Νοέμβριος του 2015 και στο «Late Night Show» του Στέφεν Κόλμπερτ εμφανίζεται ο Μπράιαν Γκριν. Ενας από τους πλέον διάσημους φυσικούς αυτή τη στιγμή στον κόσμο. Διάσημος όχι μόνο για τις εργασίες στην Κοσμολογία σχετικά με το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν από τη γέννησή του μέχρι σήμερα, αλλά και για την ικανότητά του να εξηγεί με απλό τρόπο φαινόμενα που απαιτούν γνώσεις πανεπιστημιακού επιπέδου, όταν μάλιστα αυτές πρέπει να εκφραστούν και με δύσκολες εξισώσεις.
Συζητούν για τις θεωρίες του Αϊνστάιν και κάποια στιγμή ο Γκριν ανεβαίνει σε έναν εξώστη και εκεί εμφανίζεται να κρατάει ένα πλαστικό μπουκάλι με νερό και αρκετές μικρές οπές στην κυλινδρική του επιφάνεια. Προφανώς το νερό βγαίνει από αυτές αρκετά ορμητικά σχηματίζοντας αρκετούς πίδακες γύρω από το μπουκάλι. Ο Γκριν αφήνει αυτό το μπουκάλι να πέσει από ένα ύψος περίπου έξι μέτρων, για να προσγειωθεί σε έναν κάδο τοποθετημένο στο πάτωμα. Καθώς το μπουκάλι πέφτει και οι τηλεοπτικές μηχανές συλλαμβάνουν την πτώση σε αργή λήψη το νερό παύει να βγαίνει από τις οπές και κανένας πίδακας δεν σχηματίζεται μέχρι την προσγείωση στον κάδο. Ας κρατήσουν αυτή την εικόνα οι αναγνώστες στο μυαλό τους γιατί στη συνέχεια θα βοηθήσει να εξηγηθούν κάποια πράγματα.
757 και μία νύχτες
Mια ερευνητική εργασία με τη βοήθεια του τηλεσκοπίου Βίκτορ Μπλάνκο, εγκατεστημένου στα ερημικά υψίπεδα της Χιλής στο Τσέρο Τολόλο, ξεκίνησε το 2013 και τελείωσε το 2019. Οι παρατηρήσεις έγιναν στη διάρκεια αυτών των έξι χρόνων μέσα σε 758 διαφορετικές νύχτες. Στη συνέχεια χρειάστηκαν δύο χρόνια επεξεργασίας από εκατοντάδες επιστήμονες όσων στοιχείων συγκεντρώθηκαν μόλις τα τρία πρώτα χρόνια των παρατηρήσεων ενώ στο μέλλον θα ανακοινωθούν τα αποτελέσματα και για τις υπόλοιπες παρατηρήσεις. Γιατί χρειάστηκε τόσος χρόνος; Διότι καταγράφηκαν 225 εκατομμύρια γαλαξίες (ο καθένας ένα σύνολο από άστρα όπως ο ήλιος μαζί με νέφη αερίων και σκόνης), που υπολογίζεται ότι δεν είναι παραπάνω από μόλις το 0,1% των όσων γαλαξιών υπάρχουν στο Σύμπαν, κατά τους πλέον συντηρητικούς υπολογισμούς. Διότι υπάρχουν και εκτιμήσεις για την ύπαρξη έως και 200 δισεκατομμυρίων γαλαξιών στο Σύμπαν. Και δεν είναι όλοι νάνοι, που να περιέχουν δηλαδή μόλις 100.000 «ήλιους», αλλά υπάρχουν και άλλοι όπως ο Μ87 με 3.000 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
Και όλα αυτά προέκυψαν με το τηλεσκόπιο να είναι στραμμένο μόλις στο ένα τέταρτο του ουρανού του ορατού από το νότιο ημισφαίριο! Θεωρείται όμως ήδη από τον Μάιο που εμφανίστηκε από την πολυεθνική ομάδα Dark Energy Survey (DES) αυτή η εργασία ως η μεγαλύτερη καταγραφή γαλαξιών που έγινε ποτέ. Εκτός όμως από μια ακόμη επιβεβαίωση της θεωρίας πως όλα ξεκίνησαν από μια έκρηξη και τη διάχυση της ύλης σε ένα απειροελάχιστα μικρό σημείο του Σύμπαντος, πριν 13,82 δισεκατομμύρια χρόνια, μια μέτρηση σχετική με τη συμπύκνωση της ύλης από τότε μέχρι σήμερα δημιούργησε αναστάτωση.
