Πέμπτη, 5 Ιανουαρίου 2017

Τα 5 μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος και πως θα τα απαντήσουμε. The 5 Biggest Questions About the Universe (and How We're Trying To Answer Them)

This image from the Hubble Space Telescope shows the distribution of dark matter in the center of the giant galaxy cluster Abell 1689. Concentrations of dark matter, detected through their gravitational effect, are show in lighter shades of blue. Credit: NASA

Από την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων μέχρι την ανακάλυψη του κοντινότερου στη Γη εξωπλανήτη που μοιάζει με τη Γη, το 2016 ήταν μια καταπληκτική χρονιά για την αστρονομία – στην πραγματικότητα η καλύτερη των τελευταίων δεκαετιών. Πολλοί από τους μεγαλύτερους γρίφους στην αστρονομία και την κοσμολογία έχουν λυθεί.

Image credit: NASA / GSFC / Dana Berry

Πάρτε για παράδειγμα την ηλικία του σύμπαντος. Έναν αιώνα πριν, θα λέγαμε απλά ότι το σύμπαν έχει πολύ μεγάλη ηλικία. Δεν υπήρχε τρόπος να προσδιοριστεί ο ακριβής αριθμός. Τώρα, χάρη στους λεπτομερείς χάρτες που δείχνουν τα αμυδρή ηχώ της Μεγάλης Έκρηξης – αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν «κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων» – γνωρίζουμε ότι η ηλικία του σύμπαντος είναι 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια ή (13.8±0.02)×109 χρόνια. Πρόκειται για ένα εντυπωσιακό επίτευγμα ακρίβειας στην κοσμολογία.

Δυστυχώς όμως, δεν διαθέτουμε όλες τις απαντήσεις σχετικά με το σύμπαν μας. Παρόλα τα δεδομένα από επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια, από τα πειράματα φυσικής σωματιδίων, όπως στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στην Ελβετία, παρά τις ατελείωτες ώρες υπολογισμών από τους φυσικούς σε μαυροπίνακες ή σε προσομοιώσεις υπολογιστών, μια χούφτα από αναπάντητα κοσμολογικά προβλήματα συνεχίζουν να κρατάνε άγρυπνους τους φυσικούς.

1. Τι είναι η σκοτεινή ύλη;

Two researchers walk through the National Institute for Nuclear Physics, which lies under Gran Sasso in Italy, in 2011. Credit: Mondadori Portfolio via Getty Images

Βαθιά κάτω από τα Απέννινα όρη της κεντρικής Ιταλίας, στο Gran Sasso, βρίσκεται ένα υπόγειο εργαστήριο όπου οι επιστήμονες έχουν τοποθετήσει μια γιγάντια δεξαμενή γεμάτη με 3,5 τόνους υγρό ξένον. Ελπίζουν ότι κάποιο εξωτικό σωματίδιο από το μακρινό διάστημα θα διασχίσει το υγρό και θα αλληλεπιδράσει αφήνοντας κάποιο χαρακτηριστικό ίχνος. Μέχρι στιγμής κάτι τέτοιο δεν έχει συμβεί. Αλλά οι επιστήμονες που ψάχνουν την αποκαλούμενη «σκοτεινή ύλη» έχουν μάθει να κάνουν υπομονή. Έχουν περάσει πολλές δεκαετίες από τότε που οι αστρονόμοι μελετώντας μακρινούς γαλαξίες παρατήρησαν κάτι περίεργο: οι γαλαξίες για να μην διαλυθούν, εξαιτίας της περιστροφής τους, έπρεπε να διαθέτουν πολύ περισσότερη ύλη, σε σχέση με την παρατηρούμενη ορατή ύλη – τα άστρα και αέρια νέφη του γαλαξία. Η ελλείπουσα μάζα ονομάστηκε σκοτεινή ύλη, και σήμερα θεωρείται ότι αποτελεί πάνω από το ένα τέταρτο της συνολικής μάζας και ενέργειας του ορατού σύμπαντος.

