Σήμερα[1] θα σας πως την ιστορία του Σύμπαντος! Για το πώς μια τυχαία ανακάλυψη μας βοήθησε να κατανοήσουμε το πώς δημιουργήθηκε και εξελίχθηκε σε αυτό που βλέπουμε σήμερα. Η ιστορία μας αφορά μια από τις μεγαλύτερες τυχαίες ανακαλύψεις στο χώρο της αστροφυσικής και πρωταγωνιστές της είναι οι αστροφυσικοί Arno Penzias και Robert Wilson, οι οποίοι δούλευαν για τα εργαστήρια Bell.
Το 1960, τα εργαστήρια Bell έφτιαξαν μια ραδιο-αντέννα 15 μέτρων με πολύ παράξενο σχήμα, σαν κέρας, γνωστή ως Holmdell. Σκοπός της ήταν η μετάδοση ραδιοκυμάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Δηλαδή, ήθελαν να τη χρησιμοποιήσουν για τηλεπικοινωνίες. Με την εκτόξευση όμως δορυφόρων με σκοπό τις τηλεπικοινωνίες, η ραδιο-αντέννα δεν ήταν πλέον και τόσο χρήσιμη.
Αλλά ότι δεν είναι χρήσιμο σε κάποιους είναι χρήσιμο σε κάποιους άλλους… Οι Penzias και Wilson βρήκαν την ευκαιρία να χρησιμοποιήσουν την κεραία για έρευνα στην αστροφυσική! Έψαχναν για ακτινοβολία μεταξύ των γαλαξιών. Και το 1964 παρατήρησαν μια παράξενη ακτινοβολία στα ραδιοκύματα. Ερχόταν από παντού!
Το σήμα που παρατήρησαν ήταν πολύ ιδιαίτερο και δε μπορούσαν να καταλάβουν από που έρχεται. Αρχικά, πίστεψαν ότι είναι θόρυβος στα δεδομένα, καθάρισαν την κεραία, όπου μέσα ζούσαν περιστέρια, και ξαναπροσπάθησαν. Το σήμα ήταν εκεί και ήταν το ίδιο σε όλες τους τις παρατηρήσεις. Είχαν ανακαλύψει κάτι! Τι όμως;
Ο απόηχος της Μεγάλης Έκρηξης
Εξήντα χιλιόμετρα μακριά από την κεραία Holmdell, οι αστροφυσικοί Bob Dicke, Jim Peebles[2] και David Wilkinson στο Πανεπιστήμιο Πρίνστον, έγραφαν θεωρίες για το πως δημιουργήθηκε το Σύμπαν μας. Ταυτόχρονα, έψαχναν γι’ αυτή την ακτινοβολία που προήλθε από την αρχική έκρηξη που δημιούργησε τα πάντα.
Χάρη σε αυτό το θεωρητικό υπόβαθρο μπόρεσαν οι Penzias και Wilson να κατανοήσουν τι ήταν η ακτινοβολία που είχαν παρατηρήσει. Η ακτινοβολία αυτή που παρατήρησαν με την κεραία Holmdell ήταν αυτή ακριβώς η ακτινοβολία που έψαχναν ο Dicke και οι συνεργάτες του. Ο απόηχος της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang).
Το σήμα που παρατήρησαν ερχόταν εκτός της Γης, από μια εποχή που το Σύμπαν μας ήταν πολύ πιο νέο απ’ότι σήμερα. Η ακτινοβολία αυτή είναι γνωστή ως μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (cosmic microwave background CMB). Η ανακάλυψη των Penzias και Wilson τους χάρησε το νόμπελ Φυσικής το 1978.
Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι η αδιαμφισβήτητη απόδειξη ότι το Σύμπαν μας προήλθε από μια κατάσταση πολύ θερμή και πυκνή και άρχισε με μια Μεγάλη Έκρηξη. Η έκρηξη αυτή άφησε το σημάδι της με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, η οποία ταξίδεψε δισεκατομμύρια έτη φωτός μέχρι να έρθει στη Γη. Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή, από την αρχή του Σύμπαντος.
