ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΚΕΣ ΘΕΩΡΙΕΣ
Ένα πρώτο ερώτημα που θέσαμε είναι αν θα μπορούσε η κοσμική ακτινοβολία του βάθους να έχει ηλικία πολύ μικρότερη της Μεγάλης Έκρηξης. Πρόσφατα ο Jayaut Narlikar είπε ότι θα μπορούσε. Αυτό που χρειάζεται για τον σκοπό αυτό είναι ένα σύνολο σωματιδίων, τα οποία θα απορροφούν την ακτινοβολία μικροκυμάτων, αλλά θα είναι διαφανή στην ορατή ακτινοβολία και ραδιοακτινοβολία. Στη συνέχεια θα επανεκπέμπουν την ίδια ακτινοβολία σαν μικροκυματική ακτινοβολία βάθους. Τα σωματίδια αυτά που εντοπίστηκαν και ονομάστηκαν κοσμικοί κόκκοι, αφού δημιουργηθούν, μεταφέρονται στον μέσο γαλαξιακό χώρο υπό την επίδραση της πίεσης της ακτινοβολίας μιας έκρηξης Supernova.
Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι τέτοιου είδους σωματίδια θα αφαιρούσαν αποτελεσματικά κάθε είδος ανομοιογένειας από την ακτινοβολία που προέρχεται από τα άστρα και τους γαλαξίες. Έτσι επιλύεται το πρόβλημα της καταγραφόμενης ομοιογένειας της ακτινοβολίας βάθους. Στο ίδιο μοντέλο θεωρούν ότι μερικοί quasar θα μπορούσαν να είχαν εκτοξευτεί από έναν γηραιό γαλαξία κατά τη διάρκεια μιας «μίνι δημιουργίας». Το εναλλακτικό αυτό μοντέλο των Hoyle–Narlikar αποτελεί μια θεωρία-γέφυρα, αφού περιλαμβάνει τόσο τη Μεγάλη Έκρηξη όσο και τη δυνατότητα επαναλαμβανόμενων μικρών εκρήξεων και της συνεχούς δημιουργίας που αυτές συνεπάγονται.
Η Θεωρία της Ανομοιογενούς Μεγάλης Έκρηξης
Πρόκειται για μια νέα θεωρία Μεγάλης Έκρηξης, σύμφωνα με την οποία η ύλη διασκορπίστηκε ανομοιογενώς στο νεαρό σύμπαν, δημιουργώντας περιοχές υψηλής πυκνότητας και περιοχές χαμηλής συχνότητας. Τότε όμως γιατί η ακτινοβολία του βάθους να είναι ομοιογενής; Η απάντηση που πρότειναν το 1985 οι James Applegate και Craig Hogan ήταν ότι οι ανομοιογένειες της μάζας δεν θα ήταν δυνατό να αφήσουν ίχνη, διότι τα υλικά σωματίδια αποτελούσαν εκείνη την εποχή ένα αμελητέο σχεδόν ποσοστό της ύλης του σύμπαντος που ήταν γεμάτη φωτόνια. Οι διαφορές που προκύπτουν μπορεί να είναι εντυπωσιακές.
Στην κλασική θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, τα πρωτόνια ήταν στο Αρχέγονο Σύμπαν πολύ περισσότερα από τα νετρόνια. Στη θεωρία της Ανομοιογενούς Έκρηξης τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια ήταν συγκεντρωμένα σε περιοχές υψηλής πυκνότητας και έτειναν να διασκορπιστούν σε περιοχές χαμηλής πυκνότητας. Κάτι τέτοιο όμως μόνο τα νετρόνια κατόρθωσαν να το πετύχουν. Τα πρωτόνια, εξαιτίας του θετικού τους φορτίου, παγιδεύτηκαν από τα ηλεκτρόνια στις περιοχές της υψηλής πυκνότητας. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία περιοχών υψηλής πυκνότητας, πλούσιων σε πρωτόνια, και περιοχών χαμηλής πυκνότητας, πλούσιων σε νετρόνια. Οι πυρηνικές αντιδράσεις στις περιοχές υψηλής πυκνότητας μιμούνταν κατά κάποιο τρόπο εκείνες που προβλέπονται από τη Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Στις περιοχές μικρότερης πυκνότητας, όπου κυριαρχούσαν τα νετρόνια, δημιουργήθηκαν στοιχεία βαρύτερα όπως βηρύλλιο, βόριο κ.α.
