Η διπλή κρίση στην Κοσμολογία με φόντο το σύμπαν

Δύο βαριά σύννεφα πλανιούνται πάνω από την κοσμολογία και τη σκιάζουν σε βαθμό κρίσης. Το πρώτο έχει να κάνει με την αδυναμία των επιστημόνων να πουν με βεβαιότητα αν το σύμπαν είναι σφαιρικό (κλειστό) ή επίπεδο (ανοικτό) και το δεύτερο με το τεράστιο μπέρδεμα που επικρατεί σχετικά με την ταχύτητα επέκτασης του σύμπαντος και κατ' επέκταση με την ηλικία του.

Όσον αφορά το πρώτο ζήτημα, μια νέα επιστημονική μελέτη τάσσεται υπέρ της θεωρίας του σφαιρικού-κλειστού σύμπαντος, αλλά -όπως αναμενόταν- ξεσηκώθηκαν αμέσως φωνές περί της αντιθέτου άποψης, η οποία έως τώρα έχει το «πάνω χέρι».

Η νέα μελέτη των κοσμολόγων Αλεσάντρο Μαλκιόρι (Πανεπιστήμιο Σαπιέντζα Ρώμης), Ελεονόρα Ντι Βαλεντίνο (Πανεπιστήμιο Μάντσεστερ) και Τζόζεφ Σιλκ (Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς Βαλτιμόρης), που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό αστρονομίας "Nature Astronomy", υποστηρίζει ότι το σύμπαν είναι σαν φουσκωμένο μπαλόνι. Ο ισχυρισμός βασίζεται στην ανάλυση των πιο πρόσφατων στοιχείων της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB), που είναι η αχνή «ηχώ» της αρχικής «μεγάλης έκρηξης» δημιουργίας του σύμπαντος (Μπιγκ Μπανγκ).

Η νέα μελέτη έρχεται σε αντίθεση με την επικρατέστερη θεωρία περί επίπεδου σύμπαντος, καθώς και με μια άλλη πρόσφατη έρευνα που βασίστηκε στα ίδια περίπου στοιχεία της CMB από το δορυφόρο «Πλανκ» του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA), αλλά είχε καταλήξει σε άλλα συμπεράσματα. Αν το σύμπαν όντως καμπυλώνεται, σύμφωνα με τους τρεις κοσμολόγους, τότε η καμπύλωση είναι ήπια και ομαλή. Τελικά όμως αν κάποιος ή κάτι (π.χ. ένα φωτόνιο) κινηθεί σε ευθεία γραμμή έως στις εσχατιές του σύμπαντος, θα κάνει κύκλο και θα καταλήξει εκεί από όπου ξεκίνησε, όπως θα είχε συμβεί, αν είχε κάνει το γύρο της σφαιρικής Γης.

Η αντίπαλη θεωρία επιμένει πως το σύμπαν είναι επίπεδο, εκτείνεται χωρίς όρια προς κάθε κατεύθυνση και δεν σχηματίζει κάποιου είδους σφαίρα, συνεπώς όποιος ξεκινήσει για τα άκρα του σύμπαντος, σίγουρα δεν θα ξαναγυρίσει πίσω. Και στις δύο εκδοχές το σύμπαν επεκτείνεται, αλλά στην περίπτωση του σφαιρικού σύμπαντος το «μπαλόνι» φουσκώνει συνεχώς, οπότε κάθε σημείο πάνω στην επιφάνεια του απομακρύνεται από όλα τα άλλα.

Η έως τώρα επικράτηση του επίπεδου σύμπαντος βασίζεται στο μοντέλο του πληθωρισμικού σύμπαντος, το οποίο -υποτίθεται ότι- κατά το πρώτο απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του γνώρισε μια απίστευτη εκθετική επέκταση. Η φυσική αυτής της τρομερά γρήγορης επέκτασης «δείχνει» προς ένα επίπεδο ανοικτό σύμπαν.

Οι τρεις κοσμολόγοι, μέλη της επιστημονικής κοινοπραξίας Planck, διατείνονται στο "Nature Astronomy" ότι οι υπολογισμοί τους πάνω στην μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου δείχνουν αντίθετα -αν και όχι με βεβαιότητα, όπως παραδέχονται- προς ένα καμπυλωμένο κλειστό σύμπαν. Όπως υποστηρίζουν, σύμφωνα με το New Scientist, το σύμπαν είναι 41 φορές πιθανότερο να είναι κλειστό παρά επίπεδο.

Όμως οι κοσμολόγοι του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ Γιώργος Ευσταθίου και Στίβεν Γκράτον, επίσης ερευνητές της ομάδας Planck, σε προδημοσίευση τους στις αρχές Οκτωβρίου στη βάση δεδομένων arXiv, καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα στοιχεία του «Πλανκ» από τον απόηχο του «Μπιγκ Μπανγκ» μάλλον παραπέμπουν σε ένα επίπεδο σύμπαν, κάτι με το οποίο συμφωνεί ο κοσμολόγος Αντρέι Λίντε του Πανεπιστημίου Στάνφορντ της Καλιφόρνια, πρωτοπόρος της θεωρίας του κοσμολογικού πληθωρισμού.

Η δεύτερη κοσμολογική κρίση

Όσον αφορά το δεύτερο ζήτημα, η πρώτη ένδειξη ότι το σύμπαν επεκτείνεται, υπήρξε στη δεκαετία του 1920, όταν ο Αμερικανός αστρονόμος Έντουιν Χαμπλ (που έδωσε το όνομα του στο ομώνυμο διαστημικό τηλεσκόπιο και στην ομώνυμη Σταθερά γνωστή και ως Η0) παρατήρησε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από τη Γη πιο γρήγορα, όσο μακρύτερα από αυτήν βρίσκονται. Ανάλογες ανεξάρτητες παρατηρήσεις είχε κάνει και ο Ευρωπαίος αστροφυσικός Ζορζ Λεμέτρ. Οι δύο πρωτοπόροι της κοσμολογίας είχαν κάνει ένα πρώτο υπολογισμό της ταχύτητας επέκτασης του σύμπαντος περίπου στα 500 km/s/Mpc (αυτό σημαίνει ότι ένας γαλαξίας σε απόσταση ενός μεγαπαρσέκ ή 3,26 εκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη απομακρύνεται από αυτήν με ταχύτητα 500 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο).

Έκτοτε οι επιστήμονες μείωσαν κατά πολύ αυτό τον αριθμό, αλλά αδυνατούν να συμφωνήσουν στο πόσο γρήγορη είναι η επέκταση. Δύο κυρίως αριθμοί έχουν προκύψει. Ο ένας (περίπου 74 km/s/Mpc) βασίζεται στη χρήση του τηλεσκοπίου Hubble για να μετρηθούν οι αποστάσεις -και πώς αυτές μεταβάλλονται- μεταξύ της Γης και μερικών πολύ φωτεινών άστρων (υπερκαινοφανών ή σούπερ-νόβα). Ο δεύτερος μικρότερος αριθμός (περίπου 67 km/s/Mpc) προκύπτει από τα δεδομένα του ευρωπαϊκού επιστημονικού δορυφόρου Planck σχετικά με τις διαφορές θερμοκρασίας στην ακτινοβολία CMB.

Τον Οκτώβριο αστρονόμοι του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια παρουσίασαν στοιχεία ότι το σύμπαν επεκτείνεται πιο γρήγορα από ό,τι προβλέπει η κυρίαρχη θεωρία. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό "Monthly Notices" της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας της Βρετανίας, ρίχνει λάδι στη φωτιά μιας χρόνιας επιστημονικής διαμάχης, καθώς οι επιστήμονες έχουν στα χέρια τους ολοένα περισσότερες διαφορετικές εκτιμήσεις για το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος (τη λεγόμενη «σταθερά του Χαμπλ») και δεν μπορούν να αποφασίσουν ποιος είναι ο σωστός.

Είχε προηγηθεί το Σεπτέμβριο άλλη μια διεθνής μελέτη, με επικεφαλής το γερμανικό Ινστιτούτο Αστροφυσικής Μαξ Πλανκ, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό "Science" και είχε χρησιμοποιήσει μια νέα τεχνική (δύο γαλαξίες ως βαρυτικούς φακούς για να υπολογίσει τις αποστάσεις εκατοντάδων σούπερ-νόβα), καταλήγοντας σε υψηλότερη τιμή για τη Σταθερά Χαμπλ (82,4+/-8,4 km/s/Mpc). Στη συνέχεια, οι ίδιοι επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι, λαμβάνοντας υπόψη τους και άλλα δεδομένα, κατέληξαν σε ένα μικρότερο ρυθμό επέκτασης (73,3+/-1,8 km/s/Mpc).

Η αβέβαιη ηλικία του σύμπαντος

Σύμφωνα με το «στάνταρντ» κοσμολογικό μοντέλο, το σύμπαν επεκτεινόταν πολύ γρήγορα στην αρχή της ιστορίας του, μετά επιβραδύνθηκε λόγω του «φρένου» (βαρυτικής έλξης) της σκοτεινής ύλης και σήμερα η επέκταση του έχει ξανά επιταχυνθεί εξαιτίας της άλλης μυστηριώδους δύναμης, της σκοτεινής ενέργειας. Όμως, ανάλογα με την τεχνική υπολογισμού, αλλάζει και η εκτιμώμενη ταχύτητα επέκτασης του σύμπαντος, κάτι που κανονικά δεν θα έπρεπε να συμβαίνει.

Μια σημαντική «παρενέργεια» είναι ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα επέκτασης του σύμπαντος, τόσο μικρότερη γίνεται η ηλικία του. Σήμερα κυριαρχεί η εκτίμηση ότι το σύμπαν έχει ηλικία 13,7 δισεκατομμυρίων ετών (με βάση μια Σταθερά Χαμπλ γύρω στα 70 km/s/Mpc που είχε υπολογιστεί το 2000). Όμως, αν η ταχύτητα επέκτασης του είναι μεγαλύτερη (γύρω στα 82 km/s/Mpc), τότε το σύμπαν έχει ηλικία τουλάχιστον δύο δισεκατομμύρια χρόνια μικρότερη (γύρω στα 11,4 δισεκατομμύρια χρόνια).

Όλη αυτή η αβεβαιότητα, λένε ολοένα περισσότεροι επιστήμονες, σημαίνει ότι το κυρίαρχο κοσμολογικό μοντέλο πρέπει να αλλάξει. Όπως δήλωσε ο καθηγητής φυσικής Chris Fassnacht του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, «η κρίση στην κοσμολογία οφείλεται στο ότι ενώ η Σταθερά του Χαμπλ είναι σταθερή οπουδήποτε στο διάστημα σε μια δεδομένη στιγμή, δεν είναι σταθερή στο χρόνο. Έτσι, όταν συγκρίνουμε τις Σταθερές του Χαμπλ που προκύπτουν από τις διαφορετικές μεθόδους, συγκρίνουμε το πρώιμο σύμπαν όταν κάνουμε μακρινές παρατηρήσεις, με το ύστερο πιο σύγχρονο μέρος του σύμπαντος, όταν χρησιμοποιούμε τοπικές και γειτονικές παρατηρήσεις».