«Τι τρώει το σύμπαν;». ‘What’s Eating the Universe?’

Στον αστερισμό του Ηριδανού κρύβεται ένα φοβερό μυστήριο: είναι λες και κάτι έχει κόψει μια τεράστια μπουκιά από το σύμπαν! Η εκπληκτική ταχύτητα με την οποία εξελίσσεται ο τομέας της αστροφυσικής και της κοσμολογίας στις μέρες μας μάς επιτρέπει να κατανοούμε την ιστορία του σύμπαντος καλύτερα απ’ ό,τι κατανοούμε την ιστορία του ίδιου μας του πλανήτη. Οι ανακαλύψεις μας όμως συνοδεύονται από αδιανόητους γρίφους που αφήνουν άφωνους τους ίδιους τους αστροφυσικούς: υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, φούσκες γεμάτες κενό που μοιάζουν να καταβροχθίζουν το διάστημα, μέχρι και τεράστια παράλληλα σύμπαντα που καταπίνουν μικρότερα. Ο βραβευμένος αστροφυσικός, δεινός αφηγητής και πασίγνωστος εκλαϊκευτής των μυστηρίων του σύμπαντος Paul Davies παρουσιάζει με σαφήνεια και παιγνιώδη διάθεση όσα γνωρίζουμε για το σύμπαν και τα αινίγματά του, διερευνώντας τις δελεαστικές -και μερικές φορές τρομακτικές!- δυνατότητες που ανοίγονται μπροστά μας. Οδηγώντας μας μέσα από τις τολμηρές έρευνες που προσφέρουν λύσεις σε αδιανόητα μυστήρια, μας οδηγεί εν τέλει στο μεγαλύτερο αίνιγμα όλων: γιατί υπάρχει το σύμπαν; Και πώς κατάφερε ένα σύστημα σωματιδίων, δίχως νόηση και δίχως σκοπό, να γεννήσει συνειδητά και σκεπτόμενα όντα γεμάτα απορίες; Το Τι τρώει το σύμπαν; είναι μια εκθαμβωτική περιήγηση στα μεγάλα “κοσμικά” ερωτήματα του σύμπαντος και της ζωής μας, γραμμένη έτσι ώστε να διασκεδάσει, να μαγέψει και να εμπνεύσει κάθε αναγνώστη. A whirlwind tour through the vastness of space and the innermost recesses of subatomic matter. The anomalous cold spot in the CMB, as viewed by Planck, is unusual not only for its coldness and its extent, but for the fact that it’s surrounded by a hot region on all sides. This puzzling feature may be explicable by the recent discovery of a new, nearby supervoid in the constellation of Eridanus. (Credit: A. Kovács et al., 2021, MNRAS)

Όταν κανείς βλέπει τον τίτλο ενός βιβλίου να θέτει το ερώτημα ‘τι τρώει το σύμπαν;’ το μυαλό του ίσως πάει στην ταινία The Neverending Story (ή στην ομώνυμη νουβέλα στην οποία βασίστηκε η ταινία), όπου η χώρα της Φαντασίας καταβροχθίζεται από την καταστροφική μανία του Τίποτα. Όμως όταν συνειδητοποιήσει ότι ο συγγραφέας είναι o γνωστός φυσικός Paul Davis, τότε αρχίζει να αναρωτιέται μήπως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί (ή συμβαίνει ήδη) και στo πραγματικό σύμπαν.

The horn antenna in Holmdel, N.J., that first detected microwaves emanating from the birth of the universe. PHOTO: BETTMANN ARCHIVE/GETTY IMAGES

H μελέτη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου που αποτελεί έναν θησαυρό πληροφοριών για το σύμπαν μας αποκάλυψε και κάποια άλυτα προς το παρόν μυστήρια, όπως μια μεγάλη περιοχή του ουρανού που φαίνεται πολύ πιο ψυχρή, απ’ όσο θα έπρεπε. Βρίσκεται στον αστερισμό του Ηριδανού στο νότιο ημισφαίριο, έχει πλάτος περίπου 5 μοιρών (όσο δέκα πανσέληνοι) και είναι οκτώ φορές ψυχρότερη από την μέση διαφορά θερμοκρασίας στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Αναφέρεται ως ψυχρή κηλίδα και γίνονται διάφορες εικασίες ώστε να εξηγηθεί η προέλευσή της.

