Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedInShare on TumblrEmail this to someone

Ο Άνθρωπος και το Σύμπαν

Πέντε διαλέξεις αστροφυσικής

στις πέντε Πέμπτες του Μαρτίου, στις 5:00 μ.μ.

στη Στοά του Βιβλίου

Με τον Διονύση Π. Σιμόπουλο

Επίτιμο διευθυντή του Ευγενιδείου Πλανηταρίου

 

 

Ταξίδι Χωρίς Τέλος (Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα και πως μάθαμε όσα γνωρίζουμε για το Σύμπαν)

  1. Είμαστε Αστρόσκονη (Πως δημιουργήθηκαν τα χημικά στοιχεία που αποτελούν το σώμα μας)
  2. Τα Συστατικά του Σύμπαντος (Πως γεννήθηκε κι εξελίχτηκε το Σύμπαν και από τι αποτελείται)
  3. Ψίθυροι από το Σύμπαν (Τα Βαρυτικά Κύματα, το νέο παράθυρο πληροφοριών από το Σύμπαν)
  4. Τα Ρεκόρ του Σύμπαντος (Τα ρεκόρ του Ηλιακού Συστήματος, των εξωπλανητών, και του Σύμπαντος)

 

 

Ζούμε σ’ ένα Σύμπαν που αποτελείται από αντικείμενα που βρίσκονται τόσο μακριά, ώστε το φως τους χρειάζεται δεκάδες, χιλιάδες, εκατομμύρια η και δισεκατομμύρια χρόνια για να φθάσει από εκεί μέχρις εδώ. Κι αυτό δεν είναι παρά ένα μόνο παράδειγμα από τα άπειρα όσα μάθαμε τα τελευταία χρόνια. Γιατί όπως έλεγε χαρακτηριστικά, πριν από 2.300 περίπου χρόνια, ο Αριστοτέλης, «Φύσει του ειδέναι ορέγεται ο άνθρωπος», δηλαδή είναι στη φύση του ανθρώπου να θέλει να μάθει.

Ίσως, κάτι βαθιά χαραγμένο στη γενετική μας δομή να είναι αυτό που μας ωθεί να μάθουμε το τι είμαστε και από πού προήλθαμε. Που μας ωθεί στην περιπέτεια της εξερεύνησης. Κι αυτή η προσπάθεια, που ξεκίνησε από αρχαιοτάτων χρόνων, συνεχίζεται μέχρι σήμερα και ακόμη δεν έχουμε σταματήσει.

Τα τελευταία χρόνια έχουμε κατορθώσει να στείλουμε σε τροχιά γύρω από την Γη ολόκληρα διαστημικά αστεροσκοπεία. Μ’ αυτόν τον τρόπο μπορούμε να κάνουμε σήμερα κάτι που δεν μπορούσαμε να κάνουμε στο παρελθόν: να λάβουμε δηλαδή και να κατανοήσουμε τα μηνύματα των ακτινοβολιών που μέχρι πρότινος εμποδίζονταν από την Γήινη ατμόσφαιρα να φτάσουν στα όργανά μας. Γιατί τα όργανα που διαθέτουν οι σύγχρονες διαστημοσυσκευές καταγράφουν όλες τις ακτινοβολίες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Έτσι η επεξεργασία των πληροφοριών αυτών από τους ειδικούς επιστήμονες μας δίνει μια πιο σφαιρική και πιο ολοκληρωμένη εικόνα για το τι συμβαίνει στο Σύμπαν.

 

 

Παρ’ όλα όσα μάθαμε για το Σύμπαν όλα αυτά τα χρόνια δεν πρόκειται να είναι και το τέλος των αναζητήσεών μας. Γιατί από τη δεκαετία ακόμη του 1930 διαπιστώσαμε ότι εκτός από την ύλη που βλέπουμε, υπάρχει και ένα άλλου είδους ύλης, που δεν ξέρουμε τι στο καλό είναι!

Αυτή η «σκοτεινή ύλη» αποτελεί ένα πολύ μεγάλο κομμάτι των συστατικών του Σύμπαντος. Το γεγονός αυτό άρχισε να γίνεται γνωστό από τις αρχές της δεκαετίας του ‘30 χάρη στις πρωτοποριακές μελέτες που πραγματοποίησε ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky στη προσπάθειά του να υπολογίσει τη συνολική μάζα του γαλαξιακού σμήνους της Κόμης.

