by H ανάρτηση αφιερώνεται στον Φασουλόπουλο που την περίμενε(Γειά σου Γιώργο). Εκ των πραγμάτων η ανάρτηση ψαρεύει στα θολά νερά της κοσμολογίας. Μην ανησυχείτε όμως δεν καλούμαστε εμείς οι ταπεινοί φυσικοί να ξεθολώσουμε τα νερά, αυτή είναι δουλειά των ανά τον κόσμο αστροφυσικών και κοσμολόγων οι οποίοι καλό είναι, αντί να δημοσιεύουν σε καθημερινή βάση άρθρα στα επιστημονικά περιοδικά με νέες θεωρίες, να καθίσουν όλοι σε ένα τραπέζι και να δουν πως επιτέλους λειτουργεί ο κόσμος γύρω μας.
Για εισαγωγή και για να φτιάξω κλίμα να πώ ότι η ανάρτηση βασίζεται στο ιερό δισκοπότηρο της πλειοψηφίας των κοσμολόγων την Big Bang. Όμως σήμερα πάρα ποτέ τα θεμέλια της θεωρίας άρχισαν να τρίζουν για τα καλά. Πέραν του γεγονότος ότι αμφισβητείται ισχυρά η ύπαρξη σκοτεινής ύλης και ενέργειας με τη δημοσίευση θεωριών βαρύτητας που δεν έχουν ανάγκη τη σκοτεινή ύλη και ενέργεια(τροποποιημένη Νευτώνεια βαρύτητα – MOND , τροποποιημένη σχετικότητα – παλλόμενος χωρόχρονος , συν την κβαντική βαρύτητα που συνεχίζονται οι προσπάθειες βελτίωσης και πειραματικής επιβεβαίωσης), πέραν του γεγονότος ότι οι διαρκείς ανακαλύψεις έχουν θέση υπό αμφισβήτηση τον θεμέλιο λιθο της big bang(κοσμολογική αρχή – σύμπαν ομοιογενές και ισότροπο σε μεγάλες κλίμακες), πέραν του γεγονότος ότι η σημερινή τιμή της παραμέτρου Hubble Η0 που συνδέεται απευθείας με την ηλικία και τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος έχει επιβεβαιβεβαιωμένα δύο πολύ διαφορετικές τιμές με δύο ανεξάρτητες μεθόδους υπολογισμού της H0 = 67 km/s/Mpc και Η0 = 74 km/s/Mpc, έχουμε και τις τελευταίες ανακαλύψεις του James Web. Ανακάλυψε γαλαξία στα 326 εκ χρόνια μετά την big bang μεγάλης μάζας που σημαίνει ότι έχει πολλά αστέρια σε προχωρημένο στάδιο εξέλιξης κάτι που δεν δικαιολογείται σε 326 εκ χρόνια. Όταν ανακαλύφθηκε ο z12 στα 350 εκ χρόνια η Πάολα Σαντίνι συν-συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει την ανακάλυψη στο Astrophysical Journal Letters λέει: «Αυτές οι παρατηρήσεις κάνουν το κεφάλι σου να εκραγεί. Αυτό είναι ένα εντελώς νέο κεφάλαιο στην αστρονομία. Είναι σαν μια αρχαιολογική ανασκαφή και ξαφνικά βρίσκεις μια χαμένη πόλη ή κάτι που δεν γνωρίζατε. Είναι απλά συγκλονιστικό.” Ακόμα το JW βρήκε “γέρο” γαλαξία(σε ηρεμία – δε σχηματίζει άστρα) στα 800 εκ χρόνια μετά την big bang. Ακόμα βρήκε υψηλή μεταλικότητα σε γαλαξία της εποχής εκείνης που δικαιολογείται από τα καθιερωμένα στάδια εξέλιξης. Και είμαστε ακόμα στην αρχή.