Ο παράγων S8
Αυτό που κάνει τη ζωή των ερευνητών ακόμη πιο δύσκολη είναι το πώς κατανέμεται η ύλη και η ενέργεια στο Σύμπαν. Σύμφωνα με τις μετρήσεις της ΝΑSΑ και άλλων αυτή τη στιγμή στο Σύμπαν έχουμε 4,9% ύλη με τη μορφή ατόμων, που από αυτά συναρμολογείται ό,τι αποκαλούμε υλικό κόσμο, 26,8% κάποια αδιευκρίνιστης μορφής ύλη που ονομάζεται «σκοτεινή ύλη» και 68,3% μια ακόμη πιο αδιευκρίνιστης προέλευσης ενέργεια που ονομάζεται και αυτή «σκοτεινή».
Στον υλικό μας κόσμο συγκαταλέγονται και όλοι αυτοί οι γαλαξίες που καταγράφηκαν και χαρτογραφήθηκαν από το 2013 έως το 2019. Σε κάποιους αστρονόμους αρέσει να λένε παραστατικά ότι οι γαλαξίες εμφανίζουν μια κοινωνικότητα. Ετσι έχουμε ομάδες γαλαξιών που αποτελούνται από 50 μέλη το πολύ, αλλά ανοίγοντας το κάδρο παρατηρούνται μεγαλύτερες συναθροίσεις που είναι γνωστές ως σμήνη γαλαξιών και σε αυτά συναντούμε από μερικές δεκάδες έως και μερικές χιλιάδες γαλαξίες. Υπάρχουν όμως και ακόμη μεγαλύτερες συγκεντρώσεις, τα υπερσμήνη, που κάνουν ακόμη πιο περίπλοκο τον υλικό ιστό του Σύμπαντος. Η βαρύτητα μαζί με την επίδραση της σκοτεινής ύλης έχουν δημιουργήσει από όλη αυτή την υπερσυγκέντρωση τον λεγόμενο κοσμικό ιστό. Με τα υπερσμήνη να συνδέονται μεταξύ τους με ποταμούς πλάσματος (δηλαδή πυρήνες ατόμων χωρίς δεσμευμένα από αυτούς ηλεκτρόνια γύρω τους και τα ηλεκτρόνια χωρισμένα πλέον από τους πυρήνες να έχουν απαλλαγεί από την υποχρέωση να βρίσκονται σε καθορισμένες τροχιές και απλά να παρευρίσκονται στον χώρο). Αυτοί οι ποταμοί ονομάζονται κοσμικά νήματα με μήκος εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός. Και ανάμεσα στα κοσμικά νήματα χώροι σχεδόν άδειοι που ονομάζονται κοσμικά κενά (ανακαλύφθηκαν μόλις το 1978). Και πίσω από αυτή την κατανομή, κάτι σαν αόρατος σκηνοθέτης, δρα με τη βαρυτική της επίδραση η λεγόμενη «σκοτεινή ύλη», που το πιο σωστό όνομα για αυτήν θα ήταν «αόρατη ύλη» αφού δεν αλληλεπιδρά με τα φωτόνια και γι’ αυτό δεν μπορούμε να τη δούμε (ενώ το σκοτάδι το βλέπουμε).
Ο κοσμικός αυτός ιστός όμως έχει μια δυναμική συμπεριφορά που ο άνθρωπος προσπαθεί να την παρακολουθήσει και να την καταλάβει παρ’ όλη την περιπλοκότητά της. Πιστεύεται πως σε πολύ παλαιότερους καιρούς υπήρχε μια κατανομή της συμπαντικής ύλης πολύ πιο ομοιόμορφη. Και τώρα, από την πρωτοφανούς επιμέλειας χαρτογράφηση βρίσκεται η ύλη να έχει μια πιο διάχυτη κατανομή από ό,τι προβλέπει η θεωρία της σχετικότητας.
Υπάρχει μια παράμετρος που ονομάζεται S8 και χαρακτηρίζει το πόσο πυκνά ή αραιά είναι κατανεμημένη η μάζα στο Σύμπαν. Από τη χαρτογράφηση προέκυψε μια τιμή 0,776 ενώ με άλλες μεθόδους για παλαιότερες εποχές και θεωρητικά από τις εξισώσεις του Αϊνστάιν βγαίνει μια τιμή γύρω στο 0,832.