Ένα Σύμπαν από το τίποτα
Πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν και κατέληξε σε αυτό που βλέπουμε γύρω μας; Ας κάνουμε μια αναλογία. Για μένα, η αρχή του Σύμπαντος είναι σα μια ιδέα. Μια ιδέα που δεν υπήρχε, αλλά για κάποιο λόγο εμφανίστηκε στο μυαλό μου. Μια μοναδική ιδέα. Το ρολόι γι’ αυτή την ιδέα αρχίζει να χτυπάει τη στιγμή που ιδέα δημιουργείται στο μυαλό μου. Και η ιδέα μεγαλώνει και μεγαλώνει ακόμα περισσότερο, μέχρι που μεγαλώνει τόσο πολύ που σχεδόν εκρήγνυται μέσα στο κεφάλι μου! Εσείς δεν ξέρετε την ιδέα μου. Δε μπορείτε να τη δείτε γιατί δε σας την έχω πει ακόμα. Ούτε την έχω κάνει πράξη. Θα τη δείτε μόνο όταν γίνει “ορατή” σε εσάς. Εκτός αν μπορείτε να διαβάσετε το μυαλό μου με άλλα μέσα. Αλλά αυτή είναι μια άλλη ιστορία[3].
Οπότε, τη χρονική στιγμή που η ιδέα μου είναι έτοιμη να βγει από το κεφάλι μου και να γίνει γνωστή, να γίνει πράξη, να γίνει “ορατή” σε εσάς, είναι η στιγμή που το Σύμπαν μας έγινε ορατό. Αυτή είναι η επιφάνεια[6] της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Χάρη σε αυτή την μοναδική ανακάλυψη των Penzias και Wilson, της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τη στιγμή που το Σύμπαν γίνεται ορατό σε εμάς, μπορέσαμε να ενώσουμε τα κομμάτια του παζλ της δημιουργίας του Σύμπαντος και να κατανοήσουμε τι έγινε τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του.
Το αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο θέλει το Σύμπαν να γεννιέται από το τίποτα. Δεν υπήρχε η έννοια του χώρου ούτε η έννοια του χρόνου. Αυτό είναι πολύ δύσκολο να το κατανοήσουμε. Πώς γίνεται κάτι να γεννιέται από το τίποτα; Στην πραγματικότητα δε γνωρίζουμε. Υπάρχουν θεωρίες για πολλαπλά σύμπαντα και τι προϋπήρχε, αλλά δεν υπάρχουν παρατηρησιακά δεδομένα για να τις επαληθεύσουμε. Μελετώντας το Σύμπαν μας και αυτές τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του μπορούμε να κατανοήσουμε το πώς δημιουργήθηκε.
Αν αυτή η “τυχαία” ανακάλυψη των Penzias και Wilson μας έμαθε κάτι, είναι ότι οι επιστήμονες δεν είναι παθητικοί δέκτες των απρόβλεπτων ανακαλύψεων, αλλά αντιθέτως, δημιουργούν ενεργά τις συνθήκες για να ανακαλύπτουν το απρόβλεπτο.
Και ξαφνικά ο χώρος και ο χρόνος δημιουργούνται από μια μοναδικότητα, από ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα. Σε μια μεγάλη έκρηξη. Τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του το Σύμπαν μεγαλώνει υπερβολικά γρήγορα σε πάρα πολύ λίγο χρόνο. Για να το δούμε με αριθμούς, αν το Σύμπαν ήταν 1, τότε γίνεται[4] 100000000000000000000000000 μέσα σε 0.00000000000000000000000000000001 δευτερόλεπτα. Από το τίποτα γίνεται ένας γίγαντας μέσα σε απειροελάχιστο χρόνο! Πραγματικά εκπληκτικό!
Το Σύμπαν συνεχίζει να μεγαλώνει, οι πυρήνες των ατόμων δημιουργούνται, οι οποίοι αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια, τα κουάρκ. Το Σύμπαν είναι πολύ θερμό, με θερμοκρασίες μερικών εκατομμυρίων βαθμών Κέλβιν[5]. Ενώ ακόμα δε μπορούμε να το δούμε, δεν είναι ορατό σε εμάς. Όπως και εσείς δε μπορείτε να δείτε την ιδέα μου πριν φύγει από το κεφάλι μου. Τα πάντα είναι μια κοσμική σούπα. Τα πρωτόνια και ηλεκτρόνια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Και σε μια στιγμή, κάτι συμβαίνει και η ύλη αρχίζει να αλληλεπιδρά μεταξύ της. Αυτή είναι η στιγμή που παρατήρησαν οι Penzias και Wilson με την κεραία Holmdell το 1964, και αυτό που παρατήρησαν πολύ αργότερα και με υψηλότερη ανάλυση τα τηλεσκόπια COBE, WMAP και Planck. Εκείνη τη στιγμή, 380.000 χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη, το Σύμπαν γίνεται ορατό σε εμάς. Η ύλη αλληλεπιδρά και έχουμε τη δημιουργία υδρογόνου. Το Σύμπαν είναι ακόμα πολύ θερμό, γύρω στους 2.800 βαθμούς Κελσίου. Αν πάμε πίσω στην αναλογία μου, αυτή είναι η στιγμή που η ιδέα μου γίνεται “ορατή” σε εσάς. Και τώρα ξέρετε τι σκέφτηκα!
Μια κοσμική συνταγή
Η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι το “δακτυλικό” αποτύπωμα της μεγάλης έκρηξης. Αλλά δεν είναι ομοιόμορφη η επιφάνεια από την οποία εκπέμπεται αυτή η ακτινοβολία. Έχει διακυμάνσεις, λακουβίτσες. Για παράδειγμα, δεν είναι λεία όπως το δέρμα ενός μωρού, αλλά μοιάζει πιο πολύ με το πρόσωπο ενός ατόμου με ακμή. Η θεωρία μας λέει ότι από αυτές τις διακυμάνσεις θα δημιουργηθούν όλες οι κοσμολογικές δομές στο Σύμπαν: τα αστέρια, οι πλανήτες, οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών.
Πόσα γνωρίζουμε για το Σύμπαν μας; Ένας αστροφυσικός θα σας έλεγε ότι γνωρίζουμε κάποια, αλλά όχι όλα. Γνωρίζουμε ότι το Σύμπαν μας είναι 13,8 δισεκατομμυρίων ετών ή 13,8 με 8 μηδενικά. Ένας τεράστιος αριθμός. Ενδιαφέρουσα αναλογία – ναι, μου αρέσουν οι αναλογίες, το καταλάβατε! Αν το Σύμπαν μας διαρκούσε 1 έτος, με τη Μεγάλη Έκρηξη την πρώτη Ιανουαρίου, τότε η ανθρωπότητα είναι ζωντανή μόνο τα τελευταία 0,23 δευτερόλεπτα της 31ης Δεκεμβρίου. Όσο δηλαδή χρόνο παίρνει για να ανοιγοκλείσουμε τα μάτια μας.
Επίσης γνωρίζουμε την κοσμική συνταγή, τα συστατικά του Σύμπαντος. Τα γνωρίζουμε χάρη στις παρατηρήσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Ό,τι βλέπουμε και μας περιβάλλει είναι η ορατή, βαρυονική ύλη. Αυτήν παρατηρούμε και με τα τηλεσκόπια μας. Αλλά είναι ένα πολύ μικρό ποσοστό του Σύμπαντος. Μόλις περίπου το 5%. Πού είναι η υπόλοιπη; Και σε τι μορφή; Μήπως μας κρύβεται;
Κατά κάποιο τρόπο ναι, μας κρύβεται! Γι’ αυτό και την ονομάζουμε σκοτεινή: σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια. Η σκοτεινή ύλη – φανταστείτε τη σαν τον αόρατο σκελετό του Σύμπαντος. Την κατασκευή πάνω στην οποία θα δημιουργηθούν οι γαλαξίες. Αυτή αποτελεί περίπου το 27% του Σύμπαντος. Και μας μένει η σκοτεινή ενέργεια. Τι είναι αυτή η παράξενη φυσική έννοια, που δε μπορούμε να τη δούμε, αλλά ξέρουμε ότι αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό του Σύμπαντος;
Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε τι είναι αυτό το 68% του Σύμπαντος. Η σκοτεινή ενέργεια διαπερνά όλο το Σύμπαν και βρίσκεται παντού. Ταυτόχρονα, είναι υπεύθυνη για την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.
