Φ Ι Λ Ο Τ Ι Μ Ι Α: Κοσμικός πληθωρισμός, και βαρυτικά κύματα: Τα πρόσφατα αποτελέσματα του πειράματος BICEP 2

Η Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (ΘΜΕ, Big Bang Theory) αποτελεί σήμερα την κρατούσα άποψη της κοσμολογίας που υποστηρίζει ότι το σύμπαν (συμπεριλαμβανομένου και του ιδίου του χωρόχρονου) δημιουργήθηκε πριν 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή βασίζεται στην παγκοσμιότητα των φυσικών νόμων (οι ίδιοι νόμοι ισχύουν παντού στο σύμπαν) και στην λεγόμενη κοσμολογική αρχή (το σύμπαν είναι ομογενές και ισότροπο, ίδιο σε όλες τις διευθύνεις και χωρίς κάποιο “κέντρο”). Στο μαθηματικό-θεωρητικό επίπεδο η

ΘΜΕ υποστηρίζεται από τα περίφημα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ-Χώκινγκ. Πειραματικά η ΘΜΕ υποστηρίζεται από 4 βασικά δεδομένα: την μετατόπιση του φάσματός εκπομπής των γαλαξιών στο ερυθρό (που μέσω του φαινομένου Doppler υποδηλώνει ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται μεταξύ τους όπως τα «θραύσματα σε μια έκρηξη», αυτό λέγεται νόμος του Hubble), την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (ΚΜΑΥ), την περίσσεια ύπαρξης ελαφρών στοιχείων στο σύμπαν (υδρογόνου και ηλίου) και την εξέλιξη και την κατανομή των γαλαξιών.

Η θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού (cosmic inflation) αποτελεί ένα συστατικό που προστέθηκε εκ των υστέρων στην ΘΜΕ. Προήλθε κάνοντας την αρχική υπόθεση της αρνητικής πίεσης (στα θεωρήματα χωροχρονικών ανωμαλιών των Πενρόουζ - Χώκινγκ η υπόθεση ήταν ότι η πίεση είναι μικρή μεν αλλά θετική). Σύμφωνα με το πληθωριστικό σενάριο, κατά την χρονική διάρκεια 10^-36 μέχρι 10 ^-32 δευτερόλεπτα μετά την μεγάλη έκρηξη, το σύμπαν πέρασε από μια περίοδο απότομης και μεγάλης αύξησης του μεγέθους του, αυξήθηκε το μέγεθός του κατά 10⁸⁰ φορές (βλέπε Εικόνα 1). Ο πληθωρισμός αυτός επιβραδύνθηκε σημαντικά για να καταλήξει στις μέρες μας στην παρατηρούμενη «ήπια» διαστολή. [Σημείωση: Ο ρυθμός διαστολής αυτός δεν παραβιάζει την θεωρία της σχετικότητα που θέτει ως μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα στο σύμπαν αυτή του φωτός, η σχετικότητα μιλά για μετασχηματισμούς προώθησης ταχυτήτων μεταξύ αδρανειακών παρατηρητών, στον πληθωρισμό έχουμε αύξηση του παράγοντα κλίμακας ολόκληρου του σύμπαντος, δεν υπάρχει περιορισμός]. Υπάρχουν πολλές παραλλαγές του πληθωρισμού (νέος, αργά κυλιόμενου πεδίου, αέναος, κατά βαθμίδες, χαοτικός κλπ). Το πληθωριστικό σενάριο αποτελεί το πιο «οικονομικό» μαθηματικό μοντέλο που γνωρίζουμε σήμερα για να προσπαθήσουμε να ερμηνεύσουμε πειραματικά δεδομένα όπως η ομογένεια, η ισοτροπία και η μηδενική καμπυλότητα που παρατηρούμε στο σύμπαν. Επίσης προσπαθεί να ερμηνεύσει την δημιουργία των γαλαξιών υποθέτοντας αρχικές κβαντικές διακυμάνσεις που μεγεθύνθηκαν με τον πληθωρισμό σε κοσμικές κλίμακες και έτσι παρείχαν τα “σπέρματα” για τις ομάδες γαλαξιών που δημιουργήθηκαν κατόπιν.

