Το σύμπαν βυθισμένο σε μια θάλασσα ψυχρών νετρίνων

Πηγή: NewScientist, 5 Μαρτίου 2008

Όλοι μας βυθιζόμαστε σε μια θάλασσα σωματιδίων, που σχεδόν δεν είναι ανιχνεύσιμα,  και τα οποία απέμειναν από τα πρώτα-πρώτα δευτερόλεπτα του Big Bang, σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες παρατηρήσεις από έναν δορυφόρο της NASA. Ο δορυφόρος Μικροκυματικής Ανισοτροπίας Wilkinson (WMAP) έχει επιβεβαιώσει τη θεωρία ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με ένα ρευστό ψυχρών νετρίνων που παραμένουν σχεδόν σε 'απόσταση' από τη συνηθισμένη ύλη.

Τα πρόσφατα δεδομένα του δορυφόρου WMAP είναι ένας θησαυρός πληροφοριών, που περιλαμβάνουν τουλάχιστον τρία σημαντικά συμπεράσματα:

--  Αποδεικτικά στοιχεία ότι το σύμπαν το διαπερνά μια θάλασσα κοσμικών αρχαίων νετρίνων που ήσαν σε τέτοιες ποσότητες που επηρέασαν την πρώιμη ανάπτυξη του Κόσμου.
-- Σαφής ένδειξη ότι τα πρώτα αστέρια χρειάστηκαν περισσότερο από 500 εκατομμύρια χρόνια για να δημιουργήσουν μια κοσμική ομίχλη
-- Νέοι σφικτοί περιορισμοί της ταχύτατης διαστολής στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό δευτερόλεπτο του Κόσμου.

Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι στο καυτό, πυκνό, νεαρό σύμπαν, θα πρέπει να είχαν δημιουργηθεί νετρίνα στις συγκρούσεις μεταξύ σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Περίπου δύο δευτερόλεπτα μετά από το Big Bang, το γεμάτο από συγκρουόμενα σωματίδια σύμπαν θα είχε ψυχθεί τόσο που τα περισσότερα από αυτά δεν θα είχαν αρκετή ενέργεια για να αλληλεπιδράσουν έντονα με τα νετρίνα. Ακολούθως τα νετρίνα αποσυνδέθηκαν από την υπόλοιπη ύλη και ακτινοβολία, δηλαδή δεν θα αντιδρούσαν μαζί τους σχεδόν καθόλου. 

Αριστερά: Ο δορυφόρος WMAP μετρά τη σύνθεση του σύμπαντος παρατηρώντας τη Κοσμική Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB), που εκπέμφθηκε ακριβώς 380.000 χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Γίνεται σαφές ότι η σύνθεση του Κόσμου ήταν διαφορετική σε κάθε εποχή. Έτσι φαίνεται ότι η σκοτεινή ύλη και τα άτομα έγιναν λιγότερο πυκνά καθώς ο όγκος του σύμπαντος αυξάνεται με το πέρασμα του χρόνου, όπως γίνεται σε ένα συνηθισμένο αέριο, γι αυτό και η ενεργειακή πυκνότητά τους μειώνεται ταχύτερα από την ύλη. Τα φωτόνια και τα νετρίνα χάνουν επίσης ενέργεια καθώς ο Κόσμος επεκτείνεται, αλλά η σκοτεινή ενέργεια κυριαρχεί σήμερα στον Κόσμο ακόμα κι αν συνείσφερε πολύ λίγο πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.  Πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια αποτελούσαν μεγαλύτερο μέρος του Κόσμου. Φαίνεται δηλαδή ότι η σκοτεινή ενεργειακή πυκνότητα δεν μειώνεται καθόλου με το πέρασμα του χρόνου, γι αυτό και εξουσιάζει τώρα τον Κόσμο.

Θεωρητικά, πρέπει ακόμα να βρίσκεται τριγύρω μας μια σούπα από τέτοια νετρίνα που μέχρι σήμερα έχουν ψυχθεί σε μια θερμοκρασία μόνο 1,9 βαθμούς Κελσίου πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Τώρα ο δορυφόρος WMAP έχει βρει αποδεικτικά στοιχεία αυτής της κοσμικής σούπας. Το διαστημικό σκάφος, που ξεκίνησε το 2001, έχει ενισχύσει την εικόνα της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου Μικροκυμάτων CMB, η οποία μεταφέρει τη λεπτομερή σφραγίδα της κατάστασης του σύμπαντος 380.000 χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Ειδικότερα, μας αποκαλύπτει το μοτίβο των διακυμάνσεων της πυκνότητας στο διάστημα, τη "σύσταση" του πρώιμου σύμπαντος.

Τα νετρίνα, που κινούνται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, θα πρέπει να είχαν εμποδίσει τότε την ύλη να διαμορφώσει περιοχές με πυκνή μάζα, και έτσι μπορεί να είχαν εξομαλύνει ελαφρώς τη σύσταση του σύμπαντος.