WIMPs are Weakly Interacting Massive Particles, hypothetical particles which may be the main (or only) component of Dark Matter, a form of matter which emits and absorbs no light and which comprises approx 75% of all mass in the observable universe. The Hubble Space Telescope distribution of dark matter - indirect observations (HST).

Από τι συνίσταται η σκοτεινή ύλη; Η καλύτερη υπόθεση είναι πως πρόκειται για κάποιο είδος ταχέων σωματιδίων που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την γνωστή ύλη που αποτελούν τα άστρα και τους πλανήτες. Θεωρητικά, αυτά τα «ασθενώς αλληλεπιδρώντα» σωματίδια μπορούν να διασχίσουν ανεμπόδιστα μίλια συνηθισμένης ύλης – κι αυτός είναι ο λόγος που δαπανώνται εκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή γιγαντιαίων ανιχνευτών, όπως αυτός στο Gran Sasso.

Οι επιστήμονες προσπαθούν να ανιχνεύσουν αυτά τα εξωτικά σωματίδια εδώ και δεκαετίες, χωρίς καμία τύχη. Και κάποιοι άρχισαν να αναρωτιούνται αν όντως είναι ορθή η υπόθεση της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης. Κι αν δεν υπάρχει, τότε ίσως η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν να χρειάζεται κάποια τροποποίηση. Γι αυτό τα τελευταία χρόνια μια σειρά από εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας έκαναν την εμφάνισή τους, οι οποίες όμως παραμένουν αμφιλεγόμενες.

«Θα ήταν ωραίο να γνωρίζαμε τι είναι τα σωματίδια σκοτεινής ύλης – ή έστω να είχαμε μία κάποια διαβεβαίωση πως πρόκειται όντως για σωματίδια», δηλώνει o Roberto Abraham, φυσικός στο πανεπιστήμιο του Τορόντο. «Νομίζω ότι είναι η πιο πιθανή εκδοχή, αλλά είμαι ανοιχτός και δεν απορρίπτω την περίπτωση να πρέπει να τροποποιηθεί η θεωρία της βαρύτητας». Ενώ δεν υπάρχουν ισχυρά επιχειρήματα ότι οι εξισώσεις του Αϊνστάιν είναι λάθος, «θα πρέπει να έχουμε το μυαλό μας ανοιχτό».

2. Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;

Dark matter ships on an ocean of dark energy. Image: Garth von Ahnen

Στη δεκαετία του 1990, τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble αποκάλυψαν ότι οι μακρινοί γαλαξίες, όχι μόνο απομακρύνονται από τον δικό μας γαλαξία, αλλά απομακρύνονται με επιταχυνόμενο ρυθμό. Αυτό προκάλεσε μεγάλη έκπληξη – και από τότε οι επιστήμονες προσπαθούν να καταλάβουν ποια είναι η μυστηριώδης αιτία προκαλεί αυτή την επιτάχυνση. Κανείς δεν ξέρει. Και γι αυτό βαφτίστηκε «σκοτεινή ενέργεια», κι όπως και με την «σκοτεινή ύλη» ο Αϊνστάιν παίζει πάλι έναν κρίσιμο ρόλο στην ιστορία.

Στις αρχές του 20ου αιώνα οι επιστήμονες πίστευαν ότι το σύμπαν ήταν στατικό – κι ότι κατά μέσο όρο οι γαλαξίες παρέμεναν στην ίδια απόσταση από τους γειτονικούς τους. Αλλά οι εξισώσεις της γενικής σχετικότητας έδειξαν ότι το σύμπαν θα μπορούσε να διαστέλλεται ή να συστέλλεται. Επειδή αυτό δεν άρεσε στον Αϊνστάιν, εισήγαγε αυθαίρετα στις εξισώσεις του την επονομαζόμενη «κοσμολογική σταθερά» .