Το Κενό
Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ακόμα και στην κατάσταση του Απόλυτου μηδενός το κενό περιέχει ενέργεια, που ονομάζεται ενέργεια μηδενικού σημείου. Στο κενό υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικά πεδία, οι διακυμάνσεις των οποίων προκαλούν σωματίδια. Η κβαντική έννοια του κενού δεν έχει καμία σχέση με τον άδειο χώρο, αλλά αντιστοιχεί στη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός συστήματος.
Η Θεωρία του Guth
Το ορατό σύμπαν αποτελεί ένα ελάχιστο τμήμα μιας τεράστιας φυσαλίδας. Όλα ξεκίνησαν με τη δημιουργία φυσαλίδων στη διάρκεια ενός πολύ μικρού χρονικού διαστήματος (της τάξης του κλάσματος του millisecond), οι οποίες αναπτύσσονται υπερβολικά (πληθωρισμικά) με τρομακτική ταχύτητα. Από ένα σημείο και μετά η υπερανάπτυξη σταματά κι αρχίζει η βραδύτερη ανάπτυξη Huble.
Στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος, κάθε φορά που η θερμοκρασία έπεφτε κάτω από κάποια οριακή τιμή, το κενό υφίστατο μεταβολή φάσης και περνούσε σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (hv* p+ +p-). Η μεταβολή της φάσης δεν ήταν ακαριαία κι έτσι η διαφορά ενέργειας των δύο καταστάσεων παρέμεινε αποθηκευμένη. Σύμφωνα με την έννοια του κβαντικού κενού, αυτή η κατάσταση που περιέχει ενέργεια μπορεί να ονομαστεί «ψευδόκενο». Η πίεση που αντιστοιχεί στην ενέργεια του κενού είναι αρνητική κι έτσι οι φυσαλίδες του ψευδοκενού ωθούνται σε υπερανάπτυξη, διαστελλόμενες με εκθετικό τρόπο. Επομένως, στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος κυριαρχεί η διαστολή, που οφείλεται στη διαφορά ενέργειας μεταξύ κενού και ψευδοκενού.
Το κενό λοιπόν είναι γεμάτο από αόρατη ύλη που χαρακτηρίζεται από αρνητική ενέργεια. Όταν σε κάποιο σημείο αυτού του κενού χώρου επιδράσει μια υπερβολικά συγκεντρωμένη ποσότητα ενέργειας, τότε σωματίδια κάνουν την εμφάνισή τους στον κόσμο της ύλης και αντισωματίδια στον κόσμο της αντιύλης.
Oι Joset Hoel και Woltang Priester, από το πανεπιστήμιο της Βόννης, πρόσφατα συμπλήρωσαν τη θεωρία, υποστηρίζοντας ότι τα νέφη υδρογόνου είναι κατανεμημένα στη νοητή επιφάνεια τεράστιων φυσαλίδων, αφού η παρατήρηση των σμηνών γαλαξιών έδειξε ότι αυτές οι φυσαλίδες υπάρχουν κι έχουν διάμετρο 100 εκατομμύρια έτη φωτός σε σμήνη των 1.000 γαλαξιών. Το μοντέλο των Hoel και Priester επιβεβαιώνει ότι το σύμπαν διεστάλη πολύ αργά, ανάμεσα στα 5 και 15 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη, επιτρέποντας στους γαλαξίες να δημιουργηθούν από το πρωταρχικό υδρογόνο και ήλιο των τοιχωμάτων της αρχικής φυσαλίδας. Η δομή της φυσαλίδας πάντως εμφανίστηκε 600.000 χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη. Την εποχή εκείνη η θερμοκρασία είχε πέσει κάτω από τους 3.000 βαθμούς Κελσίου, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να προστεθούν σε πυρήνες υδρογόνου και ηλίου και να σχηματιστούν ηλεκτρικά ουδέτερα και διαφανή αέρια. Φυσαλίδες που σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αυτής διεστάλησαν αργά από τότε, καθώς και το ίδιο το σύμπαν υφίστατο διαστολή.