Η αναμενόμενη διαπλοκή
Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο στην Κοσμολογία το Σύμπαν ξεκίνησε τη διαδρομή του με κάποιον τρόπο και μέχρι σήμερα εξελίσσεται ακολουθώντας τις προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας που προσπαθεί να κατανοήσει, να εξηγήσει και να κάνει προβλέψεις σχετικά με κάτι που ονομάζεται βαρύτητα.
Η χαρτογράφηση που έγινε, αντί να κάνει την εικόνα ακόμη πιο καθαρή τη θόλωσε λίγο (και για πόσο καιρό;). Συνεργός σε αυτό και η αόρατη ή σκοτεινή ύλη. Συγκεντρώνοντας τις πληροφορίες που δίνει η πορεία του φωτός από τους πιο μακρινούς γαλαξίες, αν υπάρχει κάποια απόκλιση από την αναμενόμενη ευθύγραμμη πορεία του, σημαίνει ότι κάποια μάζα παρεμβάλλεται που δεν τη διακρίνουν τα όργανα καταγραφής των ανθρώπων. Από τη διεθνή ομάδα της DES χρησιμοποιήθηκαν μέθοδοι τεχνητής νοημοσύνης για να τιθασευτούν τα δεδομένα από 100 εκατομμύρια γαλαξίες. Το φως από τον καθένα, που δεν άφηνε στίγμα μεγαλύτερο από δέκα πίξελ, εξεταζόταν και ως προς την παραμόρφωσή του. Για να αποκαλυφθεί στο τέλος η συνολική επίδραση του «σκηνοθέτη», του αόρατου αυτού (προς το παρόν) παράγοντα, που φαίνεται να μην είναι άλλος από τη σκοτεινή ύλη.
Ετσι φτιάχτηκε τελικά ένας πρώτος χάρτης όπου επικρατούν το ροζ, το μοβ κα το μαύρο. Οι φωτεινότερες περιοχές του χάρτη δείχνουν τις πυκνότερες περιοχές αόρατης ύλης, εκεί όπου κυριαρχούν και τα αόρατα υπερσμήνη των γαλαξιών ενώ οι μαύρες περιοχές αντιστοιχούν στα κοσμικά κενά.
Σκοτεινή ύλη
Κοιτάζοντας μια ξάστερη καλοκαιρινή νύχτα τον ουρανό βλέπουμε το φως των γαλαξιών αλλά όχι τη σκοτεινή ύλη που καραδοκεί γύρω τους. Ακριβώς όπως από το αεροπλάνο τη νύχτα φαίνονται μόνο τα φώτα της πόλης και όχι ολόκληρη η πόλη. Eίναι η απροσδιόριστη αυτή ύλη, που περιβάλλει σαν αόρατο κουκούλι τον κάθε έναν γαλαξία, υπεύθυνη και για το πόσο γρήγορα περιστρέφεται και για το ότι δεν διαλύεται. Και ο δικός μας Γαλαξίας, ο Milky Way, έχει στην καρδιά του μια «μπάρα» από αστέρια που περιστρέφονται αλλά η σκοτεινή ύλη στον περίγυρο της επιβάλλει μια επιβράδυνση της τάξεως του 13% για κάθε 1 δισεκατομμύριο χρόνια.
Το ερέθισμα όμως για να ερευνηθούν όλα αυτά το οφείλουμε σε μια πολύ παρατηρητική γυναίκα, την Αμερικανίδα Βέρα Ρούμπιν (1928-2016). Με ανεξάντλητη υπομονή και ακολουθώντας τις τροχιές των άστρων μέσα στους γαλαξίες τους, βρήκε ασυμβίβαστη την ταχύτητά τους με τη συνολική μάζα του γαλαξία. Οι υπολογισμοί της Ρούμπιν έδειξαν ότι οι γαλαξίες πρέπει να περιέχουν τουλάχιστον δεκαπλάσια ποσότητα σκοτεινής ύλης από αυτή που αποτελούσε τους αστέρες τους. Ηταν τα πρώτα ισχυρά αποτελέσματα που υπεδείκνυαν ότι είτε η νευτώνεια βαρύτητα δεν ίσχυε σε όλο το Σύμπαν είτε ότι η βαρύτητα δεν ήταν η μοναδική δύναμη υπεύθυνη για τη διατήρηση των συγκεντρώσεων ύλης που ονομάζουμε γαλαξίες, ή ότι υπήρχε μία τεράστια άλως αόρατης ύλης γύρω από τους περισσότερους γαλαξίες. Με το έργο της η Ρούμπιν από το 1980 κατοχύρωσε την υπόθεση της σκοτεινής ύλης για τους περισσότερους αστρονόμους, ενώ ο ελβετός, βουλγαρικής καταγωγής, φυσικός Φριτζ Τζβίκι από το 1933 είχε κάνει λόγο για μια dunkle Materie, δηλαδή «σκοτεινή ύλη».