Ο πληθωρισμός από το 1980 που προτάθηκε από τον Αμερικανό Alan Guth (και τον Ρώσο Aleksei Starobinsky) δέχθηκε και εξακολουθεί να δέχεται ισχυρή κριτική, βασικά σημεία είναι ότι η θεωρία ουσιαστικά δεν εξηγεί το πως επιτεύχθηκε αυτή η τεράστια μεγέθυνση του παράγοντα κλίμακος του σύμπαντος: Προτάθηκε η ύπαρξη ενός υποθετικού πεδίου-σωματιδίου που λέγεται «πληθωρόνιο» (inflaton). Αυτό δεν έχει παρατηρηθεί μέχρι σήμερα. Κάποιοι ισχυρίζονται πως το σωμάτιο Χιγκς μπορεί να παίζει και το ρόλο του πληθωρόνιου. Άλλο σημείο κριτικής αποτελεί η ύπαρξη μαγνητικών μονοπόλων που επίσης δεν έχουν παρατηρηθεί. Επιπροσθέτως το δυναμικό του πληθωρόνιου είναι τελείως ad hoc για να συμφωνεί με τα δεδομένα (πρόβλημα ρύθμισης αρχικών παραμέτρων «με το χέρι», fine tuning problem). Επίσης ο Πενρόουζ (από την αρχή πολέμιος) και ο Στάινχαρτ (που εισήγαγε τον πληθωρισμό του αργά κυλιόμενου πεδίου αλλά από υποστηρικτής μετατράπηκε αργότερα σε πολέμιο) θεωρούν πως ουσιαστικά ο πληθωρισμός δεν επιλύει ούτε το πρόβλημα της ομοιογένειας (μέσω θερμικής ισορροπίας, το επιχείρημα του Πενρόουζ στηρίζεται στην εντροπία) ούτε το πρόβλημα της μηδενικής καμπυλότητας, στην πραγματικότητα συμβαίνει το ακριβώς αντίθετο! Ούτε ο Χώκινγκ υποστηρίζει τον πληθωρισμό, αντί αυτού, μαζί με τον Hartle έχoυν προτείνει μια εναλλακτική θεωρία, την λεγόμενη «πρόταση μη ύπαρξης συνόρου» (no boundary proposal). Επίσης στην πιο πρόσφατη και πιο ακριβή καταγραφή της ΚΜΑΥ (κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου), τα τελευταία στοιχεία του δορυφορικού προγράμματος Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (2012) δείχνουν ανισοτροπίες που ο πληθωρισμός δεν μπορεί να εξηγήσει. Παρά τα πολλά και υπαρκτά προβλήματα, μάλλον οι περισσότεροι κοσμολόγοι αποδέχονται τον πληθωρισμό ελπίζοντας σε μελλοντικές βελτιωμένες εκδοχές αυτού. Υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες του πληθωρισμού (πχ η θεωρία Einstein - Cartan για την μηδενική καμπυλότητα που υποθέτει συνοχές με μη-μηδενική στρέψη) αλλά καμία θεωρία δεν καλύπτει τόσα πολλά θέματα από μόνη της όσο ο πληθωρισμός (ή τουλάχιστον ισχυρίζεται ότι καλύπτει).

Μετά από τα γενικά παραπάνω, ας έρθουμε σε μερικές λεπτομέρειες που αφορούν την πρόσφατη ανακοίνωση της ερευνητικής επιστημονικής ομάδας BICEP 2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, Απεικόνιση Υποβάθρου της Κοσμικής Εξωγαλαξιακής Πόλωσης). Ο πληθωρισμός προβλέπει την ύπαρξη 2 ειδών κυμάτων: Κύματα πυκνότητας και κύματα βαρύτητας. Μας ενδιαφέρουν τα δεύτερα. Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν «ρυτίδες στον χωρόχρονο» (όπως μια πέτρα που ρίχνουμε στο νερό προκαλεί κυματισμό, ρυτίδες στην επιφάνεια του νερού). Προβλέπονται θεωρητικά από τις εξισώσεις που περιγράφουν το βαρυτικό πεδίο στην Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Αϊνστάιν και προέρχονται από την επιτάχυνση αντικειμένων με τεράστια μάζα κατ’ αναλογία με τα ηλεκτρομαγνητικά (η/μ) κύματα που προκύπτουν από την επιτάχυνση ηλεκτρικών φορτίων.