Στην ερώτηση αν δημιουργήθηκαν πρώτα οι μεγάλες δομές (σμήνη γαλαξιών) ή οι μικρές δομές (πλανήτες και άστρα που συνενώθηκαν) ήρθε το 1986 με την παρατήρηση μιας γιγάντιας συσσώρευσης αερίου σαν απολίθωμα της στιγμής της μεγάλης έκρηξης. Η μάζα του νέφους του αερίου είναι περίπου 3x101 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ήλιου. Αυτή όμως είναι ίση με τη μάζα ενός σμήνους γαλαξιών, που βρίσκεται όμως ακόμα υπό τη μορφή υδρογόνου και δεν έχει ακόμα κατανεμηθεί σε άστρα.
Θεωρία Zel ΄dovich
Αυτό το μοντέλο ονομάστηκε top–down, του οποίου η πιο σημαντική παρατήρηση είναι ότι, αν λίγο μετά το big bang σχηματίστηκαν μεγάλες συμπυκνώσεις ύλης, αυτές θα έπαιρναν ταχύτατα το σχήμα τηγανίτας κάτω από την επίδραση της ίδιας της βαρύτητας.
Η Κοσμολογία Πλάσματος
Ο ηλεκτρομαγνητισμός, η δύναμη που βρίσκεται πίσω από τα συνήθη χημικά και βιολογικά φαινόμενα της Γης, είναι συγκριτικά 103 φορές ισχυρότερη της βαρύτητας και ορθά αμφισβητείται από αρκετούς επιστήμονες ο μοναδικός ρόλος της δύναμης της βαρύτητας σε γαλαξιακή και κοσμική κλίμακα.
Έρευνες τριάντα ετών αποκάλυψαν ότι το ηλιακό σύστημα είναι στην ουσία ένας ωκεανός πλάσματος, αόρατος από τα οπτικά τηλεσκόπια, αλλά πλήρης πολύπλοκων και αλληλοεπιδρώντων ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Το άλλοτε θεωρούμενο απόλυτα κενό διάστημα είναι γεμάτο κυριολεκτικά από φορτισμένα σωματίδια. Το 99,999% της παρατηρήσιμης ύλης στο σύμπαν είναι σε μορφή πλάσματος που διατρέχεται από ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
Τι είναι όμως το πλάσμα; Το πλάσμα αποτελείται από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια και θεωρείται η τέταρτη κατάσταση της ύλης μετά τη στερεή, την υγρή και την αέρια, με την οποία είναι ο στενότερος συγγενής (γη-νερό-αέρας-φωτιά). Για τον σχηματισμό του αρκεί να θερμανθεί μια αέρια μάζα σε τόσο μεγάλες θερμοκρασίες, ώστε να ιονιστεί πλήρως. Το πλάσμα είναι υπεύθυνο για τους κεραυνούς, τους λαμπτήρες φθορισμού, κι εξηγεί τη δημιουργία του Βόρειου Σέλας. Η κίνηση των ηλεκτρισμένων σωματιδίων είναι ελικοειδής και πήρε το όνομα ρεύμα του Birkeland. Ο Η. Alfen (Νόμπελ Φυσικής 1970) υποστηρίζει ότι τα ρεύματα Birkeland, που είναι απεριορίστου μεγέθους, εκτείνονται μέσα στο σύμπαν.
Ας ξεκινήσουμε με αφετηρία κάποιον υποθετικό χρόνο όπου δεν υπήρχαν άστρα, γαλαξίες κβάζαρ, παρά μόνο ένας άπειρος χώρος με μαγνητικά πεδία, με ομοιόμορφα κατανεμημένο πλάσμα σ’ όλες τις διευθύνσεις. Μια μικρή διαταραχή με τη μορφή μεταβολών στην ηλεκτρονιακή θερμοκρασία κατά μήκος των ισχυρών ρευμάτων Birkeland ενισχύεται και οδηγεί στην τοπική συνένωση γειτονικών νηματοειδών πλασμάτων με τον σχηματισμό έλικος πλάσματος στο σημείο που οι νηματοειδείς μορφές διασταυρώνονται. Σ’ αυτά τα σημεία διασταύρωσης διαφορετικών νημάτων πλάσματος, παρατηρείται εργαστηριακά και η εκπομπή ακτινοβολίας σύχροτρου (η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τα ηλεκτρόνια που επιταχύνονται ενώ βρίσκονται σε τροχιά σε έναν κυκλικό επιταχυντή σωματιδίων που ονομάζεται σύγχροτρο, με τη χρήση μαγνητών ή άλλων μηχανισμών που μεταβάλουν την ταχύτητα των ηλεκτρονίων), η οποία είναι απλά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που προκαλείται από τη γρήγορη περιστροφή φορτισμένων σωματιδίων με μαγνητικό πεδίο. Τα νήματα πλάσματος αυξάνονται με μήκος δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Τελικά προκαλούν τη συσσώρευση γύρω τους αρκετής ουδέτερης ύλης, ώστε η βαρύτητα ν’ αρχίζει σιγά-σιγά ν’ αποτελεί υπολογίσιμο παράγοντα στη συνεχόμενη εξέλιξή τους. Μ’ αυτό τον τρόπο προκύπτουν όλα τα γνωστά είδη γαλαξιών.
Η θεωρία αυτή έρχεται να καλύψει τις αδυναμίες της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης, όπως η παραδοχή της σκοτεινής μάζας και η ύπαρξη γαλαξιών που η ηλικία τους με βάση το μέγεθός τους, όπως εξηγείται από τη θεωρία, ξεπερνά την ηλικία του σύμπαντος.
Η γενική θεωρία της Σχετικότητας εισήγαγε στην κοσμολογία της Γέννησης του Σύμπαντος τη βαρύτητα και η Κβαντομηχανική την ασθενή και ισχυρή πυρηνική δύναμη. Η θεωρία του πλάσματος με την είσοδο της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης συμπληρώνει τη θεωρία και απομένει στους επιστήμονες να συνθέσουν τις διαφορετικές οπτικές γωνίες αφού, σύμφωνα με τον εσωτερισμό, αυτό που λειτούργησε την ώρα της Γέννησης ήταν το ενοποιημένο πεδίο που μετέπειτα διαχωρίστηκε στα επιμέρους πεδία. Αυτό όμως προϋποθέτει την ανακάλυψη του ενοποιημένου πεδίου και χρειάζεται ακόμα να περιμένουμε. Τα αποτελέσματα όμως είναι ενθαρρυντικά.
Δημιουργία του Σύμπαντος και Αντιύλη
Η θεωρία αυτή διατυπώθηκε από τον H. Alfen και στηρίζεται στην ιδέα της συμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης στο Σύμπαν. Η θεωρία ξεκινά από την υπόθεση μιας «αρχικής κατάστασης» στο σύμπαν ομοιογενούς ανάμειξης κοινής ύλης και αντιύλης, την οποία ονομάζουμε αμφίπλασμα. Στο πρότυπο αυτό το αμφίπλασμα αποτελούσε μια τεράστια σφαίρα. Σπουδαίο ρόλο στην εξέλιξη αυτού του αμφιπλάσματος έπαιξε η βαρύτητα. Επειδή κάθε μέρος της σφαίρας ασκούσε έλξη στα άλλα, άρχισε η συστολή. Μετά από ένα τρισεκατομμύριο χρόνια η ακτίνα της σφαίρας μειώθηκε πάρα πολύ, με αντίστοιχη αύξηση της πυκνότητας. Η εξαιρετική συμπύκνωση της ύλης στην κεντρική περιοχή κατέστησε πολύ πιθανή τη σύγκρουση μεταξύ πρωτονίων και αντιπρωτονίων, με αποτέλεσμα την εκπομπή ακτίνων γ (φως). Λόγω δε της ύπαρξης μαγνητικού πεδίου παραγόταν και ραδιοακτινοβολία.
Εμφανίστηκε λοιπόν η πίεση της ακτινοβολίας, η οποία ήταν ισχυρότερη από τη βαρύτητα, ώστε να ανακοπεί η συστολή και ν’ αρχίσει η διαστολή. Σχηματίστηκαν τότε διάφορα κέντρα συμπύκνωσης, στα οποία άρχισε να δρα η βαρύτητα. Τα σημεία έγιναν κέντρα μεγάλης πυκνότητας κι αποτέλεσαν τις νησίδες του σύμπαντος.
