ΧΑΡΗΣ ΒΑΡΒΟΓΛΗΣ : Πώς διάβασαν την «υπογραφή» της Μεγάλης Εκρηξης

Η άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων που προέρχονται από τη γέννηση του Σύμπαντος αποτελεί σταθμό για τη Φυσική. Επιβεβαιώνει τη θεωρία του πληθωρισμού και ανοίγει νέους δρόμους για μια «θεωρία των Πάντων»

Τα βαρυτικά κύματα είναι η τελευταία από τις προβλέψεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας που δεν έχει ακόμη επαληθευθεί πειραματικά και ο πληθωρισμός είναι μια θεωρία που ερμηνεύει την ομοιομορφία του Σύμπαντος με την υπόθεση ότι λίγο μετά τη δημιουργία του αυτό διαστελλόταν με ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός. Την περασμένη Δευτέρα αμερικανοί αστρονόμοι ανακοίνωσαν ότι παρατήρησαν τα ίχνη της εκπομπής βαρυτικών κυμάτων κατά τη διάρκεια της πληθωριστικής φάσης του Σύμπαντος, αμέσως μετά τη στιγμή της Μεγάλης Εκρηξης. Η ανακάλυψη αυτή έχει ιστορική σημασία, όχι τόσο επειδή επιβεβαιώνει την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων όσο επειδή είναι η πρώτη χειροπιαστή ένδειξη - αν όχι απόδειξη - της θεωρίας του πληθωριστικού Σύμπαντος. Και μπορεί επιπλέον να έχει ανοίξει ένα παράθυρο ελέγχου των θεωριών που προσπαθούν να ενοποιήσουν τις τρεις από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις της φύσης, καθώς και αυτών που προσπαθούν να συνδέσουν τη βαρύτητα με την κβαντομηχανική.

Περιχαρείς κατά τη συνέντευξη Τύπου της περασμένης Δευτέρας στο Κέντρο Αστροφυσικής Χάρβαρντ-Σμιθσόνιαν οι επιστήμονες (από αριστερά) Κλεμ Πράικ, Τζέιμι Μποκ, Τσάο-Λιν Κούο και Τζον Κόβακ

Την περασμένη Δευτέρα η ερευνητική ομάδα του προγράμματος BICEP2 ανακοίνωσε μια ανακάλυψη εξαιρετικής σημασίας: την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων κατά τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του Σύμπαντος. Τα νέα προκάλεσαν μεγάλη αίσθηση αφού, όπως έγραψε ο αμερικανός κοσμολόγος Σον Κάρολ (Sean Carroll): «Πέρα από την ανακάλυψη ζωής σε άλλους πλανήτες ή την άμεση ανίχνευση σκοτεινής ύλης, δεν μπορώ να σκεφθώ κάποια άλλη ανακάλυψη αστρονομικής φύσης πιο σημαντική στην κατανόηση του Σύμπαντος από αυτήν που μόλις ανακοινώθηκε». Είναι λοιπόν φυσικό να προεξοφλείται η επιβράβευση αυτής της ανακάλυψης με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής. Στη συνέχεια θα δούμε αναλυτικά τόσο το τι ακριβώς παρατηρήθηκε και ποια σημασία έχει στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας Σχετικότητας και της Κοσμολογίας όσο και το πώς ακριβώς επιτεύχθηκε αυτή η ανίχνευση, δηλαδή το όργανο που χρησιμοποιήθηκε και ο τρόπος με τον οποίο αναλύθηκαν οι παρατηρήσεις.

Τι είναι τα βαρυτικά κύματα

Από τις αρχές της δεκαετίας του 1930 είχε γίνει κατανοητό ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που είχε διατυπωθεί από τον Αϊνστάιν 15 χρόνια νωρίτερα, προέβλεπε την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων, δηλαδή διαταραχών του χώρου και του χρόνου που διαδίδονται στο Σύμπαν με την ταχύτητα του φωτός. Η προσπάθεια ανίχνευσης αυτών των κυμάτων έχει ξεκινήσει από τη δεκαετία του 1960, αλλά ως σήμερα δεν έχει επιτευχθεί η άμεση παρατήρησή τους, παρά την κατασκευή ολοένα και πιο ευαίσθητων ανιχνευτών, επειδή το πλάτος τους είναι πολύ μικρό. Η άμεση παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων σίγουρα θα επιβραβευθεί με ένα βραβείο Νομπέλ, αλλά σχεδόν κανείς δεν αμφιβάλλει για την ύπαρξή τους, αφού υπάρχουν πάρα πολλές έμμεσες παρατηρήσεις που επιβεβαιώνουν την ύπαρξή τους. Ετσι η άμεση παρατήρησή τους δεν θα αλλάξει κάτι σημαντικό στην αντίληψή μας για το Σύμπαν. Αντίθετα, οι πρώτες στιγμές του Σύμπαντος είναι σήμερα ένα αντικείμενο έντονης ερευνητικής προσπάθειας και με πολλές εναλλακτικές θεωρίες, επειδή δεν υπάρχουν αρκετά πειραματικά δεδομένα που θα μας βοηθήσουν να απορρίψουμε μερικές από αυτές προς όφελος των υπολοίπων.

