Το δευτέριο επιβεβαιώνει την θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Big Bang Confirmed Again, This Time By The Universe's First Atoms

Our most powerful telescopes can peer back into the ultra-distant Universe, but can only see the pristine clouds of gas if there's a very, very distant light source beyond to illuminate them. Credit: NASA

Η Μεγάλη Έκρηξη είναι η κορυφαία θεωρία εξέλιξης του σύμπαντος. Σύμφωνα με αυτή το σύμπαν στο παρελθόν ήταν θερμότερο, πυκνότερο και μικρότερο, και σήμερα είναι τόσο τεράστιο εξαιτίας της διαστολής του. Αυτή η άποψη ήταν αμφισβητούμενη για πολλές δεκαετίες μέχρι την λεπτομερέστατη μέτρηση της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

The early Universe was full of matter and radiation, and was so hot and dense that the quarks and gluons present didn't form into individual protons and neutrons, but remained in a quark-gluon plasma, complete with matter and antimatter particles everywhere. Credit: RHIC collaboration, Brookhaven

Σύμφωνα με το σενάριο της Μεγάλης Έκρηξης, λόγω της αρχικά πολύ υψηλής θερμοκρασίας του σύμπαντος, η ακτινοβολία που υπήρχε ήταν παγιδευμένη σε ισορροπία με την ιονισμένη ύλη του σύμπαντος. Περίπου 380 χιλιάδες χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, αυτή η (κοσμική) ακτινοβολία απελευθερώθηκε από την ύλη (που έπαψε να είναι ιονισμένη), ακολουθώντας το δικό της μοναχικό δρόμο. Σήμερα ανιχνεύεται ως ακτινοβολία μέλανος σώματος και αντιστοιχεί σε θερμοκρασία Τ = 2,73 Κ, όπως ακριβώς προβλέπει η θεωρία.

Ο συνδυασμός πρωτονίων και νετρονίων οδήγησε στον σχηματισμό του ηλίου (και άλλων ελαφρών πυρήνων) στα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης. From beginning with just protons and neutrons, the Universe builds up helium-4 rapidly, with small but calculable amounts of deuterium and helium-3 left over as well. Credit: E. Siegel / Beyond The Galaxy

Όμως, υπάρχει και μια άλλη εντυπωσιακή πρόβλεψη της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης. Στα τρία πρώτα λεπτά ύπαρξης του σύμπαντος δημιουργήθηκαν συγκεκριμένες ποσότητες ελαφρών πυρήνων, όπως υδρογόνο, δευτέριο, λίθιο και ήλιο. Αυτές οι περιεκτικότητες υπολογίζονται χρησιμοποιώντας τους γνωστούς νόμους της φυσικής κατά την εξέλιξη του σύμπαντος, αλλά είναι πολύ δύσκολο να μετρηθούν. Σύμφωνα με τις τελευταίες αστρονομικές παρατηρήσεις, οι λόγοι ηλίου προς υδρογόνο και δευτερίου προς υδρογόνο μετρήθηκαν και βρέθηκαν σε εντυπωσιακή συμφωνία με τους υπολογισμούς της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης.

Αποτελούμενο μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο, το δευτέριο (²Η) είναι το απλούστερο στοιχείο και επομένως το πρώτο στοιχείο που σχηματίστηκε στο αρχέγονο σύμπαν. Αυτό έγινε όταν στο σύμπαν ο λόγος νετρονίων προς πρωτόνια ήταν περίπου 1/6 (τα νετρόνια έξω από τους πυρήνες έχουν χρόνο ζωής περίπου 15 λεπτά). Όμως ακολούθησαν κι άλλες αλυσιδωτές πυρηνικές αντιδράσεις που σχημάτισαν βαρύτερους πυρήνες, κυρίως ήλιο-4(⁴He), και πολύ μικρότερες ποσότητες άλλων ελαφρών πυρήνων, όπως δευτερίου (²Η), ηλίου-3 (³He) και λιθίου-7 (⁷Li).

Η σύνθεση των ελαφρών στοιχείων όπως το δευτέριο, το ήλιο και το λίθιο πραγματοποιήθηκε τα πρώτα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη, τότε που το σύμπαν ήταν ακόμα αδιαφανές. Ο μόνος (έμμεσος) τρόπος για να διερευνήσουμε τις συνθήκες που επικρατούσαν στο σύμπαν στα πρώτα λεπτά της ύπαρξής του είναι οι αφθονίες των στοιχείων που προέκυψαν. Αυτό απαιτεί αστρονομικές μετρήσεις υψηλής ακρίβειας σε συνδυασμό με λεπτομερείς θεωρητικούς υπολογισμούς των περιεκτικοτήτων των ελαφρών πυρήνων.

Οι θεωρητικές προβλέψεις των περιεκτικοτήτων των ελαφρών πυρήνων εξαρτώνται μόνο από μια παράμετρο: τον λόγο των νουκελονίων (πρωτόνια+νετρόνια) προς τα φωτόνια του σύμπαντος. Αυτή η παράμετρος μετρήθηκε με μεγάλη ακρίβεια στις αρχές της δεκαετίας του 2000 από το WMAP και καθορίζει τις περιεκτικότητες των ελαφρών στοιχείων στο σύμπαν, όπως προέκυψαν στα πρώτα λεπτά της Μεγάλης Έκρηξης.

