Τα πρώτα βήματα της φυσικής κοσμολογίας και ο James Peebles (νόμπελ φυσικής 2019)

Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 συνέβη μια από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην σύγχρονη κοσμολογία.

Η ιστορία ξεκινά το 1964, πάνω σε έναν λόφο στο New Jersey, όπου το εργαστήριο Bell διέθετε μια ασυνήθιστη ραδιοφωνική κεραία. Η κεραία είχε στηθεί για την επικοινωνία μέσω ενός δορυφόρου, αλλά οι προδιαγραφές της – ανακλαστήρας 6 μέτρων με εξαιρετικά χαμηλούς θορύβους – την μετέτρεψαν σε επιστημονικό όργανο της ραδιοαστρονομίας.
Οι φυσικοί Arno Penzias και Robert W. Wilson, άρχισαν να χρησιμοποιούν αυτήν κεραία, για να μετρήσουν την ένταση των ραδιοκυμάτων που εκπέμπονται από τον Γαλαξία μας. Όμως αυτό που προέκυψε από τις μετρήσεις τους ήταν ένας μικροκυματικός θόρυβος που αντιστοιχούσε στην «ισοδύναμη θερμοκρασία» των από 2,5 Κ έως 4,5 Κ (Όταν ένας ραδιοαστρονόμος λέει «ο παρατηρούμενος ραδιοφωνικός θόρυβος με την τάδε ισοδύναμη θερμοκρασία», εννοεί απλά και μόνο ότι αυτή είναι η θερμοκρασία του αδιαφανούς κουτιού, μέσα στο οποίο θα έπρεπε να τοποθετηθεί η κεραία, για να δημιουργήσει την ένταση του παρατηρούμενου ραδιοφωνικού θορύβου).
Αυτή η θερμοκρασία ήταν πολύ μεγαλύτερη από ό,τι αναμενόταν και οι Penzias-Wilson προβληματίστηκαν αρκετά πριν δημοσιεύσουν το αποτέλεσμά τους. Και βέβαια δεν είχαν συνειδητοποιήσει πως έκαναν μια μεγαλειώδη ανακάλυψη ισοδύναμη με την ανακάλυψη ότι το σύμπαν διαστέλλεται.

Arno A. Penzias und Robert Wilson

Η σημασία του μυστηρίου του μικροκυματικού θρύβου άρχισε γρήγορα να αποσαφηνίζεται μέσω των δραστηριοτήτων της «αφανούς επιστημονικής κοινότητας» των αστροφυσικών. Ο Penzias έτυχε να τηλεφωνήσει σ’ έναν συνάδελφό του ραδιοαστρονόμο, τον Bernard Burke του ΜΙΤ, για θέματα άσχετα με το πρόβλημα του μικροκυματικού θορύβου. Ο Burke μόλις τότε είχε ακούσει από έναν άλλο συνάδελφό του, τον Ken Turner, του Ινστιτούτου Carnegie, για μια ομιλία που ο ίδιος είχε ακούσει με την σειρά του στο Johns Hopkins. H διάλεξη αυτή είχε δοθεί από έναν νεαρό θεωρητικό του Princeton, τον P. J. E. Peebles. Σ’ αυτή την ομιλία ο Peebles υποστήριζε ότι θα έπρεπε να υπάρχει ένας διάχυτος ραδιοφωνικός θόρυβος που «περίσσεψε» από το αρχέγονο σύμπαν, μια ισοδύναμη θερμοκρασία, σήμερα περίπου 10 Κ.
Ο Burke γνώριζε ήδη ότι ο Penzias μετρούσε θερμοκρασίες ραδιοφωνικού θορύβου με την κεραία των εργαστηρίων Bell. Ενώ λοιπόν μιλούσαν στο τηλέφωνο, βρήκε την ευκαιρία να τον ρωτήσει πως πήγαιναν οι μετρήσεις του. Ο Penzias του είπε ότι πήγαιναν θαυμάσια, αλλά υπήρχε κάτι το ανεξήγητο στα αποτελέσματα αυτά. Ο Burke έβαλε την ιδέα στον Penzias να σκεφτεί μήπως οι φυσικοί του Princeton μπορούσαν να έχουν κάποιες ενδιαφέρουσες απόψεις πάνω στο τι ήταν αυτό που δεχόταν η κεραία του.
Στην ομιλία του και σ’ ένα δημοσίευμα που είχε αποσταλεί προς δημοσίευση τον Μάρτιο του 1965 (βλέπε και τελευταία παράγραφο της ανάρτησης), ο Peebles είχε ασχοληθεί με την ακτινοβολία που μπορούσε να είχε εμφανιστεί στο αρχέγονο σύμπαν.

James Peebles

Ο όρος «ακτινοβολία» είναι βέβαια γενικός και περιλαμβάνει όλο το φάσμα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων – όχι μόνο τα ραδιοφωνικά κύματα και τα μικροκύματα, αλλά και την υπέρυθρη ακτινοβολία, την ορατή ακτινοβολία, την υπεριώδη, τις ακτίνες Χ και την πολύ μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία, την γνωστή ως ακτινοβολία γάμμα.
Ο Peebles παρατήρησε ότι, εάν δεν είχε υπάρξει ισχυρή παρουσία ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια των λίγων πρώτων λεπτών της δημιουργίας του σύμπαντος, οι πυρηνικές αντιδράσεις θα είχαν προχωρήσει τόσο γρήγορα, ώστε ένα μεγάλο ποσοστό του υπάρχοντος υδρογόνου θα είχε «μαγειρευτεί», σχηματίζοντας βαρύτερα στοιχεία, γεγονός που θα βρισκόταν σε πλήρη αντίφαση με τη σημερινή πραγματικότητα, όπου τα τρία τέταρτα του Σύμπαντος αποτελούνται από υδρογόνο.
Αυτό το γρήγορο πυρηνικό «μαγείρεμα» θα μπορούσε ν’ αποτραπεί, μόνο αν το σύμπαν ήταν γεμάτο από ακτινοβολία που να έχει μια τεράστια ισοδύναμη θερμοκρασία σε πολύ μικρά μήκη κύματος, τα οποία θα μπορούσαν να διασπάσουν τους πυρήνες με την ίδια ταχύτητα, με την οποία αυτοί θα μπορούσαν να σχηματιστούν. Μια τέτοια ακτινοβολία θα «επιβίωνε» της διαστολής του σύμπαντος που επακολούθησε. Η ισοδύναμή της όμως θερμοκρασία θα εξακολουθούσε να μειώνεται, καθώς το σύμπαν θα διαστελλόταν, αντιστρόφως ανάλογα προς το μέγεθός του. Αυτό σημαίνει ότι το παρόν σύμπαν θα έπρεπε επίσης να είναι γεμάτο με ακτινοβολία. Αλλά με μια ισοδύναμη θερμοκρασία πάρα πολύ χαμηλότερη από εκείνην των πρώτων λίγων λεπτών της ζωής του σύμπαντος.
Ο Peebles υπολόγισε ότι, για να είχε διατηρήσει η ακτινοβολία την παραγωγή του ηλίου και των βαρύτερων στοιχείων κατά την διάρκεια των πρώτων λεπτών μέσα στα γνωστά όρια, θα έπρεπε να ήταν τόσο ισχυρή, ώστε η θερμοκρασία σήμερα να είναι τουλάχιστον 10 Κ. Ο αριθμός αυτός προέκυπτε από κάποια υπερεκτίμηση των δεδομένων και αργότερα αντικαταστάθηκε με λεπτομερέστερους και ακριβέστερους υπολογισμού από τον Peebles και άλλους ερευνητές. Το δημοσίευμα του Peebles, που είχε προηγηθεί, δεν τυπώθηκε ποτέ στην αρχική του μορφή. Το αποτέλεσμα παρά ταύτα ήταν ουσιαστικά σωστό.
Η εργασία του Peebles αποτελεί την λογική κατάληξη μιας σειράς παρόμοιων κοσμολογικών υποθέσεων που ξεκινούν από το τέλος της δεκαετίας του 1940 με τον George Gamow, Ralph Alpher και Robert Herman και φτάνουν στα 1964 με τους Ya. B. Zeldovich στη Ρωσία και τους Fred Hoyle και R. J. Tayler στην Αγγλία.
O υπολογισμός του Peebles το 1965 είχε σαν αφετηρία τις ιδέες ενός τελειόφοιτου πειραματικού φυσικού στο Princeton, του Robert H. Dicke. Κάποια στιγμή το 1964, ο Dicke άρχισε να διερωτάται μήπως τελικά ήταν ανύπαρκτη κάποια ανιχνεύσιμη ακτινοβολία, που να περίσσεψε από κάποια θερμή και πυκνή πρώιμη φάση της από κάποια θερμή και πυκνή πρώιμη φάση της κοσμικής ακτινοβολίας του σύμπαντος. Οι υποθέσεις του Dicke βασίστηκαν σε μια θεωρία που αντιμετωπίζει το σύμπαν σαν ένα «ταλαντευόμενο» σύστημα. Ο Dicke δεν μπορούσε προφανώς να κάνει καμιά συγκεκριμένη πρόβλεψη για την θερμοκρασία αυτής της ακτινοβολίας, εντόπισε όμως το καίριο σημείο, προς το οποίο άξιζε κανείς να στρέψει την προσοχή του. Πρότεινε στους P. G. Roll και D. T. Wilkinson να στήσουν έναν δέκτη για μια μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και αυτοί άρχισαν να τοποθετούν μια μικρή, χαμηλού θορύβου κεραία στην οροφή του εργαστηρίου φυσικής Palmer στο Princeton.
Πριν ο Dicke, ο Roll και ο Wilkinson μπορέσουν να συμπληρώσουν τις μετρήσεις τους, ο Dicke δέχθηκε ένα τηλεφώνημα από τον Penzias. Και τον Μάιο του 1965, αποφάσισαν να δημοσιεύσουν δυο εργασίες στο περιοδικό Astrophysical Journal Letters, στα οποία ο Penzias και ο Wilson θα ανακοίνωναν τις παρατηρήσεις τους και οι Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson θα εξέθεταν τις κοσμολογικές τους ερμηνείες. Οι Penzias και Wilson, πολύ επιφυλακτικοί ακόμη, έδωσαν στο δημοσίευμά τους τον συγκρατημένο τίτλο «Μέτρηση της θερμοκρασιακής υπέρβασης της κεραίας στους 4080 Mc/s» (η συχνότητα στην οποία η κεραία είχε συντονιστεί, ήταν 4080 Mc/s ή 4080 εκατομμύρια κύκλοι ανά δευτερόλεπτο, που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 7,35 εκατοστόμετρα), και ανακοίνωσαν απλώς ότι «οι μετρήσεις της ενεργού θερμοκρασίας μεγίστου θορύβου … έδωσαν μια τιμή γύρω στους 3,5 Κ πάνω από αυτή που αναμενόταν». Απέφυγαν με τον τρόπο οποιαδήποτε μνεία στην κοσμολογία, σημειώνοντας μόνο ότι «μια πιθανή εξήγηση για την υπέρβαση που παρατηρήθηκε στη θερμοκρασία θορύβου, είναι αυτή που δόθηκε από τους Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson, στην δημοσίευση που αναφερθήκαμε προηγουμένως».
Οι Arnold Penzias και Robert Wilson, για την ανακάλυψή τους, την ανίχνευση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1978. O James Peebles που βραβεύθηκε με το φετινό Νόμπελ Φυσικής συμπεριλαμβανόταν στην ομάδα που προέβλεπαν θεωρητικά την ύπαρξη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.
Βέβαια, οι Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson δεν ήταν οι πρώτοι που μίλησαν για την ύπαρξη της ακτινοβολίας αυτής. Είχαν προηγηθεί οι George Gamow το 1948 και οι Alpher και Herman την ίδια χρονιά που προέβλεπαν μια θερμοκρασία 5 Κ στο σημερινό σύμπαν.


To άρθρο των Penzias – Wilson στο Astrophysical Journal. Ακριβώς πάνω απ’ αυτό οι Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson δημοσίευαν το δικό τους άρθρο στο οποίο «προέβλεπαν» την θερμοκρασία μικροκυματικής ακτινοβολίας στα πλάισια της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης (χωρίς καμία αναφορά στον Gamow!)
Όμως η εργασία των Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson με τίτλο “Cosmic black body radiation”, που δημοσιεύθηκε πάνω από την εργασία των Penzias – Wilson, προχωρούσε ένα βήμα πιο πέρα συνδέοντας την θερμοκρασία και την πυκνότητα του σύμπαντος με την ποσότητα του ηλίου (4Ηe)που παράχθηκε στα πρώτα λεπτά της ύπαρξης του σύμπαντος. Αυτό που είναι σημαντικό είναι η πυκνότητα της ύλης όταν η θερμοκρασία πέφτει αρκετά ώστε να μην διασπάται το δευτέριο (2Η) που παράγεται και να σταματάει ο σχηματισμός των πυρήνων ηλίου. Όσο πιο πυκνό σύμπαν, τόσο περισσότερο ήλιο. Αυτές οι ιδέες αναπτύχθηκαν λεπτομερώς από τον Peebles στις εργασίες του που δημοσιεύθηκαν το 1966, στο Physical Review Letters και στο Astrophysical Journal. Εκεί υπολόγισε την περιεκτικότητα του αρχέγονου ηλίου με σχετικά καλή ακρίβεια και εκτίμησε την σημερινή θερμοκρασία του σύμπαντος στους 3 Κ. Η προσέγγιση του Peebles σχετικά με την αρχέγονη πυρηνοσύνθεση είναι αρκετά διαφορετική σε σχέση με τις παλαιότερες εργασίες, όπου θεωρούσαν πως είναι δυνατή η παραγωγή των βαρύτερων πυρήνων στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης.
Επιπλέον, τον Μάρτιο του 1965, πριν την δημοσίευση των Dicke, Peebles, Roll και Wilkinson, ο Peebles είχε στείλει για δημοσίευση την εργασία του «The black-body radiation content of the Universe and the formation of galaxies», (το θέμα ομιλίας που έδωσε στο Johns Hopkins και έμαθε γι αυτή από τρίτους ο Penzias), στην οποία αναφέρεται ξεκάθαρα στην ακτινοβολία υποβάθρου – η περίληψη ξεκινάει ως εξής: « Ένας κρίσιμος παράγοντας στον σχηματισμό των γαλαξιών είναι η παρουσία μιας ακτινοβολίας μέλανος σώματος στο σύμπαν». Αυτή η εργασία, μαζί με την συνεισφορά του Ρώσου κοσμολόγου Yakov Zeldovich [Survey of modern cosmology, Adv. Astron. Astrophys. 3, 241 (1965)], μπορούν να θεωρηθούν ως η αφετηρία της φυσικής κοσμολογίας, όπου οι νόμοι της φυσικής που συνέλαβε το ανθρώπινο μυαλό, εφαρμόζονται για να εξηγήσουν την εξέλιξη του σύμπαντος. Είναι η στιγμή που η κοσμολογία αρχίζει να γίνεται επιστήμη ακριβείας και ένα εργαλείο αναζήτησης νέας φυσικής.

πηγές
1. Τα Πρώτα Τρία Λεπτά, Steven Weinberg
2. https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-physicsprize2019-3.pdf

https://physicsgg.me/