Αποστολή «Planck»: τρίζουν τα θεμέλια της κοσμολογίας;

Στο βόρειο ημισφαίριο του ουρανού (πάνω από τη λευκή γραμμή) φαίνεται να επικρατούν χαμηλότερες θερμο-κρασίες (μπλε χρώμα) απ’ ό,τι στο νότιο (κόκκινο χρώμα). Δεξιά κάτω, διακρίνεται η ψυχρή (μπλε) κηλίδα

Το διαστημόπλοιο «Planck» εκτοξεύθηκε από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος με σκοπό την όσο το δυνατόν λεπτομερέστερη καταγραφή της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία αποτελεί τον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης κατά την οποία σχηματίστηκε το Σύμπαν που παρατηρούμε γύρω μας.
Έπειτα από 15 μήνες συνεχών παρατηρήσεων, δημοσιεύθηκαν πρόσφατα τα πρώτα αποτελέσματα αυτής της αποστολής. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να αναγνωστούν με δύο διαφορετικούς τρόπους. Ο πρώτος είναι ότι δεν μάθαμε τίποτα καινούργιο, αφού τα αποτελέσματα επαναλαμβάνουν απλώς τα ήδη γνωστά από παλαιότερες αποστολές χαρακτηριστικά αυτής της ακτινοβολίας, απλώς με μεγαλύτερη αριθμητική ακρίβεια. Ο άλλος είναι ότι τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν μια ασυνέπεια μεταξύ θεωρίας και παρατηρήσεων, η οποία δεν είναι πια δυνατό να αποδοθεί στην περιορισμένη ακρίβεια των μετρήσεων. Το ενδιαφέρον είναι ότι και οι δύο απόψεις είναι σωστές!

Ο απόηχος της Μεγάλης Έκρηξης

Το 1965 οι Arno Penzias και Robert Wilson, ηλεκτρονικοί μηχανικοί της AT&T Bell, της μοναδικής (τότε) εταιρείας τηλεπικοινωνιών των ΗΠΑ, παρατήρησαν μια ασθενή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μήκη κύματος μερικών εκατοστών, η οποία έμοιαζε να προέρχεται με την ίδια ένταση από όλα τα σημεία του ουρανού. Σύντομα η ακτινοβολία αυτή αναγνωρίστηκε ως απόηχος της Μεγάλης Εκρηξης, και για τον λόγο αυτό οι Penzias και Wilson πήραν το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 1978. Είναι φανερό ότι η μελέτη αυτής της ακτινοβολίας θα μπορούσε να μας δώσει πληροφορίες για τις φυσικές συνθήκες που επικρατούσαν κατά την παιδική ηλικία του Σύμπαντος. Εξαρχής έγινε κατανοητό ότι η μελέτη αυτή θα ήταν καλύτερο να γίνει από το Διάστημα, επειδή οι επίγειες παρατηρήσεις επηρεάζονται από την ατμόσφαιρα και τις παρεμβολές πηγών ανθρωπογενούς μικροκυματικής ακτινοβολίας, αλλά και επειδή η ατμόσφαιρα απορροφά ορισμένα μήκη κύματος αυτής της ακτινοβολίας. Ετσι η NASA σχεδίασε δύο διαστημικές αποστολές με σκοπό τη χαρτογράφηση του ουρανού στα μήκη κύματος της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Η πρώτη, που είχε το όνομα COBE, εκτοξεύθηκε το 1989 και η δεύτερη, με το όνομα WMAP, το 2001. Τα αποτελέσματα των δύο αποστολών απασχόλησαν αρκετά τους επιστήμονες και τα μέσα ενημέρωσης, επειδή έδωσαν απάντηση σε πολλά κρίσιμα ερωτήματα των κοσμολόγων, όπως για παράδειγμα ποια είναι η ηλικία του Σύμπαντος, ποια είναι η έκτασή του και ποια είναι η σύστασή του. Οι πληροφορίες αυτές προέρχονται από το γεγονός ότι η ένταση της ακτινοβολίας δεν είναι ακριβώς η ίδια από όλες τις κατευθύνσεις, αλλά εμφανίζει απειροελάχιστες μεταβολές, που μπορούμε να τις μεταφράσουμε σε μικρές διαφορές της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του Σύμπαντος κατά την παιδική του ηλικία. Η στατιστική μελέτη αυτών των περιοχών, δηλαδή το πόσες περιοχές υπάρχουν με μια συγκεκριμένη διάμετρο, είναι αυτή που δίνει τα ζητούμενα από τους κοσμολόγους στοιχεία. Οι περιοχές με τη χαμηλότερη θερμοκρασία και την υψηλότερη πυκνότητα εξελίχθηκαν στους σχηματισμούς που σήμερα παρατηρούμε ως γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών και κοσμολογικές δομές ακόμη μεγαλύτερων διαστάσεων.

Συμφωνεί με την... ασυμφωνία

Οι παρατηρήσεις της αποστολής WMAP είχαν 20 φορές καλύτερη διακριτική ικανότητα από αυτήν του COBE, δηλαδή έδειχναν λεπτομέρειες 20 φορές μικρότερες. Αυτό βοήθησε σημαντικά στο να δοθεί ακριβέστερη απάντηση στα βασικά ερωτήματα των κοσμολόγων, αλλά παράλληλα έφερε στην επιφάνεια κάτι που δεν ήταν φανερό από τις παρατηρήσεις του COBE: η εικόνα του ουρανού στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου δεν ήταν σύμφωνη με το μοντέλο του Σύμπαντος που αποδέχονται οι κοσμολόγοι. Υπήρχαν τρεις συγκεκριμένες ασυμφωνίες εκ των οποίων οι δύο, μια ασυμμετρία του βόρειου με το νότιο ημισφαίριο του ουρανού και η ύπαρξη μιας μεγάλης «ψυχρής κηλίδας», είναι ορατές με απλή επισκόπηση της εικόνας του ουρανού που προέκυψε από τη γραφική απόδοση των μετρήσεων. Οι ασυμφωνίες αυτές είναι άραγε πραγματικές ή απλώς αποτελούν αποτέλεσμα πειραματικών σφαλμάτων και ατελούς επεξεργασίας των δεδομένων; Σε αυτό το ερώτημα, αλλά και στην ακριβέστερη εκτίμηση των παραμέτρων του Σύμπαντος, θα μπορούσε να απαντήσει η αποστολή «Planck». Ξεκινώντας από το δεύτερο, επιβεβαιώθηκαν - με μικρές διαφορές - οι αριθμητικές τιμές των παραμέτρων που είχε μετρήσει η αποστολή WMAP. Το Σύμπαν είναι άπειρο, έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια και αποτελείται κατά 4,9% από συνηθισμένη ύλη, κατά 26,8% από σκοτεινή ύλη και κατά 68,3% από σκοτεινή ενέργεια. Οι παρατηρήσεις της αποστολής «Planck» όμως, που έχουν 2,5 φορές καλύτερη διακριτική ικανότητα από αυτή της αποστολής WMAP, απάντησαν και στο πρώτο ερώτημα: οι παρατηρούμενες ασυμφωνίες είναι πραγματικές.

Ούτε ομογενές ούτε ισότροπο!

Βασικό στοιχείο του σήμερα αποδεκτού μοντέλου του Σύμπαντος είναι ότι χαρακτηρίζεται ως «ομογενές και ισότροπο». Δηλαδή το Σύμπαν φαίνεται το ίδιο σε όποια θέση παρατήρησης κι αν βρεθούμε (ομογενές) και προς όποια κατεύθυνση και αν παρατηρήσουμε (ισότροπο). Φυσικά όλοι αντιλαμβανόμαστε ότι αυτό δεν ισχύει για μικρές κλίμακες αποστάσεων, αφού η ύλη είναι συγκεντρωμένη σε «ομάδες» (άτομα, αστέρια, γαλαξίες). Ομως η θεωρία έλεγε ότι για πραγματικά μεγάλες διαστάσεις αυτές οι συγκεντρώσεις «χάνονται» και η εικόνα της ύλης στο Σύμπαν αρχίζει να μοιάζει με αυτή ενός ρευστού, του οποίου τα μόρια δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι. Μέχρι πρότινος η διάσταση αυτής της «ομογενοποίησης» θεωρούνταν ότι είναι της τάξεως των εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών φωτός. Ομως πριν από δύο μήνες ανακαλύφθηκε από επίγεια τηλεσκόπια μια ομάδα από quasars, η οποία έχει διάμετρο 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Η ανακάλυψη αυτή έδειξε ότι το Σύμπαν μοιάζει να μην είναι όσο ομογενές θα ήθελαν οι κοσμολόγοι, αφού η διάσταση αυτή είναι μόλις 4 φορές μικρότερη από τη μέγιστη απόσταση στην οποία μπορούμε να δούμε σήμερα, 13,8 δισεκατομμύρια έτη φωτός, δηλαδή όση είναι η ηλικία του Σύμπαντος επί την ταχύτητα του φωτός. Αρα τέτοιου είδους δομές δεν είναι δυνατό να θεωρηθούν ως τα μόρια ενός ρευστού. Τώρα οι παρατηρήσεις της αποστολής «Planck» έδειξαν ότι το Σύμπαν δεν είναι ούτε όσο ισότροπο θα ήθελαν οι κοσμολόγοι.

Το τελικό συμπέρασμα κάνει πολλούς από εμάς να νιώθουμε κάπως «άβολα» με το υπάρχον σήμερα μοντέλο του Σύμπαντος, αφού η διαμόρφωση των ερωτημάτων που τίθενται προς απάντηση από τις παρατηρήσεις βασίζεται στην κοσμολογική αρχή ότι το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο. Ομως οι ίδιες οι παρατηρήσεις, που καλούνται να δώσουν απαντήσεις στα ερωτήματα, βάζουν σε αμφισβήτηση την ίδια την αρχή από την οποία τα ερωτήματα προέκυψαν! Σε άλλους η ασυμφωνία αυτή φαίνεται ως απλή λεπτομέρεια και σε άλλους ως σημαντικό πρόβλημα. Το μέλλον θα δείξει ποια από τις δύο «σχολές» προσεγγίζει καλύτερα την πραγματικότητα.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής τουΤμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.