Τα βαρυτικά κύματα, όπως και τα η/μ, μπορεί να έχουν διάφορες συχνότητες (βλ. Εικόνα 2). Είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθούν διότι οι μεταβολές στον χωρόχρονο που επιφέρουν είναι πάρα πολύ μικρές. Επί του παρόντος υπάρχουν πολλά πειράματα διεθνώς σε εξέλιξη για να προσπαθήσουν να τα παρατηρήσουν σε διάφορες συχνότητες.

Το πείραμα BICEP 2 αποτελεί ουσιαστικά ένα τηλεσκόπιο που βρίσκεται στο Ν. Πόλο με σκοπό να παρατηρήσει την πόλωση της ΚΜΑΥ (είδος η/μ ακτινοβολίας που αποτελεί την «ηχώ» της μεγάλης έκρηξης, ουσιαστικά συνίσταται από φωτόνια που εκπέμφθηκαν 380.000 χρόνια μετά την μεγάλη έκρηξη, δηλαδή την στιγμή που η αρχική «κοσμική σούπα» έγινε αρκετά διάφανη ώστε τα φωτόνια να μπορέσουν να την διαπεράσουν). Πόλωση είναι το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού (και μαγνητικού) πεδίου σε ένα η/μ κύμα. Η ιδέα είναι ότι η τυχόν ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων μεταβάλει με χαρακτηριστικό τρόπο το σχέδιο πόλωσης της ΚΜΑΥ.

Σύμφωνα με το θεώρημα ανάλυσης Helmholtz για τα τις διανυσματικές συναρτήσεις (και τις γενικεύσεις αυτού, τα θεωρήματα Hodge και “τύπου Hodge”), η ΚΜΑΥ αποτελείται από 2 «τρόπους» ταλάντωσης (modes, συστατικά αν θέλετε), τις λεγόμενες E-modes (grad mode, τρόπος βαθμίδας) και τις B-modes (curl modes, τρόποι με στροβιλισμό). Η πόλωση των E-modes παρατηρήθηκε το 2002 από το πείραμα DASI. Η ομάδα BICEP 2 λοιπόν στις 17 Μαρτίου 2014 ανακοίνωσε τα αποτελέσματά της σύμφωνα με τα οποία ισχυρίζεται ότι παρατηρείται σχέδιο πόλωσης των Β-modes της ΚΜΑΥ συμβατό με κοσμικά βαρυτικά κύματα προερχόμενα από αρχέγονο κοσμικό πληθωρισμό. Με ένα σμπάρο δυο ή καλύτερα 3 τρυγόνια: Πρώτα ανίχνευση βαρυτικών κύματων (έστω έμμεσα, από την πόλωση που επιφέρουν στις B-modes της ΚΜΑΥ) και μέσω πληθωρισμού (δεύτερο), γυρνώντας την ταινία ανάποδα, ύπαρξη βαρυονίων (τρίτον), άρα κβαντική συμπεριφορά της βαρύτητας σε υψηλές ενέργειες: Κβαντικές διαταραχές των βαρυονίων μεγεθύνθηκαν από τον πληθωρισμό (άρα τα βαρυόνια υπάρχουν, το βαρυτικό πεδίο είναι κβαντισμένο σε πολύ υψηλές ενέργειες) και έγιναν τα κοσμικά βαρυτικά κύματα τα οποία με τη σειρά τους πόλωσαν με συγκεκριμένο τρόπο τις B-modes της ΚΜΑΥ.

Η ομάδα έβαλε 2 άρθρα στο arXiv (τον επιστημονικό πίνακα ανακοινώσεων της διεθνούς κοινότητας), δεν έχουν περάσει από κρίση για να δημοσιευθούν ακόμη. Προσωπική κριτική: Πολύ νωρίς για να κρίνουμε. Πόλωση των B-modes υπάρχει, τα δεδομένα αποτελούν ισχυρή έμμεση ένδειξη βαρυτικών κυμάτων αλλά τα βαρυτικά κύματα είναι κοσμικά (δηλ προήλθαν από την εποχή της μεγάλης έκρηξης μέσω πληθωρισμού)? Μπορεί να είναι βαρυτικά κύματα λόγω φαινομένου «βαρυτικού φακού» (gravitational lensing). Η πόλωση των B-modes από κοσμικά βαρυτικά κύματα είναι ανεξάρτητη της συχνότητας, το συγκεκριμένο πείραμα μελέτησε μόνο συχνότητα στα 150 GHz. Θα πρέπει να επιβεβαιωθεί και από ευρήματα και σε άλλες συχνότητες (πχ από τα δεδομένα του προγενέστερου πειράματος BICEP 1 στα 100 GHz). Μπορεί να υπάρχουν συστηματικά σφάλματα λόγω ακτινοβολίας σύχνοτρον, κοσμικής σκόνης, διαρροή μεταξύ E-modes και B-modes στην σφαιρική αρμονική ανάλυση. Επίσης οι εκτιμήσεις για φαινόμενα jackknife χρησιμοποιώντας κατανομή χ² είναι κοντά στο μηδέν, αυτό ίσως υποδηλώνει υποεκτίμηση του θορύβου ή σφάλματα στο καλιμπράρισμα των συσκευών καταγραφής. Τα άρθρα στο arXiv υποστηρίζουν πως κάποιες από τις περιπτώσεις αυτές έχουν αποκλειστεί με επίπεδο εμπιστοσύνης (confidence level) μόνο 2.3 σ αλλά στο άρθρο ισχυρίζονται επίπεδο εμπιστοσύνης στα ευρήματα 5σ, δεν εξηγείται αναλυτικά πως προκύπτει το 5σ (ή τουλάχιστον δεν ήταν καθαρό σε εμάς και σε αρκετούς άλλους από την διεθνή επιστημονική κοινότητα). Τέλος υπάρχουν διαφορές με τα ευρήματα του Planck (και του προηγούμενου κοσμικού χάρτη της ΚΜΑΥ του WMAP) στον λόγο τανυστικής προς βαθμωτή πόλωση. Δηλαδή, συνολικά αναμφίβολα πολύ καλή δουλειά (για παράδειγμα η ακρίβεια του οργάνου από το προγενέστερο πείραμα BICEP 1 έχει αυξηθεί πάνω από 100 φορές) αλλά χρειάζεται χρόνο και επιβεβαίωση - διασταύρωση πριν ανοιχτούν οι σαμπάνιες…Ο πληθωρισμός εάν τελικά επιβεβαιωθεί, ανοίγει μάλλον τον δρόμο για τα πολυσύμπαντα (αφού τουλάχιστον στην μελλοντική κατεύθυνση του βέλους του χρόνου ο πληθωρισμός εάν ξεκινήσει δεν σταματά, όμως θα πρέπει να υπήρξε αρχή, βλέπε προγενέστερο άρθρο του γράφοντος «Σύγχρονες Εξελίξεις στην Κοσμολογία» που γίνεται εκτεταμένη αναφορά στις εργασίες του Vilenkin κλπ). Εάν επιβεβαιωθεί το αποτέλεσμα, οι αρχικές κβαντικές διαταραχές (προ πληθωρισμού) που δημιούργησαν μέσω του πληθωρισμού τα βαρυτικά κύματα, υποδεικνύουν ενέργειες της τάξης που προβλέπουν οι θεωρίες μεγάλης ενοποίησης (αυτό θα αποτελούσε όμως ένδειξη ισχύος των GUT –grand unified theories- και όχι απόδειξη). Αυτή τη στιγμή που μιλάμε πολλά ενδεχόμενα είναι ανοικτά, υπάρχει πιθανότητα από τα αποτελέσματα του Planck αν δεν επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα του BICEP 2 ο πληθωρισμός να καταρρεύσει εντελώς (και να αναζωπυρωθεί το ενδιαφέρον για εναλλακτικά μοντέλα όπως πχ τα μοντέλα του αερίου υπερχορδών (string gas models). Η ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς πριν 2 περίπου χρόνια στο CERN αποτελεί την σημαντικότερη ανακάλυψη της φυσικής τα τελευταία 30 χρόνια. Εάν επιβεβαιωθούν τα ευρήματα του BICEP 2 θα αποτελεί την σημαντικότερη ανακάλυψη της κοσμολογίας (τμήμα της φυσικής) τα τελευταία 10 χρόνια.

Αναφορές:

Η επίσημη ιστοσελίδα του πειράματος BICEP είναι η παρακάτω

http://bicepkeck.org/

Μια ενδεικτική ιστοσελίδα με υλικό υποβάθρου (από το Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϋ)