Ποιοι είναι οι νόμοι που διέπουν την «λειτουργία» του Σύμπαντος στο σύνολό του; Ποια είναι τα θεμελιώδη συστατικά του και πώς σχηματίστηκαν οι κοσμικές δομές που εμπεριέχει;

Είχε το Σύμπαν αρχή ή μήπως υπήρχε πάντα; Χάρη στις προσπάθειες χιλιάδων αστρονόμων, αστροφυσικών και θεωρητικών φυσικών τα τελευταία 120 χρόνια, καταφέραμε να σκιαγραφήσουμε τις απαντήσεις σε αρκετά κοσμολογικά ερωτήματα, όπως αυτά.

Το σύνολο των επιστημονικών μας γνώσεων, που προέκυψε μέσα απ’ αυτήν την επίπονη και μακροχρόνια συλλογική προσπάθεια, συνοψίζεται στο επονομαζόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας (ΚΠΚ)1, μία μαθηματική θεωρία που εδράζεται σε ορισμένες θεμελιώδεις αστρονομικές παρατηρήσεις, οι οποίες έχουν επιβεβαιωθεί με μεγάλη ακρίβεια.
 
Ωστόσο, παρά την εσωτερική συνέπεια και την μεγάλη επιτυχία του ΚΠΚ στην περιγραφή της εξέλιξης του Σύμπαντος από περίπου το πρώτο δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά την γέννησή του μέχρι σήμερα, πολλά και θεμελιώδη ερωτήματα εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα.

Τα περισσότερα απ’ αυτά εστιάζονται στην απαρχή του Σύμπαντος και στα πρώτα απειροστά κλάσματα του δευτερολέπτου μετά την εμφάνισή του, καθώς και -στην άγνωστη ακόμα φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.

Εάν, όμως, θυμηθούμε ότι πριν από μόλις 120 χρόνια, οι περισσότεροι αστρονόμοι θεωρούσαν ότι ο Γαλαξίας μας είναι ο μοναδικός που υπάρχει στο Σύμπαν, η πρόοδος που έχει επιτευχθεί σε αυτό το χρονικό διάστημα είναι ομολογουμένως εντυπωσιακή [στην εικόνα διακρίνεται ο γαλαξίας της Ανδρομέδας. Ακόμη και στις αρχές του προηγούμενου αιώνα οι επιστήμονες νόμιζαν ότι γαλαξίες, όπως αυτός ήταν απλά νεφελώματα στο εσωτερικό του Γαλαξία μας (φωτογρ. ESA/Hubble & Digitized Sky Survey 2. Ackn. Davide De Martin].

Το ΚΠΚ εμπεριέχει στον πυρήνα του την «κλασική» Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (που αποτελεί και το κύριο θέμα αυτού του άρθρου), η οποία αναπτύχθηκε στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα, προτού γίνει ευρέως αποδεκτή η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και πολύ πριν ανακαλυφθεί ότι τα τελευταία 3-4 δισ. χρόνια η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται εξαιτίας μιας άγνωστης μορφής ενέργειας, που επίσης ονομάστηκε «σκοτεινή».

Για να πιάσουμε, λοιπόν, το νήμα της ιστορίας μας από την αρχή, θα μεταφερθούμε στις αρχές του προηγούμενου αιώνα, όταν η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας δεν είχε ακόμη διατυπωθεί, σε μια εποχή όπου σύμφωνα με την κοινά αποδεκτή θεώρηση, το Σύμπαν ήταν σταθερό, αιώνιο και αμετάβλητο.

Επρόκειτο για ένα καθαρά «Νευτώνειο» σύμπαν, όπου η κλασική μηχανική και η βαρυτική θεωρία του Νεύτωνα κυριαρχούσαν.

Και τότε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (1879–1955), έχοντας ήδη από το 1905 δώσει το έναυσμα για την ανάπτυξη της κβαντικής φυσικής μέσα από την εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και έχοντας ήδη διατυπώσει την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας που μετέβαλε ριζικά την αντίληψή μας για τον χώρο, τον χρόνο, την ύλη και την ενέργεια, περίπου 10 χρόνια αργότερα αναμόρφωσε πλήρως και την εικόνα μας για τη βαρύτητα.

Πραγματικά, με τη δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (ΓΘΣ) το 1916, ο Αϊνστάιν έδωσε το έναυσμα για μία επιστημονική επανάσταση, ο απόηχος της οποίας κρατά μέχρι σήμερα. Το πανίσχυρο αυτό θεωρητικό εργαλείο που μας κληροδότησε ο Αϊνστάιν άνοιγε νέους και ανεξερεύνητους ως τότε δρόμους για την μελέτη του Σύμπαντος.

