Πόσο χρονών είναι το Σύμπαν;

Συχνές ερωτήσεις, από σελίδα της NASA 16 Μαίου 2001

Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι το Big Bang συνέβει πριν από περίπου 10 με 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Για να εκτιμήσουμε αυτό το χρονικό διάστημα, το ηλιακό μας σύστημα πιστεύται ότι δημιουργήθηκε πριν από 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια και οι άνθρωποι υπάρχουν για λίγες χιλιάδες χρόνια. Οι αστρονόμοι εκτίμησαν την ηλικία του σύμπαντος με δύο (2) τρόπους: Μελετώντας τα μεγαλύτερα αστέρια και Μετρώντας την αναλογία της διαστολής του σύμπαντος και απεκτείνωντας πίσω στο Big Bang.

Παλαιότερο από τα παλαιότερα αστέρια;

Οι ατρονόμοι μπορούν να εκτιμήσουν την ηλικία του σύμπαντος μελετώντας κάποιες σφαιρικά σμήνη. Αυτά τα σφαιρικά σμήνη είναι μία συμπαγής συλλογή από εκατομμύρια αστέρια. Οι αστρικές πυκνότητες κοντά στο κέντρο ενός αστρικού σμήνους είναι τεράστιες. Αν ζούσαμε εκεί κοντά, τότε θα υπήρχαν αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες αστέρια πιο κοντά σε εμάς απ' ότι ο αστερισμός Alpha Centauri, ο κοντινότερός σε μας ¨αστρικός γείτονας¨.

Ο κύκλος ζωής ενός αστεριού εξαρτάται από τη μάζα του. Υψηλής μάζας αστέρια είναι λαμπρότερα από εκείνα με την μικρότερη μάζα, και έτσι καταναλώνουν γρηγορότερα τα αποθέματα του υδρογόνου τους. Ένα αστέρι όπως ο Ήλιος διαθέτει αρκετά καύσιμα στον πυρήνα του να καταναλώσει, για να διατηρήσει την υπάρχουσα λαμπρότητά του για περίπου πέντε έως εννέα δισεκατομμύρια χρόνια.
Ένα αστέρι που είναι διπλάσιο σε μάζα από τον Ήλιο, θα καταναλώσει τα καύσιμα αποθέματά του μόλις σε 800 εκατομμύρια χρόνια. Ένα δεκαπλάσιο σε μάζα αστέρι από τον Ήλιο μας, είναι εκατό περίπου φορές πιο λαμπερό από τον Ήλιο μας και διαθέτει μόνο για είκοσι εκατομμύρια χρόνια, ενεργιακά αποθέματα. Συγκριτικά λοιπόν, ένα αστέρι μισής μάζας από τον Ήλιο έχει διάρκεια ζωής πάνω από είκοσι δισεκατομμύρια χρόνια.

Αφού όλα τα αστέρια που απαρτίζουν ένα σφαιρικό σμήνος σχηματίζονται περίπου την ίδια χρονική στιγμή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν κοσμικά ρολόγια. Εάν ένα σφαιρικό σμήνος έχει διάρκεια ζωής πάνω από δέκα εκατομμύρια χρόνια, τότε όλα τα αστέρια του που χρησιμοποιούν σαν καυσιμη ύλη το υδρογόνο, θα έχουν μάζα μικρότερη από δέκα ηλιακές μάζες.
Αυτό συνεπάγεται, ότι κανένα "αυτόνομο" αστέρι, που χρησιμοποιεί υδρογόνο για καύσιμη ύλη, δε θα είναι λαμπρότερο από 1000 φορές περισσότερο από τον Ήλιο. Εάν ένα σφαιρικό σμήνος έχει διάρκεια ζωής πάνω από δύο δισεκατομμύρια χρόνια, τότε δε θα υπάρχει αστέρι με καύσιμη ύλη υδρογόνο με μεγαλύτερη μάζα από δύο μάζες ηλίου.