Ο αστραπιαίος πληθωρισμός

Διάγραμμα της διεύθυνσης της πόλωσης συναρτήσει της θέσεως που δείχνει τη μορφή πόλωσης του τρόπου-Β

Η επικρατέστερη θεωρία για τα πρώτα στάδια του Σύμπαντος είναι αυτή του πληθωρισμού, η οποία διατυπώθηκε το 1980 για να ερμηνεύσει το γεγονός ότι για αποστάσεις πολύ μεγαλύτερες από τις αποστάσεις μεταξύ των γαλαξιών το Σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο. Αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν έχει τις ίδιες ιδιότητες σε όλα τα σημεία του, καθώς και ότι δεν υπάρχει κάποια κατεύθυνση σε αυτό που να έχει ιδιαίτερες ιδιότητες. Επιπλέον η θεωρία του πληθωρισμού εξηγεί γιατί το Σύμπαν είναι πρακτικά επίπεδο, ιδιότητα που έχει πολλές συνέπειες, μία από τις οποίες είναι το γνωστό συμπέρασμα του Ευκλείδη ότι το άθροισμα των γωνιών ενός τριγώνου είναι 180 μοίρες. Σύμφωνα λοιπόν με τη θεωρία του πληθωριστικού Σύμπαντος, μία μόλις στιγμή μετά τη Μεγάλη Εκρηξη και για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα, μόλις 10^-32 δευτερόλεπτα (δηλαδή, δέκα δισεκατομμυριοστά του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου), το Σύμπαν διεστάλη με ασύλληπτη ταχύτητα, πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. Η αιτία και οι λεπτομέρειες αυτής της ταχύτατης διαστολής, που ονομάστηκε πληθωρισμός, δεν είναι ξεκάθαρες, μια και υπάρχουν πολλές διαφορετικές θεωρίες. Θα ήταν λοιπόν πολύ σημαντικό να βεβαιωθούμε, πρώτον, αν υπήρξε κατ' αρχάς εποχή πληθωρισμού κατά τη νεαρή ηλικία του Σύμπαντος και, στην περίπτωση που η απάντηση είναι θετική, να δούμε ποιες από τις θεωρίες που προτείνουν τον πληθωρισμό συμφωνούν με τις παρατηρήσεις.

Το ίχνος της παγωμένης λάμψης

Στόχος των παρατηρήσεων της ομάδας BICEP2 ήταν η καταγραφή με απαράμιλλη λεπτομέρεια της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, όπως ονομάζεται ο «απόηχος» της Μεγάλης Εκρηξης τη σημερινή εποχή. Η «λάμψη» εκείνης της εποχής ψύχθηκε λόγω της διαστολής του Σύμπαντος και από το ελάχιστο μήκος κύματος των ακτίνων-γ έφτασε σήμερα να έχει μήκος κύματος της τάξεως του ενός εκατοστόμετρου, στην περιοχή των μικροκυμάτων. Η ακτινοβολία αυτή είναι η μοναδική πληροφορία που έχουμε για τις απαρχές του Σύμπαντος, αλλά δυστυχώς έχει εκπεμφθεί 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Εκρηξη, οπότε θα έλεγε κανείς ότι δεν μας επιτρέπει να «δούμε» τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος. Αυτό όμως δεν είναι σωστό επειδή στις πρώτες εκείνες στιγμές υπήρχαν και έντονα βαρυτικά κύματα, πέρα από τα φωτόνια, με αποτέλεσμα τα φωτόνια να «συγκρούονται» με τα βαρυτικά κύματα και να αποκτούν ιδιότητες χαρακτηριστικές αυτών των «συγκρούσεων».