Τα στοιχεία του WMAP παρουσιάζουν σαφώς αυτήν την εξομάλυνση στη συγκέντρωση της μάζας, που υπονοεί ότι αυτά τα ταχύτατα νετρίνα συμμετείχαν περίπου με 10% σε όλη τη ενέργεια στο σύμπαν των 380.000 ετών. "Αυτό επιβεβαιώνει τη θεωρία," λέει ο Eiichiro Komatsu του πανεπιστημίου του Τέξας στο Ώστιν και επικεφαλής συντάκτης μιας μελέτης για το αποτέλεσμα.

Το καυτό και πυκνό νέο σύμπαν ήταν σαν ένας πυρηνικός αντιδραστήρας που παρήγαγε το ήλιο. Οι θεωρίες που βασίζονται στην ποσότητα του ηλίου που υπάρχει σήμερα προβλέπουν ότι μια θάλασσα νετρίνων πρέπει να ήταν παρών όταν έγινε το ήλιο. Τα νέα στοιχεία WMAP συμφωνούν με αυτή την πρόβλεψη, μαζί με τις ακριβείς μετρήσεις των ιδιοτήτων των νετρίνων που έγιναν στη Γη σε επιταχυντές σωματιδίων.

Τώρα λοιπόν που ο WMAP έχει συλλέξει δεδομένα πέντε ετών, είναι αρκετά για να παρουσιάσει επιβεβαιωτικά στοιχεία του υποβάθρου των νετρίνων από μόνο του.

Μια άλλη σημαντική ανακάλυψη που προέρχεται από τα στοιχεία του δορυφόρου WMAP είναι η σαφής ένδειξη ότι τα πρώτα αστέρια χρειάστηκαν περισσότερο από 500 εκατομμύρια χρόνια (κάπου στα 400 εκατομμύρια χρόνια) για να δημιουργήσουν μια κοσμική ομίχλη. Τα στοιχεία μας δίνουν νέες ιδέες για το τέλος του "Κοσμικού Μεσαίωνα," όταν άρχισε να λάμπει η πρώτη γενεά των αστεριών. Η λάμψη από αυτά τα αστέρια δημιούργησε μια λεπτή ομίχλη ηλεκτρονίων στο περιβάλλον αέριο, διασκορπίζοντας με αυτό τον τρόπο τα μικροκύματα, με τον ίδιο σχεδόν τρόπο που η ομίχλη σκεδάζει τις ακτίνες από τους προβολείς ενός αυτοκινήτου.

Ένα τρίτο σημαντικό εύρημα που προκύπτει από τα νέα στοιχεία του WMAP τοποθετεί σφιχτούς περιορισμούς στην καταπληκτική αύξηση του σύμπαντος στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό δευτερόλεπτο του Κόσμου, που ονομάζεται "πληθωρισμός", όταν  μπορεί να είχαν δημιουργηθεί κυματισμοί στον ίδιο τον χωροχρονικό ιστό. Γι αυτό και τώρα μερικές εκδόσεις της θεωρίας του πληθωρισμού αποβάλλονται τώρα. Άλλες δε έχουν ανεβάσει τα ποσοστά τους.

Τα νετρίνα είναι πάρα πολύ ασθενή για να ανιχνευθούν ξεχωριστά. "Αυτά τα νετρίνα δεν μπορούν να ανιχνευθούν στο έδαφος,  χρειάζεστε να έχετε την ακτινοβολία CMB για να το κάνετε," διευκρινίζει ο Komatsu.

Τα άλλα νετρίνα, παραδείγματος χάριν αυτά που παράγονται στον πυρήνα του ήλιου, μπορούν να ανιχνευθούν στη Γη, συχνά στις μεγάλες δεξαμενές με νερό που βρίσκονται βαθιά σε υπόγεια παλιά ορυχεία, όπου ένα νετρίνο τυχαία κτυπά έναν ατομικό πυρήνα. Αλλά τα νετρίνα κοσμικού υποβάθρου έχουν μόνο το ένα εκατομμυριοστό της ενέργειας ενός τυπικού ηλιακού νετρίνου, κάνοντας τα ακόμα πιο αιθέριες υπάρξεις.

Για να σταματήσετε ένα σημαντικό τμήμα των ηλιακών νετρίνων, θα χρειαζόσαστε μια ασπίδα από μολύβι πάχους ένα έτος φωτός, λέει ο Komatsu. Πόσο θα έπρεπε να ήταν περίπου το αντίστοιχο πάχος για τα κοσμικά νετρίνα υποβάθρου; "Υπολογίζω ότι θα χρειαζόσαστε μια πλάκα μολύβδου πιο παχιά από ολόκληρο το σύμπαν."