Σάββατο, 18 Μαρτίου 2017

Στη λεπτή ρύθμιση του αριθμού Q οφείλονται όλοι οι κοσμικοί σχηματισμοί

Τα σπέρματα όλων των κοσμικών σχηματισμών – άστρα, γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών — ήταν όλα εντυπωμένα στη Μεγάλη Έκρηξη. Ο ιστός ή η δομή του Κόσμου μας εξαρτάται από έναν σπουδαίο αριθμό, τον Q, που παριστάνει το λόγο δύο θεμελιωδών ενεργειών και έχει τιμή 1/100.000 περίπου. Αν το Q ήταν μικρότερο, τότε το Σύμπαν θα παρέμενε αδρανές και χωρίς δομή. Εάν ήταν πολύ μεγαλύτερο, τότε το Σύμπαν θα γινόταν ένας ταραχώδης τόπος, στον οποίο δεν θα μπορούσαν να επιβιώσουν άστρα και ηλιακά συστήματα, αλλά θα κυριαρχούσαν τεράστιες μαύρες τρύπες.
 
Νεαροί γαλαξίες 12 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας
 
Τα νέφη του αερίου και της σκόνης μέσα στους γαλαξίες έχουν ανακατευτεί και ανακυκλωθεί τόσο πολύ που δεν διατηρούν καμιά «ανάμνηση» της προέλευσης τους. O σχηματισμός άστρων, λοιπόν, είναι ανεπηρέαστος από το ευρύτερο Σύμπαν. Όμως ο σχηματισμός των γαλαξιών συνιστά μια λιγότερο «ευθύγραμμη» διαδικασία από την αντίστοιχη των άστρων. H προέλευση των γαλαξιών ανάγεται στο πρώιμο Σύμπαν: σχηματίζονται με βάση τη «γενετική» τους αλλά και το περιβάλλον τους.
Εάν το Σύμπαν μας είχε ξεκινήσει ως απόλυτα λείο και ομοιόμορφο, θα παρέμενε έτσι καθ’ όλη τη διάρκεια διαστολής του. Μετά από 10 δισεκατομμύρια χρόνια, θα περιείχε αραιά κατανεμημένη σκοτεινή ύλη, καθώς και αέριο υδρογόνο και ήλιο αραιωμένα σε τέτοιο βαθμό ώστε να υπάρχει λιγότερο από 1 άτομο ανά κυβικό μέτρο. Θα ήταν ψυχρό και πληκτικό: δεν θα σχηματίζονταν γαλαξίες, επομένως ούτε άστρα, δεν θα υπήρχε ο περιοδικός πίνακας των στοιχείων, ούτε πολυπλοκότητα, και βέβαια ούτε άνθρωποι.
 
Αλλά ακόμη και οι πιο μικρές ανομοιογένειες στις πρώιμες φάσεις του Σύμπαντος μπορεί να υπήρξαν καθοριστικές, αφού οι διαφορές πυκνότητας ενισχύονται κατά τη διαστολή. Κάθε τμήμα του Σύμπαντος που είναι λίγο πυκνότερο από τον μέσο όρο επιβραδύνεται περισσότερο, διότι «υφίσταται» επιπλέον βαρυτική έλξη, η διαστολή του υστερεί όλο και περισσότερο σε σχέση με τα άλλα τμήματα της μέσης πυκνότητας. H βαρύτητα, λοιπόν, ενισχύει ακόμα και τις ελάχιστες διακυμάνσεις σε μια σχεδόν χωρίς χαρακτηριστικά πυρόσφαιρα, αυξάνοντας τη διαφορά στις πυκνότητες έως ότου οι πολύ πυκνές περιοχές να σταματήσουν να διαστέλλονται και να συμπυκνωθούν σε δομές που συγκρατούνται λόγω της βαρύτητας.
 
Οι πιο σημαντικοί σχηματισμοί στον Κόσμο — άστρα, γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών — διατηρούν τη συνοχή τους εξαιτίας της βαρύτητας. Μπορούμε να εκφράσουμε το πόσο ισχυρά συνδέονται τα συστατικά τους με έναν αριθμό, τον Q, που έχει μια τιμή περίπου ≈ 10-5 .
 
Τι εκφράζει λοιπόν το Q : Είναι το πηλίκο της ενέργειας που απαιτείται για να διαλυθεί και να διασκορπιστεί ο σχηματισμός πχ το σμήνος των γαλαξιών, μία από τις μεγαλύτερες γνωστές δομές στο σύμπαν, ως προς την ισοδύναμη ενέργεια της μάζας ηρεμίας m της εν λόγω δομής. Δηλαδή την ενέργεια που προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της μάζας του σμήνους των γαλαξιών επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός, ή Ε=mc2.  Πρόκειται λοιπόν για έναν καθαρό αριθμό — το λόγο δύο ενεργειών —, και έχει τιμή περίπου 1/100.000
 
Το γεγονός ότι ο αριθμός Q έχει τόσο μικρή τιμή (της τάξεως του 10-5 ) σημαίνει ότι η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα αρκετά ασθενής στους γαλαξίες και στα σμήνη γαλαξιών. Έτσι, η θεωρία του Νεύτωνα θεωρείται επαρκής για να περιγράψει πώς κινούνται τα άστρα μέσα στους γαλαξίες, και πώς ένας γαλαξίας ακολουθεί την τροχιά του υπό την παρουσία όλων των άλλων γαλαξιών αλλά και της σκοτεινής ύλης μέσα στο σμήνος των γαλαξιών. Η μικρή τιμή Q σημαίνει επίσης ότι μπορούμε να θεωρήσουμε το Σύμπαν μας ως προσεγγιστικά ομογενές, όπως ακριβώς θα θεωρούσαμε ότι μια υδρόγειος σφαίρα είναι λεία και σφαιρική εάν οι διακυμάνσεις στην επιφάνεια της έφταναν μόλις το 1/100.000 της ακτίνας της (που ισοδυναμεί με 60 μέτρα για υδρόγειο σφαίρα με τις διαστάσεις της Γης).
 
Οι διακυμάνσεις αυτές θα πρέπει να αποτυπώθηκαν σε πολύ πρώιμο στάδιο, πριν ακόμη το Σύμπαν «γνωρίσει» γαλαξίες ή σμήνη, και πριν ακόμη υπάρξει κάτι το ιδιαίτερο σχετικά με αυτά τα μεγέθη (ή σχετικά με οποιεσδήποτε διαστάσεις που φαίνονται σημαντικές στο σημερινό Σύμπαν). H πιο απλή υπόθεση θα μπορούσε να είναι ότι τίποτε στο πρώιμο Σύμπαν δεν έδειχνε προτίμηση για κάποιο μέγεθος έναντι ενός άλλου, οπότε οι διακυμάνσεις υπήρξαν ίδιες σε κάθε κλίμακα. O βαθμός της αρχικής «τραχύτητας» κατά κάποιον τρόπο καθιερώθηκε όταν ολόκληρο το Σύμπαν ήταν μικροσκοπικό σε μέγεθος (το Κεφάλαιο 9 ασχολείται με το πώς συνέβη αυτό). O αριθμός Q είναι καθοριστικός για την «υφή» της δομής του Σύμπαντος· αυτή θα διέφερε πολύ εάν η τιμή τού Q ήταν πολύ μεγαλύτερη ή πολύ μικρότερη.
 

Διακυμάνσεις στη Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου

H μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, το λυκόφως της Μεγάλης Έκρηξης, αποτελεί άμεσο μήνυμα από μια εποχή κατά την οποία οι γαλαξίες βρίσκονταν σε «εμβρυϊκή» κατάσταση. Οι περιοχές με σχετικά μεγαλύτερη πυκνότητα, οι οποίες διαστέλλονταν πιο αργά από τον μέσο όρο, ήταν προορισμένες να γίνουν γαλαξίες ή σμήνη γαλαξιών. Άλλες περιοχές, λιγότερο πυκνές από τον μέσο όρο προορίζονταν να γίνουν τα κενά ανάμεσα στους γαλαξίες ή στα σμήνη.
 
H θερμοκρασία υποβάθρου, λοιπόν, θα πρέπει να διατηρεί αποτυπωμένες επάνω της αυτές τις διακυμάνσεις. H αναμενόμενη συνέπεια θα πρέπει να είναι της τάξεως του 1 μέρους στα 100.000 — ή περίπου ίδια με τον αριθμό Q.
 
Ένας αναμφισβήτητος θρίαμβος της κοσμολογίας στη δεκαετία του 1990 και του 2000 υπήρξε η χαρτογράφηση αυτών των πρόδρομων της κοσμικής δομής. H μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου θεωρείται περίπου εκατό φορές ασθενέστερη από την ακτινοβολία που εκπέμπει η Γη (της οποίας η θερμοκρασία ανέρχεται περίπου στους 300 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν). Μάλιστα, αποτελεί τρομακτική τεχνολογική πρόκληση το να μπορέσουμε να μετρήσουμε θερμοκρασιακές διαφορές κατά εκατό χιλιάδες φορές μικρότερες ή και εκατομμύρια ακόμα.
 
Πρώτος ο δορυφόρος COBE, που εκτοξεύθηκε το 1990 από τη NASA, επαλήθευσε με εξαιρετική ακρίβεια το ότι η κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων έχει φάσμα «μέλανος σώματος». Επίσης, μετέφερε το πρώτο όργανο το οποίο ήταν αρκετά ευαίσθητο να διακρίνει ότι η ακτινοβολία από κάποιες κατευθύνσεις είναι θερμότερη σε σχέση με την ακτινοβολία από άλλες. Σάρωσε ολόκληρο τον ουρανό και μέτρησε τη θερμοκρασία με τέτοια ακρίβεια ώστε μπόρεσε να χαρτογραφήσει τις ανομοιομορφίες. Ακολούθησε ο δορυφόρος Wilkinson MAP στη δεκαετία του 2000 που ξεχώρισε σημεία στον ουρανό με ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια.
 
Γιατί ενδιαφερόμαστε για την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου; γιατί περιέχει πολλές πληροφορίες για το πολύ πρώιμο Σύμπαν. Και μέσω αυτού θα μπορέσουμε, για παράδειγμα, να μετρήσουμε κι άλλους σπουδαίους αριθμούς που ενδιαφέρουν τους κοσμολόγους: το Ω (την ποσότητα της ύλης που περιέχεται στο Σύμπαν μας —γαλαξίες, διάχυτο αέριο και «σκοτεινή ύλη»), το λ (η κοσμική «αντιβαρύτητα» που καθορίζει την διαστολή του Σύμπαντος μας), όπως επίσης και το Q (η αιτία των κοσμικών σχηματισμών).
 
H εύρεση των ανομοιομορφιών στη θερμοκρασία του υποβάθρου, της τάξεως του 1 μέρους στα 100.000, στην πραγματικότητα προκάλεσε μάλλον ανακούφιση παρά έκπληξη. Εάν η ακτινοβολία υποβάθρου υποδήλωνε ένα ακόμη περισσότερο λείο πρώιμο Σύμπαν, τότε τα σμήνη και τα υπερσμήνη των γαλαξιών θα αποτελούσαν σήμερα γρίφο: θα χρειαζόταν μια επιπλέον δύναμη, εκτός από τη βαρύτητα, η οποία θα μπορούσε να αυξήσει τις διαφορές πυκνότητας ακόμη πιο γρήγορα.
 
Το γεγονός όμως ότι ο αριθμός Q είναι μόλις 1/100.000 αποτελεί πράγματι το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό του Σύμπαντος μας. Εάν κανείς εύρισκε μια πέτρα σφαιρική με ακρίβεια 1 προς 100.000, θα αναρωτιόταν ενδεχομένως τι προκάλεσε αυτές τις μικρές ανωμαλίες, περισσότερο όμως θα τον απασχολούσε η συνολική λειότητα. H έννοια του «πληθωρισμού», η οποία περιγράφει πώς το σύμπαν έπαθε μια ταχύτατη διαστολή στις πρώτες του στιγμές, είναι η καλύτερη θεωρία που διαθέτουμε πάνω στο θέμα, και οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας προσφέρουν τη δυνατότητα ελέγχου των ιδεών αυτών.
 

Η δημιουργία των δομών

H άποψη που έχουμε σχηματίσει για την ανάδυση της κοσμικής δομής στηρίζεται — όπως και η θεωρία του Δαρβίνου για τη βιολογική εξέλιξη — σε ένα συναρπαστικό γενικό πλαίσιο. Όπως και με το δαρβινισμό, παραμένει μυστήριο το πώς ξεκίνησε η όλη διαδικασία, ο τρόπος με τον οποίο καθορίζεται ο αριθμός Q (ίσως υπό μορφή μικροσκοπικών διακυμάνσεων στο πολύ πρώιμο Σύμπαν) συνιστά ακόμη ένα πρόβλημα, όπως ακριβώς και η προέλευση των πρώτων οργανισμών στη Γη. Ωστόσο, η κοσμολογία αποδεικνύεται απλούστερη στο εξής: από τη στιγμή που καθορίζεται το σημείο εκκίνησης, το Big Bang, το αποτέλεσμα θεωρείται, σε γενικές γραμμές, προβλέψιμο. Όλα τα μεγάλα τμήματα του Σύμπαντος που ξεκινούν με τον ίδιο τρόπο, καταλήγουν στατιστικώς όμοια. Αντίθετα, η γενική πορεία της βιολογικής εξέλιξης επηρεάζεται από αστάθμητους παράγοντες —κλιματολογικές μεταβολές, συγκρούσεις με αστεροειδείς, επιδημίες, κ.λπ. —, έτσι ώστε, εάν «ξαναπαιζόταν» η ιστορία της Γης, μπορεί να καταλήγαμε με μια αρκετά διαφορετική βιόσφαιρα.
 
Για το λόγο αυτό καθίστανται πολύ σημαντικές οι προσομοιώσεις μέσω υπολογιστή του σχηματισμού των κοσμικών δομών. Οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών είναι αποτέλεσμα της δράσης της βαρύτητας πάνω σε αρχικές ανομοιογένειες. Δεν επιχειρούμε να εξηγήσουμε την όλη διαδικασία λεπτομερειακά αλλά με τη στατιστική έννοια.
 
Το σημείο εκκίνησης είναι ένα διαστελλόμενο σύμπαν, το οποίο περιγράφεται από τους τρεις αριθμούς Ω, λ και Q. Το αποτέλεσμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από αυτούς τους τρεις αριθμούς-κλειδιά, οι οποίοι αποτυπώθηκαν (δεν γνωρίζουμε με ακρίβεια πώς) στο πολύ πρώιμο Σύμπαν.
 

Η ρύθμιση του αριθμού Q

O σχηματισμός γαλαξιών, σμηνών και υπερσμηνών γαλαξιών προϋποθέτει προφανώς την ύπαρξη αρκετής σκοτεινής ύλης και αρκετής βαρυονικής ύλης. H τιμή τού Ω δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή: σε ένα σύμπαν που θα περιείχε μόνο ακτινοβολία και ελάχιστα άλλα πράγματα, η βαρύτητα δεν θα μπορούσε ποτέ να κυριαρχήσει. Ούτε ο αριθμός λ δεν πρέπει να έχει μεγάλη τιμή, επειδή η κοσμική άπωση θα υπερνικήσει τη βαρύτητα πριν σχηματιστούν γαλαξίες. Θα πρέπει, επίσης, να υπάρχουν αρκετά από τα συνήθη άτομα, αρχικά σε διάχυτη αέρια μορφή, για να δημιουργήσουν όλα τα άστρα σε όλους του γαλαξίες. Είδαμε, όμως, ότι χρειάζεται και κάτι ακόμη: αρχικές ανομοιογένειες, οι οποίες θα λειτουργήσουν ως «σπέρματα» της ανάπτυξης των διαφόρων δομών. O αριθμός Q μετρά το πλάτος αυτών των ανομοιογενειών, ή διακυμάνσεων. Δεν έχουμε κατανοήσει ακόμη γιατί το Q ισούται περίπου με 10-5 . H τιμή αυτή όμως έχει καθοριστική σημασία: εάν ήταν πολύ μεγαλύτερη ή πολύ μικρότερη, το Σύμπαν θα αποκτούσε διαφορετική «υφή», λιγότερο κατάλληλη για την ανάδυση ζωής.
 
Εάν η τιμή τού Q ήταν μικρότερη από 10-5 αλλά οι υπόλοιποι κοσμικοί αριθμοί παρέμεναν αμετάβλητοι, θα απαιτούνταν περισσότερος χρόνος για να σχηματιστούν συμπυκνώσεις σκοτεινής ύλης, και, αυτές όμως θα ήταν μικρότερης έκτασης και όχι πολύ ισχυρά συνδεδεμένες. Οι γαλαξίες που θα προέκυπταν θα έμοιαζαν με «αναιμικές» δομές, στο εσωτερικό των οποίων ο σχηματισμός άστρων θα συνιστούσε μια αργή και μη αποδοτική διαδικασία. Το «κατεργασμένο» υλικό θα εκσφενδονιζόταν εκτός του γαλαξία αντί να ανακυκλώνεται σε νέα άστρα τα οποία θα μπορούσαν να σχηματίσουν πλανητικά συστήματα.
 
Εάν η τιμή τού Q ήταν μικρότερη από 10-6, το αέριο δεν θα μπορούσε ποτέ να συμπυκνωθεί σε δομές συγκροτούμενες από τη βαρύτητα, και ένα τέτοιο σύμπαν θα παρέμενε για πάντα σκοτεινό και χωρίς χαρακτηριστικά, ακόμη κι αν το αρχικό «μείγμα» ατόμων, σκοτεινής ύλης και ακτινοβολίας ήταν το ίδιο με το δικό μας.
 
Από την άλλη πλευρά, ένα σύμπαν στο οποίο ο αριθμός Q θα ήταν σημαντικά μεγαλύτερος από 10-5 — και όπου οι αρχικές μικρές διακυμάνσεις θα είχαν αντικατασταθεί από «τεράστια κύματα» — θα καταντούσε τυρβώδης και βίαιος τόπος.
 
Περιοχές πολύ μεγαλύτερες από τους γαλαξίες θα συμπυκνώνονταν κατά τις πρώτες κιόλας στιγμές του. Οι περιοχές αυτές δεν θα διασπόνταν σε άστρα, αλλά θα κατέρρεαν σε τεράστιες μαύρες τρύπες, καθεμιά πολύ βαρύτερη από ολόκληρα σμήνη γαλαξιών στο Σύμπαν μας. Το αέριο που θα απέμενε θα γινόταν τόσο θερμό που θα εξέπεμπε ακτίνες X και γ μεγάλης έντασης. Οι γαλαξίες (αν κατάφερναν να σχηματιστούν) θα συνδέονταν πολύ πιο ισχυρά από r τους γαλαξίες του Σύμπαντος μας. Τα άστρα θα συνωστίζονταν «ασφυκτικά» και συχνά θα συγκρούονταν μεταξύ τους, καθιστώντας αδύνατο το σχηματισμό ευσταθών πλανητικών συστημάτων. (Για παρόμοιους λόγους δεν μπορούν να υπάρξουν ηλιακά συστήματα πολύ κοντά στο κέντρο του Γαλαξία μας, όπου τα άστρα βρίσκονται σε πολύ πιο κοντινές αποστάσεις απ’ ό,τι στην εξωτερική περιοχή όπου υπάρχει και το δικό μας ηλιακό σύστημα.)
 
Παρεμπιπτόντως, το γεγονός ότι ο αριθμός Q ισούται με 1/100.000 καθιστά το Σύμπαν μας πολύ πιο εύκολα κατανοητό στους κοσμολόγους από ό,τι εάν είχε μεγαλύτερη τιμή. Μικρή τιμή τού Q εγγυάται ότι όλες οι δομές είναι μικρές σε σχέση με τον ορίζοντα, και έτσι το παρατηρησιακό πεδίο μας είναι επαρκώς μεγάλο για να περιέχει πολλά ανεξάρτητα τμήματα, το καθένα αρκετής έκτασης ώστε να αποτελεί ικανοποιητικό δείγμα. Εάν η τιμή τού Q ήταν πολύ μεγαλύτερη, τα υπερσμήνη θα ομαδοποιούνταν σε τεράστιες δομές που θα έφταναν το μέγεθος του ορίζοντα (αντί να περιορίζονται, όπως στην περίπτωση του δικού μας Σύμπαντος, στο 1% αυτής της κλίμακας). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, δεν θα είχε νόημα να μιλάμε για «μέσες» τιμές και ιδιότητες του παρατηρήσιμου Σύμπαντος μας, και δεν θα μπορούσαμε καν να ορίσουμε αριθμούς όπως το Ω.
 
H μικρή τιμή τού Q, χωρίς την οποία η κοσμολογία δεν θα είχε προοδεύσει, μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν ευτυχές γεγονός. Μόλις τώρα αρχίζουμε να αντιλαμβανόμαστε ότι δεν πρόκειται για κάτι που υπηρετεί την άνεση των κοσμολόγων, αλλά ότι η ίδια η ζωή δεν θα μπορούσε να έχει εξελιχθεί εάν το Σύμπαν μας δεν διέθετε αυτό το απλουστευτικό χαρακτηριστικό.