Η πιο σημαντική από αυτές τις ιδιότητες είναι η πόλωση του φωτός, δηλαδή η ταλάντωση των φωτεινών κυμάτων σε μια προτιμητέα διεύθυνση. Αν λοιπόν καταγράψουμε την πόλωση της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, θα μπορέσουμε να δούμε αν συμφωνεί με την ύπαρξη πληθωριστικής περιόδου στο Σύμπαν, καθώς και με τα ποσοτικά χαρακτηριστικά της, για παράδειγμα την ταχύτητα διαστολής και τη διάρκεια του φαινομένου. Σήμερα υπάρχουν αρκετές ερευνητικές ομάδες που εργάζονται σε αυτή την κατεύθυνση χρησιμοποιώντας όργανα όπως είναι η «οικογένεια» των τηλεσκοπίων BICEP, το Τηλεσκόπιο του Νότιου Πόλου (South Pole telescope, SPT), το τηλεσκόπιο Polarbear και το διαστημόπλοιο Planck. Ολα αυτά τα όργανα έχουν διαπιστώσει ότι η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι ασθενώς πολωμένη και μάλιστα με έναν ειδικό τρόπο που ονομάζεται «τρόπος-B» (B-mode), κατά τον οποίο η διεύθυνση πόλωσης αλλάζει με τη διεύθυνση παρατήρησης έτσι ώστε να δίνει την εικόνα ενός «στροβίλου». Αλλά η ύπαρξη του τρόπου-Β μπορεί να οφείλεται και σε άλλες αιτίες, πέρα από την παρουσία βαρυτικών κυμάτων. Η πρώτη ερευνητική ομάδα που ανακοίνωσε πόλωση που οφείλεται σε βαρυτικά κύματα είναι η ομάδα του BICEP2.

Γιατί στον Νότιο Πόλο;

Το ερευνητικό πρόγραμμα BICEP άρχισε παρατηρήσεις το 2006 με το τηλεσκόπιο πρώτης γενιάς, που λειτούργησε ως το 2008. Στη συνέχεια τη σκυτάλη πήρε το BICEP2, δέκα φορές πιο ευαίσθητο, που λειτούργησε για τρία χρόνια, από την αρχή του 2010 ως το τέλος του 2012. Αυτή τη στιγμή βρίσκονται σε λειτουργία άλλα δύο όργανα της ίδιας ομάδας, με ευαισθησία δέκα φορές καλύτερη από αυτήν του BICEP2. Ολα τα όργανα είναι εγκατεστημένα στην αμερικανική βάση Amundsen-Scott, που βρίσκεται πάνω στον γεωγραφικό Νότιο Πόλο. Η επιλογή της τοποθεσίας έγινε κατ' αρχάς επειδή στη θέση αυτή η υγρασία της ατμόσφαιρας είναι ελάχιστη, αφού όλο το νερό υπάρχει σε μορφή πάγου. Ετσι η απορρόφηση των μικροκυμάτων που προκαλούν οι υδρατμοί της ατμόσφαιρας είναι ασήμαντη και η ποιότητα παρατήρησης είναι συγκρίσιμη με αυτήν από ένα διαστημόπλοιο, όπως είναι η αποστολή Planck. Υπάρχουν όμως και άλλα τρία σημαντικά πλεονεκτήματα: (α) οι ατμοσφαιρικές συνθήκες είναι εξαιρετικά σταθερές, γεγονός που ελαχιστοποιεί τις πηγές πιθανών σφαλμάτων της παρατήρησης, (β) η περιοχή παρατήρησης δεν αλλάζει ανάλογα με την ώρα της ημέρας, αφού τα ορατά αστέρια ούτε ανατέλλουν ούτε δύουν, και (γ) στη χαμηλή θερμοκρασία που επικρατεί εκεί είναι ευκολότερο να διατηρηθούν τα όργανα παρατήρησης στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία που απαιτείται, μόλις 0,25 του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, δηλαδή στους -272,9 βαθμούς Κελσίου.

BICEP2: υπερευαίσθητο και ευέλικτο

Το τηλεσκόπιο του BICEP2 έχει διάμετρο φακού μόλις 20 εκατοστά, ελάχιστη σε σύγκριση με τα όργανα παρατήρησης των άλλων ερευνητικών ομάδων που εργάζονται στο ίδιο αντικείμενο. Για παράδειγμα, το τηλεσκόπιο του προγράμματος SPT έχει διάμετρο 10 μέτρα, αυτό του προγράμματος Polarbear 2,5 μέτρα, ενώ το τηλεσκόπιο της διαστημικής αποστολής Planck έχει διάμετρο 1,7 μέτρα. Αλλά λόγω της μικρής διαμέτρου του τηλεσκοπίου BICEP2 αυτό έχει τη δυνατότητα να παρατηρεί πολύ μεγαλύτερο τμήμα του ουρανού από αυτό που παρατηρούν τα υπόλοιπα. Ετσι μπόρεσε να ανιχνεύσει διακυμάνσεις που έχουν μεγάλο μήκος κύματος και εκτείνονται σε μεγάλες αποστάσεις στον ουρανό, όπως είναι αυτές που οφείλονται στην αλληλεπίδραση βαρυτικών κυμάτων και πληθωριστικής διαστολής. Θα έλεγα όμως ότι σημαντικό ρόλο έπαιξε και η εξαιρετική ευαισθησία των ανιχνευτών της πόλωσης, οι οποίοι είναι αναπτυγμένοι επάνω στην εστία του τηλεσκοπίου και καταγράφουν την πόλωση της ακτινοβολίας σε δύο συχνότητες, 100 και 150 MHz (δηλαδή, περίπου όση είναι η συχνότητα εκπομπής των ραδιοφωνικών σταθμών FM).