Το μολύβι και το σφυρί
Είναι μεγάλος ο πειρασμός και για τον επιστήμονα και για τον δημοσιογράφο να βγάλει κάτι που θα περιέχει και μια φράση του τύπου «Ο Αϊνστάιν έχει κάνει λάθος». Ξέρει πως έχει εξασφαλισμένη την προσοχή του κόσμου. Και είναι αλήθεια πως ο Αϊνστάιν έκανε λάθη, κάποια μάλιστα τα παραδέχθηκε και ο ίδιος ενώ για κάποια δεν συμφώνησε ποτέ. Κάποτε είχε βάλει έναν παράγοντα στις εξισώσεις του που προνοούσε για την περίπτωση ενός Σύμπαντος διαστελλόμενου. Μετά τον αφαίρεσε και τελικά αποδείχθηκε πως πραγματικά ζούμε σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν και μάλιστα επιταχυνόμενα όπως αποδείχθηκε το 1998, με την είδηση να έρχεται πάλι από παρατηρητήριο στη Χιλή. Αντί όμως για την επιδίωξη δημιουργίας εντυπώσεων όπως συνέβη και τώρα με τη χαρτογράφηση από την ομάδα-DES, είναι προτιμότερο να σκύβουμε το κεφάλι και να δουλεύουμε περισσότερο επάνω στο πρόβλημα. Η διαφορά στις δύο τιμές είναι μόλις 2,3 μονάδες απόκλισης.
Τον τόνο για το τι πρέπει να γίνει στη συνέχεια έδωσε ένα από τα ηγετικά στελέχη αυτής της πολυάριθμης ομάδας, ο Οφερ Λάχαβ, του Πανεπιστημίου UCL, ειδικευμένος στην εφαρμογή της τεχνητής νοημοσύνης στην Αστροφυσική, που δήλωσε: «Μια πιθανότητα είναι κάποιες μετρήσεις να μην είναι σωστές. Κάποιοι ίσως το τραβήξουν έως το ότι ο Αϊνστάιν έχει κάνει λάθος. Κοιτάξτε, μην είστε τόσο χαλαροί. Υπάρχει κάτι εκεί που μπορεί να υποδεικνύει κάποια ασυμφωνία. Να δουλέψουμε εντατικά να καταλάβουμε τι συμβαίνει με τα εργαλεία που υπάρχουν αλλά να έχουμε και τα μάτια μας ανοιχτά γιατί μπορεί να είναι κάτι που θα οδηγούσε σε μια επανάσταση στη Φυσική».
Αλλος αρπάζει με ευκολία το σφυρί για να συντρίψει το άγαλμα ενός διάσημου προσώπου ενώ το πλήθος ξεσπάει σε αλαλαγμούς και άλλος σιωπηλά με ένα μολύβι προσπαθεί να καταλάβει τι συνέβη.
400επιστήμονες από 25 διαφορετικά ερευνητικά ιδρύματα σε 7 χώρες εργάστηκαν για τη χαρτογράφηση.4μέτρα διάμετρο είχε το τηλεσκόπιο στη Χιλή και η κάμερα που χρησιμοποιήθηκε στις 758 νύχτες ήταν 570 Megapixel.29 επιστημονικές εργασίες εμφανίστηκαν σχεδόν την ίδια στιγμή με βάση το υλικό των παρατηρήσεων και έρχονται κι άλλες.
Η κληρονομιά του μεγάλου φυσικού
Θα μπορούσαμε να πούμε πως κάθε σώμα έχει τρεις διαφορετικούς τύπους μάζας. Για ένα μήλο που πέφτει από τη μηλιά μπορούμε με τη βοήθεια της επιτάχυνσης βαρύτητας g στον συγκεκριμένο τόπο και μιας ζυγαριάς που θα μας έδειχνε το βάρος του Β να υπολογίσουμε τη μάζα του από τον τύπο Β = M X g. Επίσης θα μπορούσαμε να επιταχύνουμε για λίγο το ίδιο μήλο ασκώντας του μια γνωστή δύναμη και υπολογίζοντας την επιτάχυνσή του. Από τον τύπο F = M X γ υπολογίζω πάλι τη μάζα του. Στη μια περίπτωση κάνουμε λόγο για βαρυτική μάζα και στην άλλη για αδρανειακή μάζα. Αριθμητικά το αποτέλεσμα είναι το ίδιο. Αυτό ήταν μια τεράστια ανακάλυψη του ανθρώπινου μυαλού. Που αξιοποιήθηκε με τον ιδανικότερο τρόπο από τον Αϊνστάιν.
