Έρχεται το τέλος της Κοσμολογίας; Ένα σύμπαν που επιταχύνεται εξαφανίζει τα ίχνη της προέλευσης μας
Μέρος 1ο

Άρθρο, Μάρτιος 2008

1o, 2ο, 3ο

Πριν εκατό χρόνια ένα άρθρο στο Scientific American για την ιστορία και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος θα ήταν σχεδόν απολύτως λάθος. Το 1908 οι επιστήμονες νόμιζαν ότι ο Γαλαξίας μας ήταν όλο το σύμπαν. Τον θεωρούσαν σαν έναν "σύμπαν νησί," ένα απομονωμένο σμήνος άστρων που περιβαλλόταν από ένα άπειρο κενό. Τώρα ξέρουμε ότι ο Γαλαξίας μας είναι ένας από τους πάνω από 400 δισεκατομμύρια γαλαξίες στο αισθητό σύμπαν.

Το 1908 ομόφωνα η επιστημονική κοινότητα πίστευε ότι το σύμπαν ήταν στατικό και αιώνιο. Η αρχή του σύμπαντος με μία καυτή Μεγάλη Έκρηξη δεν υπήρχε καν στη σκέψη των φυσικών. Κανένας δεν καταλάβαινε πως γινόταν η σύνθεση των στοιχείων στις πρώτες-πρώτες στιγμές του big bang και μέσα στους πυρήνες των άστρων. Την διαστολή του διαστήματος και την πιθανή κυρτότητά του σαν αποτέλεσμα της παρουσίας της ύλης, ποτέ δεν την είχε ονειρευτεί κανένας. Η αναγνώριση ότι όλο το διάστημα λούζεται σε μια μικροκυματική ακτινοβολία ψυχρό λείψανο του big bang, θα έπρεπε να περιμένει την ανάπτυξη σύγχρονων τεχνολογιών.

Είναι δύσκολο να σκεφτεί κάποιος έναν τομέα της διανοητικής έρευνας που να έχει αλλάξει περισσότερο κατά τον προηγούμενο αιώνα από όσο η κοσμολογία, και η μετατόπιση αυτή έχει αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν. Και ζούμε σε μια μοναδική εποχή στην ιστορία του σύμπαντος που οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν με ακρίβεια την αληθινή φύση της.

Μια δραματική ανακάλυψη, σχεδόν μια δεκαετία πριν, παρακίνησε τη μελέτη μας. Δύο διαφορετικές ομάδες αστρονόμων επισήμαναν την διαστολή του σύμπαντος κατά τη διάρκεια των προηγούμενων πέντε δισεκατομμυρίων ετών και διαπίστωσαν ότι εμφανίζεται να επιταχύνεται. Η πηγή αυτής της κοσμικής αντιβαρύτητας είναι πιθανά κάποια νέα μορφή "σκοτεινής ενέργειας" που συνδέεται με το κενό διάστημα. Μερικοί θεωρητικοί, συμπεριλαμβανομένου και του Lawrence Krauss, είχαν στην πράξη προβλέψει το νέο αυτό αποτέλεσμα βασισμένοι στις έμμεσες μετρήσεις, αλλά στη φυσική οι άμεσες παρατηρήσεις είναι που μετρούν. Η επιτάχυνση του σύμπαντος υπονοεί ότι ο κενός χώρος περιέχει σχεδόν τρεις φορές περισσότερη ενέργεια απ' ό,τι όλες οι κοσμικές δομές που παρατηρούμε σήμερα: γαλαξίες, σμήνη και υπερσμήνη των γαλαξιών. Είναι ειρωνικό ότι ο Αλβέρτος Αϊνστάιν έθεσε ως αίτημα αρχικά μια τέτοια μορφή ενέργειας για να διατηρήσει το σύμπαν στατικό. Και την ονόμασε τότε κοσμολογική σταθερά Λ.

Η σκοτεινή ενέργεια θα έχει τεράστια επίδραση στο μέλλον του σύμπαντος. Με τον κοσμολόγο Glenn Starkman του πανεπιστημίου Case Western Reserve, ο Krauss ερεύνησε τις επιπτώσεις πάνω στη ζωή με ένα σύμπαν με μια κοσμολογική σταθερά. Η πρόγνωση: δεν είναι καλή. Ένα τέτοιο σύμπαν θα γίνει μια πολύ αφιλόξενη θέση. Η κοσμολογική σταθερά παράγει έναν σταθερό "ορίζοντα γεγονότων," μια φανταστική επιφάνεια πέρα από την οποία ούτε η ύλη ούτε η ακτινοβολία δεν μπορεί να φθάσει σε μας. Το σύμπαν μοιάζει κατά κάποιο τρόπο με μια μαύρη τρύπα, με την ύλη και την ακτινοβολία να παγιδεύονται έξω από τον ορίζοντα αντί να εισέρχονται μέσα σε αυτόν. Αυτή η ανακάλυψη σημαίνει ότι το αισθητό σύμπαν περιέχει μόνο ένα πεπερασμένο ποσό πληροφοριών, κι έτσι η επεξεργασία πληροφοριών (και η ζωή), δεν μπορούν να κρατήσουν για πάντα.

Πολύ πριν αυτό το όριο πληροφοριών γίνει πρόβλημα, όλη η ύλη που επεκτείνεται στο σύμπαν θα οδηγηθεί έξω από τον ορίζοντα γεγονότων. Αυτή η διαδικασία έχει μελετηθεί από τους Abraham Loeb και Kentaro Nagamine στο πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, που διαπίστωσαν ότι η τοπική ομάδα γαλαξιών μας (ο Γαλαξίας μας, ο γαλαξίας της Ανδρομέδας και ένας πλήθος νάνων γαλαξιών) θα καταρρεύσει σε ένα μόνο τεράστιο υπερσμήνος άστρων. Όλοι οι άλλοι γαλαξίες θα εξαφανιστούν στη λήθη πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων. Αυτή η διαδικασία διαρκεί περίπου 100 δισεκατομμύρια χρόνια, τα οποία μπορούν να φαίνονται πολύ μακριά αλλά αρκετά κοντά αν συγκριθούν με την αγριότητα της αιωνιότητας.

Στυλοβάτες που καταρρέουν

Και τι θα πιστεύουν οι αστρονόμοι του μακρινού μέλλοντος που θα ζουν σε αυτό το υπερσμήνος για την ιστορία του σύμπαντος; Για να σκεφτείτε αυτήν την ερώτηση, θυμηθείτε τους στυλοβάτες στους οποίους βασίζεται η σημερινή γνώση μας για τη Μεγάλη Έκρηξη.

Ο πρώτος είναι η γενική θεωρία της σχετικότητας. Επί σχεδόν 300 χρόνια η θεωρία του Νεύτωνα της βαρύτητας χρησίμευσε ως η βάση για σχεδόν όλη την αστρονομία. Η θεωρία του Νεύτωνα κάνει άριστη πρόβλεψη των κινήσεων των σωμάτων σε κλίμακες από την γήινη έως την γαλαξιακή, αλλά είναι απολύτως ανίκανη για τις απείρως μεγάλες συγκεντρώσεις της ύλης. Η γενική σχετικότητα υπερνικά αυτόν τον περιορισμό. Αμέσως μετά από τότε που ο Αϊνστάιν δημοσίευσε τη θεωρία του, το 1916, ο ολλανδός φυσικός Willem de Sitter έλυσε τις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας για ένα απλουστευμένο σύμπαν με ενσωματωμένη την κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν. Η εργασία του de Sitter έδειξε να αναπαράγει την επικρατούσα άποψη για το σύμπαν εκείνης της εποχής: όλο το σύμπαν περιείχε μόνο ένα γαλαξία νησί, που ενσωματωνόταν μέσα σε ένα κατά ένα μεγάλο μέρος κενό, στατικό κενό.

Το κοσμολόγοι σύντομα συνειδητοποίησαν ότι αυτή η στασιμότητα του Κόσμου ήταν μια παρερμηνεία. Στην πραγματικότητα, το σύμπαν de Sitter επεκτείνεται αιώνια. Κι όπως κατάστησε σαφές αργότερα ο βέλγος φυσικός Georges Lemaître, οι εξισώσεις του Αϊνστάιν προβλέπουν ότι ένα άπειρο, ομοιογενή, στατικό σύμπαν δεν είναι δυνατό. Το σύμπαν πρέπει να επεκτείνεται ή να συρρικνώνεται. Όταν έγινε αυτή η αναγνώριση γεννήθηκε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Ο επόμενος στυλοβάτης ήρθε στη δεκαετία του '20, όταν ανίχνευσαν οι αστρονόμοι την διαστολή του σύμπαντος. Το πρώτο πρόσωπο που έδωσε τα αναγκαία παρατηρητικά στοιχεία για την διαστολή ήταν ο αμερικανός αστρονόμος Vesto Slipher, ο οποίος χρησιμοποίησε τα φάσματα των άστρων για να μετρήσει τις ταχύτητες των κοντινών γαλαξιών. Τα κύματα του φωτός από ένα αστέρι που κινείται προς τη Γη συμπιέζονται, μικραίνει το μήκος κύματος τους, και έτσι γίνεται το φως πιο μπλε. Τα φωτεινά κύματα από ένα αντικείμενο που απομακρύνεται από μας τεντώνονται, κάνοντας πιο μακρύ το μήκος κύματος και άρα το φως πιο κόκκινο. Μετρώντας την επιμήκυνση ή τη συμπίεση των φωτεινών κυμάτων από τους απόμακρους γαλαξίες, ο Slipher ήταν σε θέση να καθορίσει εάν οι γαλαξίες κινούνταν προς μας ή απομακρύνονται και με ποια ταχύτητα. Εκείνη την εποχή, οι αστρονόμοι δεν ήταν ακόμα βέβαιοι εάν τα συγκεχυμένα 'μπαλώματα' του φωτός που σήμερα ονομάζουμε "γαλαξίες" ήταν πραγματικά ανεξάρτητα αντικείμενα άστρα ή απλά νέφη αερίου μέσα στο Γαλαξία μας. Ο Slipher διαπίστωσε ότι σχεδόν όλοι αυτοί οι γαλαξίες απομακρύνονταν από μας. Φαινόμαστε σαν να είμαστε στο κέντρο μιας διαστολής χωρίς όριο. 

Το πρόσωπο που πιστώνεται γενικά την ανακάλυψη της διαστολής του σύμπαντος δεν είναι ο Slipher αλλά ο αμερικανός αστρονόμος Edwin Hubble. Ο Hubble καθόρισε όχι μόνο τις ταχύτητες των κοντινών γαλαξιών αλλά και τις αποστάσεις τους. Οι μετρήσεις του οδήγησαν σε δύο συμπεράσματα που δικαιολογούν τη φήμη του. Κατ' αρχάς, ο Hubble έδειξε ότι οι γαλαξίες ήταν τόσο μακριά που ήταν πραγματικά ανεξάρτητες συλλογές άστρων, ακριβώς όπως ο Γαλαξίας μας. Δεύτερον, ανακάλυψε μια απλή σχέση μεταξύ της απόστασης της Γης από τους γαλαξίες και των ταχυτήτων τους. Η ταχύτητα ήταν άμεσα ανάλογη προς την απόστασή τους από μας: ένας γαλαξίας σε διπλάσια απόσταση κινούνταν με διπλάσια ταχύτητα. Αυτή η σχέση μεταξύ της απόστασης και της ταχύτητας είναι ακριβώς αυτό που συμβαίνει αν το σύμπαν επεκτεινόταν. Οι μετρήσεις του Hubble έχουν βελτιωθεί από τότε, πρόσφατα από τις παρατηρήσεις των απόμακρων σουπερνοβών, οι οποίες οδήγησαν στην ανακάλυψη της σκοτεινής ενέργειας.

Ο τρίτος στυλοβάτης είναι η εξασθενημένη λάμψη του Κοσμικού Υποβάθρου Μικροκυμάτων, που ανακαλύφθηκε χωρίς να την ψάχνουμε το 1965 από τους φυσικούς Arno Penzias και Robert Wilson των εργαστηρίων Bell όταν έψαχναν στον ουρανό για ραδιοκύματα. Αυτή η ακτινοβολία αναγνωρίστηκε γρήγορα πως ήταν ένα λείψανο που έμεινε από τα αρχικά στάδια της διαστολής του σύμπαντος. Δείχνει ότι ο σύμπαν άρχισε καυτό και πυκνό και έχει ψυχθεί από τότε και έχει αραιώσει.

Ο τελικός παρατηρητικός στυλοβάτης της Μεγάλης Έκρηξης είναι ότι το καυτό, πυκνό πρώιμο σύμπαν ήταν μια τέλεια θέση για την πυρηνική σύντηξη. Όταν η θερμοκρασία του σύμπαντος ήταν 1 έως 10 δισεκατομμύρια kelvins, οι ελαφρύτεροι πυρήνες θα μπορούσαν να συντηχθούν σες βαρύτερους πυρήνες, μια διαδικασία γνωστή ως πυρηνοσύνθεση της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συμβεί για μόνο λεπτά γιατί καθώς το σύμπαν επεκτείνεται και ψύχεται η σύντηξη περιορίστηκε στα ελαφρύτερα στοιχεία. Το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου στον σύμπαν παρήχθη τότε, από το δευτέριο ή το βαρύ υδρογόνο. Οι μετρημένες ποσότητες (αναλογία) του  ηλίου και του δευτερίου ταιριάζουν με τις προβλέψεις της πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης, δίνοντας στους κοσμολόγους κι άλλες αποδείξεις για τη θεωρία καθώς επίσης και μια ακριβή εκτίμηση της αφθονίας των πρωτονίων και των νετρονίων στο σύμπαν.

1o, 2ο, 3ο

Άρθρο στο Scientific American από τους Lawrence Krauss και Robert Scherrer