Στο θέμα μας τώρα. Η διαστολή του σύμπαντος διέπεται από τις εξισώσεις Fridmann που είναι μία λύση των εξισώσεων πεδίου της ΓΘΣ σε ένα ομοιογενές και ισότροπο σύμπαν (κοσμολογική αρχή). Ο παράγοντας που καθορίζει τη διαστολή του σύμπαντος είναι ένας αδιάστατος χρονοεξαρτώμενος παράγοντας α(t) γνωστός ως παράγοντας κοσμικής κλίμακας ή με απλά λόγια πως ήταν το σύμπαν κάποτε (t) συγκριτικά μέ ένα χρόνο αναφοράς t(0), Μπορούμε ακόμα να πούμε ότι ο παράγοντας α μας διηγείται την ιστορία του σύμπαντος. Συμπερασματικά οποιαδήποτε αναφορά στο σύμπαν αρχίζει και τελειώνει με προσφυγή στον παράγοντα α, στην ερυθρή μετατόπιση z και στον παράγοντα Hubble H που είναι αλληλοεξαρτώμενες μεταβλητές. Οπότε:
Αν ένας γαλαξίας τη στιγμή t που εξέπεμψε ακτινοβολία ήταν σε απόσταση r(t) από τον γαλαξία μας σήμερα r0 θα ισχύει: r = αr0 (1) (1) => dr/dt = r0dα/dt ( 2) , (1) => r0 = r/α(3) , (2),(3) => V = r(dα/dt/α) (3). Θέτοντας στην (3) dα/dt/α = Η =>V = Hr (Νόμος Hubble). Η σύνδεση του παράγοντα κοσμικής κλίμακας α που εκφράζει τη διαστολή του σύμπαντος με την παρατηρούμενη μετατόπιση των φασματικών γραμμών προς το ερυθρό z είναι: 1 + z = α(t0)/α(t) εξ ορισμού θεωρούμε ότι το σήμερα έχει α(t0) = 1 => α(t) = 1/1+z ή 1 + z = 1/α(t) (4) . Για παράδειγμα αν εμείς μετράμε για έναν γαλαξία z = 4 τότε από (4) => α(t) = 1/5 που σημαίνει ότι όταν ο γαλαξίας εξέπεμψε φωτόνια το σύμπαν ήταν 5 φορές μικρότερο από σήμερα. Ακόμα z = Δλ/λ0 => zλ0 = λ – λ0 => 1 + z = λ/λ0
Να κάνουμε ταμείο; Απο τη λύση των εξισώσεων Fridmann: 1 + z = λ/λ0 ,1 + z = 1/α(t), V = H0r όπου Η0 η τιμή της παραμέτρου Hubble σήμερα. Τι μετράμε με ακρίβεια εμείς σήμερα; Προφανώς την μετάθεση των φασματικών γραμμών προς το ερυθρό. Υπάρχει ένα πρότυπο φάσμα στους υπολογιστές, του δίνεις αυτό που έλαβες από έναν γαλαξία πχ και έχεις άμεσα το z. Στη συνέχεια υπάρχει μαθηματική διεργασία που δίνει την ηλικία του σύμπαντος τη στιγμή που ο γαλαξίας εξέπεμψε τα πρώτα φωτόνια. Όσον αφορά την απόσταση. Πριν από μερικά χρόνια η μέτρηση της απόστασης πολύ μακρινών γαλαξιών ήταν εξαιρετικά δύσκολη. Εκεί δε δουλεύουν ούτε η μέθοδος της παράλλαξης, ούτε οι Κηφείδες που χρησιμοποίησε ο Hubble. Εκεί χρησιμοποιούμε τα λεγόμενα “τυπικά κεριά” και σαν τέτοια είναι οι πολύ φωτεινοί supernova τύπου Ia. Βρίσκουμε έναν τέτοιο σε κοντινό γαλαξία που ξέρουμε την απόστασή του από άλλη μεθοδο και σημειώνουμε την λαμπρότητά του b ή τη ροή ενέργειας όπως ξέρουμε από το μέλλαν σώμα(ενέργεια ανά μονάδα χρόνου και μονάδα επιφάνειας). Αν P η ακτινοβολούμενη ισχύς από τον supernova ξέρουμε ότι b = P/4πr2. Αν τώρα δούμε άλλον supernova σε άλλον γαλαξία μετράμε τη νέα b και επειδή η P για όλους τους supernova Ia είναι ίδια πολύ εύκολα βρίσκουμε την απόσταση του νέου γαλαξία. Σήμερα υπάρχει μία βάση δεδομένων με καταχωρημένους κοντά 60.000 γαλαξίες .
Με βάση τα δεδομένα παίρνουμε τα παρακάτω διαγράμματα. Το πρώτο συνδέει την ερυθρή μετατόπιση με την ηλικία του σύμπαντος τη στιγμή που το αντικείμενο εξέπεμψε τα πρώτα φωτόνια και το δεύτερο την ερυθρή μετατόπιση με την ηλικία του αντικειμένου(γαλαξίας – Quasar) και την απόστασή του ΣΗΜΕΡΑ. Η τελευταία καταγραφή στο πρώτο διάγραμμα είναι του γαλαξία z13 που ανακάλυψε το 2022 το JW στα 326 εκατομμύρια χρόνια μετά την big bang. To φως ταξίδεψε 13,6 δις χρόνια για να φτάσει σε εμάς διανύοντας μία απόσταση 13,4 δις ε.φ λόγω όμως διαστολής του σύμπαντος ΣΗΜΕΡΑ βρίσκεται στα 33,6 δις έτη φωτός.
Μέχρις εδώ όλα καλά που είναι το πρόβλημα; Το πρόβλημα είναι η φύση της ερυθρής μετατόπισης. Με βάση την κρατούσα θεωρία η ερυθρή μετατόπιση μακρινών γαλαξιών είναι αποτέλεσμα της συνεχούς διαστολής του χώρου μέσω του οποίου κινούνται τα φωτόνια. Η διαστολή αυτή έχει σαν αποτέλεσμα το “τέντωμα” του φωτονίου δηλαδή αύξηση του μήκους κύματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το “ταξίδι” τόσο μεγαλύτερη είναι η αύξηση του μήκους κύματος. Η μετατόπιση αυτή που διαφέρει από το μηχανισμό της μετατόπισης Doppler ονομάστηκε για διάκριση κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση. Στους πολύ μακρυνούς γαλαξίες πχ z = 12 υπεριώδης ακτινοβολία των 300 nm έρχεται στα 3600 nm στο μέσο υπέρυθρο. Αυτός είναι και ο λόγος που το JW διαθέτει ισχυρή κάμερα στο υπέρυθρο προκειμένου να “δει” τέτοιους γαλαξίες.
Για πάρα πολλούς αστροφυσικούς όμως είναι ενοχλητική η εξήγηση ενός φυσικού φαινομένου χωρίς φυσική. Με δεδομένο ότι η μετατόπιση Doppler και η βαρυτική ερυθρή μετατόπιση που είναι φυσικές διεργασίες δεν αποδίδουν σωστά αποτελέσματα στους μακρινούς γαλαξίες, η τρέχουσα θεωρία κατέφυγε στην μαθηματική εξήγηση του τεντώματος λόγω διαστολής του χώρου. Υπάρχουν όμως αξιοσημείωτες θεωρίες νέες και παλαιότερες που εξηγούν με φυσικό τρόπο την ερυθρή μετατόπιση του φωτός από μακρινούς γαλαξίες. Εστιάζουν κυρίως στο γεγονός ότι η κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση είναι άθροισμα πολλών παραγόντων. Μερικές θεωρίες συνοπτικά:
–Μετατόπιση προς το κόκκινο λόγω της διαστολής του χρόνου σχετίζεται με την παραμόρφωση του χωρόχρονου λόγω της μέσης πυκνότητας ύλης στο σύμπαν.
–Μετατόπιση προς το κόκκινο λόγω πολλαπλών αλληλεπιδράσεων μεταξύ φωτονίων και κρυσταλλοποιημένων ηλεκτρονίων στον ενδογαλαξιακό χώρο (που σχηματίζουν ένα ταλαντούμενο πλέγμα).
–Θεωρία του κουρασμένου φωτός. Τα φωτόνια κατα τη μεγάλη διαδρομή τους χάνουν ενέργεια με αποτέλεσμα να λαμβάνονται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.
–Φαινόμενο Compton.
Εκτιμώ ότι τα επόμενα χρόνια στον κλάδο της αστροφυσικής μόνο πληκτικά δε θα είναι. Ένα απλό παράδειγμα. Αν η κοσμολογική ερυθρή μετατόπιση μπορεί να εξηγηθεί με φυσικούς όρους χωρίς Doppler και διαστολή του σύμπαντος τότε το σύμπαν γιατί να διαστέλλεται. Όλα θα τεθούν επί τάπητος από την αρχή. Μόνο που μέχρι τότε εγώ θα παίζω τάβλι με τον Αινστάιν, εγώ με εξέδρα τον Μπορ και ο Αλβέρτος τον Οπενχάιμερ(Εγώ στον Κιλιαν Μέρφι θα έδινα Όσκαρ σαν φοβερό και τρομερό Τόμι Σέλμπι στο Peaky Bliders , παρά σαν Οπενχάιμερ).
καλησπέρα Άρη
ευχαριστώ!