντέλο πληθωρισμού χαμηλής κλίμακας μέχρι - περίπου - 10 MHz για ένα μοντέλο υψηλής κλίμακας.

Όμως, αυτό το φάσμα συχνοτήτων είναι πάρα πολύ υψηλό για να είναι προσιτό στη μελλοντική Διαστημική Κεραία Συμβολομέτρου με Λέιζερ LISA, μια κοινή αποστολή της ESA και της NASA, αλλά υπάρχει ελπίδα να ανιχνευθεί το αναμενόμενο σήμα με άλλα προγράμματα στο έδαφος, πχ με το Προηγμένο Παρατηρητήριο Συμβολομέτρου με Λέιζερ κυμάτων βαρύτητας (LIGO) ή στο διάστημα με τον προτεινόμενο παρατηρητή του Big Bang της NASA. Δεν υπάρχει καμία αμφιβολία ότι η ανίχνευση των κυμάτων βαρύτητας από τα πρώτα 10^-34 s του Κόσμου θα ήταν ένα νέο κύριο σημείο στην επιστήμη, επιτρέποντας στους φυσικούς να δουν αν ισχύουν τα μοντέλα τους με τις παρατηρήσεις.

Τα αποτελέσματα της τελευταίας έρευνας με τη βοήθεια της CMB (από το δορυφόρο WMAP) δείχνουν ότι η ηλικία του Κόσμου μας είναι περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών και ο σημερινός ρυθμός διαστολής του χαρακτηρίζεται από μια σταθερά του Hubble, H₀ = 71±2 km/s/Mpc. Η βαρυονική ύλη (τα συνηθισμένα άτομα) αποτελεί μόνο το 4.4±0.3% της υλοενέργειας  όλου του Κόσμου, ενώ το υπόλοιπο είναι ψυχρή σκοτεινή ύλη (CDM) άγνωστης φύσης (22±2%) και σκοτεινή ενέργεια (74±2%). Ο συνδυασμός των στοιχείων από το δορυφόρο WMAP και την έρευνα σουπερνοβών δίνει έναν ισχυρό περιορισμό στην εξίσωση της κατάστασης της σκοτεινής ενέργειας, W = -0.97±0.08, κάτι που δεν αφήνει στους ερευνητές και πολλή ελευθερία για το τι μπορεί να είναι η σκοτεινή ενέργεια - για παράδειγμα να είναι φανταστική ενέργεια εάν w<-1 ή να είναι πεμπτουσία εάν w>-1 - εκτός από την περίπτωση να είναι μια καθαρή κοσμολογική σταθερά. Αυτό το αποτέλεσμα δεν στηρίζεται και πολύ στην υπόθεση ενός επίπεδου σύμπαντος στον χώρο, κάτι που επιβεβαιώνεται από τις παρατηρήσεις. Η εποχή του επανιονισμού από τα πρώτα αστέρια έχει υπολογισθεί να έχει μια ερυθρή μετατόπιση ή redshift 7 - 12. Τέλος, τα αποτελέσματα παράγουν ένα ανώτερο όριο 0,68 eV για τη μάζα των νετρίνων. Τα αποτελέσματα επίσης υπονοούν ότι τα αρχέγονα κύματα βαρύτητας θα είχαν ένα σχετικά υψηλό εύρος όχι και πολύ κάτω από το τρέχον κατώτατο όριο ανίχνευσης τους. Η ανίχνευση της υπογραφής τους στο χάρτη πόλωσης της CMB θα ήταν μια τρομακτική επιβεβαίωση του πληθωρισμού και είναι επομένως ένας σημαντικός στόχος για την αποστολή Planck της ESA που θα προωθηθεί κατά το 2008.