Το αποτέλεσμα ήταν παράδοξο όσο και εντυπωσιακό: η μάζα που αντιστοιχούσε στη «φωτεινή» ύλη του σμήνους ήταν κατά πολύ μικρότερη από αυτή που απαιτούνταν προκείμενου να «δικαιολογηθούν» οι ταχύτητες των γαλαξιών του. Η ύλη αυτή, επειδή δεν εκπέμπει κάποιου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που θα επέτρεπε την ανίχνευσή της, ονομάστηκε «σκοτεινή ύλη».

Τις αρχικές εκείνες μελέτες συνέχισε στη διάρκεια της δεκαετίας του ‘70 η αμερικανίδα αστρονόμος Βέρα Ρουμπί η οποία με τις πρωτοποριακές της παρατηρήσεις έδειξε ότι αντί οι ταχύτητες περιφοράς των άστρων σε κάθε γαλαξία να μειώνονται όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο του, αυτές παρέμεναν σταθερές σε  μεγάλες αποστάσεις. Με άλλα λόγια, τα άστρα στις παρυφές των γαλαξιών διέγραφαν τροχιές με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτές που θα «έπρεπε» να είχαν, εάν η ορατή γαλαξιακή ύλη, τα αναρίθμητα δηλαδή άστρα και τα αέρια που εμπεριείχαν, αντιστοιχούσε επακριβώς και στη συνολική τους μάζα.

 

 

Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν οι γαλαξίες αυτοί θα έπρεπε να είχαν «διασκορπιστεί», αφού η βαρυτική τους έλξη δεν ήταν τόσο μεγάλη όσο θα έπρεπε για να συγκρατήσει τα άστρα στις τροχιές τους. Κι αυτό δεν είναι τίποτε σ’ όσα άλλα παράξενα ανακαλύψαμε στα τέλη του 20ου αιώνα.

Οι περισσότεροι επιστήμονες μέχρι τότε, θεωρούσαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιβραδύνεται. Απολύτως φυσιολογικό, θα αναλογιστεί κάποιος, αφού σ’ αυτές τις κολοσσιαίες κοσμικές κλίμακες η βαρύτητα είναι εκείνη η φυσική αλληλεπίδραση που υπερισχύει. Και καθώς η βαρύτητα είναι πάντα ελκτική, από τη στιγμή της δημιουργίας του και μετά, από τη στιγμή δηλαδή που η Μεγάλη Έκρηξη γέννησε τον ίδιο το χώρο και το χρόνο, η διαστολή του επιβραδύνεται.

Οι ανακοινώσεις όμως διαφόρων ερευνητών που έγιναν επίσημα τον Ιανουάριο και τον Φεβρουάριο του 1998 άφησαν τη διεθνή επιστημονική κοινότητα «με το στόμα ανοιχτό»! Γιατί η ανάλυση των δεδομένων, αντί απλά να οδηγήσει στον υπολογισμό του ρυθμού επιβράδυνσης της διαστολής του Σύμπαντος με περισσότερη ακρίβεια, όπως όλοι περίμεναν, οδήγησε τους ερευνητές στο ακριβώς αντίθετο συμπέρασμα, ότι δηλαδή η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται!

Προκειμένου, λοιπόν, να εξηγηθεί αυτή η επιταχυνόμενη κοσμική διαστολή, θα έπρεπε το συνολικό απόθεμα μάζας και ενέργειας του Σύμπαντος να κυριαρχείται από ένα άγνωστο, παράξενο και βαρυτικά απωστικό «κάτι». Αυτό το κάτι το ονόμασαν «σκοτεινή ενέργεια». Και είναι πράγματι σκοτεινή γιατί, ακόμα και σήμερα, πάνω από μία δεκαετία μετά την επιβεβαίωση της ύπαρξής της, η φύση της σκοτεινής αυτής ενέργειας εξακολουθεί να διαφεύγει από τους επιστήμονες.

 

 

Η ενέργεια αυτή που κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο, εδώ και 6 έως 7 δισεκατομμύρια χρόνια, είναι σαν το Σύμπαν να έχει βάλει «γκάζι» στη διαστολή του, έτσι ώστε σε μερικά δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα, οι οποιοιδήποτε αστρονόμοι παρατηρούν το Σύμπαν από τον Γαλαξία μας, θα βλέπουν μόνο τους γαλαξίες της γειτονιάς μας. Καμιά τριανταριά δηλαδή γαλαξίες της Τοπικής Ομάδας.

Γιατί όλοι οι άλλοι γαλαξίες, τους οποίους βλέπουμε σήμερα, στην Άνοιξη του Σύμπαντος, θα έχουν κυριολεκτικά εξαφανιστεί από τα όρια της ορατότητας των διαφόρων οργάνων παρατήρησης που θα έχουν τότε οι αστρονόμοι του μέλλοντος.

Με αυτά τα νέα δεδομένα προκύπτει κάτι εξίσου εντυπωσιακό, που αναδεικνύει παράλληλα και τον όγκο της άγνοιάς μας για το Σύμπαν στο οποίο ζούμε. Γιατί φαίνεται ότι από το συνολικό ποσοστό μάζας και ενέργειας του Σύμπαντος ένα συγκλονιστικό 68% αντιστοιχεί στην άγνωστη αυτή σκοτεινή ενέργεια, ενώ ένα ακόμα 27% αντιστοιχεί στην εξίσου άγνωστη σκοτεινή ύλη, και μόλις το 5% που απομένει αντιστοιχεί στην κλασική, βαρυονική ύλη από την οποία αποτελούνται τα μυριάδες άστρα των γαλαξιών του Σύμπαντος, αλλά κι εμείς οι ίδιοι.

Πρόκειται για την ύλη που βλέπουμε, τα άτομα δηλαδή των 92 χημικών στοιχείων που βρίσκουμε ελεύθερα στη Φύση. Οτιδήποτε το υλικό είναι φτιαγμένο από άτομα. Και όλα αυτά τα άτομα, όλα τα συστατικά της Γης, κάθε άτομο βράχων ή λουλουδιών, φωτιάς, σύννεφου ή θάλασσας γεννήθηκε προηγουμένως σε κάποιους άλλους ήλιους, κάποιας αρχέγονης παρελθούσας εποχής πριν από δισεκατομμύρια χρόνια.

Όπως κι‘ εμείς, άλλωστε. Γιατί κι εμείς δεν είμαστε παρά μέρος της πρωτόγονης εκείνης ύλης που αρχικά δημιουργήθηκε με τη βίαιη γέννηση του Σύμπαντος. Η ύλη που αποτελεί τα σώματά μας «κάηκε» και ανασχηματίστηκε στην καρδιά γιγάντιων κόκκινων άστρων. Ύλη που δημιουργήθηκε από στοιχεία που εκσφενδονίστηκαν στο διαστημικό κενό από εκρήξεις σουπερνόβα. Γι’ αυτό άλλωστε είμαστε όλοι μας αστρόσκονη.

 

 

Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από χίλια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων άτομα. Ψηφιακά ο αριθμός αυτός είναι ίσος με τη μονάδα ακολουθούμενη από 27 μηδενικά. Κι όμως τα άτομα αυτά είναι τόσο μικροσκοπικά ώστε φαίνονται να είναι κι αυτά φτιαγμένα από το τίποτα: τον πυρήνα τους, και τα ηλεκτρόνια που τον περιβάλλουν, ενώ το μέγεθος του καθενός δεν ξεπερνά το μισό εκατοντάκις εκατομμυριοστό του εκατοστόμετρου.

Για να καταλάβετε πόσο μικρό είναι το μέγεθος αυτό φανταστείτε ότι μπορείτε να δείτε τα άτομα στο σώμα ενός ανθρώπου και ότι τα άτομα αυτά έχουν το μέγεθος ενός κόκκου άμμου. Σ’ αυτή την κλίμακα ο άνθρωπός μας θα είχε ύψος 3.500 χιλιομέτρων, ύψος δηλαδή ίσο με τη διάμετρο της Σελήνης.

Αν κοιτάξουμε τώρα το Σύμπαν από την άλλη του όψη, την όψη του μεγάκοσμου, κι αν μπορούσαμε να σμικρύνουμε το Ηλιακό μας Σύστημα κατά ένα τρισεκατομμύριο φορές τότε θα είχε το μέγεθος ενός μεγάλου δωματίου και ο Ήλιος μας το μέγεθος του κεφαλιού μιας καρφίτσας, ενώ το πλησιέστερο σε ‘μας άστρο (ο Εγγύτατος του Κενταύρου) θα βρίσκονταν σε απόσταση 40 περίπου χιλιομέτρων. Στην ίδια σμίκρυνση ο Γαλαξίας μας θα είχε διάμετρο 1.000.000 χιλιομέτρων, ενώ το πάχος του στο κέντρο θα έφτανε τα 100.000 χιλιόμετρα.

Σε όλη του μάλιστα την έκταση ο Γαλαξίας μας θα στολίζονταν από 200 δισεκατομμύρια άστρα καθένα με μέσο μέγεθος όσο το κεφάλι μιας καρφίτσας που θα βρίσκονταν σε αποστάσεις 40 περίπου χιλιομέτρων το ένα από τ’ άλλο. Κι ενδιάμεσα το «κενό»!

Στο Σύμπαν υπάρχουν ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια περίπου άστρα. Τόσα άστρα, όσοι είναι και οι κόκκοι της άμμου σ’ όλους τους ωκεανούς της Γης. Και παρ’ όλα αυτά βρίσκουμε ένα δισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια άτομα στην ύλη που περιέχεται μέσα σε μία δαχτυλήθρα. Το Σύμπαν δηλαδή δεν είναι παρά μια πραγματική μουσική συμφωνία της οποίας οι νότες είναι άτομα σε συνδυασμούς απίστευτα πολύπλοκους, αν και βασίζονται σε απλούς φυσικούς νόμους.

 

 

Όλα όσα συνέβησαν πάνω στη Γη, θα μπορούσαν να είχαν συμβεί αμέτρητες φορές στο παρελθόν και να επαναληφθούν και πάλι στο μέλλον μέσα στην απεραντοσύνη του Σύμπαντος. Γιατί οι πλανήτες, τα άστρα, οι γαλαξίες και η ύπαρξη ζωής, δεν είναι παρά παραλλαγές στο ίδιο θέμα.

Κι όλα αυτά τα μάθαμε μελετώντας τις ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες που έρχονται από εκεί έξω. Πρόσφατα, όμως, κατορθώσαμε να εντοπίσουμε και μιαν άλλη πηγή πληροφοριών για το Σύμπαν που βασίζεται σε μια δεύτερη αλληλεπίδραση την οποία περιέγραψε πριν από έναν αιώνα ο Άλμπερτ Αϊνστάιν.

Όπως είναι γνωστό η μεγαλύτερη ανακάλυψη του Αϊνστάιν ήταν η διαπίστωσή του πως η βαρύτητα δεν είναι στην πραγματικότητα μία δύναμη αλλά το αποτέλεσμα της παραμόρφωσης των τεσσάρων διαστάσεων του χωρόχρονου. Οποιοδήποτε μικρό ή μεγάλο κομμάτι ύλης, πλανήτης, άστρο, ή γαλαξίας, παραμορφώνει την δομή του χωρόχρονου γύρω του.

Καθώς τα διάφορα αντικείμενα κινούνται μέσα στο Σύμπαν είναι σαν να κυλάνε μέσα, έξω, και γύρω απ’ αυτές τις παραμορφώσεις, ενώ η κίνηση τους επηρεάζεται απ’ αυτές παρ’ όλο που δεν μπορούμε να τις δούμε.

Αντίθετα, εκείνο το οποίο βλέπουμε είναι το αποτέλεσμα που έχει στα διάφορα αυτά αντικείμενα η επίδραση της φαινομενικά μυστηριώδους δύναμης που ονομάζουμε βαρύτητα, με άλλα λόγια «η ύλη λέει στο χωρόχρονο πώς θα καμπυλωθεί και ο βαθμός καμπύλωσης του χωρόχρονου υπαγορεύει στην ύλη πώς θα κινηθεί», όπως τόσο χαρακτηριστικά έγραφε πριν από χρόνια ο αείμνηστος καθηγητής John Archibald Wheeler.

 

 

Κι όμως, ένα από τα πλέον βασικά ερωτήματα της Γενικής Σχετικότητας για την ύπαρξη Βαρυτικών Κυμάτων έμενε, 100 χρόνια τώρα, αναπάντητο. Οι αναζητήσεις του Αϊνστάιν τον οδήγησαν σε μια εκπληκτική διαπίστωση: ακριβώς όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δημιουργούνται από την κίνηση ηλεκτρικών φορτίων και διαδίδονται στον χωρόχρονο, έτσι θα πρέπει να υπάρχουν και βαρυτικά κύματα που θα δημιουργούνται από τη βίαιη μετακίνηση μεγάλων μαζών και θα εμφανίζονται ως πτυχώσεις στη δομή του χωρόχρονου.

Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι διάφορα καταστροφικά κοσμικά συμβάντα, όπως η τελική εκρηκτική κατάρρευση ενός ετοιμοθάνατου άστρου, ή η σπειροειδής σύμπτυξη ενός ζεύγους άστρων νετρονίων, θα πρέπει να εκπέμπουν και κύματα βαρύτητας.

Καθώς τα ταχυκίνητα αυτά κύματα θα έρχονταν σε επαφή με διάφορα σωματίδια ύλης στο Διάστημα, η ταχύτητα των σωματιδίων αυτών θα πρέπει να μεταβάλλεται έτσι ώστε και τα σωματίδια αυτά να εκπέμπουν κύματα βαρύτητας.

Ακόμη όμως και μ’ αυτή την αλυσιδωτή βαρυτική αντίδραση, ο Αϊνστάιν πίστευε ότι αφού η βαρύτητα είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, με ισχύ 100 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, η επίδραση των βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει να ήταν εξ ίσου αδύναμη οπότε δεν θα μπορούσαν ποτέ να γίνουν αντιληπτά.

Κι όμως στις 11 Φεβρουαρίου 2016 ανακοινώθηκε επίσημα ο εντοπισμός τέτοιων βαρυτικών κυμάτων ακριβώς όπως είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν ανοίγοντάς μας έτσι ένα σπουδαίο νέο παράθυρο ανακαλύψεων για τα τεκταινόμενα στο Σύμπαν.

Γιατί τα βαρυτικά κύματα μπορούν να περιγράψουν τη βίαιη προέλευσή τους, ενώ η συχνότητα και η ένταση τους στο χρόνο μας αποκαλύπτουν την ιστορία της πηγής που τα δημιούργησε, την μάζα, την ταχύτητα περιστροφής, το σχήμα της τροχιάς, την θέση της και την απόστασή της.

Κι όχι μόνο, αφού μπορούν επίσης να μας αποκαλύψουν και το τι συνέβη στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση του Σύμπαντος.

 

 

Γιατί, όπως η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου είναι η ηλεκτρομαγνητική υπογραφή της Μεγάλης Έκρηξης, μπορεί να υπάρχει επίσης κι ένα υπόβαθρο βαρυτικών κυμάτων που ίσως να δημιουργήθηκε με την απότομη διόγκωση του Σύμπαντος στην φάση της πληθωριστικής του διαστολής στα πρώτα τρισεκατομμυριοστά του πρώτου δευτερολέπτου της ύπαρξής του.

Ο Νεύτων έλεγε ότι «εγώ μπόρεσα και είδα λίγο μακρύτερα  από τους συναδέλφους μου μόνο και μόνο γιατί στηριζόμουν στους ώμους γιγάντων». Δηλαδή οι γνώσεις που αποκομίσομε στο παρελθόν μας βοηθάνε σήμερα να προχωρήσουμε ακόμη πιο πέρα.

Είναι γνώσεις, που μεταφέρονται από γενιά σε γενιά, ιδιαίτερα όσον αφορά τις γνώσεις μας για το Σύμπαν. Γιατί αυτή η προσπάθεια του ανθρώπου να αυξήσει τις γνώσεις του είναι πράγματι «ένα ταξίδι χωρίς τέλος».

Ένα ταξίδι, το οποίο ποτέ ίσως δεν πρόκειται να σταματήσει. Γιατί δεν πρέπει να ξεχνάμε όλους εκείνους τους επιστήμονες, τους φιλόσοφους και τους λόγιους που στα τελευταία 300 και συναρπαστικότερα χρόνια της εξέλιξης των ιδεών στις φυσικές επιστήμες αποφαίνονταν κατά καιρούς ότι «το τέλος της φυσικής» πλησίαζε και ότι σύντομα θα αποκαλύπταμε τους φυσικούς νόμους που διέπουν τη λειτουργία του Σύμπαντος σε όλο τους το μεγαλείο!

Κι όμως κάθε φορά μια νέα επιστημονική επανάσταση τους διέψευδε, ανοίγοντας καινούριους ορίζοντες προς διερεύνηση.

Η στιγμή για την επόμενη επανάσταση ίσως να πλησιάζει. Και ίσως σε τελική ανάλυση να είχε απόλυτο δίκιο ο μεγάλος προσωκρατικός φιλόσοφος Ηράκλειτος, που κι αυτόν τον είχαν χαρακτηρίσει «σκοτεινό»,  όταν έλεγε ότι «η φύσις κρύπτεσθαι φιλεί».

 

Δείτε επίσης