Με την ΓΘΣ, ο Αϊνστάιν περιγράφει τη βαρύτητα ως την στρέβλωση που προκαλεί η παρουσία της ύλης στη δομή του τετραδιάστατου χωροχρόνου και ο χωροχρόνος καθορίζει την τροχιά κάθε αντικειμένου που κινείται εντός του, απ’ αυτόν ακριβώς τον βαθμό της στρέβλωσής του: όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι και η «παραμόρφωση» που προκαλεί στον τετραδιάστατο χωροχρόνο.

Υπ’ αυτήν την έννοια, λοιπόν, η βαρύτητα δεν οφείλεται σε μια μυστηριώδη δύναμη που διαδίδεται στον χωροχρόνο, αλλά είναι χαρακτηριστική ιδιότητα του ίδιου του χωροχρόνου (περισσότερες πληροφορίες για την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας στο άρθρο Νοεμβρίου 2015, με τίτλο Τα Εκατοστά Γενέθλια της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας).

Όμως, παρόλο τον «οργασμό» των νέων επαναστατικών ιδεών που την εποχή εκείνη άρχισαν να αναπτύσσονται μέσα από την κβαντική φυσική, δηλαδή την φυσική του μικρόκοσμου, οι αντιλήψεις της επιστημονικής κοινότητας για το Σύμπαν παρέμεναν ανεξήγητα συντηρητικές. Μέσα σ’ αυτό το γενικότερο κλίμα απόρριψης μιας κοσμολογικής εξέλιξης, ακόμη και ο Αϊνστάιν ήταν αδύνατο να μείνει ανεπηρέαστος.

Πιστεύοντας και ο ίδιος ακράδαντα σ’ ένα στατικό σύμπαν και συνειδητοποιώντας ότι η επίλυση των εξισώσεων της ΓΘΣ αναδεικνύει και δυναμικές λύσεις, με άλλα λόγια «επιτρέπει» την ύπαρξη είτε διαστελλόμενων είτε συστελλόμενων συμπάντων, ο Αϊνστάιν προσπάθησε να τις «ακυρώσει», εισάγοντας στις εξισώσεις του έναν ακόμη όρο, γνωστό σήμερα ως κοσμολογική σταθερά. Η σταθερά αυτή αντιπροσώπευε μία μορφή ενέργειας διαποτισμένης σε όλο τον χώρο, με την παράξενη ιδιότητα να «εξουδετερώνει» σε μεγάλες κλίμακες την ελκτική επίδραση της βαρύτητας που έτεινε να το συρρικνώσει, ακριβώς κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να οδηγεί σε ένα στατικό σύμπαν2.

Σιγά-σιγά, ωστόσο, η εικόνα των επιστημόνων για το Σύμπαν άρχισε να αλλάζει. Προκειμένου να εφαρμοστεί η νέα αυτή βαρυτική θεωρία στο «όλο» Σύμπαν, απαιτούσε μία θεμελιώδη παραδοχή αναφορικά με τον τρόπο που η ύλη κατανέμεται εντός του.

Η απλούστερη απ’ αυτές είναι να υιοθετήσουμε το επονομαζόμενο Κοσμολογικό Αξίωμα, δηλαδή την προφανή για πολλούς παραδοχή ότι δεν κατέχουμε «προνομιακή» θέση στο Σύμπαν και ότι οποιοσδήποτε άλλος παρατηρητής σε οποιονδήποτε άλλον γαλαξία θα έβλεπε περίπου ό,τι βλέπουμε και εμείς, σε οποιαδήποτε περιοχή του Σύμπαντος κι αν εστίαζε και προς οποιαδήποτε κατεύθυνση κι αν παρατηρούσε. Στην «γλώσσα» των κοσμολόγων αυτό διατυπώνεται με την φράση ότι το Σύμπαν είναι ομοιογενές και ισότροπο.

Προφανώς, σε μικρότερες κλίμακες, το Κοσμολογικό Αξίωμα καταρρέει. Το Ηλιακό μας σύστημα, τα άστρα, οι γαλαξίες, ακόμη και τα γαλαξιακά σμήνη, που σταδιακά ανακαλύψαμε με τα επίγεια και τα διαστημικά μας τηλεσκόπια, μαρτυρούν μία ανομοιομορφία στην τοπική κατανομή της ύλης, η οποία όμως παρατηρούμενη στην ολότητά της και μέσα στην απεραντοσύνη του Σύμπαντος εξαφανίζεται.

Μία δεύτερη και εξίσου θεμελιώδης παραδοχή που, όχι μόνο καθιστά το έργο των επιστημόνων πολύ ευκολότερο, αλλά και τους επιτρέπει να μελετήσουν το Σύμπαν στο σύνολό του και καθόλη την διάρκεια της ιστορίας του, αφορά στην παγκοσμιότητα των φυσικών νόμων, σύμφωνα με την οποία οι ίδιοι φυσικοί νόμοι ισχύουν παντού και πάντα: τόσο στον πλανήτη μας, όσο σε άλλους γαλαξίες δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

Υιοθετώντας τις δύο αυτές θεμελιώδεις παραδοχές και θεωρώντας ότι η «σωστή» περιγραφή της βαρύτητας δίνεται μέσα από την ΓΘΣ, ο Ρώσος μαθηματικός Alexander Friedman (1888–1925) ανακάλυψε το 1922 και το 1924 λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν, οι οποίες αντιστοιχούν σε μη στατικά σύμπαντα. Ούτε όμως ο Αϊνστάιν ούτε κανένας άλλος θα ενδιαφερθεί ιδιαίτερα για το επιστημονικό έργο του Friedman, ο οποίος θα πεθάνει έναν χρόνο αργότερα από τύφο.

Ανεξάρτητα από τον Friedman, ο Βέλγος αστρονόμος και ιερέας Georges Lemaitre (1894–1966) θα καταλήξει το 1927 στο ίδιο ακριβώς συμπέρασμα, ενώ 4 χρόνια αργότερα θα προχωρήσει ακόμη περισσότερο, προτείνοντας ότι το Σύμπαν προήλθε από ένα υπέρπυκνο και υπέρθερμο «αρχέγονο άτομο» ενέργειας. Οι θεωρητικές βάσεις πάνω στις οποίες θεμελιώθηκε η «κλασική» Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης και εντέλει το ΚΠΚ είχαν πλέον τεθεί.

Στα επόμενα μερικά χρόνια και χάρη στις μελέτες κορυφαίων ερευνητών που, εκτός των Friedman και Lemaitre, περιλαμβάνουν τους Howard Robertson (1903–1961), Arthur Walker (1909–2001), George Gamow (1904–1968), αλλά και πολλούς άλλους, άρχισε σιγά-σιγά να αποκρυσταλλώνεται η «κλασική» μορφή της νέας θεωρίας, σύμφωνα με την οποία, από την γένεσή του και μετά, το Σύμπαν διαστέλλεται και η θερμοκρασία του μειώνεται διαρκώς.

Την εποχή εκείνη, μάλιστα, που δεν είχε ακόμη ανακαλυφθεί η σκοτεινή ενέργεια, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνεται διαρκώς, εξαιτίας της βαρύτητας που τείνει να «φρενάρει» την επέκτασή του. Εάν, λοιπόν, παίξουμε την «ταινία» της συμπαντικής εξέλιξης προς τα πίσω, όταν οι γαλαξίες βρίσκονταν όλο και πλησιέστερα ο ένας στον άλλον, όταν το ίδιο το Σύμπαν γινόταν ολοένα και νεότερο, ολοένα και θερμότερο, όταν η ίδια η ύλη μπορούσε να υπάρξει μόνο ως μία υπέρθερμη σούπα στοιχειωδών σωματιδίων, θα φτάσουμε αναπόφευκτα σε ένα «σημείο» όπου η πυκνότητα και η θερμοκρασία του γίνονται άπειρες, όπου ο χώρος και ο χρόνος παύουν να έχουν νόημα και η ΓΘΣ καταρρέει.

Πρόκειται για τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, που πριν από σχεδόν 14 δισ. χρόνια δημιούργησε τον ίδιο τον χώρο και τον χρόνο, καθώς και όλη την ύλη και την ενέργεια που εμπεριέχει το Σύμπαν.

Σύμφωνα, λοιπόν, με την κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, το Σύμπαν διαστέλλεται με επιβραδυνόμενο ρυθμό, ενώ η θερμοκρασία του και η πυκνότητα της «υλοενέργειας» που εμπεριέχει συνεχώς μειώνονται. Αγνοώντας προς το παρόν την σκοτεινή ενέργεια που ανακαλύφθηκε αρκετά αργότερα και με εξαίρεση την στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης και τα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου που την ακολούθησαν (όπου οι γνωστοί φυσικοί νόμοι καταρρέουν), η θεωρία αυτή περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια την μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος.

Αυτό σημαίνει ωστόσο ότι, τόσο η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, όσο και το ΚΠΚ, δεν αποτελούν θεωρίες για την απαρχή του Σύμπαντος, αλλά μόνο για την μετέπειτα εξέλιξή του.

Ο ακριβής ρυθμός με τον οποίο διαστέλλεται το Σύμπαν εξαρτάται από την συνολική ποσότητα ύλης και ενέργειας που εμπεριέχει, που με την σειρά της καθορίζει την «γεωμετρία» του και την συνολική του καμπυλότητα. Έτσι, εάν η πραγματική πυκνότητα ύλης και ενέργειας του Σύμπαντος είναι ίση με μία συγκεκριμένη κρίσιμη πυκνότητα, το Σύμπαν είναι επίπεδο, δηλαδή ο χώρος έχει μηδενική καμπυλότητα και περιγράφεται από την γνωστή σε όλους Ευκλείδεια γεωμετρία, όπου το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου ισούται πάντα με 180° και δύο παράλληλες γραμμές δεν τέμνονται ποτέ.

Ένα τέτοιο σύμπαν θα διαστέλλεται επ’ άπειρο, η ταχύτητα διαστολής του, όμως, σε άπειρο χρόνο θα τείνει προς το μηδέν. Εάν, αντιθέτως, η συνολική πυκνότητα της «υλοενέργειας» είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη πυκνότητα, τότε το Σύμπαν είναι κλειστό, δηλαδή ο χώρος έχει θετική καμπυλότητα και η γεωμετρία που τον περιγράφει είναι σφαιρική (δύο αρχικά παράλληλες ευθείες συγκλίνουν και εντέλει τέμνονται, ενώ το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι μεγαλύτερο των 180°). Σ’ αυτήν την περίπτωση η βαρύτητα θα υπερισχύσει της κοσμικής διαστολής, που σημαίνει ότι ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος θα μηδενιστεί σε πεπερασμένο χρόνο και θα επακολουθήσει συστολή, που θα οδηγήσει στο αντίστροφο της Μεγάλης Έκρηξης, δηλαδή σε μία Μεγάλη Σύνθλιψη.

Τέλος, εάν η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι μικρότερη από την κρίσιμη πυκνότητα, ο ρυθμός διαστολής του μειώνεται συνεχώς, αλλά δεν μηδενίζεται ποτέ. Σ’ αυτή την περίπτωση το Σύμπαν είναι ανοικτό, ο χώρος έχει αρνητική καμπυλότητα, όπως η επιφάνεια μιας σέλας, και η γεωμετρία που τον περιγράφει είναι υπερβολική (το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι μικρότερο των 180° και δύο αρχικά παράλληλες ευθείες αποκλίνουν).

Παρόλο που δεν γνωρίζουμε με μεγάλη ακρίβεια την πραγματική μέση πυκνότητα της «υλοενέργειας» του Σύμπαντος, γνωρίζουμε πλέον ότι αυτή πρέπει να βρίσκεται πάρα πολύ κοντά στη κρίσιμη τιμή της και ως εκ τούτου ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο. Σήμερα γνωρίζουμε ακόμη ότι οι βασικές μορφές ύλης-ενέργειας που περιέχει είναι 4: η ακτινοβολία, η βαρυονική ύλη, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.

Η ακτινοβολία αποτελείται από φωτόνια, σωματίδια χωρίς μάζα που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός.

Η βαρυονική ύλη αντιστοιχεί στην συνηθισμένη ύλη από την οποία απαρτίζονται όλα όσα βλέπουμε στην Γη και στο Διάστημα και συνίσταται από ατομικούς πυρήνες και ηλεκτρόνια. Η σκοτεινή ύλη είναι μία άγνωστης μορφής ύλη, που δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και που, όπως θα δούμε σε επόμενο άρθρο, είναι απαραίτητη μεταξύ άλλων και για τον σχηματισμό της δομής στο Σύμπαν.

Η σκοτεινή ενέργεια, τέλος, είναι μία εξίσου άγνωστη μορφή ενέργειας που, προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του (υπενθυμίζουμε ότι στα πρώτα στάδια ανάπτυξης αυτής της νέας κοσμολογικής θεωρίας που τώρα εξετάζουμε, οι επιστήμονες αγνοούσαν την ύπαρξη αυτών των δύο τελευταίων «εξωτικών» μορφών ύλης και ενέργειας).

Προφανώς, όσο περισσότερο διαστέλλεται το Σύμπαν, τόσο περισσότερο μειώνεται η πυκνότητα της υλοενέργειας που εμπεριέχει. Επειδή, όμως, η πυκνότητα των διαφορετικών μορφών ύλης και ενέργειας μειώνεται με διαφορετικό τρόπο για την κάθε μία (με εξαίρεση την πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας που, απ’ όσο γνωρίζουμε, παραμένει σταθερή), οι κοσμολόγοι διαιρούν την ιστορία του Σύμπαντος σε «εποχές», ανάλογα με την μορφή της υλοενέργειας που κάθε φορά «κυριαρχούσε», καθορίζοντας και τον ρυθμό διαστολής του.

Έτσι, από τη γέννησή του και για τα επόμενα 50.000 χρόνια, κυρίαρχη μορφή ύλης-ενέργειας ήταν η ακτινοβολία και το Σύμπαν διάνυε την Εποχή της Ακτινοβολίας, ενώ στην συνέχεια, στη διάρκεια της Εποχής της Ύλης, κυριάρχησε η ύλη, γεγονός που μετέβαλε τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος, που παρέμενε πάντως επιβραδυνόμενος. Τα τελευταία 3-4 δισεκατομμύρια χρόνια, αντιθέτως, διανύουμε την Εποχή της Σκοτεινής Ενέργειας, όπου η διαστολή του Σύμπαντος είναι επιταχυνόμενη.

Στα πλαίσια της «κλασικής» θεωρίας, ωστόσο, οι κοσμολόγοι «γνώριζαν» μόνο για τις δύο πρώτες εποχές, αφού η σκοτεινή ενέργεια δεν είχε ακόμη ανακαλυφθεί.
 
Όπως και κάθε άλλη επιστημονική θεωρία που «σέβεται» τον εαυτό της, η κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης διατυπώνει συγκεκριμένες προβλέψεις, οι οποίες επαληθεύονται μέσα από ορισμένες θεμελιώδεις αστρονομικές παρατηρήσεις.

Οι σπουδαιότερες απ’ αυτές αφορούν στην διαστολή του Σύμπαντος, στην παρουσία της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου, στις ποσότητες των χημικών στοιχείων που «πρόλαβαν» να συντηχθούν στα πρώτα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη, καθώς και στην αστρική και στην γαλαξιακή εξέλιξη. Αυτές, όμως, θα παρουσιαστούν αναλυτικότερα σε επόμενο άρθρο.

 

 

1Το Πρότυπο αυτό, που καθιερώθηκε στα τέλη περίπου του 20ού αιώνα, είναι γνωστό στην επιστημονική κοινότητα ως Λ–CDM, όπου το ελληνικό γράμμα «Λ» αφορά στην σκοτεινή ενέργεια, και τα αρχικά «CDM» αντιστοιχούν στην ψυχρή σκοτεινή ύλη (από τα αρχικά της φράσης Cold Dark Matter). Σύμφωνα μ’ αυτό το «διπλά σκοτεινό» κοσμολογικό πρότυπο, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια συναποτελούν περίπου το 95% της συνολικής μάζας και ενέργειας που εμπεριέχει το Σύμπαν. Η φύση τους, ωστόσο, εξακολουθεί να παραμένει άγνωστη. Επειδή θα υιοθετήσουμε μία ιστορική-χρονολογική παρουσίαση της εξέλιξης των ιδεών που οδήγησαν στο ΚΠΚ, θα αναφερθούμε εκτενέστερα σ’ αυτές τις πτυχές του σε επόμενα άρθρα.

2Όταν, όμως, ο Αμερικανός αστρονόμος Edwin Hubble ανακάλυψε το 1929 ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους, προσφέροντας την πρώτη παρατηρησιακή απόδειξη ότι το Σύμπαν διαστέλλεται,  ο Αϊνστάιν απέσυρε την κοσμολογική σταθερά από τις εξισώσεις της ΓΘΣ, παραδεχόμενος ότι η εισαγωγή της ήταν «η μεγαλύτερη γκάφα της ζωής του». Όπως, όμως, θα δούμε σε επόμενο άρθρο, ίσως, και να μην ήταν...

π