Studies of the motion of galaxies — like the so-called Pinwheel Galaxy, pictured here — suggest that they contain more dark matter than ordinary matter. What this dark matter is made of remains a mystery. Credit: ESA/NASA

Λίγα χρόνια μετά, όταν οι αστρονόμοι ανακάλυψαν την διαστολή του σύμπαντος, φάνηκε πως ο αυθαίρετη κοσμολογική σταθερά δεν ήταν απαραίτητη. Ωστόσο, τώρα που γνωρίζουμε ότι η διαστολή του σύμπαντος είναι επιταχυνόμενη η κοσμολογική σταθερά επέστρεψε.

Όποια κι αν είναι η αληθινή φύση της, η σκοτεινή ενέργεια είναι σημαντικότερη από την σκοτεινή ύλη όσον αφορά την εξέλιξη του σύμπαντος. Η σκοτεινή ενέργεια αντιστοιχεί στα δυο τρίτα της συνολικής ενέργειας του ορατού σύμπαντος. Και οι δυο μαζί, η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη αποτελούν ένα τεράστιο μυστήριο και προκαλούν κάποια «αμηχανία» στην επιστημονική κοινότητα.

«Θα έδινα τα πάντα για να μάθω την φύση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας», λέει ο Roberto Abraham, «και σκοπεύω να αφιερώσω τις επόμενες δεκαετίες της ζωής μου για να το ανακαλύψω

3. Τι υπήρχε πριν την Μεγάλη Έκρηξη;

An artist's illustration attempts to depict the "Big Bang," the initial expansion of all matter in the universe. Credit: Mark Garlick / Science Photo Library/Getty Images

Κάθε φορά που ένας κοσμολόγος δίνει μια δημόσια διάλεξη, πάντα κάποιος από το ακροατήριο σηκώνει το χέρι του για να ρωτήσει: «και τι υπήρχε πριν από την Μεγάλη Έκρηξη;»

«Υπάρχει μία στάνταρ απάντηση που μπορεί να δώσει κανείς», λέει ο Glenn Starkman, φυσικός στο πανεπιστήμιο Case Western Reserve. «Λέμε πως η ερώτηση δεν έχει νόημα, όπως ακριβώς δεν έχει νόημα να ρωτάμε, ‘τι βρίσκεται νοτιότερα από τον Νότιο Πόλο’».

Ο λόγος είναι ο εξής: Αν μαζί με την Μεγάλη Έκρηξη ξεκίνησε κι ο ίδιος ο χρόνος, τότε δεν έχει νόημα να ρωτάμε τι υπήρχε πριν, γιατί απλά δεν υπάρχει «πριν». Αλλά και ο ίδιος ο Starkman γνωρίζει ότι η απάντηση αυτή δεν είναι ικανοποιητική.

Σήμερα διαθέτουμε μια θεωρία για το τι συνέβη σχεδόν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Κατά την διάρκεια των πρώτων ελάχιστων κλασμάτων δευτερολέπτου της ύπαρξης του σύμπαντος, το «πληθωριστικό» μοντέλο μας λέει ότι το σύμπαν επεκτάθηκε σαν ένα μπαλόνι, πολλαπλασιάζοντας το μέγεθός του ξανά και ξανά μέχρι να φτάσει στον «κανονικό» ρυθμό διαστολής του. Όμως, αν επιχειρήσουμε να κοιτάξουμε πίσω, πριν τον πληθωρισμό, προς την «χρονική στιγμή μηδέν» – η γενική σχετικότητα «καταρρέει».

Κάποιο φυσικοί πιστεύουν ότι ο χρόνος δε ξεκίνησε με την Μεγάλη Έκρηξη, αλλά ότι αναδύθηκε με κάποιο τρόπο όταν το σύμπαν έφθασε σε κάποιο βαθμό πολυπλοκότητας. Άλλοι υποστηρίζουν ότι το σύμπαν κάνει κύκλους, μια αιώνια διαδοχή διαστολών και συστολών. Αν αυτό το «κυκλικό» μοντέλο είναι σωστό, η Μεγάλη Έκρηξη δεν αποτελεί την αρχή, αλλά την μετάβαση από μια προηγούμενη εποχή.

Our universe may be one of many, physicists say. Credit: Shutterstock/Victor Habbick

Μια άλλη πιθανότητα είναι το σύμπαν μας να είναι ένα από αμέτρητα «σύμπαντα φούσκες» που εμφανίζονται συνεχώς σε ένα «πολυσύμπαν»

Άραγε, έχουμε φτάσει κοντά στην απάντηση της ερώτησης «τι υπήρχε πριν;» Ο Starkman λέει πως όχι. Και είναι ασαφές το πότε οι αστρονομικές παρατηρήσεις θα δώσουν στοιχεία για το ζήτημα αυτό. Ίσως, αν κατασκευάζαμε έναν τεράστιο ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων στο διάστημα, θα υπήρχε η ελπίδα να ανιχνεύσουμε τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα που δημιουργήθηκαν από την Μεγάλη Έκρηξη.

Αλλά μην χαίρεστε. Ένα τέτοιο μεγαλεπήβολο πείραμα θα χρειαστεί δεκαετίες για να στηθεί.

4. Τι υπάρχει μέσα σε μια μαύρη τρύπα;

In this artist's rendering, the black hole known as Cygnus X-1 sucks in matter from a companion star. Although we understand how black holes form, scientists can't say what happens inside one. Credit: NASA/CXC/M.Weiss / Optical: DSS; Illustration: NASA

Οι μαύρες τρύπες είναι περιοχές του χώρου όπου η βαρύτητα ασκεί τόσο μεγάλη έλξη, έτσι ώστε τίποτε να μην μπορεί να διαφύγει – ούτε το φως ούτε οποιοδήποτε άλλο είδος σήματος. Αφού τίποτε δεν μπορεί να βγει έξω, το εσωτερικό των μαύρων τρυπών φαίνεται να είναι αποκομμένο από το υπόλοιπο σύμπαν.

«Δεν έχουμε ιδέα τι συμβαίνει στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας», λέει ο Starkman, «και ο μόνος τρόπος να το μάθετε είναι να πηδήξετε μέσα σ’ αυτή». Αλλά ακόμα και τότε, δεν θα έχετε κανένα τρόπο να ξαναβγείτε έξω και να πείτε στον κόσμο τι βρήκατε – και φυσικά ούτε να στείλετε στον έξω κόσμο κάποιο μήνυμα.

Στην δεκαετία του 1970, οι φυσικοί Stephen Hawking και Jacob Bekenstein, έδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία και σιγά-σιγά «εξατμίζονται». Δυστυχώς η εξάτμιση των μαύρων τρυπών φαίνεται να παραβιάζει κανόνες της κβαντομηχανικής – πρόκειται για το παράδοξο της απώλειας της κβαντικής πληροφορίας, οι τεχνικές λεπτομέρειες του οποίου είναι αρκετά περίπλοκες.

Artist’s conception of the event horizon of a black hole. Credit: Victor de Schwanberg/Science Photo Library

Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει διάφορες ιδέες για να εξηγήσουν αυτόν τον γρίφο. Παραμένουν όμως ακόμα αμφιλεγόμενες. Το πραγματικό πρόβλημα βρίσκεται στον «ορίζοντα των γεγονότων» – το εξωτερικό όριο της μαύρης τρύπας – όπου η γενική σχετικότητα και η κβαντική φυσική μπαίνουν στο παιχνίδι. Αλλά μέχρι στιγμής αυτές οι δυο θεωρίες είναι ασυμβίβαστες.

«Είναι πιθανόν η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα να λειτουργούν με έναν διαφορετικό τρόπο στο ορίζοντα των γεγονότων απ’ ότι εδώ στη Γη», σύμφωνα με τον Starkman. «Πρόκειται για μια συναρπαστική προοπτική».