Η μέτρηση των περιεκτικοτήτων των στοιχείων της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης στο σημερινό σύμπαν είναι μια πολύ δύσκολη υπόθεση. Πρέπει να εντοπίσουμε αυτά τα στοιχεία σε περιοχές που δεν αλλοιώθηκαν οι αρχέγονες περιεκτικότητες, εκεί όπου δεν σχηματίστηκαν άστρα και τα στοιχεία περιέχονται στην πρωτόγονη μεσοαστρική αέρια ύλη.

Όμως ο μόνος τρόπος για να παρατηρήσουμε το είδος των ατόμων της μεσοαστρικής ύλης είναι να δούμε την απορρόφηση ή την εκπομπή φωτός από αυτά. Συνεπώς απαιτείται και το φως των άστρων.  Γι αυτό πρέπει να είμαστε τυχεροί. Να υπάρχουν ουδέτερα αρχέγονα άτομα μεταξύ της Γης και μιας μακρινής πηγής φωτός, όπως ένας γαλαξίας ή ένα κβάζαρ. Αυτό μπορεί να είναι σπάνιο, αλλά ευτυχώς το σύμπαν μας είναι πάρα πολύ μεγάλο, αυξάνοντας τις πιθανότητες για τέτοιες ευκαιρίες.

Οι αφθονίες του ηλίου, του δευτερίου, ηλίου-3 και λιθίου-7, συναρτήσει του λόγου βαρυονίων προς φωτόνια, εφόσον η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης είναι σωστή. The abundances of helium, deuterium, helium-3 and lithium-7 are highly dependent on only one parameter, the baryon-to-photon ratio, if the Big Bang theory is correct. Credit: NASA, WMAP Science Team and Gary Steigman

Ενώ το ήλιο δεν είναι τόσο ευαίσθητο σε σχέση με τον λόγο  βαρυονίων προς φωτόνια, αντίθετα, το δευτέριο μεταβάλλεται απότομα συναρτήσει του λόγου αυτού. Έτσι, η παρατηρούμενη αφθονία του αρχέγονου δευτερίου παίζει σημαντικό ρόλο στην επιβεβαίωση της θεωρίας της αρχέγονης πυρηνοσύνθεσης.

An ultra-distant quasar will encounter gas clouds on the light's journey to Earth, allowing us to measure all sorts of parameters, including absorption abundances. Credit: Ed Janssen, ESO

Η πρώτη μεγάλη επιτυχία σχετικά με το δευτέριο πραγματοποιήθηκε το 2011 όταν οι Michele Fumagalli, John M. O’Meara και J. Xavier Prochaska ανακάλυψαν δυο περιπτώσεις ανέγγιχτων αρχέγονων νεφών εδώ και 12 δισεκατομμύρια χρόνια, ευθυγραμμισμένων με κβάζαρ. Αυτό που βρήκαν ήταν εκπληκτικό: η περιεκτικότητα του αρχέγονου δευτερίου που παρατηρήθηκε ταίριαζε ακριβώς με τις θεωρητικές προβλέψεις.

Όμως προέκυψαν κι άλλα δεδομένα. Δυο νέες μετρήσεις που περιγράφονται στην εργασία των Signe Riemer-Sørensen και Espen Sem Jenssen [Nucleosynthesis Predictions and High-Precision Deuterium Measurements], από διαφορετικά νέφη ευθυγραμμισμένων με κβάζαρ, μας δίνουν μια βελτιωμένη εκτίμηση της παρατηρούμενης αφθονίας του δευτερίου που σχηματίστηκε αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη: 0,00255% με αβεβαιότητα  ±0.00006%. Μέσα στα όρια του σφάλματος η συμφωνία με την θεωρία είναι εξαιρετική.

Αν συγκεντρωθούν όλα τα δεδομένα από τέτοιου είδους αστρονομικές παρατηρήσεις αφθονίας του δευτερίου, η συμφωνία είναι αδιαμφισβήτητη.

Ανεξάρτητες αστρονομικές παρατηρήσεις αρχέγονων μεσοαστρικών νεφών που δίνουν τον λόγο του δευτερίου προς υδρογόνο που παράχθηκε κατά την διάρκεια των πρώτων λεπτών της Μεγάλης Έκρηξης, συγκρινόμενες με την θεωρητική πρόβλεψη. There are now many independent observations of pristine gas from shortly after the Big Bang, showcasing the sensitive deuterium quantities relative to hydrogen. The agreement between observation and the theoretical predictions of the Big Bang is another victory for our best model of the Universe's origin. Credit: S. Riemer-Sørensen and E. S. Jenssen, Universe 2017, 3(2), 44

Αν οι παρατηρήσεις του δευτερίου σ’ αυτά τα αρχέγονα νέφη διαφωνούσαν με τις θεωρητικές προβλέψεις, τότε η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης θα αντιμετώπιζε ανεπανόρθωτη κρίση. Όμως η εντυπωσιακή συμφωνία θεωρίας και παρατήρησης μέχρι σήμερα κάνει την υπόθεση της Μεγάλης Έκρηξης ως την πιο πετυχημένη θεωρία εξέλιξης του σύμπαντος.

Πηγές: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/07/11/big-bang-confirmed-again-this-time-by-the-universes-first-atoms/#2793b71679c2 - physicsgg