Το αρχαιότερο σφαιρικό σμήνος περιέχει μόνο αστέρια με μάζα μικρότερη απο 0,7 ηλιακές μάζες. Αυτά τα χαμηλής μάζας αστέρια έχουν περισσότερη αντοχή από τον Ήλιο. Αυτή η παρατήρηση προεξοφλεί ότι τα μεγαλύτερα σε ηλικία σφαιρικά σμήνη κυμαίνονται μεταξύ 11 και 18 δισεκατομμυρίων ετών.
Η αβεβαιότητα σε αυτο τον υπολογισμό οφείλεται στη δυσκολία που υπάρχει στον ακριβή υπολογισμό της απόστασης του  σφαιρικού σμήνους (εξ ου και η αβεβαιότητα στη φωτενότητα -και τη μάζα- των αστεριών σε ένα σμήνος). Μια επιπρόσθετη αιτία αβεβαιότητας σε αυτούς τους υπολογισμούς έγκειται στην άγνεια μας για μερικές από τις σπουδαιότερες λεπτομέρειες της αστρικής εξέλιξης.

Επεκτείνοντας πίσω στο Big Bang

Μια εναλλακτική προσέγγιση για τον υπολογισμό της ηλικίας του Γαλαξία, είναι να μετρήσουμε την "σταθερά του Ηubble". Η σταθερά του Hubble (Η₀), είναι ένα μέτρο για την τρέχουσα επέκταση του σύμπαντος. Οι κοσμολόγοι χρησιμοποιούν αυτό το μέγεθος για να επεκταθούν πίσω στο Big Bang. Η επέκταση εξαρτάται από την σημερινή πυκνότητα του σύμπαντος και την σύνθεσή του.

Αν το σύμπαν ήταν επίπεδο και αποτελούνταν κυρίως από ύλη, τότε η ηλικία του θα ήταν 2/(3Η₀). Αν το σύμπαν μας έχει πολύ μικρή πυκνότητα από ύλη, τότε η επέκταση της ζώης του θα είναι μεγαλύτερη: 1/Η₀. Αν η θεωρία της γενικής σχετικότητας τροποποιηθεί ώστε να συμπεριλαμβάνει μία κοσμολογική σταθερά, τότε η συνεπαγόμενη ηλικία του συμπαντος είναι ακόμη μεγαλύτερη.

Πολλοί αστρονόμοι εργάζονται σκληρά για να μετρήσουν τη σταθερά του Ηubble, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία δύσκολων τεχνικών. Οι τρέχοντες καλύτεροι υπολογισμοί για το Ηο κυμαίνονται μεταξύ 50 kilometers / sec / megaparsec και 100 kilometers / sec / megaparsec. Σε άλλες παρόμοιες ενότητες οι αστρονόμοι πιστεύουν οτι 1/Ηο κυμαίνεται μεταξύ 10 και 20 δισεκατομμύρια χρόνια.

Μια κρίση ηλικίας;

Εάν συγκρίνουμε τους δύο ηλικιακούς προσδιορισμούς, δικρίνουμε μια δυνητική κρίση. Εάν οι αστρονόμοι που υπολογίζουν ότι το 1/ Ηο είναι τόσο μικρό όσο 10 δισεκατομμύρια χρόνια είναι σωστοί, τότε η ηλικία του σύμπαντος είναι μικρότερη από την ηλικία των παλαιοτέρων αστεριών.
Αυτή η αντίθεση υποννοεί ότι είτε η θεωρία του Big Bang είναι λανθασμένη, είτε χρειάζεται να τροποποιήσουμε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας προσθέτοντας μια κοσμολογική σταθερά.

Μερικοί αστρονόμοι υποστηρίζουν ότι η κρίση θα περάσει μόλις βελτιωθούν οι μετρήσεις μας. Εάν οι επιστήμονες που υπολόγησαν τη μέγιστη τιμή του 1/Ηο  είναι σωστοί και οι μικρότεροι υπολογισμοί όσον αφορά την ηλικία των σφαιρικών σμηνών είναι επίσης σωστοί, τότε όλα θα είναι εντάξει με τη θεωρία του Big Bang.

Ο  MAP μπορεί να υπολογίσει την ηλικία του Σύμπαντος

Στο τέλος του Ιουνίου 2001, πρόκειται να απογειωθεί ο δορυφόρος MAP της NASA. Αυτός θα πάρει πολύ πιό λεπτομερείς εικόνες της ακτινοβολίας μικροκυμάτων από τα προηγούμενα πειράματα - θα είναι περίπου 100 φορές ακριβέστερες και θα μελετήσει ολόκληρο τον ουρανό ( το Boomerang, για σύγκριση, είχε καλύψει μόνο περίπου το 3% του ουρανού). Και θα μετρήσει επίσης την πόλωση της ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι οι διαφορετικές θεωρίες της προέλευσης του κόσμου προβλέπουν διαφορετικά σχέδια πόλωσης, το MAP θα παράσχει έναν πρόσθετο έλεγχο στην ισχύ της θεωρίας του   πληθωρισμού.

Μετρήσεις από τον δορυφόρο ΜΑΡ μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση της κρίσης για την ηλικία του Σύμπαντος. Εάν οι υπάρχουσες ιδέες μας για την προέλευση αυτής της υψηλής βαθμίδας δομής είναι σωστές, τότε η λεπτομερής δομή των διακυμάνσεων του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου θα εξαρτάται από την τρέχουσα πυκνότητα του σύμπαντος, την σύνθεση του σύμπαντος και τον ρυθμό διαστολής με ένα σχετικά απλό τρόπο. Ο MAP θα μπορεί να είναι ικανός να καθορίσει αυτές τις παραμέτρους με μια βεβαιότητα καλύτερη από 5%. Έτσι, θα είμαστε ικανοί να υπολογίσουμε την ηλικία του Σύμπαντος σωστότερα από 5%.

Εάν η ηλικία του σύμπαντος -μετρούμενη με τη βοήθεια του ΜΑΡ- είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των πιο "παλαιοτέρων" σφαιρικών σμηνών, τότε η θεωρία του  Big Bang θα έχει περάσει επιτυχώς ένα πολύ συμαντικό τεστ.

Το νέο διαστημόπλοιο MAP για την εξερεύνηση της γέννησης και της μοίρας του σύμπαντος, ετοιμάζεται να πετάξει στις 30 Ιουνίου του 2001.
Το ρομποτικό διαστημικό σκάφος, βάρους 800 κιλών με την ονομασία Microwave Anisotropy Probe (MAP), αποτελεί προϊόν πολύχρονης συνεργασίας μεταξύ του Διαστημικού Κέντρου Godard και του Πανεπιστημίου Πρίνστον. Έχει σχεδιαστεί για λειτουργία 27 μηνών (τρεις μήνες μέχρι να φτάσει στην κατάλληλη τροχιά γύρω από τον Ήλιο και 24 μήνες επιστημονικής έρευνας).
Τα επιστημονικά όργανα του MAP αποτελούνται από ένα ζευγάρι ανιχνευτών ακτινοβολίας μικροκυμάτων (ένα είδος πεδιόμετρου που θα «σαρώνει» το Διάστημα μετρώντας την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων) και από κάτοπτρα διαστάσεων 1,4 επί 1,6 μέτρα, τα οποία θα προσφέρουν την επιθυμητή γωνιακή ανάλυση.
Τα ευαίσθητα όργανα του MAP θα προστατεύονται συνεχώς από τον Ήλιο, τη Γη και τη Σελήνη, στην πίσω πλευρά του σκάφους, ενώ δεν θα σταματήσουν να καταγράφουν τις μικρές διαβαθμίσεις της θερμοκρασίας της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου με ακρίβεια που θα φτάνει το ένα εκατομμυριοστό της μοίρας!