Τρίτη, 20 Φεβρουαρίου 2018

Κοσμολογικές αναζητήσεις

Πώς γνωρίζουμε ότι το διάστημα διαστέλλεται;
Το Σύμπαν μπορεί να αψηφήσει τη διαίσθησή μας, αλλά για αυτό υπάρχει η επιστήμη;
Από το πρόγραμμα : Ask Ethan

Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία επιστημονικών στοιχείων που υποστηρίζουν την θεωρία του διαστελλόμενου Σύμπαντος και της Μεγάλης Έκρηξης. Αλλά αν το Σύμπαν είναι πεπερασμένο ή άπειρο, δεν έχει ακόμη αποφασιστεί. Εικόνα: NASA / GSFC.

Εάν ρίξετε μια ματιά στο Σύμπαν και σε κάθε κατεύθυνση που παρατηρήτε, βλέπετε αντικείμενα που απομακρύνονται με μεγάλες ταχύτητες από σας, τι θα συμπέρασμα θα βγάζατε; Θα ήταν ίσως ότι είστε ένα είδους Συμπαντικού ¨απωθητή¨; Ότι ο ιστός του ίδιου του χώρου διαστέλλεται; Ότι είστε στο κέντρο μιας προηγούμενης έκρηξης, και όλα τα άλλα απλώς επιταχύνονται μακριά από αυτό το σημείο της έκρηξης; Αυτά, όπως και άλλες επιλογές, θα μπορούσαν να φανούν λογικά, αλλά κατά κάποιον τρόπο, οι επιστήμονες λένε πάντα ότι «το σύμπαν διαστέλλεται» σαν να μην υπήρχε άλλη εναλλακτική λύση. Γιατί συμβαίνει αυτό ; Ένας αναγνώστης μας ο Buck θέλει να το μάθει, ρωτώντας:


Πώς γνωρίζουμε ότι ο χώρος διαστέλλεται; Και αν ναι σε σχέση με τι; Οι γαλαξίες που μετατοπίζονται προς το ερυθρό, και που αναπτύσσονται σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από τη Γη θα μπορούσαν να κάνουν κάτι τέτοιο σε άπειρο χώρο σε αντίθεση με την διαστολή του Σύμπαντος;

Πιστέψτε το ή όχι, η απάντηση είναι γραμμένη επάνω στο ¨υφαντό¨ του ίδιου του Σύμπαντος.   

Ο χωροχρόνος στην κοσμική μας γειτονιά, είναι καμπυλωμένος λόγω της βαρυτικής επιρροής του Ήλιου και άλλων μαζών. 
Εικόνα: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

Ένα από τα πιο απίστευτα γεγονότα σχετικά με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν  - η κορυφαία μέχρι τώρα θεωρία για τη βαρύτητα - είναι ότι καθορίζει τη σχέση μεταξύ του χωροχρόνου, αφενός, και της ύλης και της ενέργειας (υλοενέργεια), από την άλλη. Η ύλη και η ενέργεια ¨λένε¨ στον χωροχρόνο πώς να καμπυλωθεί, ενώ ο χωροχρόνος  ¨λέει¨ στη ύλη  πώς να κινηθεί. Αν γνωρίζουμε πώς διανέμεται η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή και γνωρίζουμε επίσης πως κινείται αυτή η ύλη και η ενέργεια, μπορούμε να ανασυνθέσουμε το πόσο καμπυλώνεται ο χωροχρόνος, καθώς  πως αυτός εξελίσσεται στην διάρκεια όλης της ιστορίας του Σύμπαντος.


Μια δισδιάστατη τομή από τις υπερπυκνες (κόκκινες) και τις λιγότερο πυκνές (μπλε / μαύρες) περιοχές του Σύμπαντος που βρίσκονται κοντά μας. Οι γραμμές και τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση των ιδιαιτέρων ροών ταχύτητας, και όλα αυτά είναι ενσωματωμένα στο υφαντό του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Εικόνα: Cosmography of the Local Universe — Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69. 