Πόλωση με «βαρυτική» υπογραφή

Τα δεδομένα από τα τρία χρόνια παρατηρήσεων αναλύθηκαν με μεγάλη προσοχή και βρέθηκε ότι η πόλωση εμφανίζεται στην αναμενόμενη γωνιώδη απόσταση στον ουρανό και έχει εμφανή «στροβιλισμό», ο συνδυασμός των οποίων αποτελεί την υπογραφή της αλληλεπίδρασης του πληθωρισμού με βαρυτικά κύματα. Στη συνέχεια έγινε και ο απαραίτητος έλεγχος της σημαντικότητας αυτού του αποτελέσματος που κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η πιθανότητα να οφείλεται το παρατηρούμενο αποτέλεσμα σε στατιστικές διακυμάνσεις και όχι στο ζητούμενο φυσικό φαινόμενο είναι μικρότερη από μία στις 2.000.000. Αυτό στη φιλοσοφία της επιστήμης θεωρείται βεβαιότητα.

Για τι πληθωρισμό μιλάμε;

Πέρα όμως από το γεγονός της πρώτης επιβεβαιωμένης στατιστικά ανίχνευσης του αποτυπώματος των βαρυτικών κυμάτων στην πόλωση της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, που τονίζω ότι επιβεβαιώνει την υπόθεση ότι το Σύμπαν πέρασε από μια φάση πληθωριστικής διαστολής, πολύ σημαντικά είναι και τα ποσοτικά αποτελέσματα του πειράματος. Με άλλα λόγια, πόσο μεγάλο είναι το πλάτος των βαρυτικών κυμάτων και πώς αυτό εξαρτάται από το μήκος κύματός τους; Ειδικά το δεύτερο έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον επειδή συνδέεται με τις λεπτομέρειες του «είδους» πληθωρισμού για τον οποίον υπάρχουν σήμερα πολλά θεωρητικά μοντέλα. Εδώ θα πρέπει να σημειώσουμε ότι παραδοσιακά το πλάτος των βαρυτικών κυμάτων, A_T,  μετρείται με την τιμή μιας παραμέτρου r = A_T/A_S , όπου το πλάτος των διαταραχών της πυκνότητας του Σύμπαντος, A_S, έχει ήδη μετρηθεί από τη διαστημική αποστολή Planck.

Η απροσδόκητα υψηλή τιμή

Η τιμή r = 0,2 που μέτρησε η ομάδα BICEP2  θεωρείται εξαιρετικά υψηλή και δεν συμφωνεί ούτε με τις ως σήμερα παρατηρήσεις ούτε με τα θεωρητικά μοντέλα του πληθωρισμού που θεωρούνται σήμερα πιο αποδεκτά. Για παράδειγμα, η αποστολή Planck είχε θέσει ως ανώτερο όριο του πλάτους των βαρυτικών κυμάτων την τιμή r = 0,11. Πέρα όμως από αυτή την ασυμφωνία μεταξύ παρατηρήσεων, οι κοσμολόγοι αιφνιδιάστηκαν με την ανακοίνωση της τιμής r = 0,2 για έναν ακόμη θεωρητικό λόγο. Τα περισσότερα μοντέλα του πληθωρισμού δίνουν τιμές του r μικρότερες από 0,01!  Επομένως η τιμή r = 0,2 που μετρήθηκε αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση για τους θεωρητικούς, υπό την  έννοια ότι θα πρέπει να προχωρήσουν σε μια γενναία αναθεώρηση των μοντέλων τους για τον πληθωρισμό, εφόσον βέβαια τα αποτελέσματα του BICEP2 επιβεβαιωθούν και από άλλες παρατηρήσεις.

Αλμα στον δρόμο για τη «θεωρία των Πάντων»

Πέρα από τα παραπάνω, οι παρατηρήσεις του BICEP2 έδωσαν δύο σημαντικά στοιχεία και στους φυσικούς των στοιχειωδών σωματιδίων. Το πρώτο είναι ότι και μόνη η νέα παρατήρηση δίνει στοιχεία για τη διασύνδεση της βαρύτητας με την κβαντομηχανική, κάτι που αναζητεί ακόμη μια σωστή θεωρητική προσέγγιση. Το δεύτερο είναι ότι βαρυτικά κύματα τόσο μεγάλου πλάτους συνεπάγονται ενέργειες στην περιοχή των οποίων αναμένεται η ενοποίηση των ηλεκτρικών με τις ασθενείς και τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις. Ετσι έχουμε μπροστά μας ένα φυσικό εργαστήριο που μας επιτρέπει να μελετήσουμε αυτή την ενοποίηση χωρίς την ανάγκη να κατασκευάσουμε έναν επιταχυντή πολύ μεγαλύτερο από αυτόν του CERN. Η κατάσταση με την εξάρτηση του πλάτους των βαρυτικών κυμάτων από το μήκος κύματος φαίνεται πιο πολύπλοκη αυτή τη στιγμή και απαιτεί μάλλον μια αναλυτικότερη μελέτη της ανακοίνωσης της ομάδας BICEP2.

Μια ανακοίνωση, πολλά ερωτηματικά

Η ανακοίνωση των αποτελεσμάτων ενός πειράματος μέσω συνέντευξης Τύπου αποτελεί μια εντελώς ασυνήθιστη πρακτική στη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Μια παρατήρηση αυτής της σημασίας θα περίμενε κανείς ότι θα είχε σταλεί για δημοσίευση σε ένα από τα δύο πιο έγκριτα επιστημονικά περιοδικά, είτε στο «Nature» είτε στο «Science». Τα περιοδικά αυτά έχουν πολύ αυστηρούς κανόνες για τη δημοσίευση επιστημονικών εργασιών και συγκεκριμένα απαιτούν την έγκριση της δημοσίευσης από τρεις ανεξάρτητους κριτές και την απαγόρευση οποιασδήποτε επίσημης ανακοίνωσης των αποτελεσμάτων πριν από την κυκλοφορία του τεύχους του περιοδικού στο οποίο αυτή δημοσιεύεται. Επομένως θα έλεγε κανείς ότι με την ανακοίνωση των αποτελεσμάτων σε μια συνέντευξη Τύπου οι συντελεστές του πειράματος «έκαψαν» την ανακάλυψή τους, υπό την έννοια ότι δεν θα μπορούσε να δημοσιευθεί σε κανένα από αυτά. Ο λόγος που ακολούθησαν τον συγκεκριμένο δρόμο δεν είναι προφανής αυτή τη στιγμή, αλλά θα πρέπει να σημειώσουμε τρία στοιχεία. Το πρώτο είναι ότι ο επικεφαλής του πειράματος John Kovac, καθηγητής του Πανεπιστημίου Harvard, δεν είναι ένας τυχαίος επιστήμονας στον χώρο. Το διδακτορικό του, πριν από 12 χρόνια, είχε για θέμα ακριβώς την πρώτη ανίχνευση πόλωσης στη μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου. Επομένως η διεθνής επιστημονική κοινότητα λαμβάνει υπόψη πολύ σοβαρά τα αποτελέσματά του και τις απόψεις του. Το δεύτερο είναι ότι την περασμένη Τρίτη το περιοδικό «Nature», σε μια εντελώς ασυνήθιστη κίνηση, δημοσίευσε ένα «πακέτο» βίντεο και έντυπης ενημέρωσης με το οποίο στηρίζει θερμά τις ανακοινώσεις της ομάδας BICEP2. Επομένως είναι πιθανό για ένα θέμα αυτής της σημασίας το περιοδικό να θέσει σε δεύτερη μοίρα τους κανόνες δημοσίευσης που παραδοσιακά ακολουθεί. Το τρίτο είναι ότι αυτή τη στιγμή υπάρχουν καμιά δεκαριά ερευνητικές ομάδες που εργάζονται στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων μέσα από τη μελέτη της πόλωσης της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Είναι πιθανό μία από αυτές να έχει καταλήξει στο ίδιο αποτέλεσμα ή ακόμη και να έχει στείλει ήδη για δημοσίευση σε κάποιο περιοδικό μια παρόμοια ανακάλυψη, οπότε τίθεται θέμα προτεραιότητας στην περίπτωση ενός μελλοντικού βραβείου Νομπέλ.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.
http://www.tovima.gr/science/article/?aid=579593