Ένα σύμπαν γεννιέται – Μια σύντομη περιδιάβαση στην ιστορία του κόσμου μας

15/05/2019         Egno Editorial

Το σύμπαν ήταν ένα πολύ δραστήριο μέρος κατά τη διάρκεια των πρώτων τριών λεπτών. Ο Κόσμος που σήμερα βλέπουμε, εξαπλώθηκε από μια πολύ μικρή κουκκίδα σε ένα μέγεθος πολύ κοντά στη σημερινή του μάζα. Εμφανίστηκαν τα στοιχειώδη σωμάτια και πρωτόνια με νετρόνια συνδυάστηκαν στους πρώτους πυρήνες, πληρώντας το σύμπαν με τους πρόδρομους των στοιχείων. Με την ανάπτυξη ευφυών θεωριών και εκτελώντας πειράματα με επιταχυντές σύγκρουσης σωματιδίων, τηλεσκόπια και δορυφόρους, οι φυσικοί έχουν καταφέρει να γυρίσουν το φιλμ του σύμπαντος δισεκατομμύρια χρόνια πριν – να ρίχνουν μια ματιά στις πολύ πρώτες στιγμές στην ιστορία του κοσμικού μας σπιτιού. Ας κάνουμε μια σύντομη περιδιάβαση αυτής της ιστορίας:

Η εποχή Planck (Χρόνος: <10^-43 δευτερόλεπτα)
Η εποχή αυτή ονομάστηκε έτσι από το όνομα της μικρότερης κλίμακας δυνατών μετρήσεων στην σημερινή σωματιδιακή φυσική. Είναι αυτήν την περίοδο η πλησιέστερη «απόσταση» που οι επιστήμονες μπορούν να πάνε κοντά στην αρχή του χρόνου. Οι θεωρητικοί φυσικοί δεν γνωρίζουν πολλά σχετικά με τις πρώιμες στιγμές του σύμπαντος. Από τότε που η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης κέρδισε τη δημοτικότητα, οι επιστήμονες θεωρούν ότι στις πρώτες στιγμές, ο κόσμος ήταν στην θερμότερη και πυκνότερη κατάστασή του και ότι όλες οι τέσσερις θεμελιακές δυνάμεις – η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και ισχυρή πυρηνική και η βαρυτική – συνδυάζονταν σε μια μόνο ενοποιημένη δύναμη. Όμως το σημερινό κυρίαρχο θεωρητικό πλαίσιο για την αρχή του σύμπαντός μας δεν απαιτεί απαραίτητα αυτές τις συνθήκες.

Το σύμπαν απλώνεται (Χρόνος: Από 10^-43 δευτερόλεπτα έως περίπου 10^-36 δευτερόλεπτα)
Σε αυτό το στάδιο, το οποίο ξεκίνησε είτε στο χρόνο Planck ή ελάχιστα μετά από αυτόν, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το σύμπαν υπέστη μια υπερταχεία, εκθετική επέκταση σε μια διαδικασία που είναι γνωστή ως «πληθωρισμός». Οι φυσικοί πρότειναν για πρώτη φορά τη θεωρία του πληθωρισμού στη δεκαετία του 1980 για να διευθετήσει τα ψεγάδια της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης, που, παρά τη δημοφιλία της, δεν μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύμπαν ήταν τόσο επίπεδο και ομοιόμορφο και γιατί τα διάφορα μέρη του άρχισαν να διευρύνονται ταυτόχρονα.
Κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να έχουν απλωθεί για να παράγουν ένα μοτίβο όπου αργότερα προσδιορίστηκαν οι θέσεις των γαλαξιών. Μπορεί να ήταν μόνο μετά από αυτήν την περίοδο του πληθωρισμού που το σύμπαν έγινε μια θερμή, πυκνή θερμομπάλλα όπως περιγράφεται στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Γεννιούνται τα στοιχειώδη σωμάτια (Χρόνος: περίπου 10^-36 δευτερόλεπτα)
Όταν το σύμπαν ήταν ακόμη πολύ θερμό, ο κόσμος έμοιαζε με έναν γιγάντιο επιταχυντή, πολύ ισχυρότερο από τον LHC (τον Large Hadron Collider στο CERN), που λειτουργούσε σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες. Σε αυτόν, γεννήθηκαν τα στοιχειώδη σωμάτια που είναι σήμερα γνωστά. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι πρώτα προέκυψαν εξωτικά σωμάτια, που ακολουθήθηκαν από τα πιο συνηθισμένα, όπως ηλεκτρόνια, νετρίνα και κουάρκ. Θα μπορούσε να είναι περίπου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου που προέκυψαν τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης.
Τα κουάρκ σύντομα συνδυάστηκαν, σχηματίζοντας τα οικεία πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία συλλογικά είναι γνωστά ως βαρυόνια. Τα νετρίνα μπόρεσαν να δραπετεύσουν από αυτό το πλάσμα των φορτισμένων σωματιδίων και άρχισαν να ταξιδεύουν ελεύθερα μέσα στο διάστημα, ενώ τα φωτόνια συνέχισαν να είναι παγιδευμένα στο πλάσμα.

Αναδύονται οι πρώτοι πυρήνες (Χρόνος: περίπου 1 δευτερόλεπτο μέχρι 3 λεπτά)
Οι επιστήμονες θεωρούν ότι όταν το σύμπαν ψύχθηκε αρκετά για να καταλαγιάσουν οι βίαιες συγκρούσεις, πρωτόνια και νετρόνια συγκεντρώθηκαν μαζί σε πυρήνες των ελαφρών στοιχείων – υδρογόνο, ήλιο και λίθιο – σε μια διαδικασία γνωστή ως νουκλεοσύνθεση Μεγάλης Έκρηξης. Τα πρωτόνια, είναι περισσότερο σταθερά από τα νετρόνια, λόγω της μικρότερης μάζας τους. Στην πραγματικότητα, ένα ελεύθερο νετρόνιο διασπάται με χρόνο ημιζωής 15 λεπτά, ενώ τα πρωτόνια μπορεί να μη διασπώνται καθόλου, όπως γνωρίζουμε μέχρι τώρα.
Έτσι, καθώς συνδυάζονταν τα σωμάτια, πολλά πρωτόνια παρέμειναν ασύζευχτα. Ως αποτέλεσμα, το υδρογόνο – τα πρωτόνια που ποτέ δεν βρήκαν ταίρι – αποτελούν περίπου 74% της μάζας της «κανονικής» ύλης του κόσμου μας. Το δεύτερο σε μεγαλύτερη αφθονία στοιχείο είναι το ήλιο, το οποίο αποτελεί κατά προσέγγιση το 24%, που ακολουθείται κατά τα ποσά που εντοπίζονται, το δευτέριο, το λίθιο και το ήλιο-3 (ήλιο με πυρήνα τρία-βαρυόνια).
Οι επιστήμονες έχουν μπορέσει να μετρήσουν με ακρίβεια την πυκνότητα των βαρυονίων του σύμπαντός μας. Οι περισσότερες από αυτές τις μετρήσεις ευθυγραμμίζονται με εκτιμήσεις θεωρητικών σχετικά με τις ποσότητες που θα έπρεπε να υπάρχουν, όμως υπάρχει ένα επίμονο ζήτημα: Οι υπολογισμοί για το λίθιο αποκλίνουν κατά έναν παράγοντα του τρία. Θα μπορούσε να είναι ότι οι μετρήσεις εκφεύγουν, όμως θα μπορούσε επίσης να είναι κάτι που δεν γνωρίζουμε ακόμη σχετικά με το τι συνέβη κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής για να αλλάξει την αφθονία του λιθίου.

 Το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο γίνεται ορατό (Χρόνος: 380.000 χρόνια)
Εκατοντάδες χιλιάδων χρόνια μετά τον πληθωρισμό, η σούπα σωματιδίων είχε ψυχθεί αρκετά για να συνδεθούν τα ηλεκτρόνια με τους πυρήνες για να σχηματίσουν ηλεκτρικώς ουδέτερα άτομα. Μέσω αυτής της διαδικασίας, η οποία είναι επίσης γνωστή ως ανασυνδυασμός, τα φωτόνια κατέστησαν ελεύθερα να διασχίσουν το σύμπαν, δημιουργώντας το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (στο εξής CMB).

Σήμερα, το CMB είναι ένα από τα πιο αξιόπιστα εργαλεία για τους κοσμολόγους, που διερευνούν το βάθος του στην αναζήτηση των απαντήσεων για τα περισσότερα από τα επίμονα μυστικά του σύμπαντος, συμπεριλαμβανομένων της φύσης του πληθωρισμού και της αιτίας της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης. Λίγο μετά από τότε που το CMB κατέστη ανιχνεύσιμο, ουδέτερα σωματίδια υδρογόνου διαμόρφωσαν ένα αέριο που γέμισε το σύμπαν. Χωρίς κανένα αντικείμενο να εκπέμπει υψηλής ενέργειας φωτόνια, ο κόσμος βυθίστηκε σε σκοτεινά χρόνια για εκατομμύρια χρόνια.

Τα πρώτα άστρα λάμπουν (Χρόνος: περίπου 100 εκατομμύρια χρόνια)
Οι σκοτεινοί χρόνοι τελείωσαν με το σχηματισμό των πρώτων άστρων και του συμβάντος του επαναϊονισμού, μιας διαδικασίας μέσω της οποίας φωτόνια υψηλής ενέργειας απογύμνωσαν ηλεκτρόνια από ουδέτερα άτομα υδρογόνου. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι η συντριπτική πλειοψηφία των ιονισμένων φωτονίων προέκυψε από τα πρώτα άστρα. Όμως άλλες διεργασίες, όπως συγκρούσεις μεταξύ σωματίων σκοτεινής ύλης, πρέπει να έχουν επίσης παίξει ρόλο. Αυτή τη στιγμή, η ύλη άρχισε να διαμορφώνει τους πρώτους γαλαξίες. Ο δικός μας Γαλαξίας, περιέχει άστρα που γεννήθηκαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία μόνο μερικά εκατομμύρια χρόνια.

Ο Ήλιος μας γεννιέται (Χρόνος: 9,2 δισεκατομμύρια χρόνια)
Ο Ήλιος είναι ένα από τις πολλές εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα του Γαλαξία μας. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι σχηματίστηκε από ένα γιγάντιο νέφος αερίου που συνίστατο κυρίως από υδρογόνο και ήλιο.

Σήμερα (Χρόνος: 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια)
Σήμερα, ο κόσμος μας βρίσκεται στους 2,7 βαθμούς Κέλβιν (-270,42 βαθμοί Κελσίου). Το σύμπαν επεκτείνεται με έναν αυξανόμενο ρυθμό, με έναν τρόπο παρόμοιο (αλλά πολλές τάξεις μεγέθους πιο αργό) με τον πληθωρισμό. Οι φυσικοί θεωρούν ότι η σκοτεινή ενέργεια – μια μυστήρια απωστική δύναμη που σήμερα αντιπροσωπεύει του 70% της ενέργειας του σύμπαντός μας – είναι η πιο πιθανή κινητήριος αιτία της επιταχυνόμενης επέκτασης.

Πηγή: Symmetry Magazine (κείμενο της Diana Kwon)