Αποτυχία της θεωρίας του πληθωρισμού για την βαρυτική ακτινοβολία: μπορεί να παραχθεί με περισσότερους τρόπους

Πηγή: ScienceDaily, 17 Απριλίου 2008

Μια ομάδα ερευνητών στο πανεπιστήμιο Case Western Reserve έχει βρει ότι η βαρυτική ακτινοβολία - που αν βρεθεί θα αποτελέσει το αποδεικτικό γεγονός της θεωρίας πληθωρισμού των πρώτων στιγμών του σύμπαντος - μπορεί να παραχθεί κι από άλλους μηχανισμούς.

Η θεωρία του πληθωρισμού λέει ότι το σύμπαν υποβλήθηκε σε μια περίοδο εκθετικής διαστολής μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη. Μια βασική πρόβλεψη της θεωρίας του πληθωρισμού είναι η παρουσία ενός ειδικού φάσματος της βαρυτικής ακτινοβολίας στον ιστό του χωροχρόνου, που είναι εμφανώς δύσκολο να ανιχνευθεί αλλά πιστεύεται εν τούτοις ότι υπάρχει.

Το πρώιμο σύμπαν (δεξιά): Μερικοί από τους γαλαξίες σε αυτήν την εικόνα μπορεί να είχαν διαμορφωθεί πιο λίγο από ένα δισεκατομμύριο έτη μετά από το Big Bang

"Εάν δούμε ένα αρχέγονο υπόβαθρο κυμάτων βαρύτητας στον ουρανό, δεν μπορούμε πλέον να πούμε ότι σίγουρα οφείλεται στον πληθωρισμό," λέει ο Lawrence Krauss, καθηγητής της φυσικής και της αστρονομίας στο Case Western Reserve.

Συγχρόνως, οι ερευνητές διαπιστώνουν ότι τα κύματα βαρύτητας αποτελούν έναν πολύ πιο ευαίσθητο έλεγχο της νέας φυσικής, κοντά στην κλίμακα της πολύ υψηλής ενέργειας που ενδιαφέρει και τους φυσικούς σωματιδίων, από όσο προηγουμένως προβλεπόταν. Κατά συνέπεια η εργασία της ομάδας προσφέρει ένα ισχυρό κίνητρο στους φυσικούς να ανιχνεύσουν την αρχέγονη ακτινοβολία βαρύτητας μετά από το Big Bang.

Ο Krauss μαζί με τους συναδέλφους του παρουσιάζει αυτά τα συμπεράσματα σε ένα άρθρο με τίτλο "Nearly Scale Invariant Spectrum of Gravitational Radiation from Global Phase Transitions",  που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Physical Review Letters.

Η εικόνα αριστερά της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου από το νεαρό Σύμπαν προέρχεται από τις παρατηρήσεις του δορυφόρου WMAP. Σε αυτήν οι επιστήμονες βρήκαν δεδομένα (πολωμένη ακτινοβολία), που αποδεικνύουν τη θεωρία του πληθωρισμού

Η θεωρία του πληθωρισμού προέκυψε στη δεκαετία του '80 ως ένας τρόπος για να εξηγηθούν μερικά χαρακτηριστικά του Κόσμου, που είχαν μπλέξει προηγουμένως τους αστροφυσικούς, όπως γιατί ο Κόσμος είναι τόσο κοντά στην επίπεδη κατάσταση και γιατί είναι τόσο ομοιόμορφος. Σήμερα, ο πληθωρισμός παραμένει η καλύτερη θεωρία για να γίνουν κατανοητές πολλές πτυχές του πρώιμου σύμπαντος, αλλά οι περισσότερες από τις προβλέψεις της είναι αρκετά εύκολο να επηρεαστούν, με συνέπεια οι όποιες παρατηρήσεις να μην μπορούν να θεωρηθούν σαν σαφή επιβεβαίωση του πληθωρισμού.

Μια βασική πρόβλεψη της θεωρίας του πληθωρισμού είναι η παρουσία ενός ειδικού φάσματος της ακτινοβολίας της βαρύτητας. Η ανίχνευση αυτού του φάσματος θεωρείται από τους φυσικούς σαν καλό αποδεικτικό στοιχείο ότι ο πληθωρισμός στην πραγματικότητα εμφανίστηκε κλάσματα του δευτερολέπτου μετά το Big Bang.

Το 1992 ο Krauss, που τότε ήταν στο Yale, υποστήριξε ότι ένας άλλος μηχανισμός - εκτός από τον πληθωρισμό - θα μπορούσε να προκαλέσει ακριβώς το ίδιο φάσμα της βαρυτικής ακτινοβολίας, όπως προβλέπεται από τον πληθωρισμό. Το επιχείρημα του Krauss το 1992 πρόσφερε μια κατά προσέγγιση εκτίμηση του φάσματος.

Πέρυσι όμως ο Krauss συνεργάστηκε με φυσικούς στο Case Western Reserve, για να κάνει έναν πληρέστερο υπολογισμό. Διαπίστωσαν έτσι ότι ο ακριβής υπολογισμός προβλέπει το σήμα να είναι πολύ ισχυρότερο, από την κατά προσέγγιση εκτίμηση που είχε κάνει το 1992.

Περιγράφοντας τα αποτελέσματά τους, ο Krauss υποστηρίζει ότι ο νέος υπολογισμός είναι συγκλονιστικός και εκπληκτικός, γιατί προβλέπει ένα σήμα 10.000 φορές μεγαλύτερο από την παλιά του εκτίμηση και θα μπορούσε ενδεχομένως να παραγάγει ένα σήμα που να μιμείται το είδος που παράγεται από τον πληθωρισμό.

Η ακτινοβολία βαρύτητας είναι μια πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Σύμφωνα με τη θεωρία, όποτε πολύ μεγάλες ποσότητες μάζας ή ενέργειας μετατοπίζονται, αναστατώνουν το περιβάλλον του χωροχρόνου και οι κυματισμοί προέρχονται από την περιοχή όπου γίνεται η μετατόπιση της μάζας ή της ενέργειας.

Αυτοί οι κυματισμοί του χωροχρόνου, που είναι στην ουσία η ακτινοβολία βαρύτητας, είναι ανεπαίσθητη στην ανθρώπινη κλίμακα, αλλά κάποια ιδιαίτερα ευαίσθητα πειράματα (όπως το παρατηρητήριο κυμάτων βαρύτητας με συμβολόμετρο λέιζερ (LIGO) στο Livingston),  έχουν σχεδιαστεί ακριβώς για να ψάξουν τέτοια ακτινοβολία και είναι η μόνη ελπίδα για να τα ανιχνεύσουμε άμεσα.

Εντούτοις, η βαρύτητας ακτινοβολία από το πρώιμο σύμπαν μπορεί να ανιχνευθεί και έμμεσα μέσω της επίδρασής της πάνω στην Κοσμική Ακτινοβολία Μικροκυμάτων Υποβάθρου (CMB) (η ακτινοβολία λείψανο το Big Bang που διαπερνά όλο το διάστημα). Η ακτινοβολία της CMB θα γινόταν πολωμένη παρουσία της ακτινοβολίας βαρύτητας. Η ανίχνευση ενός τέτοιου πολωμένου φωτός θα είναι ο στόχος της αποστολή του δορυφόρου Planck, που θα προωθηθεί το 2009.

Η ακτινοβολία βαρύτητας που γεννήθηκε είτε από τον πληθωρισμό είτε από το μηχανισμό, που προτείνεται από την ομάδα του Krauss, θα αποτυπωνόταν στην CMB και θα ανιχνευόταν ως πόλωση της ακτινοβολίας. Μέχρι τώρα από πολλούς θεωρήθηκε ότι μια ανίχνευση του πολωμένου φωτός στην CMB θα ήταν μια έμμεση απόδειξη για τη θεωρία του πληθωρισμού. Αλλά με τη δημοσίευση αυτής της ανακοίνωσης της ομάδας του Krauss έχει προκύψει ζήτημα για το εάν αυτό το πολωμένο φως μπορεί να συνδεθεί καθαρά με τον πληθωρισμό.

Ο μηχανισμός που προτείνεται από τον Krauss και τους συναδέλφους του επικαλείται ένα φαινόμενο που ονομάζεται "διάσπαση της συμμετρίας", που είναι το κεντρικό μέρος όλων των θεωριών της θεμελιώδους σωματιδιακής φυσικής, συμπεριλαμβανομένου και του Καθιερωμένου Προτύπου - που περιγράφει τις τρεις γνωστές δυνάμεις της Φύσης (πλην της βαρύτητας). Εδώ, ένα "βαθμωτό πεδίο" (παρόμοιο με ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο) ευθυγραμμίζεται καθώς διαστέλλεται το σύμπαν. Αλλά καθώς ο Κόσμος διαστέλλεται κάθε περιοχή στην οποία το πεδίο ευθυγραμμίζεται έρχεται σε επαφή με άλλες περιοχές, όπου το βαθμωτό πεδίο έχει μια διαφορετική ευθυγράμμιση. Κι όταν αυτό συμβαίνει τότε το πεδίο 'χαλαρώνει' σε μια κατάσταση όπου είναι ευθυγραμμισμένο σε ολόκληρη την περιοχή, και στο στάδιο αυτό της 'χαλάρωσης' εκπέμπει την βαρυτική ακτινοβολία.

Η θεωρία του πληθωρισμού επιβεβαιώνεται από τις μετρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας από το δορυφόρο WMAP.

Παράλληλα, μετά την εποχή του πληθωρισμού η θερμοκρασία του σύμπαντος αυξάνεται ξανά, πλησιάζοντας τους 10²⁷ βαθμούς Κέλβιν (η εποχή της επαναθέρμανσης).

Εκείνο που απομένει είναι μια καυτή θάλασσα στοιχειωδών σωματιδίων σε θερμική ισορροπία - ακριβώς, δηλαδή, αυτό που προϋποθέτει, χωρίς όμως να το εξηγεί, η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Το πληθωριστικό μοντέλο προβλέπει ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να έχουν δημιουργήσει μικροσκοπικές ρυτιδώσεις στην δομή του σύμπαντος, ακόμη και όταν το σύμπαν είχε μέγεθος της τάξης του 10^-25 cm, δηλαδή 100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από το μήκος Planck.

Οι ρυτιδώσεις αυτές αντιστοιχούν στις ανωμαλίες στην κατανομή της ύλης και της ενέργειας στο σύμπαν.

Αυτές οι διαταραχές της πυκνότητας, τελικά άφησαν ένα αποτύπωμα στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, κατά τον χρόνο που η ύλη και η ακτινοβολία αποσυζεύχθηκαν (περίπου 380.000 χρόνια μετά το Big Bang), παράγοντας ακριβώς το είδος της ανομοιομορφίας στην ακτινοβολία υποβάθρου, που παρατηρούμε σήμερα.

Μετά την αποσύζευξη, οι διακυμάνσεις της πυκνότητας διαστάλθηκαν και αποτέλεσαν την μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος που εκδηλώνεται σήμερα με την κατανομή των σμηνών των γαλαξιών. Αυτό σημαίνει ότι οι παρατηρήσεις ακτινοβολίας υποβάθρου μας δίνουν στην πραγματικότητα πληροφορίες για το τι συνέβη στο σύμπαν όταν αυτό είχε ηλικία λιγότερη από 10^-20 του δευτερολέπτου.

Η θεωρία του πληθωρισμού μας επιτρέπει να καταλάβουμε τι έγινε στο σύμπαν, όταν αυτό ήταν περίπου 10^-35 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Υποστηρίζει ότι τότε έγινε μια διαστολή του χωροχρόνου με ένα τεράστιο επιταχυνόμενο ρυθμό. Ο τεράστιος πληθωρισμός του χώρου προωθήθηκε από την ενέργεια που απελευθερώθηκε από τον διαχωρισμό της ηλεκτρασθενούς και της ισχυρής δύναμης (τέλος της εποχής της Μεγάλης Ενοποίησης GUT). Για περίπου 10^-32 sec, ο Κόσμος επεκτάθηκε κατά 10³⁵ φορές με ταχύτητα πολλές φορές γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Ο Κόσμος στις αρχές του πληθωρισμού ήταν αφάνταστα  μικρότερος από ένα πρωτόνιο και στο τέλος του πληθωρισμού έφτασε περίπου στο μέγεθος ενός γκρέιπφρουτ.

Στη διαδικασία αυτή, μικροσκοπικές ισοτροπικές (μικρές σε κάθε κατεύθυνση) περιοχές του πρώιμου Κόσμου διογκώθηκαν τόσο που έγιναν μεγαλύτερες από τον αισθητό (παρατηρούμενο)  κόσμο. Αυτό έδωσε μια ικανοποιητική λύση και στο πρόβλημα επιπεδότητας και στο πρόβλημα του ορίζοντα.