Όταν παρατηρούμε τους Γαλαξίες στο Σύμπαν, παρατηρούμε ότι οι πολύ κοντινοί στη Γη κυριαρχούνται από τη βαρυτική δυναμική άλλων κοντινών γαλαξιών. Ο Γαλαξίας μας και ο Γαλαξίας της Ανδρομέδα (Μ31) κατευθύνονται ο ένας προς τον άλλο, ενώ οι άλλοι γαλαξίες στην τοπική ομάδα γαλαξιών θα συγχωνευθούν τελικά μαζί μας. Εκτός από αυτό, οι γαλαξίες έλκουν και  άλλες γειτονικές τους μάζες, όπως είναι οι μεγάλοι γαλαξίες καθώς και οι ομάδες και τα σμήνη γαλαξιών. Σε κάθε σχετικά μικρή περιοχή του διαστήματος, μερικά εκατομμύρια ή και δεκάδες εκατομμύρια έτη φωτός σε μέγεθος, οι μάζες σε αυτό το χώρο καθορίζουν, συνολικά, το πώς θα μετακινούνται οι γαλαξίες.

Μια εξαιρετικά απομακρυσμένη όψη του Σύμπαντος, που δείχνει ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από μας σε εξαιρετικές ταχύτητες. Σε αυτές τις αποστάσεις, οι γαλαξίες εμφανίζονται πιο πολυάριθμοι, μικρότεροι, λιγότερο εξελισσόμενοι και να απομακρύνονται μεταξύ τους με μεγάλες μετατοπίσεις προς το ερυθρό σε σχέση με αυτούς που βρίσκονται κοντά μας. Εικόνα: NASA, ESA, R. Windhorst και H. Yan.

Αλλά σε μεγαλύτερες κλίμακες, βλέπουμε ένα διαφορετικό αποτέλεσμα. Αυτές οι μικρής κλίμακας κινήσεις, γνωστές ως ιδιότυπες (ή παράξενες) ταχύτητες, μπορούν να προκαλέσουν επιταχύνσεις που ανέρχονται σε μερικές χιλιάδες χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο. Όμως επεκτείνονται επάνω σε ένα μεγαλύτερο πλαίσιο που μπορείτε να το δείτε μόνο όταν αρχίζετε να παρατηρείτε σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες: το γεγονός είναι ότι όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας από εμάς, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνεται από εμάς.



Δεν είναι απλά ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς  προκαλώντας έτσι μια μετατόπιση προς το ερυθρό, αλλά μάλλον ότι ο ίδιος ο χώρος ανάμεσα μας και το γαλαξία μετατοπίζει το φως που έρχεται από αυτό το μακρινό σημείο στα μάτια μας προς το ερυθρό. Εικόνα: Larry McNish / RASC Calgary Centre.


Αυτή η εμπειρική παρατήρηση είναι γνωστή ως " Νόμος του Χάμπλ"  και δηλώνει απλώς ότι η φαινόμενη φθίνουσα ταχύτητα ενός γαλαξία είναι ανάλογη με την απόστασή του από εμάς. Η σταθερά της αναλογικότητας είναι γνωστή και ως ¨σταθερά του Χάμπλ¨ και μετρήθηκε με ακρίβεια περίπου στα 70 Χιλιόμετρα / δευτερόλεπτο / Mεγαπαρσέκ, με αβεβαιότητα περίπου 3-4 Χιλ / δ / Mπσ, ανάλογα με το πώς μετράται.




Η σχέση "απόστασης - μετατόπισης προς το ερυθρό " για τους μακρινούς γαλαξίες. Τα σημεία που δεν συμπίπτουν ακριβώς στη γραμμή οφείλουν την ελαφρά αναντιστοιχία τους  στις διαφορές στις ιδιότυπες ταχύτητες, οι οποίες προσφέρουν μόνο ελαφρές αποκλίσεις από τη συνολική παρατηρούμενη διαστολή. Τα αρχικά δεδομένα από τον Έντγουιν Χαμπλ , που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για να δείξουν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, όλα ταιριάζουν στο μικρό κόκκινο κουτί που βρίσκεται στο κάτω αριστερά τμήμα του διαγράμματος. Εικόνα: Robert Kirshner, PNAS, 101, 1, 8-13 (2004).

Αλλά γιατί συμβαίνει αυτό; Γιατί τα πάντα κινούνται μακριά από όλα τα άλλα,ενώ είναι βαρυτικά δεσμευμένα; Ας επιστρέψουμε στα θεμέλια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, πίσω στις αντιλήψεις που είχε ο  Αϊνστάιν πριν δημοσιεύσει την ισχυρότερη του ιδέα.


