Η αναλαμπή των συμπάντων με το πρώτο χωρισμό δευτερολέπτου ενισχύει τη θεωρία του πληθωρισμού

Αν φαντάζεστε τη μεγάλη έκρηξη πονάει το κεφάλι σας, αυτό που συνέβη μια στιγμή αργότερα μπορεί να το κάνει να εκραγεί. Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι το νεογέννητο σύμπαν - μια καυτή, πυκνή σούπα ύλης και ενέργειας - πέρασε από μια έκρηξη διαστολής πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός. Σαν ένα μαγικό μπαλόνι, το σύμπαν διπλασίασε το μέγεθός του 60 φορές σε διάστημα 10 δευτερολέπτων. Αυτή η φάση, γνωστή ως πληθωρισμός, τελείωσε πολύ πριν το σύμπαν γεράσει ακόμη και ένα δευτερόλεπτο.

Τώρα, 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, οι κοσμολόγοι εντόπισαν αυτό που λένε ότι είναι η πρώτη άμεση απόδειξη αυτού του πληθωρισμού - μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις στον τομέα εδώ και 20 χρόνια. Από τη μελέτη του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων (CMB) - της ακτινοβολίας που απομένει από τη Μεγάλη Έκρηξη - εντόπισαν ίχνη βαρυτικών κυμάτων - κυματισμούς στον ιστό του χώρου και του χρόνου - που κυματίστηκαν στο σύμπαν σε αυτή την απειροελάχιστα σύντομη εποχή μετά τη γέννησή του. Το αποτύπωμα αυτών των βαρυτικών κυμάτων στο CMB ταιριάζει με αυτό που οι θεωρητικοί είχαν προβλέψει για δεκαετίες. Τα ευρήματα, που ανακοινώθηκαν σήμερα το πρωί σε μια επιστημονική παρουσίαση στο Κέντρο Αστροφυσικής Harvard-Smithsonian στο Cambridge της Μασαχουσέτης, δείχνουν επίσης ότι η βαρύτητα - στη μικρότερη κλίμακα - ακολουθεί τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, παρόμοια με άλλες δυνάμεις όπως ο ηλεκτρομαγνητισμός. P>

«Αυτό είναι ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα», λέει ο Alan Guth, κοσμολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στο Κέμπριτζ και ένας από τους αρχικούς υποστηρικτές του πληθωρισμού. Ο Guth -ο οποίος δεν συμμετείχε στο έργο που επισημάνθηκε σήμερα- λέει ότι οι ερευνητές του έδειξαν ένα προσχέδιο χαρτιού πριν από μια εβδομάδα, αφού τον ορκίστηκαν σε μυστικότητα. «Οι παρατηρήσεις είναι σε πολύ υψηλό επίπεδο σημασίας», λέει. Ο Αντρέι Λίντε, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ στην Καλιφόρνια, ο οποίος ανέπτυξε ένα από τα πιο επιτυχημένα θεωρητικά μοντέλα πληθωρισμού, συμφωνεί:"Εάν αυτά τα αποτελέσματα είναι σωστά, η θεωρία του πληθωρισμού έχει περάσει το πιο δύσκολο τεστ της ποτέ."

Η ανακάλυψη προέρχεται από παρατηρήσεις από ένα μικρό αλλά εξελιγμένο τηλεσκόπιο στον Νότιο Πόλο αφιερωμένο σε ένα έργο γνωστό ως Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP). Ακριβώς όπως το ορατό φως και άλλα είδη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία ενός κοσμικού μικροκυμάτων θα μπορούσαν να ταλαντώνονται κατά μήκος οποιουδήποτε από έναν άπειρο αριθμό προσανατολισμών. Το τηλεσκόπιο που χρησιμοποιείται από τους ερευνητές του BICEP έχει σχεδιαστεί για να χαρτογραφεί τον προσανατολισμό —ή την πόλωση— του CMB καθώς ποικίλλει σε διάφορα μέρη του ουρανού. Σε δεδομένα που ελήφθησαν από ένα μικρό κομμάτι του ουρανού μεταξύ Ιανουαρίου 2010 και Δεκεμβρίου 2012, οι ερευνητές βρήκαν ένα τυχαίο μοτίβο αχνών στροβιλισμών που μοιάζουν με καρφί στο CMB. Τέτοιοι στροβιλισμοί, που ονομάζονται τρόποι Β, είναι το σήμα κατατεθέν των βαρυτικών κυμάτων στο αρχέγονο σύμπαν και — λένε πολλοί κοσμολόγοι — είναι το όπλο που καπνίζει για το φούσκωμα.

"Πιστεύουμε ότι τα βαρυτικά κύματα θα μπορούσαν να είναι ο μόνος τρόπος για να εισαγάγουμε αυτό το μοτίβο τύπου Β", λέει ο John Kovac, κοσμολόγος στο Χάρβαρντ και ένας από τους τέσσερις κύριους ερευνητές του BICEP.

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας, όταν το σύμπαν εμφανίστηκε, περιείχε ένα κβαντικό πεδίο παρόμοιο με ένα ηλεκτρικό πεδίο που ταλαιπωρήθηκε από κβαντικές διακυμάνσεις. Ο πληθωρισμός μεγάλωσε αυτές τις απειροελάχιστες διακυμάνσεις σε τεράστιο μέγεθος, δημιουργώντας διαφορές στην πυκνότητα, την ενέργεια και την ύλη που τελικά οδήγησαν στην κοσμική δομή που βλέπουμε σήμερα, με γαλαξίες και άλλα χαρακτηριστικά. Οι διακυμάνσεις δημιούργησαν επίσης διακυμάνσεις στη θερμοκρασία του CMB στον ουρανό, από τις οποίες οι κοσμολόγοι έχουν καθορίσει το περιεχόμενο του σύμπαντος με όρους συνηθισμένης ύλης, μυστηριώδους σκοτεινής ύλης της οποίας η βαρύτητα δεσμεύει τους γαλαξίες και περίεργη σκοτεινή ενέργεια που εκτείνεται στο διάστημα.

Όμως, χάρη στην κβαντομηχανική, όχι μόνο το κβαντικό πεδίο που δημιουργήθηκε στη Μεγάλη Έκρηξη κυμάνθηκε - το ίδιο και ο ίδιος ο χωροχρόνος. Ο πληθωρισμός επέκτεινε αυτόν τον χωροχρόνο σε βαρυτικά κύματα μήκους κύματος δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Τα κύματα άφησαν το δικό τους αποτύπωμα στο CMB, διασκορπίζοντας φωτόνια CMB με τρόπο που δημιούργησε το μοτίβο πόλωσης που παρατήρησαν ο Kovac και οι συνεργάτες του.

Το BICEP μάζεψε ένα σωρό άλλα πειράματα, συμπεριλαμβανομένου του διαστημικού σκάφους Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος. Η Suzanne Staggs, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον που εργάζεται στην Αναζήτηση τύπου Atacama B στη Χιλή, λέει ότι συγκλονίστηκε όταν άκουσε τα νέα. "Όσο περισσότερο το σκέφτομαι αυτό, τόσο πιο ενθουσιασμένος είμαι επειδή το σήμα είναι τόσο μεγάλο", λέει.

Ο Kovac λέει ότι η επιτυχία του πειράματος οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην πρόοδο της τεχνολογίας για τη μέτρηση της πόλωσης CMB. Οι ανιχνευτές για το τηλεσκόπιο που χρησιμοποιήθηκε για τις παρατηρήσεις έγιναν από την ίδια ομάδα - με επικεφαλής τον Jamie Bock στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια - που ανέπτυξε ανιχνευτές για τον Planck. Ενώ το Planck εκτοξεύτηκε το 2007, «είμασταν σε θέση να κατεβαίνουμε στο τηλεσκόπιό μας κάθε χρόνο και να αναβαθμίζουμε τους ανιχνευτές», λέει ο Kovac. Επίσης, ο Planck παρακολουθούσε ολόκληρο τον ουρανό ενώ το τηλεσκόπιο του BICEP ήταν επικεντρωμένο σε μια μικρή περιοχή. "Τώρα περιμένουμε με ανυπομονησία τα αποτελέσματα πόλωσης του Planck", λέει ο Kovac.

Η ανακάλυψη των τρόπων Β είναι μόνο η αρχή, λένε οι ερευνητές. Η ισχύς του τρέχοντος σήματος λέει στους θεωρητικούς την ενεργειακή πυκνότητα κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού. Μελετώντας τη στατιστική κατανομή μεγαλύτερων και μικρότερων στροβιλισμών στον ουρανό, μπορεί να είναι σε θέση να συνθέσουν μια λεπτομερή εικόνα της κατανομής ενέργειας και πυκνότητας στο αρχέγονο σύμπαν. Αυτό θα βοηθούσε στον καθορισμό ενός ακριβούς μοντέλου πληθωρισμού.

«Για εμάς, είναι τεράστιο, όσο μεγάλο όσο γίνεται», λέει για τα αποτελέσματα ο Marc Kamionkowski, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη του Μέριλαντ. "Δεν είναι κάθε μέρα που ξυπνάς και ανακαλύπτεις τι συνέβη ένα τρισεκατομμύριο του τρισεκατομμυρίου του τρισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου μετά τη μεγάλη έκρηξη."