Το Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο ΛCDM

Η κοσμολογία είναι ο τομέας της αστροφυσικής – φυσικής που μελετάει την εξέλιξη του Σύμπαντος στο σύνολο του. Σε προηγούμενα άρθρα μας – εδώ και εδώ –  αναφερθήκαμε στις προβλέψεις και παρατηρήσεις του Καθιερωμένου μοντέλου για τις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος. Εδώ θα ασχοληθούμε με το μοντέλο αυτό στη γενικότητα του, καθώς και τις βασικές υποθέσεις που κάνουν οι επιστήμονες για να μελετήσουν το Σύμπαν.

Πιο συγκεκριμένα, το Καθιερωμένο Μοντέλο βασίζεται σε τέσσερις υποθέσεις:

1. Μια θεωρία βαρύτητας.
2. Τις μορφές ύλης και ενέργειας που υπάρχουν στο Σύμπαν και στις αλληλεπιδράσεις τους.
3. Συμμετρίες.
4. Γενικές γεωμετρικές ιδιότητες – τοπολογία – του Σύμπαντος.

Οι πρώτες δύο υποθέσεις σχετίζονται με τη “φυσική” του Σύμπαντος, ενώ οι τελευταίες δύο αποτελούν λογικές εικασίες που μας διευκολύνουν στην επίλυση των απαραίτητων εξισώσεων. Ειδικότερα, το σημείο (3) αναφέρεται στις γεωμετρικές ιδιότητες του Σύμπαντος που μπορούμε να παρατηρήσουμε, ενώ το (4) στη συνολική δομή του μοντέλου. 

Αν όλα τα παραπάνω ακούγονται περίεργα και αφηρημένα, ας δούμε τι επιλογές κάνει το συγκεκριμένο παράδειγμα του Καθιερωμένου Κοσμολογικού Μοντέλου:

1. Ως θεωρία βαρύτητας επιλέγεται η Γενική Θεωρία Σχετικότητας του Einstein.
2. Στα συστατικά του Σύμπαντος, θεωρούμε τη “βαρυονική ύλη*”, τις διάφορες ακτινοβολίες, τη “σκοτεινή ύλη”, και τη “σκοτεινή ενέργεια”. Τα πρώτα δύο τα γνωρίζουμε σχετικά καλά και τα έχουμε παρατηρήσει. Τα άλλα δύο αποτελούν ανοιχτά ερωτήματα για τους επιστήμονες.
3. Για τις συμμετρίες, επιλέγεται η “Κοσμολογική Αρχή”, δηλαδή ότι το Σύμπαν μας είναι ομογενές και ισοτροπικό, ή με άλλα λόγια, ομοιόμορφο σε οποιοδήποτε σημείο του ουρανού και αν κοιτάξουμε.
4. Εδώ έμμεσα θεωρείται ότι οι τοπικές γεωμετρικές ιδιότητες εκτείνονται στο άπειρο. Με άλλα λόγια, το Σύμπαν θεωρείται επίπεδο και άπειρο χωρικά.

Παρότι οι επιστήμονες έχουν ελευθερία στις παραπάνω επιλογές, αυτές θα πρέπει να ελεγχθούν και να συνάδουν με τα διάφορα παρατηρησιακά και πειραματικά μας δεδομένα. Για αυτό το λόγο, το επόμενο βήμα είναι να γίνουν προβλέψεις για μια σειρά από φαινόμενα, όπως: πως σχηματίζονται τα πρώτα άτομα στο Σύμπαν, πως δημιουργούνται και εξελίσσονται οι γαλαξίες, τι δομές σχηματίζουν οι γαλαξίες και πως αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, πόσο γρήγορα διαστέλλεται το Σύμπαν, ποια είναι η πηγή και η κατανομή στον ουρανό της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου; 

Οι παραπάνω υποθέσεις φαίνεται μέχρι στιγμής να τα πηγαίνουν αρκετά καλά (Εικόνα 1), γι’αυτό και μπορούμε να μιλάμε για το “Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο” – όχι βέβαια χωρίς προβλήματα, ή χωρίς σημαντικά ερωτηματικά (αυτή τη στιγμή δε γνωρίζουμε από τι αποτελείται περίπου το 95% του Σύμπαντος, που βρίσκεται στη μορφή της σκοτεινής ενέργειας και σκοτεινής ύλης, και στην τελική ούτε καν αν αυτές είναι οι πιο σωστές υποθέσεις). 

Τι πιστεύουν δηλαδή σήμερα οι επιστήμονες, ή με άλλα λόγια τι προτείνει το μοντέλο ΛCDM;

Σύμφωνα με αυτό, δεν είναι γνωστή η αρχή (αν υπάρχει) του Σύμπαντος. Παρόλα αυτά, πιστεύεται ότι το Σύμπαν έχει τουλάχιστον μια ηλικία 13.8 δις χρόνων, κατά τα οποία διαστέλλεται συνεχώς, περνώντας από μια πυκνή και θερμή φάση (Big Bang) όπου δημιουργούνται και τα ελαφρότερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα, και φτάνοντας στη σημερινή εποχή όπου συνεχίζει να διαστέλλεται, αλλά πλέον επιταχυνόμενα. Αποτελείται από περίπου 25% σκοτεινή ύλη (ή αλλιώς Cold Dark Matter – CDM), 70% σκοτεινή ενέργεια (που πιθανόν να σχετίζεται με την “Κοσμολογική Σταθερά” του Einstein, γι’αυτό και το Λ), ενώ περιέχει μόλις 5% από τις γνωστές μας μορφές ύλης και ακτινοβολίας. Θεωρεί ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας ισχύει παντού, ότι το Σύμπαν μας είναι “αρκετά” συμμετρικό, με τις όποιες ασυμμετρίες να αποτελούν την πηγή για τη δημιουργία των όμορφων κηλίδων που βλέπουμε στους χάρτες της μικροκυματικής ακτινοβολίας και τον σχηματισμό των γαλαξιακών δομών. Με λίγα λόγια, το “Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο” ερμηνεύει, και μάλιστα αρκετά επιτυχημένα, φαινόμενα που εκτείνονται από τον μικρόκοσμο των ατόμων στο μακρόκοσμο των γαλαξιακών σμηνών και ακόμα παραπέρα (Εικόνα 2)!

Κλείνοντας, αξίζει να σημειώσουμε ότι η κοσμολογία σαν κλάδος κατάφερε να αποκτήσει λεπτομερείς και ακριβείς παρατηρήσεις, μόλις τα τελευταία 40 με 50 χρόνια. Σε αυτά, κατάφερε να κάνει σημαντικές προόδους, ωστόσο φαίνεται ότι έχουμε πολλά ακόμα να ανακαλύψουμε και να μάθουμε για το Σύμπαν μας!

* Με τον όρο “βαρυονική ύλη” αναφερόμαστε στην ύλη από την οποία είμαστε φτιαγμένοι εμείς και τα περισσότερα πράγματα στην καθημερινή μας ζωή. Με άλλα λόγια, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα άλλα γνωστά σωματίδια, όπως και τα γνωστά μας άτομα και μόρια!