When displayed on a celestial sphere, the CMB cold spot can be seen to correspond with the Eridanus supervoid, but the full extent and depth of the void is only just beginning to be quantified today. It's plausible that the reason this spot is so cold is due to the gravitational influence of the shrinking supervoid over time. (Credit: Piquito veloz/Celestia)

Μια ιδέα που κυκλοφορεί από την δεκαετία του 1970 είναι ότι το σύμπαν μας μπορεί να τρώει τον εαυτό του από τα μέσα προς τα έξω! Αυτό θα μπορούσε να συμβεί ανά πάσα στιγμή, εξαιτίας ενός γενικότερου χαρακτηριστικού των κβαντικών συστημάτων.

The cold spots (shown in blue) in the CMB are not inherently colder, but rather represent regions where there is a greater gravitational pull due to a greater density of matter, while the hot spots (in red) are only hotter because the radiation in that region lives in a shallower gravitational well. Over time, the overdense regions will be much more likely to grow into stars, galaxies and clusters, while the underdense regions will be less likely to do so. However, the CMB cold spot is anomalously cold, inconsistent with an origin at the last-scattering surface. (Credit: E.M. Huff, SDSS-III/South Pole Telescope, Zosia Rostomian)

Η ιστορία του σύμπαντος που καταβροχθίζει τον εαυτό του εκτυλίσσεται περίπου ως εξής. Όταν ένα άτομο διεγείρεται, δηλαδή βρίσκεται σε διεγερμένη στάθμη ενέργειας, τότε θα αποδιεγερθεί σε χαμηλότερη στάθμη, εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Όμως ότι συμβαίνει στα άτομα, συμβαίνει επίσης και στο κβαντικό κενό. Αν, όπως πιστεύουν οι περισσότεροι επιστήμονες, η σκοτεινή ενέργεια έχει κβαντική προέλευση (δηλαδή, είναι η ενέργεια του κβαντικού κενού), τότε όπως και τα άτομα, ίσως υπάρχουν πολλές δυνατές τιμές ή στάθμες στην ενέργεια του κενού. Το σύμπαν μας τυχαίνει να βρίσκεται σε μια από αυτές τις ενεργειακές στάθμες του κενού, αλλά ίσως όχι στη χαμηλότερη. Η ανησυχία είναι ότι μια διεγερμένη κατάσταση του κβαντικού κενού δεν θα ήταν εντελώς σταθερή. Θα υπήρχε πάντα ο κίνδυνος να μεταβεί σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας – το κενό θα μπορούσε να ‘διασπαστεί’ – απελευθερώνοντας έτσι μια εκπληκτική ποσότητα ενέργειας. Αν αυτό συνέβαινε οπουδήποτε στο σύμπαν, οι συνέπειες θα ήταν αποκαλυψιακές. Μια μικροσκοπική φυσαλίδα του νέου, χαμηλότερης ενέργειας κενού θα εξαπλωθεί σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, με την εκλυόμενη ενέργεια να συγκεντρώνεται στο τοίχωμα της φυσαλίδας. Καθώς αυτό το όριο θα επεκτεινόταν, θα κατέστρεφε τα πάντα στο πέρασμά του. Μπορεί να μην υπάρχει προειδοποίηση: ίσως μάθουμε ότι το σύμπαν μας καταστρέφεται μόνο όταν το τείχος θα έφτανε και θα εξολόθρευσε και εμάς και οτιδήποτε άλλο – πιο γρήγορα από την ταχύτητα της σκέψης.