Η Θεωρία των Κοσμικών Χορδών
Οι κοσμικές χορδές είναι λεπτοί σωλήνες συμμετρικού κενού υψηλής ενέργειας. Δεν έχουν άκρα, έχουν τη μορφή κλειστών βρόγχων ή εκτείνονται στο άπειρο. Ο φυσικός χαρακτήρας μιας χορδής καθορίζεται από την ενέργεια του κενού που είναι παγιδευμένο μέσα της. Οι χορδές με το περισσότερο συμμετρικό κενό έχουν τη μεγαλύτερη μάζα, αλλά και το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την κοσμολογία, αφού πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνες για τον σχηματισμό των γαλαξιών. Έχουν πάχος της τάξης των 10-30 cm και η ίντσα τους μπορεί να ζυγίζει δέκα εκατομμύρια δισεκατομμυρίων τόνων. Η ίδια η βαρυτική τους έλξη κάνει τους κλειστούς βρόγχους τέτοιων χορδών να ταλαντεύονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες.
Η εξέλιξη των χορδών χαρακτηρίζεται από μια ιδιότητα που λέγεται «ομοιότητα προς εαυτόν» κι έχει ως αποτέλεσμα το σημερινό δίκτυο των κοσμικών χορδών να είναι παρόμοιο με το αρχικό. Το δίκτυο των χορδών παράγει συνεχώς πολυάριθμους κλειστούς βρόγχους που, καθώς ταλαντεύονται, δημιουργούν ρυθμικούς παλμούς βαρυτικής ενέργειας, που ονομάζονται κύματα βαρύτητας και διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός. Οι βρόγχοι που γέννησαν τους γαλαξίες πιστεύεται ότι είχαν διάμετρο γύρω στα εκατό έτη φωτός και, παρόλο που διασπάστηκαν όταν το σύμπαν είχε ηλικία ένα εκατομμύριο χρόνια, έζησαν αρκετά ώστε να προσελκύσουν τη γύρω μάζα. Οι μεγαλύτεροι βρόγχοι προσέλκυσαν τους μικρότερους, συγκεντρώνοντας τους γαλαξίες σε ομάδες.
Το μοντέλο των χορδών συμπληρώθηκε το 1990 από τον Jeremiah Ostriker και τον Witten. Τα σωματίδια που δημιουργούνται από το κενό (ποζιτρόνια και ηλεκτρόνια) μέσα στη χορδή δεν έχουν μάζα κι αρκεί μια ελάχιστη ενέργεια, ώστε να κινηθούν μέσα στη χορδή μεταφέροντας ηλεκτρικό φορτίο. Το ρεύμα αυτό σε μια υπεραγώγιμη χορδή δημιουργεί ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που διαδίδονται με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Το μεσοαστρικό και μεσογαλαξιακό διάστημα, όμως, δεν είναι κενό, είναι γεμάτο από ένα αραιό αέριο ηλεκτρονίων και άλλων φορτισμένων σωματιδίων που εμποδίζουν τη διάδοση των κυμάτων. Καθώς, λοιπόν, η ενέργεια της ακτινοβολίας συσσωρεύεται, αναπτύσσει τρομακτική πίεση κι αρχίζει τότε να δημιουργεί μια φυσαλίδα που συγκεντρώνει την ύλη στον καυτό, διαστελλόμενο φλοιό της. Η θεωρία αυτή δίνει μια ερμηνεία για τα κενά στην κατανομή των γαλαξιών και προβλέπει τις επίπεδες διατάξεις τους, καθώς εξηγεί και την περιστροφική τους κίνηση.
Από το ίδιο Τεύχος
Περισσότερα Άρθρα ΕΠΙΣΤΗΜΗ
2 Απριλίου, 2026 / ΕΠΙΣΤΗΜΗ, ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ
2 Απριλίου, 2026 / ΕΠΙΣΤΗΜΗ, ΦΙΛΟΣΟΦΙΑ