Γνωρίζουμε, από παρατηρήσεις, ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται. Αυτό συμβαίνει με επιταχυνόμενους ρυθμούς. Με τον ίδιο τρόπο που ο οδηγός ενός αυτοκινήτου αρχίζει να τρέχει. Η σκοτεινή ενέργεια είναι ο οδηγός του Σύμπαντος και πατάει το γκάζι να πάει πιο γρήγορα.
Τι θα συμβεί όμως στο μέλλον; Θα συνεχίσει το Σύμπαν μας να διαστέλλεται με επιταχυνόμενους ρυθμούς ή θα κρασάρει σε μια μοναδικότητα με τον ίδιο τρόπο που άρχισε; Βάσει του αποδεκτού κοσμολογικού μοντέλου, οι τωρινές παρατηρήσεις που έχουμε δείχνουν ότι η γεωμετρία του Σύμπαντος είναι επίπεδη[7], αυτό άρχισε από μια Μεγάλη Έκρηξη και θα συνεχίσει να διαστέλλεται επιταχυνόμενο.
Γνωρίζουμε ότι το Σύμπαν μας αποτελείται από γαλαξίες, δισεκατομμύρια γαλαξιών. Και ότι κάθε γαλαξίας αποτελείται από αστέρια, δισεκατομμύρια από αυτά. Και από αέριο και από σκόνη και από σκοτεινή ύλη. Αλλά πως από την επιφάνεια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου καταλήξαμε να έχουμε αστέρια και γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών στο Σύμπαν μας; Πώς καταλήξαμε στο τώρα;
Από παρατηρησιακά δεδομένα του WMAP γνωρίζουμε ότι τα πρώτα αστέρια στο Σύμπαν δημιουργήθηκαν 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Λόγω βαρύτητας, η ύλη έλκεται μεταξύ της, συγκεντρώνεται σε σημεία και δημιουργούνται τα πρώτα αστέρια. Προσθέτοντας περισσότερη ύλη, τα αστέρια μεγαλώνουν και έχουμε την έναρξη πυρηνικών αντιδράσεων στο κέντρο τους. Υδρογόνο καίγεται σε ήλιο. Αυτό συνεχίζεται για 200 εκατομμύρια χρόνια ακόμα προτού τα αστέρια αρχίσουν να λάμπουν.
Οι γαλαξίες, όμως, πώς δημιουργήθηκαν; Μέχρι σήμερα δεν έχουμε παρατηρήσει τη δημιουργία των πρώτων γαλαξιών. Από θεωρητικά μοντέλα και προσομοιώσεις πιστεύουμε πως οι πρώτοι γαλαξίες δημιουργήθηκαν όταν η σκοτεινή ύλη άρχισε να συγκρούεται μεταξύ της και να δημιουργεί “κόμπους” ύλης πάνω στον κοσμικό ιστό. Σα να παίρνετε ένα σκοινί και να κάνετε κόμπους. Εκεί θα δημιουργηθούν οι γαλαξίες, πάνω στους κόμπους.
Οι πρώτοι γαλαξίες λοιπόν, που δημιουργούνται πάνω στον κοσμικό ιστό, αρχίζουν να συγκρούονται μεταξύ τους. Οι πιο μαζικοί από αυτούς έλκουν τους μικρότερους και μεγαλώνουν περισσότερο, σε ένα σενάριο κοσμικού κανιβαλισμού. Οι συγκρούσεις μεταξύ γαλαξιών συνεχίζονται μέχρι να καταλήξουμε στους μεγάλους και με μεγάλη μάζα γαλαξίες που παρατηρούμε στο κοντινό μας Σύμπαν.
Και αυτό μας φέρνει στο δικό μας Γαλαξία, που αποτελείται από αστέρια και αέριο και σκόνη. Καθώς και στην Γη. Το μέρος όπου παρατηρήσαμε την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Το Σύμπαν έχει ψυχθεί αρκετά πλέον! Η θερμοκρασία του, 2,7 βαθμοί Κέλβιν (-270 βαθμοί Κελσίου). Και αυτή είναι η “τυχαία” ανακάλυψη που μας βοήθησε να ενώσουμε τα κομμάτια του παζλ γνωστό ως θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.
Αν αυτή η “τυχαία” ανακάλυψη των Penzias και Wilson μας έμαθε κάτι, είναι ότι οι επιστήμονες δεν είναι παθητικοί δέκτες των απρόβλεπτων ανακαλύψεων, αλλά αντιθέτως, δημιουργούν ενεργά τις συνθήκες για να ανακαλύπτουν το απρόβλεπτο.
Υποσημειώσεις:
[1] Το άρθρο είναι η απόδοση στα Ελληνικά της ομιλίας μου για το TEDxAUAthens Serendipity event τον Μάιο του 2019, που μπορείτε να τη βρείτε εδώ https://bit.ly/2XjZDnr.
[2] James Peebles, Νόμπελ Φυσικής 2019 για την συνολική προσφορά του στην Κοσμολογία (σχετικό άρθρο μου με συνδέσμους εδώ https://a8inea.com/nobel-astrofysikis-2019/).
[3] Μια ιστορία για το πως μπορούμε να “δούμε” το Σύμπαν, πίσω στο χρόνο, πιο πίσω από το όριο της επιφάνειας της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, σε περιοχές που δεν είναι ορατές με τα τωρινά μας τηλεσκόπια. Στο μέλλον αυτό θα γίνει με την παρατήρηση βαρυρικών κυμάτων, τα οποία προέρχονται από την αρχική έκρηξη, ώστε να μάθουμε τι έγινε στο Σύμπαν μας πριν η ύλη γίνει ορατή. Σα να διαβάζουμε το “μυαλό” του Σύμπαντος.
[4] Σημείωση: ο χώρος και ο χρόνος δημιουργούνται αυτή τη στιγμή που το Σύμπαν γεννιέται και μεγαλώνει. Η μόνη αναλογία που υπάρχει στη φύση για να το κατανοήσουμε είναι στη γέννηση ενός εμβρύου. Για το έμβρυο, ο χώρος και ο χρόνος δεν προϋπάρχουν, εφόσον δεν προϋπάρχει το ίδιο. Δημιουργούνται τη στιγμή της σύλληψης. Δηλαδή, από το τίποτα, με σημείο αναφοράς το έμβρυο, ξαφνικά δημιουργείται κάτι, το οποίο μέσα σε πάρα πολύ μικρό χρόνο μεγαλώνει πάρα πολύ. Οι φίλοι μας οι βιολόγοι/γενετιστές θα μας πουν σε πόσο χρόνο και πόσο μεγαλώνει.
[5] 1 βαθμός Κέλβιν είναι -272.15 βαθμοί Κελσίου
[6] Φανταστείτε το Σύμπαν σαν την επιφάνεια ενός μπαλονιού.
[7] Πρόσφατη δημοσίευση έρχεται σε αντίθεση με το αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο και θέλει το Σύμπαν να είναι κλειστό, δηλαδή να κρασάρει πάλι σε μια μοναδικότητα. Δείτε: Di Valentino, E., Melchiorri, A. & Silk, J. Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology. Nat Astron (2019) doi:10.1038/s41550-019-0906-9, https://go.nature.com/371isjt
Πηγές:
https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background
https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_Calendar#/media/File:Cosmic_Calendar.png
https://wmap.gsfc.nasa.gov/resources/animconcepts.html
https://owlcation.com/stem/Serendipity-The-Role-of-Chance-in-Making-Scientific-Discoveries
https://en.wikipedia.org/wiki/Holmdel_Horn_Antenna
https://paw.princeton.edu/article/how-it-all-began
https://en.wikipedia.org/wiki/Physical_cosmology#/media/File:History_of_the_Universe.svg
https://www.jpl.nasa.gov/infographics/infographic.view.php?id=10824
https://sci.esa.int/web/planck/-/51557-planck-new-cosmic-recipe