Το μεγαλύτερο στοίχημα είναι η μελέτη της περιοχής λίγο έξω από τον ορίζοντα των γεγονότων. Κι αυτό ίσως μπορεί να γίνει με την συστοιχία των ραδιοτηλεσκοπίων ανα τον κόσμο, γνωστών ως ΕΗΤ (Event Horizon Telescope), από την Καλιφόρνια, την Αριζόνα και τη Χαβάη, τη Χιλή, την Ισπανία και την Ανταρκτική.

Μια βελτιωμένη μορφή του ΕΗΤ θα ξεκινήσει σύντομα την συλλογή δεδομένων. Ο πρώτος στόχος του θα είναι η «τερατώδης» μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας. Οι αστρονόμοι του ΕΗΤ περιμένουν να δούν μια λεπτομερή εικόνα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τα αέρια και τη σκόνη λίγο πριν διασχίσουν τον ορίζοντα των γεγονότων της μαύρης τρύπας – που ίσως δώσει κάποια στοιχεία σχετικά με την εξωτική φυσική στο εσωτερικό της μαύρης τρύπας.

5. Είμαστε μόνοι στο σύμπαν;

The SETI Institute's Allen Telescope Array in northern California searches for radio signals that could have been generated by intelligent alien life. Credit:  SETI Institute

Είμαστε τα μόνα νοήμονα όντα του σύμπαντος; Οι μόνες υπάρξεις που αναρωτιούνται αν υπάρχουν άλλες υπάρξεις εκεί έξω;

Ο γαλαξίας μας περιέχει αρκετές εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα, πολλά από τα οποία διαθέτουν πλανήτες σε τροχιά γύρω τους. Και πέρα από τον γαλαξία μας υπάρχουν τουλάχιστον ένα τρισεκατομμύριο γαλαξίες στο ορατό σύμπαν. Λαμβάνοντας υπόψη την πληθώρα των πλανητών, φαίνεται απίθανο να είμαστε μόνοι στο σύμπαν. Οπότε επιστήμονες απ’ όλο τον κόσμο έχουν ξεκινήσει το πρόγραμμα που αποκαλούν SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence) Αναζήτηση ΕξωΓήινης Νοημοσύνης.

This NASA chart shows the number of confirmed alien planets arranged by their size, as of May 10, 2016. Credit: NASA Ames/W. Stenzel

O Seth Shostak, αστρονόμος του ινστιτούτου SETI, υποψιάζεται πως οι εξωγήινοι είναι κάπου εκεί έξω. Επισημαίνει ότι ένας στους πέντε εξωπλανήτες που ανακάλυψε το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler, είναι κατοικήσιμοι. Αν η εκτίμηση αυτή είναι σωστή, τότε θα μπορούσαν να υπάρχουν 1021 κατοικήσιμοι πλανήτες.

Όμως, ακόμα κι αν υπάρχει άφθονη ζωή στο σύμπαν, τι συμβαίνει σχετικά με την νοήμονα ζωή;

Οι επιστήμονες του SETI σαρώνουν εδώ και δεκαετίες τον ουρανό ψάχνοντας για εξωγήινα ραδιοφωνικά σήματα. Παρότι μέχρι στιγμής δεν βρήκαν τίποτε, δεν απογοητεύονται. Ο Shostak υποστηρίζει ότι βρίσκονται ακόμα στην αρχή, αφού μέχρι τώρα έχουν καταφέρει να σαρώσουν μερικές μόνο χιλιάδες άστρα. Μάλιστα σε ένα πρόσφατο συνέδριο στην Γερμανία στοιχημάτισε ότι στα επόμενα 24 χρόνια θα ανιχνεύσουμε τουλάχιστον ένα εξωγήινο σήμα (αν χάσει το στοίχημα θα πληρώσει μόνο τον … καφέ στους επιστήμονες που ήταν παρόντες). Μέχρι τότε, θα έχουν αναπτυχθεί αποδοτικότερες τεχνικές αναζήτησης, που θα μπορούσαν να ελέγχουν ένα εκατομμύριο αστρικά συστήματα, αυξάνοντας έτσι τις πιθανότητες εντοπισμού πιθανών εξωγήινων σημάτων.