Ο Γαλιλαίος ήταν αυτός που διαπίστωσε ότι στο κενό τα αντικείμενα ανεξάρτητα από το βάρος τους πέφτοντας από το ίδιο ύψος φθάνουν κάτω στον ίδιο χρόνο. Ο Αϊνστάιν σκέφθηκε πως ένας ελαιοχρωματιστής πέφτοντας (κατά λάθος) από τη σκάλα μέχρι να φθάσει κάτω δεν αισθάνεται το βάρος του.
Ο Μπράιαν Γκριν με την επίδειξη που αναφέραμε στην αρχή απέδειξε με απλούστατο τρόπο ότι πέφτοντας το μπουκάλι το νερό δεν αισθάνεται το βάρος του, δεν πιέζουν τα ανώτερα στρώματα τα κατώτερα για να φύγει από τις οπές και γι’ αυτό σταματούν οι πίδακες.
Το ότι τα πάντα φθάνουν στον ίδιο χρόνο κάτω πέφτοντας στο κενό είναι σήμερα η λεγόμενη ασθενής αρχή της ισοδυναμίας.
Υπάρχει όμως και η ισχυρή λεγόμενη, που τη γνωρίζουμε χάρη στον Αϊνστάιν. Κατ’ αυτήν οι νόμοι της Φυσικής ισχύουν παντού στο Σύμπαν, ανεξάρτητα από κίνηση και βαρύτητα. Και αυτό ίσχυε πάντα από τον καιρό που σχηματίστηκε ο κόσμος. [Ως μια κάποια απόδειξη αναφέρονται οι λεγόμενοι φυσικοί πυρηνικοί αντιδραστήρες στο Οκλο της Γκαμπόν ηλικίας 2 δισεκατομμυρίων ετών, όπου διαπιστώθηκαν διεργασίες με απόκλιση από σήμερα μόλις 1 στο δισεκατομμύριο.]
Ο Νεύτων με τον γνωστό τύπο της παγκόσμιας έλξης υπολόγισε την ένταση που ασκούν οι βαρυτικές δυνάμεις αλλά δεν προσδιόρισε το πώς ασκούνται αυτές οι δυνάμεις.
Ο Αϊνστάιν όμως πρώτα ανακάλυψε ότι τίποτα δεν τρέχει πιο γρήγορα από το φως. Αυτό είναι το πιο σταθερό πράγμα στον κόσμο, οπότε ο χρόνος είναι σχετικός(!), αφού ο καθένας και το κάθε τι που κινείται έχει άλλον χρόνο στο δικό του πλαίσιο αναφοράς. Οσο πιο γρήγορα κινείται τόσο πιο αργά περνάει ο χρόνος του.
Στην συνέχεια αναρωτήθηκε πώς είναι δυνατόν η δύναμη της βαρύτητας να αλλάζει τόσο ακαριαία αν αλλάξει μια μάζα, πιο γρήγορα και από το φως. Με τη βοήθεια και της αρχής της ισοδυναμίας κατάφερε να συνδέσει επιτάχυνση-βαρύτητα και καμπυλότητα του χώρου.
Αρα η αιτία της κίνησης δεν είναι άλλη από την καμπυλότητα του χώρου που αλλάζει και γίνεται μεγαλύτερη όσο πιο μεγάλη είναι η μάζα ενός σώματος. Βάζοντας επάνω σε ένα ελαστικό ύφασμα μια βαριά σφαίρα οι μικρότερες σφαίρες που θα τοποθετήσουμε στο ύφασμα αναγκάζονται να κινηθούν γύρω από τη μεγάλη.
Με βάση τις παραπάνω διαπιστώσεις υπολογίστηκαν οι μάζες, η κίνηση και η κατανομή τους κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του Σύμπαντος και επιβεβαιώθηκε η δημιουργία βαρυτικών κυμάτων από τη συγχώνευση των μαύρων οπών. Μέχρι τώρα δεν διαψεύστηκαν οι υπολογισμοί. Περιμένουμε τη συνέχεια.
