Το σύμπαν

Κρύβει τα χρόνια του

Σύντομα (σε δύο το πολύ χρόνια) θα ξέρουμε με ακρίβεια την ηλικία του και οι αστροφυσικοί θα παύσουν να ερίζουν

Ο προσδιορισμός της ηλικίας του Σύμπαντος απασχολεί εδώ και πολλά χρόνια τους αστροφυσικούς. Κατ’ αρχήν η συζήτηση για την ηλικία του Σύμπαντος συνδέεται άμεσα με την επιλογή μοντέλου για τη δημιουργία του. Αν δεχθούμε ότι το Σύμπαν δημιουργήθηκε από τη Μεγάλη Εκρηξη, έχει νόημα να ρωτήσουμε «Πόσα χρόνια πέρασαν από τότε που ο χρόνος άρχισε να τρέχει;» ενώ δεν έχει νόημα να μιλήσουμε για ηλικία σε ένα παλλόμενο ή ένα Σύμπαν που βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση. Ως σήμερα έχει επικρατήσει η θεωρία της Μεγάλης Εκρηξης και το θέμα της ηλικίας είναι ένα από τα καυτά θέματα της σύγχρονης Αστροφυσικής.

Η πρώτη προσπάθεια για να μετρήσουμε την ηλικία του Σύμπαντος έγινε από τον αμερικανό επιστήμονα Edwin Hubble. Παρατήρησε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται και ότι η ταχύτητα με την οποία απομακρύνονται οι γαλαξίες μεταξύ τους είναι ανάλογη της μεταξύ τους απόστασης. Η σταθερά αναλογίας που συνδέει την ταχύτητα απομάκρυνσης με την απόσταση πήρε το όνομά του, Hubble, και συμβολίζεται διεθνώς με Η0.

Ο υπολογισμός του χρόνου που πέρασε από τη Μεγάλη Εκρηξη ως σήμερα είναι ανάλογος της απόστασης δύο απομακρυσμένων αντικειμένων και αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας που απομακρύνονται μεταξύ τους. Η απόσταση και η ταχύτητα απομάκρυνσης δύο κοσμικών πηγών συνδέονται με τη σταθερά του Hubble, άρα η ηλικία του Σύμπαντος υπολογίζεται εύκολα αν μετρήσουμε το Η0. Πώς όμως θα μετρήσουμε το Η0 με ακρίβεια; Είναι φανερό από αυτά που είπαμε παραπάνω ότι μας χρειάζονται δύο μεγέθη, η ταχύτητα απομάκρυνσης και η απόσταση των πιο απομακρυσμένων γαλαξιών.

Το φαινόμενο Doppler

Η ταχύτητα που πλησιάζουν ή απομακρύνονται οι κοσμικές πηγές από τη Γη προσδιορίζεται σχετικά εύκολα με το φαινόμενο Doppler. Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό, το φάσμα μιας πηγής φωτός που μας πλησιάζει μετατοπίζεται, σε σχέση με μια ακίνητη, προς το κυανό, ενώ όταν απομακρύνεται μετατοπίζεται προς το ερυθρό. Μετρώντας αυτή τη μετατόπιση, εύκολα προσδιορίζουμε την ταχύτητα που πλησιάζει ή απομακρύνεται από εμάς κάθε πηγή που εκπέμπει κύματα. (Θα έχετε προσέξει πώς αλλάζει ο ήχος της μηχανής του τρένου όταν μας πλησιάζει ή όταν απομακρύνεται ενώ στεκόμαστε ακίνητοι στον σταθμό).

Οι μεγάλες δυσκολίες αρχίζουν με την προσπάθειά μας να μετρήσουμε τις αποστάσεις αντικειμένων που βρίσκονται πολύ μακριά από εμάς. Το ιδανικό θα ήταν να χρησιμοποιήσουμε μερικά μακρινά, άρα και αμυδρά, αντικείμενα ως βασικά σημεία προσδιορισμού της απόστασης και της ταχύτητας απομάκρυνσης (τα αντικείμενα αυτά συνηθίζουμε να τα ονομάζουμε «βασικούς δείκτες απόστασης»).

Οι μεταβλητοί αστέρες Κηφείδες αποτελούν έναν από τους πιο χαρακτηριστικούς δείκτες απόστασης. Υπάρχουν δύο βασικοί νόμοι που συνδέουν τις ιδιότητες των μεταβλητών Κηφείδων με την απόστασή τους από τη Γη. Ο ένας νόμος λέει απλώς ότι, αν συγκρίνουμε το φως που μας στέλνει ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας (σχετικό μέγεθος) με το φως που θα μας έστελνε το ίδιο αστέρι ή ο γαλαξίας αν ήταν σε γνωστή από εμάς απόσταση (απόλυτο μέγεθος), θα μπορούσαμε εύκολα να προσδιορίσουμε την πραγματική του απόσταση από εμάς. Ο δεύτερος νόμος συνδέει την περίοδο της μεταβολής των Κηφείδων με το απόλυτο μέγεθος. Ο συνδυασμός των δύο νόμων μάς δίνει μια αρκετά καλή προσέγγιση της απόστασης. Με τον τρόπο αυτόν μπορούμε να μετρήσουμε αποστάσεις γαλαξιών που απέχουν από τη Γη ως και 20-80 εκατομμύρια έτη φωτός. Πέρα από αυτή την απόσταση οι Κηφείδες είναι δύσκολο να παρατηρηθούν.

Το 1970 οι αστρονόμοι Tully και Fisher ανακάλυψαν ότι το πλάτος της γραμμής του υδρογόνου στο φάσμα απομακρυσμένων γαλαξιών συνδέεται με το απόλυτο μέγεθος του γαλαξία. Η σχέση αυτή αποτελεί σήμερα μια από τις καλύτερες μεθόδους μέτρησης αποστάσεων στο Σύμπαν. Αξιοποιώντας τις μετρήσεις από τους Κηφείδες και τη σχέση Tully – Fisher για μακρινούς γαλαξίες καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η σταθερά του Hubble είναι στην περιοχή των 50-80 μονάδων μέτρησης που φέρνει την ηλικία του Σύμπαντος κοντά στα 13-20 δισεκατομμύρια χρόνια.

20 δισεκατομμύρια χρόνια;

Στη συνέχεια καταφεύγουμε στα πολύ λαμπερά αστέρια, τους ερυθρούς υπεργίγαντες, αλλά και το δικό τους φως είναι δύσκολο να μετρηθεί αν περάσουμε τα 100 εκατομμύρια έτη φωτός. Πέρα από αυτή την απόσταση τα απομονωμένα αστέρια δεν μπορούν να παρατηρηθούν ακόμη και με τα ισχυρότερα τηλεσκόπια. Συστήματα γαλαξιών και λαμπερά σύννεφα υδρογόνου μπορούν να δώσουν πληροφορίες για αποστάσεις που φθάνουν ως και τα 200-300 εκατομμύρια έτη φωτός. Οι εκρήξεις των αστέρων προτού πεθάνουν (οι υπερκαινοφανείς ή supernova) θα φωτίσουν έστω και για λίγο την άγνοιά μας για αποστάσεις πολύ πιο πέρα από τα 300 εκατομμύρια έτη φωτός. Το τρομακτικό φως που εκπέμπουν κάνει ορατή την παρουσία τους σε αποστάσεις που ξεπερνούν πολλές φορές και τα 300 εκατομμύρια έτη φωτός.

Αξιοποιώντας και αυτά τα μακρινά αντικείμενα, η εκτίμηση για το Η0 είναι περίπου 50 μονάδες μέτρησης, που πάλι προσδιορίζει την ηλικία του Σύμπαντος κοντά στα 20 δισεκατομμύρια χρόνια.

Πολύ πρόσφατα επιστρατεύθηκε μία ακόμη περίεργη πηγή: ένας πολύ μακρινός αλλά και ιδιαίτερα φωτεινός Ημιαστέρας (Quasar) που το φως του περνάει δίπλα από ισχυρά βαρυτικά πεδία και καμπυλώνεται δίνοντας την εντύπωση πολλαπλών πηγών (αυτοί είναι οι περίφημοι βαρυτικοί καθρέφτες). Μεταβολές στη σχετική ένταση των ειδώλων προσδιορίζουν γεωμετρικά το Η0 και με τη βοήθεια αυτής της μεθόδου τα αποτελέσματα παραμένουν στην περιοχή των 20 δισεκατομμυρίων χρόνων.

Οι νέες μετρήσεις

Με βάση την αρχή ότι «δεν μπορείς να είσαι μεγαλύτερος από τη μαμά σου», αρκετοί στρέφονται στον προσδιορισμό της ηλικίας των αστέρων, των γαλαξιών κλπ., με την ελπίδα να προσδιορίσουν με ανεξάρτητο τρόπο την ηλικία τους και να βάλουμε έναν κατώτερο φραγμό στην ηλικία του Σύμπαντος.

Πετρώματα από το φεγγάρι και τους μετεωρίτες που πέφτουν στη Γη έχουν προσδιορίσει την ηλικία του ηλιακού μας συστήματος στα 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Αστέρες στη γειτονιά του ηλιακού συστήματος που έχουν περάσει στην τελική φάση της ζωής τους (λευκοί νάνοι) σιγά σιγά ψύχονται με ρυθμούς που μπορούμε να τους προσδιορίσουμε με αυτά που ξέρουμε από τη βασική φυσική. Η χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει παρατηρηθεί σε λευκό νάνο είναι 4.000 βαθμοί και προσδιορίζει την ηλικία του στα 6-13 δισεκατομμύρια χρόνια. Τέλος, ο κατώτερος φραγμός στην ηλικία του Σύμπαντος έρχεται από παρατηρήσεις αστέρων στον δικό μας γαλαξία. Τα άστρα αυτά είναι μέρος μιας μεγάλης ομάδας που εκτελεί ελλειπτική τροχιά γύρω από το κέντρο του γαλαξία μας, φαίνεται να σχηματίστηκαν πριν από τη δημιουργία του γαλαξιακού δίσκου και έχουν ηλικία που αγγίζει τα 13 δισεκατομμύρια χρόνια.

Από καιρό σε καιρό ανακοινώνονται νέες παρατηρήσεις κοσμικών πηγών με ηλικία μεγαλύτερη από αυτήν του Σύμπαντος. Οι μετρήσεις αυτές προκαλούν πανικό στους οπαδούς της θεωρίας της Μεγάλης Εκρηξης και μετά από προσεκτικότερη μελέτη τα νούμερα διορθώνονται, έτσι σήμερα δεν υπάρχει καμία σοβαρή αμφισβήτηση για το ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι στην περιοχή των 13-20 δισεκατομμυρίων χρόνων.

Ο ρυθμός συλλογής πληροφοριών είναι τέτοιος που πιστεύουμε ότι τα επόμενα δύο χρόνια θα έχουμε προσδιορίσει με μεγάλη ακρίβεια την ηλικία του Σύμπαντος. Το Σύμπαν για λίγο ακόμη θα παίζει μαζί μας κρύβοντας χρόνια, αλλά, όπως έχουμε όλοι διαπιστώσει, «τα πλούτη και τα χρόνια δύσκολα κρύβονται»…