Πώς γνωρίζουν οι φυσικοί για τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος;

Για να απαντήσουμε την ερώτηση, ας οριοθετήσουμε – κάπως αυθαίρετα – τρεις εποχές του Σύμπαντος, με βάση το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο:

Την εποχή των σωματιδίων: Αναφέρεται στις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, από τον κοσμικό πληθωρισμό, μέχρι τη στιγμή δημιουργίας των πρώτων ελαφρών στοιχείων (αρχέγονη πυρηνοσύνθεση), όπως το ήλιο και το λίθιο.

Την εποχή του πλάσματος: Αναφέρεται στην περίοδο μετά την αρχέγονη πυρηνοσύνθεση, μέχρι τη στιγμή της αποσύνδεσης της ύλης από την ακτινοβολία, δηλαδή την εποχή όπου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να συνδυαστούν με θετικά φορτισμένους πυρήνες, και τα φωτόνια να ταξιδέψουν “ανενόχλητα” μέχρι εμάς – αυτά είναι τα φωτόνια της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Την εποχή των γαλαξιών: Αναφέρεται στο χρόνο δημιουργίας των πρώτων γαλαξιών, έως και σήμερα.

Αν θεωρήσουμε τη Μεγάλη Έκρηξη, ή Big Bang (BB), σαν αρχή μέτρησης του χρόνου, τότε η εποχή πλάσματος ξεκινάει περίπου 1 λεπτό μετά το BB και τελειώνει περίπου στα 380.000 χρόνια.

Επιστρέφοντας στην ερώτηση, είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι οι φυσικοί, με βάση τα υπάρχοντα παρατηρησιακά δεδομένα έχουν πληροφορίες από την εποχή πλάσματος και μετά, δηλαδή μετά το 1ο λεπτό του Σύμπαντος! Αυτές προέρχονται από μετρήσεις των πρώτων ελαφρών στοιχείων (ήλιο, δευτέριο, λίθιο κτλ). Ακόμα και η συλλογή αυτών των παρατηρήσεων, καθώς και η σύγκρισή τους με τη θεωρία, είναι αρκετά πολύπλοκες και θέλουν ιδιαίτερη προσοχή, καθώς ένα μέρος αυτών των στοιχείων μπορεί να δημιουργηθεί από πυρηνικές διαδικασίες κατά την εξέλιξη του Σύμπαντος.

Οι προηγούμενες χρονικές περίοδοι βασίζονται σε επιστημονικές υποθέσεις, λιγότερο ή περισσότερο εμπεριστατωμένες. Για παράδειγμα, αν εξαιρέσουμε τη σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, θα λέγαμε ότι γνωρίζουμε τα βασικά στάδια εξέλιξης του Σύμπαντος μέχρι τον σχηματισμό των πρωτονίων και νετρονίων. Το γεγονός αυτό αντιστοιχεί περίπου σε 0.0001 δευτερόλεπτα μετά το BB. Οι γνώσεις μας για αυτή την περίοδο, δεν έρχονται από άμεσες παρατηρήσεις, αλλά έμμεσα από τη μελέτη των στοιχειωδών αλληλεπιδράσεων στους γήινους επιταχυντές, όπως ο LHC.  

Για ακόμα πιο πρώιμα στάδια από αυτό που μιλήσαμε παραπάνω (σχηματισμός πρωτονίων-νετρονίων) – όταν η μέση ενέργεια ενός σωματιδίου ήταν αρκετά μεγαλύτερη από αυτές που μπορούμε να μελετήσουμε στους επιταχυντές στη Γη – οι ενδείξεις είναι ακόμα πιο έμμεσες, και βασίζονται κυρίως σε θεωρητικά μοντέλα. 

Τέλος, για την ίδια τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, αν μπορούμε να μιλήσουμε για κάτι τέτοιο, ένα μόνο μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα: ότι δε γνωρίζουμε. Αυτό γιατί σε τόσο μεγάλες ενέργειες ακόμα και η Γενική Θεωρία της Σχετικότητα, η γενικά παραδεκτή θεωρία βαρύτητας που έχουμε, παύει να ισχύει όπως τη γνωρίζουμε.


Για να κλείσουμε με μια ματιά στο μέλλον, υπάρχουν μια σειρά παρατηρήσεις που θα μπορέσουν να μας δώσουν πιο άμεσες πληροφορίες για το αρχέγονο Σύμπαν. Οι πιο βασικές είναι: α) η κοσμική ακτινοβολία νετρίνων – αντίστοιχη με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, αλλά που προέρχεται περίπου από μια εποχή 1 δευτερολέπτου μετά το BB και για την οποία έχουμε μέχρι στιγμής μόνο έμμεσες ενδείξεις, και β) τα αρχέγονα βαρυτικά κύματα – τα οποία θα μπορούσαν να μας δώσουν πληροφορίες μέχρι και την εποχή του κοσμικού  πληθωρισμού.

Εικόνα 1: Τα στάδια στην εξέλιξη του Σύμπαντος σύμφωνα με το καθιερωμένο πρότυπο: εποχή πληθωρισμού, σχηματισμός πρωτονίων, αρχέγονη πυρηνοσύνθεση, κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, σχηματισμός γαλαξιών. Image Credits:  Roen Kelly/BICEP2 Collaboration