Fluctuations in spacetime itself at the quantum scale get stretched across the Universe during inflation, giving rise to imperfections in both density and gravitational waves. While inflating space can rightfully be called ‘nothing’ in many regards, not everyone agrees. (Credit: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research)

Υπάρχει μια απόκοσμη παραλλαγή σ’ αυτό το σενάριο. Η διαστελλόμενη φυσαλίδα μπορεί να μην περιέχει κβαντικό κενό χαμηλότερης ενέργειας, αλλά το απόλυτο τίποτα. Θα μπορούσε να είναι μια τρύπα στον χώρο, όχι μια μαύρη τρύπα, αλλά μια φυσαλίδα μη χώρου, που διαστέλλεται ανεξέλεγκτα, σαρώνει τα πάντα στο πέρασμά της και τελικά καταβροχθίζει ολόκληρο το σύμπαν, αφήνοντας μόνο το τίποτα: τον χώρο καταβροχθισμένο ολοκληρωτικά από τον μη-χώρο (spacelessness).

Η βασική ιδέα της εξαφάνισης του χώρου χωρίς προειδοποίηση με αυτόν τον ανησυχητικό τρόπο προτάθηκε για πρώτη φορά το 1982 από τον θεωρητικό φυσικό Edward Witten από το Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον (όπου εργαζόταν ο Αϊνστάιν), με βάση την θεωρία χορδών. Το περιέγραψε ως εξής: «Μια τρύπα σχηματίζεται αυθόρμητα στον χώρο και επεκτείνεται γρήγορα στο άπειρο, ωθώντας στο άπειρο οτιδήποτε μπορεί να συναντήσει.» Δείτε τον χώρο σαν ένα ελβετικό τυρί. Τώρα φανταστείτε ότι οι τρύπες στην δομή του τυριού μεγαλώνουν ολοένα και περισσότερο μέχρι να εξαφανιστεί εντελώς το τυρί.

The Cold Spot resides in the constellation Eridanus in the southern galactic hemisphere. The inset shows the microwave temperature map of this patch of sky, as mapped by the European Space Agency Planck satellite. The main figure depicts the map of the dark matter distribution created by the Dark Energy Survey team. Note how the large supervoid thoroughly coincides with the CMB’s cold spot. (Credit: Gergö Kránicz and András Kovács)

Μήπως η μυστηριώδης ψυχρή κηλίδα του Ηριδανού είναι ένα είδος γιγάντιου φινιστρινιού στην «προ-δημιουργία», μια κοσμική εποχή που προηγήθηκε της μεγάλης έκρηξης, πολύ διαφορετική από τον κόσμο που γνωρίζουμε; Μήπως υπάρχουν κι άλλα τέτοια φινιστρίνια; Παράθυρα στο ευρύτερο πολυσύμπαν; Ή μήπως όλες οι περίεργες ανωμαλίες θα αποδειχθούν απλώς στατιστικές αποκλίσεις; Συνεχίστε να παρακολουθείτε τον χώρο…

Αν και οι κοσμικοί κατακλυσμοί που περιγράφηκαν εδώ σας προκαλούν εφιάλτες, παρηγορηθείτε από το γεγονός ότι το σύμπαν μας έχει αντέξει για πολλά δισεκατομμύρια χρόνια χωρίς ατυχήματα μέχρι στιγμής. Από τον κατάλογο που περιέχει όλες τις φοβίες σας, το ενδεχόμενο να κατασπαραχθεί το σύμπαν μας, από τον εαυτό του ή από άλλο σύμπαν, θα πρέπει να βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο της λίστα σας.

Πηγές: https://www.wsj.com/articles/whats-eating-the-universe-review-a-pocket-guide-to-the-cosmos-paul-davies-dark-matter-11631292599 - Paul Davis, ‘Τι τρώει το σύμπαν; (What’s Eating the Universe)’ - https://physicsgg.me/2022/03/15/