physics4u - Δύο φυσικοί κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής 2006 για την επιβεβαίωση του Big Bang

Οι Αμερικανοί John Mather και George Smoot κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ του 2006 στη φυσική για την εργασία τους, που βοήθησε να θεμελιωθεί στέρεα η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης και να εμβαθύνει την κατανόηση της προέλευσης των γαλαξιών και των αστεριών.

Ο Mather, 60 ετών, εργάζεται στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA και είναι επικεφαλής του μελλοντικού δορυφορικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST) της NASA. Ο George Smoot, 61 ετών, δουλεύει στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλευ της Καλιφόρνιας εδώ και 25 χρόνια. Δυστυχώς ενώ οι δυο τους ήταν συνεργάτες το 1988 που εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος COBE, δεν μιλιούνται πλέον γιατί ενώ τα στοιχεία του δορυφόρου ήταν τα ίδια, οι ερμηνείες που έδωσε ο καθένας τους τους έφερε σε οξεία αντιπαράθεση.

Οι επιστήμονες αυτοί ανακάλυψαν τη φύση της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου που θεωρείται ότι έχει προέλθει από τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν γεννήθηκε το σύμπαν.

"Δεν έχουν αποδείξει τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης αλλά του έδωσαν πολύ ισχυρή υποστήριξη", λέει ο Per Carlson, πρόεδρος της επιτροπής Νόμπελ για τη φυσική.

"Είναι μια από τις μέγιστες ανακαλύψεις του αιώνα. Θα την έλεγα την πιο μεγάλη. Αυξάνει τη γνώση μας για τη θέση μας στον Κόσμο".

COBE Satelite

Η εργασία τους βασίστηκε στις μετρήσεις που έγιναν με τη βοήθεια του δορυφόρου COBE της NASA που προωθήθηκε στο διάστημα το 1989. Ήταν σε θέση να παρατηρήσουν το σύμπαν στα αρχικά στάδιά του, περίπου, 380.000 έτη αφότου γεννήθηκε ενώ η θερμοκρασία του σύμπαντος ήταν 3.000 βαθμούς Κελσίου. Σήμερα η θερμοκρασία της Μικροκυματικής Ακτινοβολίας είναι μόνο 2.7 βαθμών Κέλβιν ή - 273 βαθμούς Κελσίου.

Η θερμοκρασία όμως των 2.7 Κελβιν που αντιστοιχεί στην ακτινοβολία υποβάθρου δεν είναι ομοιόμορφη στο Σύμπαν, αλλά παρουσιάζει μικρές διακυμάνσεις σε διάφορες κατευθύνσεις παρατήρησης. Η ανομοιομορφία αυτή, στην οποία αναφέρεται ο όρος ανισοτροπία, συνδέεται με το γεγονός ότι η ύλη δεν είναι ομοιογενής στο Σύμπαν, αλλά βρίσκεται συγκεντρωμένη σε γαλαξίες, άστρα και πλανήτες.

Οι κυματισμοί στην ακτινοβολία που, επίσης, ανίχνευσαν βοήθησαν στο να αποδειχθεί πώς σχηματίστηκαν οι γαλαξίες κατά τη διάρκεια του χρόνου.

"Τα αποτελέσματα του COBE πρόσφεραν μεγάλη υποστήριξη στο σενάριο του big bang για την προέλευση του σύμπαντος, καθώς αυτό είναι το μόνο σενάριο που προβλέπει το είδος της μικροκυματικής κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου που μετρήθηκε από το COBE", ανέφερε στην παραπομπή της η Βασιλική Σουηδική Ακαδημία των Επιστημών στη Στοκχόλμη.

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης δηλώνει ότι το σύμπαν γεννήθηκε 13.7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν από μια ταχύτατη επέκταση μιας υπέρπυκνης και απίστευτα καυτής κατάστασης.

Ο Smoot δήλωσε ότι έμεινε έκπληκτος όταν πήρε τηλεφωνική κλήση από την επιτροπή των Νόμπελ τα μεσάνυχτα. "Εξεπλάγην ότι ήξεραν ακόμη και τον αριθμό μου. Μετά από αυτή την ανακάλυψη είχα πάρει τόσες πολλές κλήσεις", ανέφερε.

"Η ανακάλυψη ήταν ένα είδος παραμυθικού. Ήταν ένα απίστευτο κατόρθωμα. Τώρα είναι μια μεγάλη τιμή και μια αναγνώριση. Είναι καταπληκτικό", συνέχισε.

Ο Mather από την άλλη είπε ότι ήταν "συγκλονισμένος και κατάπληκτος" για τη λήψη του βραβείου.

"Δεν μπορώ να πω ότι ήμουν εντελώς έκπληκτος, επειδή πολλοί μας έχουν πει ότι πρέπει να βραβευτούμε, αλλά είναι μια σπάνια και ειδική τιμή", είπε ο Mather.

Είπε, επίσης, ότι αυτός και ο Smoot δεν είχαν συνειδητοποιήσει πόσο σημαντική ήταν η εργασία τους κατά την διάρκεια της ανακάλυψής της.

Η ακαδημία αποκάλεσε το Mather κατευθυντήρια δύναμη πίσω από το πρόγραμμα COBE, ενώ το Smoot ότι ήταν αρμόδιος για τη μέτρηση των μικρών παραλλαγών στη θερμοκρασία της ακτινοβολίας.

Με τα συμπεράσματά τους, οι επιστήμονες μετασχημάτισαν τη μελέτη του πρώιμου σύμπαντος από μια - κατά ένα μεγάλο μέρος - θεωρητική αναζήτηση σε μια νέα εποχή των άμεσων παρατηρήσεων και μετρήσεων.

"Οι πολύ λεπτομερείς παρατηρήσεις που έχουν πραγματοποιήσει οι βραβευθέντες με τη βοήθεια του δορυφόρου COBE έχουν διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη της σύγχρονης κοσμολογίας σε μια επιστήμη ακριβείας", ανακοίνωσε η Ακαδημία.

"Ήταν μια πολύ πραγματικά δύσκολη πειραματική μέτρηση αυτή που έκαναν. Είναι ότι πιο απώτατο που μπορούμε να δούμε στο Σύμπαν αλλά και το πιο παλιό", είπε σε μια συνέντευξη του ο Phillip Schewe, εκπρόσωπος του Αμερικανικού Ιδρύματος Φυσικής,

Από το 1986, οι Αμερικανοί 15 φορές έχουν κερδίσει είτε έχουν μοιραστεί βραβεία φυσικής με άλλους φυσικούς από άλλες χώρες.

Πέρυσι, οι Αμερικανοί John Hall και ο Roy Glauber καθώς και ο Γερμανός Theodor Haensch κέρδισαν το βραβείο για την εργασία που θα μπορούσε να βελτιώσει την επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων αλλά και τη ναυσιπλοΐα.

Οι φετινές ανακοινώσεις των βραβείων άρχισαν τη Δευτέρα με το βραβείο Νόμπελ στην Ιατρική, που πήγε στους Αμερικανούς Andrew Fire και Craig Mello για την ανακάλυψη ενός ισχυρού τρόπου για να ανακληθεί η επίδραση συγκεκριμένων γονιδίων, που προσφέρουν νέες ελπίδες για την πάλη ασθενειών τόσο διαφορετικών όσο ο καρκίνος και το AIDS.

Το βραβείο, 1.37 εκατομμυρίων δολαρίων, θα απονεμηθεί στις 10 Δεκεμβρίου 2006, επέτειο του θανάτου του Νόμπελ το 1896.

Το 1988 η NASA κατέληξε στην κατασκευή και εκτόξευση ενός δορυφόρου μέτρησης της κοσμικής ακτινοβολίας, του COBE, με τον Mather συντονιστή των φασματογραφικών εργασιών και τον Smoot επικεφαλής των μετρήσεων θερμοκρασιακής ανισοτροπίας. Λίγο νωρίτερα η υπηρεσία είχε επιλέξει για τον δορυφόρο τη σχεδιαστική πρόταση του Smoot. Ο χαρισματικός αυτός φυσικός την είχε πείσει και το 1976 να τοποθετήσει ένα ραδιόμετρο μικροκυμάτων πάνω σε ένα κατασκοπευτικό αεροσκάφος U-2 για να μετρήσει την κοσμική ακτινοβολία. Οι μετρήσεις που είχε πάρει έδειχναν ότι το Σύμπαν δεν περιστρέφεται αλλά διαστέλλεται με την ίδια ταχύτητα προς όλες τις κατευθύνσεις και ότι ο Γαλαξίας μας έλκεται κινούμενος με ταχύτητα γύρω στα δύο εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα άγνωστό από τι. Το θέμα ήταν απόλυτα σχετικό με το πανάρχαιο ερώτημα «πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν;» και τις ακόμη αναπόδεικτες θεωρίες περί μιας αρχέγονης Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) και κατοπινής συνεχούς διαστολής του.

Οι θεωρίες για την αρχέγονη Μεγάλη Έκρηξη πρωτοδιατυπώθηκαν το 1922 από τον ρώσο φυσικό Alexander Friedmann και συμπληρώθηκαν από τον Βέλγο Georges Lemaitre το 1927. Το 1946 ο Ρώσος G. Gamow ήταν αυτός που κατάλαβε ότι η αρχή του Σύμπαντος ήταν μια πύρινη σφαίρα, ενώ ο αντίπαλός της θεωρίας του Big Bang Βρετανός Fred Hoyle ήταν αυτός που βάφτισε περιπαικτικά τη θεωρία του Big Bang κατά τη διάρκεια μιας συνέντευξης.

Η θεωρία όμως έπαψε να είναι μια υπόθεση και αντικείμενο διαμάχης το 1964, όταν δύο φυσικοί των Εργαστηρίων Bell, ο Αρνο Πενζίας και ο Ρόμπερτ Γουίλσον, ανακάλυψαν τυχαία τα κατάλοιπα της Μεγάλης Έκρηξης, την αχνή κοσμική ακτινοβολία που διαχέεται στο Σύμπαν, και πήραν το Νομπέλ Φυσικής του 1978 για την ανακάλυψή τους αυτή.

Το 1992, βασιζόμενοι στα στοιχεία που τους είχε στείλει ο COBE από το 1989, οι Mather και Smoot αποφάνθηκαν ότι δικαιωνόταν το μοντέλο του κοσμολόγου Alan Guth. Ο Guth από το 1981 είχε υποστηρίξει ότι το Σύμπαν διαστελλόταν με τέτοια ταχύτητα στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου, ώστε να σχηματίσει ανισότροπες ρυτιδώσεις. Κατά τη στιγμή της έκρηξης το Σύμπαν είχε θερμοκρασία περίπου 3.000 βαθμούς Κελσίου, ενώ σήμερα οι μετρήσεις της απομένουσας ακτινοβολίας από την Κοσμογονία είναι μόλις 2,7 βαθμοί πάνω από το Απόλυτο Μηδέν. Οι απειροελάχιστες διαφοροποιήσεις της θερμοκρασίας αυτής ήταν που απέδειξαν την ανισοτροπία δικαίωσης του Guth.

. Ισως συμφιλιωθούν προσεχώς, όταν ο προς εκτόξευση δορυφόρος της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Διαστήματος Planck μας στείλει δεδομένα που θα ξεδιαλύνουν τα αναπάντητα ερωτήματα και τις... παρεξηγήσεις.

Πηγή: ΒΗΜΑ

H χαρτογράφηση των ανισοτροπιών στην ακτινοβολία υποβάθρου του ουρανού των 2.74 Kelvin από τον δορυφόρο COBE.

Αυτά τα κοσμικά σχήματα στον ουρανό πιθανόν να είναι κατάλοιπα από την εποχή 10-³² sec μετά τη Μεγάλη Εκρηξη. Ο χάρτης δείχνει όλη την ουράνια σφαίρα.

Ο Γαλαξίας μας είναι η κόκκινη λωρίδα που διέρχεται οριζόντια από το μέσο, οι γαλάζιες και ροζ περιοχές είναι ελαφρά θερμότερες και ψυχρότερες από το μέσο όρο, περίπου 1 μέρος στα 90.000.

Η εικόνα είναι το άθροισμα παρατηρήσεων του COBE στα 53 και 90 GHz και αντιστοιχεί σε χωρική διακριτική ικανότητα 100. Ακόμα και οι μικρότερες ανομοιογένειες, μικροδιακυμάνσεις, είναι πολύ μεγάλες για να έχουν παίξει οποιοδήποτε ρόλο στη διαμόρφωση του Σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα. Οι μικροδιακυμάνσεις πιστεύεται πως αποτελούν τα "σπέρματα" του σχηματισμού των σημερινών δομών του σύμπαντος.

Η ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου θεωρείται ότι αποτελεί το υπόλειμμα της θερμικής ισορροπίας που χαρακτήριζε το Σύμπαν περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ακτινοβολία που παρατηρείται σήμερα σε θερμοκρασία 2,74 βαθμών Κelνίn αντιστοιχεί σε μια αρχέγονη θερμοκρασία 3.000 βαθμών που μετατράπηκε σε ανιχνεύσιμη όταν τα ελεύθερα ως τότε ηλεκτρόνια παγιδεύτηκαν σε κβαντισμένες ατομικές τροχιές γύρω από πυρήνες υδρογόνου, ηλίου και λιθίου.
Σαν αποτέλεσμα αυτής της παγίδευσης, η αλληλεπίδραση φωτονίων και πυρήνων και ηλεκτρονίων μειώθηκε δραματικά και η ύλη έγινε διαπερατή στην ακτινοβολία.
Η περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας εκείνης στη σημερινή τιμή της κατά τρεις τάξεις μεγέθους (δηλαδή χίλιες φορές) οφείλεται στην αντίστοιχη μετέπειτα διαστολή του Σύμπαντος.

Η παραπάνω εικόνα της πρώτης ηλικίας του Σύμπαντος περιγράφει μια τελείως ομοιόμορφη κατανομή της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Από μια άποψη, μια τέτοια κατανομή φαινόταν μέχρι πριν από λίγα χρόνια να συμφωνεί απόλυτα με όλες τις μετρήσεις της ακτινοβολίας υποβάθρου με ακρίβεια 1/10.000.

Αλλά κάθε άλλο παρά συμφωνεί με τη σημερινή εικόνα του εξαιρετικά ανομοιόμορφου Σύμπαντος γύρω μας. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι σύγχρονες χαρτογραφήσεις μεγάλης κλίμακας του ουρανού γίνονται με βάση σμήνη γαλαξιών και παρουσιάζουν δομές, τόσο από υπερσμήνη γαλαξιών όσο και από κενά, με διαστάσεις που φτάνουν τα 300 εκατομμύρια έτη φωτός! Πώς λοιπόν μπορεί κανείς να ερμηνεύσει την εξέλιξη μιας τέλειας ομοιογενούς κατανομής ακτινοβολίας (και προφανώς ύλης) σε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από υπερσυγκεντρώσεις γαλαξιών σε "Μεγάλα Τείχη" διασκορπισμένα ανάμεσα σε "Μεγάλα Κενά".

Ο CΟBE λοιπόν εκτοξεύτηκε το 1989 ακριβώς για να δώσει απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Ήταν κάτι περισσότερο από διαδικασία ρουτίνας σε μια περίοδο κανονικής επιστημονικής δραστηριότητας.

Πολλοί ερευνητές που εργάζονταν πάνω στο αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο είχαν αρχίσει να ανησυχούν για την αδυναμία των επίγειων πειραμάτων να παρατηρήσουν διακυμάνσεις στην κατανομή της ακτινοβολίας υποβάθρου που θα εξηγούσαν την προέλευση των σημερινών δομών στο Σύμπαν . Η ανακοίνωση από τον George Smοοt στις 23 Απριλίου 1992 ότι "η Μεγάλη Έκρηξη ήταν ζωντανή και πολύ-πολύ υγιής" προκάλεσε ίσως περισσότερο ανακούφιση παρά ενθουσιασμό ανάμεσα στην κοινότητα των κοσμολόγων .

Ο CΟBE ανίχνευσε διακυμάνσεις στην κατανομή της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου που διαφέρουν από τη μέση θερμοκρασία των 2,74 βαθμών Κelvin του ουρανού μόνο κατά 30 εκατομμυριοστά του βαθμού. Το μεγαλύτερο μέρος των διακυμάνσεων -περίπου τα δύο τρίτα των δεδομένων- είναι στην πραγματικότητα αποτύπωση του ηλεκτρικού θορύβου των οργάνων του δορυφόρου και των ακτινοβολιών από κοντινές "πρόσφατες" πηγές του ουρανού. Η μαθηματική ανάλυση των διακυμάνσεων δείχνει ότι πίσω από την ολική εικόνα φαίνεται να υπάρχουν σήματα που ανταποκρίνονται σε αληθινές στατιστικές διακυμάνσεις στην κατανομή της ακτινοβολίας υποβάθρου. Οι μικρότερες από τις δομές αυτές εκτείνονται μέχρι και 500 εκατομμύρια έτη φωτός μέσα στο διάστημα!

Το φάσμα όπως μετρήθηκε από τον COBE. Το φάσμα δείχνει την κατανομή της ενέργειας της ακτινοβολίας στα διάφορα μήκη κύματος. Η συνεχής καμπύλη παριστάνει τη θεωρητικά προσδοκώμενη κατανομή της ακτινοβολίας που προέρχεται από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η ακτινοβολία είναι τύπου μέλανος σώματος.