Όταν ο Αϊνστάιν ανέπτυξε τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας,  αναγνώρισε γρήγορα ότι υπήρξε μια συνέπεια η οποία τον δυσαρέστησε: ένα σύμπαν το οποίο ήταν γεμάτο με ύλη προς όλες τις κατευθύνσεις θα ήταν ασταθές, και εναντίον της βαρυτικής κατάρρευσης, της ίδιας δηλαδή της Νευτώνειας αντίληψης . Σκοπός του Αϊνστάιν λοιπόν για αυτή τη συνέπεια ήταν να δημιουργήσει μια αόρατη δύναμη , η οποία θα ωθούσε προς τα έξω και που έτσι  που μα εμπόδιζε την κατάρρευση αυτή, δηλαδή έπρεπε να δημιουργήσει μια κοσμολογική σταθερά. Αλλά αν δεν συμπεριλάβετε αυτή την κοσμολογική σταθερά στους υπολογισμούς σας, πολύ σύντομα θα συνειδητοποιήσετε ότι θα καταλήξετε να έχετε το τέλος ενός μη έγκαιρα στατικού Σύμπαντος , και με αποτελέσματα πάνω στο ιστό του ίδιου του χώρου ο οποίος είτε θα διαστέλλονταν είτε θα συστέλλονταν με τη πάροδο του χρόνου.


Η αναλογία μπαλονιού / κερμάτων του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Οι μεμονωμένες δομές (νομίσματα) δεν διαστέλλονται, αντίθετα από τις μεταξύ τους αποστάσεις που επεκτείνονται και μεγαλώνουν όπως θα πρέπει να συμβαίνει  μέσα σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν. Εικόνα: E. Siegel / Beyond The Galaxy.


Ακόμη και σε αυτό, η διορθωτική παρέμβαση του Αϊνστάιν δεν ήταν καλή. Η κοσμολογική σταθερά του οδήγησε σε ένα ασταθές Σύμπαν: κάποιες υπέρπυκνες περιοχές θα κατέρρεαν, ενώ περιοχές λιγότερο πυκνές θα υποχωρούσαν με ένα ταχύτατο εκφυλισμό. Ένα Σύμπαν που υπακούει στους νόμους της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας δεν μπορεί απλώς να έχει ένα συνεχές στατικό χωροχρόνο, καθόσον αυτό είναι γεμάτο από ύλη. Όταν βλέπουμε τα πράγματα από τη δική μας προοπτική, βλέπουμε ότι το Σύμπαν φαίνεται ομοιογενές και ισότροπο. Αυτές οι δύο ιδιότητες είναι τόσο σημαντικές, διότι μας λένε δύο σημαντικά πράγματα:

1. Ομοιογενές σημαίνει ότι το Σύμπαν είναι το ίδιο παντού στο διάστημα.

2. Ισότροπο σημαίνει ότι το Σύμπαν είναι το ίδιο προς όλες τις κατευθύνσεις.


Συνδυαστικά οι δύο αυτοί όροι, μας λένε ότι το Σύμπαν έχει μια ομοιόμορφη κατανομή της ύλης και της ενέργειας μέσα σε αυτό, ανεξάρτητα από το πού κινείστε ή σε ποια κατεύθυνση κοιτάζετε. Αυτό, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι μακρινοί γαλαξίες φαίνεται να απομακρύνονται πιο γρήγορα όσο πιο μακριά είναι από εμάς δεν μας δίνει και πολλές επιλογές όσον αφορά στις διαθέσιμες ερμηνείες ή θεωρίες μας για την εικόνα του Σύμπαντος.    




Ένα Σύμπαν που υπακούει στους νόμους της σχετικότητας και γεμίζει ισότροπα και ομοιογενώς, με ύλη και / ή με ακτινοβολία δεν μπορεί να είναι στατικό, Πρέπει να διαστέλλεται ή να συρρικνώνεται ανάλογα με το τι υπάρχει εντός του και σε ποιες ποσότητες. 
Εικόνα: E. Siegel / Beyond the Galaxy.


Παρόλο που αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε διάφορους παράγοντες, όπως:

. Το φως από αυτούς τους μακρινούς γαλαξίες  «κουράζεται» και χάνει ενέργεια καθώς ταξιδεύει μέσα στο διάστημα,


. Μια ταχεία κίνηση, όπου οι ταχύτερα κινούμενοι γαλαξίες καταλήγουν να απομακρύνονται με την πάροδο του χρόνου,


. Μια αρχική έκρηξη, η οποία ¨έσπρωξε¨ κάποιους γαλαξίες μακρύτερα από μας.


. Ή το ίδιο το υφαντό του Σύμπαντος διαστέλλεται.  


Μόνο η τελευταία επιλογή επικυρώθηκε από την πλήρη σειρά δεδομένων που υπάρχουν, και τα οποία υποστηρίζουν τόσο τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας όσο και την αστροφυσική κατανομή και τις ιδιότητες όλων των παρατηρούμενων γαλαξιών.




Οι διαφορές που υπάρχουν ανάμεσα σε μία ερμηνεία που βασίζεται μόνο στην κίνηση για την μετατόπιση προς το ερυθρό (διακεκομμένη γραμμή) και τις (σταθερές) προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας για τις αποστάσεις στο διευρυνόμενο σύμπαν. Οριστικά, μόνο οι προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας (GR’s) ταιριάζουν με αυτό που παρατηρούμε. Εικόνα: Wikimedia Commons user Redshiftimprove.


Πολύ γρήγορα φάνηκε - ήδη από τη δεκαετία του 1930 - ότι δεν υπάρχουν δύο τρόποι γι 'αυτή τη κατάσταση: το Σύμπαν, στην πραγματικότητα, διαστέλλεται. Το γεγονός ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό ενός αντικειμένου αντιστοιχούσε στη σχέση αναλογίας της απόστασης και του παρατηρούμενου βαθμού διαστολής, -όπως και έγινε-, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά ήταν ένα αντικείμενο, βοήθησε στο να επιβεβαιωθεί αυτό το ...δεν.




Ο τρόπος που το φως μετατοπίζεται προς το ερυθρό στο διαστελλόμενο Σύμπαν

Αλλά υπάρχουν ακόμη περισσότερα πειστικά στοιχεία από αυτό. Εάν το Σύμπαν διαστέλλεται στην πραγματικότητα, θα υπήρχουν πολλά πράγματα που θα μπορούσαμε να δούμε. Θα παρατηρήσουμε ότι όσο μακρύτερα κοιτάμε το μακρινό παρελθόν*, τόσο πιο πυκνή θα εμφανιζόταν η ύλη στο Σύμπαν. Θα βλέπαμε ότι οι γαλαξίες ήταν συγκεντρωμένοι πιο κοντά μεταξύ τους από ότι είναι σήμερα. Θα παρατηρούσαμε ότι το φάσμα του φωτός από τα αντικείμενα μελανού σώματος παρέμεινε φάσμα μελανού σώματος, αντί να γίνεται ενέργεια. Και επίσης, θα παρατηρούσαμε ότι η Κοσμική ακτινοβολία Υποβάθρου (Cosmic Microwave Background radiation) ήταν σε υψηλότερη θερμοκρασία τότε από τους 2,7 βαθμούς Kέλβιν που είναι σήμερα. Σημειώστε εδώ ότι η Κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου είναι το σταθερό εκείνο υπόβαθρο όπου συγκρίνεται η κίνηση των πάντων. Λέμε δηλαδή ότι το Ηλιακό μας σύστημα κινείται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία μας αλλά σε σχέση με τι; κινείται σε σχέση με την ΚΑΥ.


Μια μελέτη του 2011 (τα κόκκινα σημεία) έδωσε τα καλύτερα στοιχεία μέχρι σήμερα, ότι δηλαδή η Κοσμική ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB) ήταν υψηλότερη σε θερμοκρασία στο παρελθόν. Οι φασματικές και θερμοκρασιακές ιδιότητες  του μακρινού φωτός επιβεβαιώνουν ότι ζούμε σε διαστελλόμενο Σύμπαν. Εικόνα: P. Noterdaeme, P. Petitjean, R. Srianand, C. Ledoux and S. López, (2011). Astronomy & Astrophysics, 526, L7.


Όλα αυτά τα στοιχεία δηλώνουν, διδάσκοντας μας, ότι το Σύμπαν διαστέλλεται,  και ότι αυτή είναι η αιτία της φαινόμενης ύφεσης (συρρίκνωσης) και όχι οποιαδήποτε άλλη εξήγηση. Δεν είναι κίνηση,  δεν είναι " κουρασμένο φως" . δεν είναι το αποτέλεσμα μιας έκρηξης. Ο ίδιος ο χώρος διαστέλλεται και το τμήμα του Σύμπαντος που βλέπουμε και κατοικούμε διαστέλλεται, μεγαλώνει αν θέλετε όλο και περισσότερο στην πάροδο του χρόνου. Παρόλο που η ηλικία του είναι  13,7 δισεκατομμύρια χρόνια από την εμφάνιση της Μεγάλης Έκρηξης, το πιο μακρινό φως που φτάνει στα μάτια μας σήμερα βρίσκεται 46.5** δισεκατομμύρια έτη φωτός από εμάς .

Το παρατηρήσιμο Σύμπαν. Θα μπορούσε να είναι 46,5 δισεκατομμύρια έτη φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις κατά την προοπτική μας, αλλά σίγουρα υπάρχει περισσότερο, μη παρατηρήσιμο Σύμπαν, ίσως ακόμη και σε ένα άπειρο ποσοστό.
 Εικόνα:  Frédéric MICHEL and Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel.


Τι βρίσκεται πέρα από αυτό; Είμαστε σχεδόν βέβαιοι ότι υπάρχει περισσότερο "Σύμπαν" εκεί, αλλά απλά το φως δεν είχε ακόμα αρκετό χρόνο για να ταξιδέψει έως τα μάτια μας. Το μη παρατηρήσιμο Σύμπαν, δηλαδή πέρα από αυτό που μπορούμε να δούμε, μπορεί να είναι πεπερασμένο ή άπειρο, κάτι τέτοιο όμως απλά δεν το γνωρίζουμε. Αλλά ακόμα κι αν είναι ήδη άπειρο, μπορεί να συνεχίζει να διαστέλλεται!  

Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει την διαστολή του αυτή, απλά πολλαπλασιάστε το μέγεθός του με έναν "συντελεστή διαστολής", οπότε αν προκύπτει πεπερασμένο, είναι ακόμα πεπερασμένο, και αν προκύπτει άπειρο, είναι ακόμα άπειρο. Και αν η περιέργειά σας σας οδηγήσει μακρύτερα, ίσως απολαύσετε να μάθετε σε τι το Σύμπαν διαστέλλεται ή δημιουργήστε άλλες 5 ερωτήσεις σχετικά με το διαστελλόμενο Σύμπαν. Είμαστε βέβαιοι ότι το Σύμπαν αλλάζει, διαστέλλεται και στρεβλώνεται με την πάροδο του χρόνου, καθώς τα παρατηρούμενα αποτελέσματα τούτου είναι συνεπή και αναμφισβήτητα. Αλλά, μπορούμε επί του παρόντος να παρατηρήσουμε αυτό που βρίσκεται πέρα από το Σύμπαν; Εργαζόμαστε ακόμα πάνω σε αυτό για να το μάθουμε. Όπως πάντα, υπάρχει περισσότερη επιστήμη που πρέπει να γίνει!



*Τα αντικείμενα που παρατηρούμε στο Σύμπαν είτε με γυμνό μάτι είτε με κάθε μορφής τηλεσκόπια (οπτικά, ραδιοτηλεσκόπια, ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων) τοποθετούνται χρονικά ανάλογα της απόστασής του από το μάτι του παρατηρητή. Έτσι για παράδειγμα παρατηρώντας τη Σελήνη την βλέπουμε 1 δευτερόλεπτο στο παρελθόν , τον Ήλιο (πάντα με προστατευτικά γυαλιά) 8 λεπτά στο παρελθόν τον Πλανήτη Δία 43 λεπτά πριν, τον αστέρα Σείριο 8,6 χρόνια πριν κοκ. Κυριολεκτικά κοιτώντας το Σύμπαν ατενίζουμε το παρελθόν...

**


Αρθρογράφος: