PASIPHAE: “Ξεσκονίζοντας” τον δρόμο προς τη Μεγάλη Έκρηξη
Οι πρώτες στιγμές του σύμπαντος κυβερνώνται από Φυσική άγνωστη ακόμη στην ανθρωπότητα και γι’ αυτό η πειραματική μελέτη τους θα επέτρεπε την πραγματοποίηση ενός ασύλληπτα μεγάλου επιστημονικού άλματος. Το PASIPHAE, ένα μοναδικό διεθνές πείραμα Αστροφυσικής που συντονίζεται από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και κατέστη δυνατό χάρη σε δωρεά του Ιδρύματος Σταύρος Νιάρχος, φιλοδοξεί να ανοίξει τον δρόμο προς την ανίχνευση του αποτυπώματος αυτών των πρώτων στιγμών της δημιουργίας.
Η εικόνα του Σύμπαντος σε κοσμικές αποστάσεις
Η αλματώδης ανάπτυξη της Κοσμολογίας κατά τη διάρκεια του περασμένου αιώνα έφερε επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε το Σύμπαν σε μεγάλες κλίμακες: ο χώρος μεταξύ των μακρινών γαλαξιών διαστέλλεται, και το Σύμπαν γίνεται ολοένα πιο μεγάλο, πιο αραιό, και πιο ψυχρό. Η συνέπεια είναι ότι, γυρίζοντας το ρολόι προς τα πίσω, το Σύμπαν γίνεται πιο πυκνό και θερμό. Αυτή είναι η θεωρία της «Μεγάλης Έκρηξης», δηλαδή της γένεσης του σύμπαντος από μια υπέρπυκνη και υπέρθερμη «σούπα», 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Την υπέρπυκνη και υπέρθερμη αυτή εποχή, η ύλη ήταν πλήρως αδιαφανής. Το ακόμη πιο νεαρό σύμπαν είναι τόσο απροσπέλαστο στα τηλεσκόπιά μας όσο και το κέντρο ενός άστρου.
Καθώς το Σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν, ήρθε μια στιγμή κατά την οποία έγινε διαφανές. Τη στιγμή εκείνη, εξέπεμψε μια χαρακτηριστική ακτινοβολία, την μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (cosmic microwave background, CMB) που είναι το αρχαιότερο φως που μπορούμε να ανιχνεύσουμε. Η επένδυση στη μελέτη του CMB είναι τεράστια. Τρεις διαστημικές αποστολές (COBE, WMAP και Planck) και πολυάριθμα επίγεια πειράματα με συνολικό κόστος δισεκατομμυρίων εύρω αφιερώθηκαν αποκλειστικά στη μελέτη κάθε πτυχής του. Οι δορυφόροι αυτοί μέτρησαν, με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια ο ένας μετά τον άλλον, την κατανομή του αρχέγονου φωτός σε διάφορες κατευθύνσεις του ουρανού και έκαναν δυο αναπάντεχες και συναρπαστικές ανακαλύψεις.
Η πρώτη ήταν πως, ιδωμένος σε εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις, ο ουρανός ήταν υπερβολικά ισότροπος. Η θερμοκρασία του Σύμπαντος σε αντιδιαμετρικά σημεία του ουρανού όταν το αρχέγονο φως εκμπέμφθηκε διέφερε κατά μόλις ένα κλάσμα 1/100.000. Η ταύτιση αυτή είναι αναπάντεχη, γιατί αντιδιαμετρικά σημεία στον ουρανό βρίσκονται τόσο μακρυά μεταξύ τους ώστε δεν υπήρχε αρκετός χρόνος ανάμεσα στη «στιγμή μηδέν» και τη στιγμή της εκπομπής του αρχέγονου φωτός για να διαδοθεί πληροφορία από το ένα σημείο στο άλλο και να συντονιστούν οι θερμοκρασίες τους, λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός.
Η δεύτερη ανακάλυψη ήταν πως, ιδωμένος σε μικρότερες κλίμακες, ο ουρανός ήταν υπερβολικά ανισότροπος. Υπάρχουν δηλαδή μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας σε μικρή κλίμακα. Αν κάποια διεργασία πραγματικά συντόνισε τη θερμοκρασία του Σύμπαντος με τόσο μεγάλη ακρίβεια, τότε γιατί δεν τη συντόνισε εντελώς;
Η προτεινόμενη λύση: Θεωρία του Πληθωρισμού
Για την επίλυση των δυο αυτών ανοιχτών ερωτημάτων προτάθηκε η θεωρία του Πληθωρισμού (Inflation). Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, κατά τη διάρκεια του πρώτου δισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου της ιστορίας του Σύμπαντος, η απόσταση ανάμεσα σε δυο σημεία του χώρου γινόταν, κάθε στιγμή, πολλαπλάσια από την προηγούμενη, με αποτέλεσμα περιοχές που ήταν αρχικά πολύ κοντά η μια στην άλλη (και άρα με «συντονισμένες», πανομοιότυπες θερμοκρασίες) να παρασυρθούν από τη διαστολή του χώρου σε τεράστιες αποστάσεις.
Η ίδια υπόθεση εξηγεί τη δημιουργία των απειροελάχιστων διακυμάνσεων θερμοκρασίας και πυκνότητας στο νεαρό σύμπαν: η πληθωριστική διαστολή δεν ήταν δυνατόν να σταματήσει σε όλα τα σημεία του σύμπαντος ταυτόχρονα, εξαιτίας των πανταχού παρόντων κβαντομηχανικών διακυμάνσεων στην (άγνωστης φύσης) δύναμη που την προξένησε. Περιοχές στις οποίες ο πληθωρισμός διήρκεσε λίγο παραπάνω κατέληξαν να έχουν λίγο διαφορετικές συνθήκες από τις γειτονικές τους, στις οποίες ο πληθωρισμός διήρκεσε λίγο λιγότερο.
Συνέβη
στ’ αλήθεια
ο Πληθωρισμός;
Η πειραματική επαλήθευση της θεωρίας του Πληθωρισμού σκοντάφτει σε ένα σημαντικό εμπόδιο: ο Πληθωρισμός, αν συνέβη, έλαβε χώρα πολύ πριν την εκπομπή του CMB. Για καλή μας τύχη όμως, οι θεωρίες του Πληθωρισμού προβλέπουν ότι κατά την έξοδο από τον Πληθωρισμό παράγονται βαρυτικά κύματα: κυματισμοί του ίδιου του χωρόχρονου που διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Τα βαρυτικά κύματα δεν απορροφούνται και δεν παρεμποδίζονται – μπορούν να διαδοθούν ελεύθερα ακόμη και μέσα σε υπέρπυκνες και υπέρθερμες περιοχές που είναι εντελώς αδιαφανείς στο φως! Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν μια πρόβλεψη – κλειδί της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Η ύπαρξή τους επιβεβαιώθηκε άμεσα το Σεπτέμβριο του 2015, όταν το παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) κατέγραψε τον παλμό βαρυτικών κυμάτων που εκπέμφθηκαν κατά τη συγχώνευση δυο μελανών οπών.
Σε αντίθεση με τα βαρυτικά κύματα που ανίχνευσε το LIGO, τα βαρυτικά κύματα από την εποχή του πληθωρισμού δεν μπορούν να ανιχνευθούν άμεσα, εξαιτίας της απειροελάχιστα μικρής έντασής τους. Μπορούν όμως να ανιχνευθούν έμμεσα, μέσω της επίδρασης που έχουν στο αρχέγονο φως, στο CMB, και πιο συγκεκριμένα στην πόλωσή του.
Ανακρίνοντας το αρχέγονο φως ακόμη μια φορά: Πόλωση
Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα: μια ταλάντωση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Προς τα πού όμως ακριβώς δείχνει το ηλεκτρικό πεδίο σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα; Την κατεύθυνση αυτή την περιγράφει η πόλωση του φωτός.
Στο φυσικό φως (όπως το φως ενός αστεριού), το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται σε τυχαίες κατευθύνσεις, κάθετες πάντοτε στην κατεύθυνση διάδοσης. Αυτό το φως ονομάζεται μη πολωμένο. Υπάρχουν όμως και διεργασίες στη φύση που παράγουν πολωμένο φως: φως στο οποίο το ηλεκτρικό πεδίο προτιμά μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, την κατεύθυνση πόλωσης του φωτός.
Τα βαρυτικά κύματα που εκπέμπονται στο τέλος της εποχής του Πληθωρισμού παραμορφώνουν τον χωρόχρονο κατά τη διάδοσή τους, και βέβαια παραμορφώνουν τον χωρόχρονο την εποχή της εκπομπής του CMB. Η παραμορφωτική τους δράση αποτυπώνει ένα χαρακτηριστικό μοτίβο στις κατευθύνσεις πόλωσης, που είναι γνωστό ως B-modes. Η επιβεβαίωση της ύπαρξής των B-modes θα επαλήθευε ότι ο Πληθωρισμός πράγματι συνέβη, και θα άνοιγε το δρόμο για την κατανόηση νέας, άγνωστης ως τώρα Φυσικής. Κάτι τέτοιο θα ήταν η πιο συναρπαστική ανακάλυψη των τελευταίων δεκαετιών! Για το λόγο αυτό, πολυάριθμα πειράματα, επίγεια και διαστημικά, πραγματοποιούνται ή σχεδιάζονται με στόχο την ανίχνευση των B-modes από την εποχή του Πληθωρισμού, με συνολική επένδυση δισεκατομμυρίων ευρώ στις μελέτες αυτές.
Τον Μάρτιο του 2014 ένα από τα πειράματα αυτά, το BICEP2, ανακοίνωσε πως είχε ανιχνεύσει B-modes στην πόλωση του CMB. Παρά τον αρχικό ενθουσιασμό στην επιστημονική κοινότητα, αναλυτικότερες παρατηρήσεις από το δορυφόρο Planck αποκάλυψαν μια πιο απογοητευτική εικόνα: τα B-modes του BICEP2 είχαν μια πιο πεζή προέλευση - την ψυχρή σκόνη που ρυπαίνει τον χώρο μεταξύ των αστεριών στο δικό μας Γαλαξία.
Το πρόβλημα:
Μικροκυματική
πόλωση και
μεσοαστρική σκόνη
Οι ψυχροί κόκκοι σκόνης που είναι σκορπισμένοι παντού στο μεσοαστρικό χώρο ακτινοβολούν ακριβώς στις ίδιες συχνότητες με το CMB, και η ακτινοβολία τους είναι πολωμένη λόγω της ύπαρξης κοσμικών μαγνητικών πεδίων. Έτσι, κάθε φορά που οι επιστήμονες προσπαθούν να μελετήσουν την πόλωση του CMB είναι υποχρεωμένοι να το κάνουν μέσα από ένα «πέπλο» σκόνης. Ο δορυφόρος Planck αποκάλυψε πως η πολωμένη ακτινοβολία από τη σκόνη είναι αρκετά μεγάλη ώστε τα B-modes που ανίχνευσε το BICEP2 να οφείλονται εξ’ ολοκλήρου σ’ αυτήν.
Τα πλέον ανησυχητικά νέα είναι ότι οι παρατηρήσεις του Planck δεν είναι αρκετές για να μας επιτρέψουν να αφαιρέσουμε το σήμα της σκόνης και να “αποκαλύψουμε” τα B-modes του CMB. Ο λόγος είναι ότι η σκόνη είναι ακανόνιστα κατανεμημένη στο Γαλαξία: σε κάθε κατεύθυνση υπάρχουν πολλά σύννεφα σκόνης, το καθένα με διαφορετικό μαγνητικό πεδίο, διαφορετική θερμοκρασία, και διαφορετική ποσότητα εκπεμπόμενης πολωμένης ακτινοβολίας. Η ακριβής αφαίρεση της παρεμβολής της σκόνης απαιτεί την τριδιάστατη καταγραφή της περίπλοκης κατανομής της στον Γαλαξία μας.
Το πρόβλημα είναι σοβαρό, όχι όμως ανυπέρβλητο! Η λύση του προτάθηκε από επιστήμονες του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης: να χρησιμοποιήσουμε τα αστέρια του Γαλαξία ως «φάρους» που θα μας επιτρέψουν να αποκτήσουμε την πληροφορία που χρειαζόμαστε.
Η λύση:
Μεσοαστρική σκόνη και αστέρια
Οι κόκκοι σκόνης δρουν σαν φίλτρα polaroid – όχι μόνον εκπέμπουν πολωμένο φως, αλλά και πολώνουν το φως των αστεριών που τους διαπερνά. Αν παρατηρήσουμε το φως ενός άστρου, το φως αυτό θα είναι πολωμένο – ακριβώς λόγω της ίδιας σκόνης που μας εμποδίζει να μετρήσουμε την πόλωση του CMB. Και επειδή είναι η ίδια σκόνη που προξενεί τα δυο φαινόμενα, η πόλωση των αστεριών μπορεί να μας βοηθήσει να καταγράψουμε το «πέπλο» που μας παρεμποδίζει να ανιχνεύσουμε τα αρχέγονα B-modes.
Η τριδιάστατη φύση της χαρτογράφησης που μπορούμε να πραγματοποιήσουμε χρησιμοποιώντας αστέρια οφείλεται στο ότι τα άστρα είναι διάσπαρτα ανάμεσα στα νέφη σκόνης, και οι αποστάσεις τους μπορούν να μετρηθούν. Έτσι, μελετώντας την πόλωση πολλών αστεριών σε διάφορες αποστάσεις, μπορούμε να βρούμε πόσα νέφη βρίσκονται σε κάθε κατεύθυνση, πού βρίσκονται, και πού δείχνει το μαγνητικό πεδίο που τα διαπερνά.
Τέτοιου είδους μαγνητική τομογραφία του Γαλαξία δεν έχει πραγματοποιηθεί ποτέ ως τώρα. Αποτελεί νέα καινοτόμο μεθοδολογία που αναπτύχθηκε στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης. Τα αποτελέσματά της θα φέρουν μια πραγματική επανάσταση τόσο στις μελέτες της πόλωσης του CMB, όσο και στη μελέτη πληθώρας αστροφυσικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένων της αστρικής γένεσης, της εξέλιξης των γαλαξιών και της Αστροσωματιδιακής Φυσικής υψηλών ενεργειών.
Το πείραμα PASIPHAE (Polar-Area Stellar Imaging in Polarization High-Accuracy Experiment) για πρώτη φορά θα καταστήσει δυνατή τη μαγνητική τομογραφία του Γαλαξία και κατά συνέπεια την ακριβή κατανόηση της πολωμένης ακτινοβολίας από σκόνη. Αυτό θα επιτρέψει στους επιστήμονες να αφαιρέσουν τη συνεισφορά της σκόνης από παρατηρήσεις της πόλωσης του CMB, ανοίγοντας το δρόμο για την ανίχνευση των Β-modes και την πειραματική επιβεβαίωση του Πληθωρισμού.
*Ο Κωνσταντίνος Τάσσης είναι επίκουρος καθηγητής Αστροφυσικής του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και η Βάσω Παυλίδου είναι επίκουρος καθηγήτρια Θεωρητικής Αστροφυσικής στο τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης
