Project Αστρονομίας-Β’ Λυκείου

Δομή του Σύμπαντος

Ως σύμπαν εννοούμε το σύνολο των πραγμάτων που υπάρχουν. Σύμφωνα με την επιστήμη το σύμπαν αφορά το χωροχρονικό συνεχές και στη δομή του περιλαμβάνεται το σύνολο της ύλης και της ενέργειας.

Το σύμπαν, στις μεγάλες διαστάσεις του, είναι αντικείμενο μελέτης της επιστήμης της αστροφυσικής. Στις πολύ μικρές διαστάσεις το σύμπαν το εξερευνά η κβαντική μηχανική . Ενδιάμεσα προσπαθούν να κατανοήσουν τη λειτουργία του και την υπόστασή του όλες οι επιστήμες. Οι γνωστές μορφές της ενέργειας, όπως το φως, η θερμότητα κτλ συνδέονται με την ύλη μέσα από σχέσεις ανταλλαγής. Όσον αφορά την δομή του σύμπαντος στο μικρόκοσμο, σύμφωνα με την σύγχρονη Φυσική υπάρχει ισοδυναμία μεταξύ ύλης και ενέργειας, οπότε και οι δύο συνολικά απαρτίζουν το σύμπαν. Μέσα στο σύμπαν ενδεχομένως περιλαμβάνεται και η σκοτεινή ύλη, όχι όμως απαραίτητα και η σκοτεινή ενέργεια. Σύγχρονες παρατηρήσεις υπολογίζουν την ορατή ύλη στο 4,6% του περιεχομένου του ορατού Σύμπαντος, με το υπόλοιπο 23% να αποτελείται από ψυχρή σκοτεινή ύλη και περίπου 72% από σκοτεινή ενέργεια. Όσον αφορά την δομή του στον μακρόκοσμο το ορατό Σύμπαν περιέχει περίπου 3 ως 7×1010 άστρα, τα οποία είναι οργανωμένα σε περίπου 8×1010 γαλαξίες και οι οποίοι με την σειρά τους συγκροτούν σμήνη και υπερσμήνη. Ο αριθμός των ατόμων στο ορατό Σύμπαν υπολογίζεται σε περίπου 1080 . Το Σύμπαν υποστηρίζεται ότι δεν είναι ούτε «άμορφο» ούτε «άπειρο», αλλά έχει πέρατα. Απόψεις της τελευταίας πεντηκονταετίας συγκλίνουν σε αυτήν την άποψη, ότι δηλαδή το Σύμπαν είναι περιορισμένο, «περατό». Αυτή ήταν θέση και του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Θεωρίες όπως αυτή του Big Bang εκτιμούν ότι το σχήμα του Σύμπαντος είναι, το πιθανότερο, υπερσφαιρικό. Μια υπερσφαίρα (η οποία ορίζεται σε 4 διαστάσεις) μπορεί να νοηθεί αφαιρετικά ως μια σφαίρα τριών διαστάσεων της οποίας η ακτίνα συνεχώς μεταβάλλεται, μοιάζοντας με μπαλόνι που διαστέλλεται. Αυτή η διαστολή φαίνεται να συνεχίζεται από τη δημιουργία του μέχρι σήμερα, σύμφωνα με το μοντέλο της μεγάλης έκρηξης. Επειδή οι αποστάσεις μεταξύ των μελών του Σύμπαντος, των ουρανίων σωμάτων είναι πάρα πολύ μεγάλες κατέστη αναγκαίο στην Αστρονομία να γίνει χρήση μιας μεγάλης μονάδας μήκους, που ονομάζεται έτος φωτός και που δεν είναι τίποτα άλλο από την απόσταση που διανύει το φως, με τη γνωστή ταχύτητά του, των σχεδόν 300.000 km/s (για την ακρίβεια 299.792,458 km/s) σε χρονική διάρκεια ενός έτους. Tο έτος φωτός ισούται με

9,465×1012km. Όλα τα ουράνια σώματα του Σύμπαντος ανήκουν σε δύο συστήματα:

1. Το Ηλιακό σύστημα ή Κοπερνίκειο σύστημα στο οποίο περιλαμβάνονται ο Ήλιος οι πλανήτες, οι δορυφόροι τους, οι κομήτες, οι διάττοντες αστέρες, οι αερόλιθοι και οι βολίδες.

2. Το σύστημα των απλανών που περιλαμβάνει τους αστέρες και τα νεφελώματα.

3. Ονομάζεται ηλιακό σύστημα επειδή ο Ήλιος είναι το κέντρο του συστήματος και Κοπερνίκειο από το όνομα του αστρονόμου, που βασιζόμενος στη θεωρία των Πυθαγόρειων, απέδειξε ότι ο Ήλιος είναι ακίνητος και περί αυτόν περιφέρονται η Γη, οι πλανήτες και οι δορυφόροι τους. Προ του Κοπερνίκειου συστήματος ήταν σε χρήση το Πτολεμαϊκό σύστημα όπου η Γη ήταν το κέντρο ακίνητη και περί αυτής περιφέρονταν ο Ήλιος, οι πλανήτες και οι δορυφόροι τους. Γενικά τα ουράνια σώματα διακρίνονται σε πλανήτες και απλανείς ή αστέρες.

Α. Πλανήτες είναι τα ουράνια σώματα που κινούνται (πλανώνται) γύρω από τον Ήλιο σε ελλειπτικές τροχιές σύμφωνα με τους Νόμους του Κέπλερ.

Χαρακτηριστικά γνωρίσματα των Πλανητών είναι:

1. Μεταβάλλονται οι γωνιώδεις αποστάσεις μεταξύ τους και σε σχέση με τους απλανείς.

2. Είναι σώματα ετερόφωτα.

3. Το εκπεμπόμενο από αυτούς φως είναι σταθερό.

4. Παρατηρούμενοι με τηλεσκόπιο μεγεθύνονται λόγω της μικρής σχετικά απόστασης. Κυριότερος πλανήτης του Ηλιακού συστήματος είναι η Γη.

Β. Απλανείς η αστέρες χαρακτηρίζονται οι λίαν απομακρυσμένοι ήλιοι, δηλαδή οι αστέρες που μένουν ακίνητοι στο χώρο (δεν πλανώνται).

Χαρακτηριστικά γνωρίσματα των απλανών είναι:

1. Δεν μεταβάλλονται οι μεταξύ τους γωνιώδεις αποστάσεις.

2. Είναι σώματα αυτόφωτα

3. Παρατηρούμενοι με τηλεσκόπιο δεν μεγεθύνονται λόγω της πολύ μεγάλης απόστασης.

4. Το εκπεμπόμενο απ’ αυτούς φως δεν είναι σταθερό, αλλά παρουσιάζει στίλβη.

Εξέλιξη του Σύμπαντος-Μεγάλη Έκρηξη

Σύμφωνα με την θεωρία της μεγάλης έκρηξης ( Big Bang ) το σύμπαν δημιουργήθηκε από μια υπερβολικά πυκνή και θερμή κατάσταση, πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Η θεωρία αυτή για τη δημιουργία του σύμπαντος είναι η πιο διαδεδομένη αυτή τη στιγμή στην επιστημονική κοινότητα. Ύστερα από το Big Bang ξεκίνησε η εξέλιξη του σύμπαντος. Στην αρχή η κατάσταση του σύμπαντος βρισκόταν σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και διαστελλόταν ταχύτατα, ύστερα υπήρχε η κατάλληλη θερμοκρασία ώστε η ενέργεια να μετατραπεί σε υποατομικά σωματίδια. Μετά από τον σχηματισμό των πρώτων αστέρων 400 εκατομμύρια χρόνια μετά από το Big Bang ξεκίνησε ο σχηματισμός πλανητών και αργότερα γαλαξιών και το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται με ταχύτατους ρυθμούς.

Η ιστορία του Σύμπαντος μπορεί να υποδιαιρεθεί σε τέσσερις περιόδους: α) Την περίοδο των αδρονίων (ή βαρέων σωματιδίων) β) Την περίοδο των λεπτονίων (ή ελαφρών σωματιδίων) γ) Την περίοδο του πλάσματος και δ) Την περίοδο της ύλης. Οι περίοδοι (α), (β) και (γ) συνιστούν την εποχή της ακτινοβολίας, ενώ η (δ) την εποχή της ύλης. Κατά την εποχή της ακτινοβολίας το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας του Σύμπαντος βρίσκεται στα φωτόνια. Αντίθετα, την εποχή της ύλης η ενέργεια βρίσκεται κυρίως σε υλική μορφή. Πιο αναλυτικά:

• Όλα ξεκίνησαν από μια Μεγάλη Έκρηξη. Στην αρχή υπήρχε μια πυκνή «σούπα» στοιχειωδών σωματιδίων. Η θερμοκρασία ήταν τεράστια. • Το διαστελλόμενο σύμπαν κρυώνει. Εμφανίζονται τα σωμάτια που δημιουργούν τα πρωτόνια και νετρόνια (κουάρκς). • Ενώ η θερμοκρασία συνεχίζει να πέφτει εμφανίζονται τα ηλεκτρόνια και τα άλλα λεπτόνια. • Δημιουργούνται οι πυρήνες υδρογόνου και ηλίου (από σύντηξη) και εμφανίζονται τα φωτόνια. • Δημιουργούνται τα πρώτα άτομα και το σύμπαν γίνεται διαπερατό από το φως.

• Δημιουργούνται τα πρώτα άστρα και οι γαλαξίες. Στους πυρήνες των μεγάλων άστρων δημιουργούνται, πάντα με σύντηξη, τα βαρύτερα στοιχεία. • Το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται αλλά όπως έδειξαν πρόσφατες μετρήσεις, με επιταχυνόμενο ρυθμό!

Επιβεβαίωση της Μεγάλης Έκρηξης

Κύματα βαρύτητας που εμφανίστηκαν στο Διάστημα αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) ανιχνεύθηκαν για πρώτη φορά από Αμερικανούς επιστήμονες, σε μια κολοσσιαίας σημασίας ανακάλυψη για την κατανόηση της γέννησης του σύμπαντος. Τα κύματα αυτά αποτελούν επιβεβαίωση μιας ταχείας μεγέθυνσης πριν από 14 δισ. χρόνια και παρέχουν μια πολυαναμενόμενη απάντηση στο τελευταίο αναπόδεικτο στοιχείο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αλβέρτου Αϊνστάιν, η οποία χρονολογείται εδώ και σχεδόν έναν αιώνα. «Η πρώτη άμεση απόδειξη κοσμικού πληθωρισμού» ανακοινώθηκε από ειδικούς στο Κέντρο Αστροφυσικής Σμιθσόνιαν του Χάρβαρντ. Η ανακάλυψη έγινε με τη βοήθεια τηλεσκοπίου που βρίσκεται στον Νότιο Πόλο και μετράει το αρχαιότερο φως στο σύμπαν. Τα κύματα που κινούνται μέσω χώρου και χρόνου έχουν χαρακτηριστεί «τα πρώτα σκιρτήματα του Big Bang». Το εύρημά τους επαληθεύει την προσπάθεια σύζευξης της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν και της κβαντικής μηχανικής.

Θεωρίες που πλαισιώνουν την Μεγάλη Έκρηξη

Ο πρώτος που ασχολήθηκε σοβαρά με το πώς μπορεί να δημιουργηθεί το σύμπαν από το τίποτα ήταν ο Εdward Tryon, το 1973. Για τη μελέτη της δημιουργίας του Σύμπαντος, ένα σημείο κλειδί είναι η επιλογή του αρχικού σημείου. Σύμφωνα με την πρόταση του Tryon, το Σύμπαν δημιουργήθηκε από το κενό, δηλαδή τον άδειο χώρο. Σύμφωνα με τη κβαντική θεωρία, το φαινομενικά αδρανές κενό, δεν είναι καθόλου άδειο, αλλά σε υποατομικό επίπεδο, βρίσκεται σε διαρκή αναβρασμό. Είναι δυνατόν για παράδειγμα, από το κενό να εμφανιστεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου, να υπάρξει για σύντομο χρονικό διάστημα, και στη συνέχεια να εξαφανιστεί και πάλι. Τέτοιες διακυμάνσεις του κενού δεν είναι δυνατόν να παρατηρηθούν

πειραματικά, διότι έχουν χρόνο ζωής γύρω στα 10-21 δευτερόλεπτα, ενώ η απόσταση ανάμεσα στο ηλεκτρόνιο και το ποζιτρόνιο είναι της τάξης των 10-10εκατοστών. Οι φυσικοί όμως, είναι πεπεισμένοι ότι οι διακυμάνσεις αυτές είναι πραγματικές, επειδή μπορούν να «παρατηρηθούν» με έμμεσους τρόπους. Ο Tryon πρότεινε ότι, σε σπάνιες περιπτώσεις, ολόκληρα σύμπαντα μπορούν να εμφανιστούν από το κενό, και ότι το Σύμπαν μας θα μπορούσε να έχει αρχίσει με αυτόν τον τρόπο. Επειδή οι κβαντικές διακυμάνσεις είναι γενικά στιγμιαίες, η πρόταση του Tryon, ότι το Σύμπαν μας που έχει ηλικία 10 δισεκατομμύρια χρόνια δημιουργήθηκε με τον τρόπο αυτό, φαίνεται αδιανόητη.

Θεωρία Λίντε ή Μοντέλο του σύμπαντος-φυσαλίδα: Πρόκειται για μια

παραλλαγή του πληθωριστικού μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης, η οποία

επιχειρεί να εξαλείψει ορισμένα προβληματικά σημεία

του Κοσμολογικού Μοντέλου της Μεγάλης Έκρηξης.

Η θεωρία της της Μεγάλης Έκρηξης παρά τις πειραματικές της επιβεβαιώσεις

αφήνει κάποια Φυσικά και Φιλοσοφικά ερωτήματα αναπάντητα, τα βασικότερα

εκ των οποίων είναι:

1. Προβλέπει ένα μικρότερο Σύμπαν από αυτό που υπάρχει σήμερα.

2. Δεν εξηγεί την Κοσμολογική Αρχή αλλά την δέχεται αξιωματικά,

πράγμα ασυμβίβαστο με την μαθηματική ανάλυση.

3. Τι υπήρχε πριν; Πώς από το τίποτα προήλθαν τα πάντα;

4. Γιατί ισχύουν οι συγκεκριμένοι φυσικοί νόμοι και όχι κάποιο άλλοι; γιατί

για παράδειγμα ο χωρόχρονος είναι τετραδιάστατος;

Ακτινοβολία Υποβάθρου

Ακτινοβολία Υποβάθρου ή Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου ονομάζεται το ίχνος, ή υπόλειμμα της ακτινοβολίας που εξέπεμπε το σύμπαν όταν βρισκόταν σε κατάσταση εξαιρετικά μεγάλων θερμοκρασιών και πιέσεων. Αντιστοιχεί σε ακτινοβολία μέλανος σώματος, θερμοκρασίας 2,73 Κ (Kelvin) και έρχεται από όλες τις κατευθύνσεις. Παρουσιάζει μεγάλη ισοτροπία και ομοιογένεια. Η ύπαρξη μιας τέτοιας ακτινοβολίας είχε προβλεφθεί ήδη από το 1940 θεωρητικά από τον Τζορτζ Γκάμοφ και άλλους. Οι Άρνο Πενζίας (Penzias) και Ρόμπερτ Γουίλσον (Wilson) όμως ήταν αυτοί οι

οποίοι επιβεβαίωσαν τις προβλέψεις. Το 1965 με τη βοήθεια μιας κερατοειδούς σχήματος κεραίας, την οποία οι ίδιοι κατασκεύασαν, ανακάλυψαν μια ακτινοβολία για την οποία αγνοούσαν την πηγή της, καθώς την λάμβαναν από κάθε κατεύθυνση. Υπολόγισαν πως η ακτινοβολία αυτή αντιστοιχούσε σε ακτινοβολία μελανού σώματος 3,5 K. Την ονόμασαν Ακτινοβολία Μικροκυμάτων. Αργότερα, ο δορυφόρος COBE (Cosmic Backround Explorer) έκανε πιο λεπτομερείς μετρήσεις και υπολόγισε την θερμοκρασία στα 2,7 K, όπως σήμερα είναι γνωστό.

Θεωρία Χορδών

Οι Θεωρίες Χορδών είναι

μοντέλα της φυσικής στα

οποία τα θεμελιώδη δομικά

στοιχεία είναι μονοδιάστατα

εκτεταμένα αντικείμενα

(Χορδές), σε αντίθεση με

την παραδοσιακή έννοια των

σημειακών και

αδιάστατων στοιχειωδών

σωματιδίων. Οι θεωρίες

χορδών αποφεύγουν με αυτό

τον τρόπο τα προβλήματα και

τις ανωμαλίες που προκύπτουν στις φυσικές θεωρίες λόγω της σημειακής

φύσης των σωματιδίων. Στη μελέτη των θεωριών χορδών περιλαμβάνονται

όχι μόνο μονοδιάστατα αντικείμενα, αλλά και αντικείμενα περισσότερων

διαστάσεων, που καλούνται βράνες. Μέχρι σήμερα δεν έχει υπάρξει

πειραματική επαλήθευση της θεωρίας χορδών.

Η έρευνα γύρω από τη θεωρία χορδών αποσκοπεί στην εξαγωγή

μιας θεωρίας των πάντων. Είναι προς το παρόν η μόνη αξιόπιστη

θεωρία κβαντικής βαρύτητας, η οποία μπορεί εξίσου καλά να περιγράψει και

τις ηλεκτρομαγνητικές και τις άλλες θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις. Στη θεωρία

υπερχορδών περιλαμβάνονται και τα φερμιόνια, οι θεμελιώδεις δομικοί λίθοι

της ύλης. Δεν είναι, πάντως, ακόμη γνωστό αν η θεωρία υπερχορδών είναι η

ακριβής θεωρία του σύμπαντος, ούτε τα περιθώρια των τιμών των φυσικών

σταθερών που προβλέπει.

Το γεγονός ότι ο κόσμος είναι τετραδιάστατος έρχεται εκ πρώτης

όψεως σε αντίθεση με τις 10 ή 11 διαστάσεις της θεωρίας. Οι πιθανές

απαντήσεις σ'αυτό το παράδοξο είναι δύο: Μία πιθανή απάντηση είναι ότι οι

υπόλοιπες 6 ή 7 διαστάσεις είναι τόσο μικρές ώστε δεν είναι δυνατό να

παρατηρηθούν. Στην 6-διάστατη περίπτωση αναφέρονται οι

υπερχώροι Calabi-Yau. Στις 7 διαστάσεις αναφέρονται οι χώροι

πολλαπλότητας G2. Η δεύτερη πιθανή απάντηση λύση είναι ότι είμαστε

δεσμευμένοι σε μία υπερ-μεμβράνη του πλήρους σύμπαντος τεσσάρων

χωροχρονικών διαστάσεων. Η λύση αυτή είναι γνωστή ως brane-world theory.

Ορισμένες εκδοχές αυτής της θεωρίας οδηγούν σε προβλέψεις που θα

μπορέσουν να ελεγχθούν από πειραματικές μετρήσεις κβαντικής βαρύτητας

που θα γίνουν στον επιταχυντή LHC του διεθνούς ερευνητικού

κέντρου CERN της Γενεύης, ο οποίος έχει ήδη αρχίσει τη λειτουργία του.

Υπάρχουν 2 κύριες θεωρίες χορδών, η μποζονική θεωρία χορδών σε 26 διαστάσεις και η Υπερσυμμετρική Θεωρία Χορδών σε 10 διαστάσεις. Σήμερα, ο όρος θεωρία χορδών αναφέρεται στην Υπερσυμμετρική θεωρία χορδών ή Θεωρία Υπερχορδών. Μια σημαντική ερευνητική ανακάλυψη που έγινε στη δεκαετία του 1990 ήταν το ότι οι διάφορες θεωρίες υπερχορδών μπορούν να προκύψουν σαν οριακές περιπτώσεις από μια σχετικά άγνωστη 11-διάστατη θεωρία που ονομάστηκε Θεωρία-Μ (M-Theory).Πριν τη δεκαετία του '90, οι πέντε διαφορετικοί τύποι θεωριών χορδών έμοιαζαν ασύνδετες μεταξύ τους. Στο ετήσιο συνέδριο των φυσικών πάνω στη θεωρία χορδών που πραγματοποιήθηκε το 1995, ο Έντουαρντ Βίτεν πρότεινε πως οι διαφορετικοί αυτοί τύποι μπορούν ίσως να προκύψουν ως οριακές περιπτώσεις μιας άγνωστης ακόμη 11-διάστατης θεωρίας που ονομάστηκε θεωρία-Μ.

Ανακαλύφθηκαν επίσης κάποιες σχέσεις που ονομάζονται δυϊσμοί

(dualities), και οι οποίες δείχνουν ότι οι 5 διαφορετικές θεωρίες χορδών

συνδέονται άμεσα μεταξύ τους, σε χαμηλά ή υψηλά όρια διαφόρων

σταθερών, δίνοντας έτσι τα ίδια ακριβώς αποτελέσματα. Οι δυϊσμοί αυτοί είναι

ο S-δυϊσμός, ο Τ-δυϊσμός και ο U-δυϊσμός.

Η θεωρία χορδών δεν έχει μέχρι στιγμής επιτύχει να

κάνει ποσοτικές προβλέψεις που θα μπορούσαν να επαληθευθούν

πειραματικά. Επικριτές της θεωρίας υποστηρίζουν μάλιστα ότι η θεωρία δεν

είναι δυνατό ούτε να επαληθευτεί ούτε να απορριφθεί. Οι υποστηρικτές της

αντιλέγουν ότι η θεωρία χορδών έχει ήδη κάνει πληθώρα νέων προβλέψεων:

α) Έξτρα διαστάσεις. Η πρόβλεψη αυτή αποτελεί αντικείμενο πολλών

εξελισσόμενων πειραμάτων παγκοσμίως.

β) Νέα σωματίδια με μάζες συγκρίσιμες της μάζας του Planck.

γ) Υπερσυμμετρία-υπερβαρύτητα. Η ύπαρξη ή όχι υπερσυμμετρικών

σωματιδίων θα αποτελέσει το αντικείμενο σειράς πειραμάτων που αναμένεται

να αρχίσουν σύντομα στον επιταχυντή LHC του CERN.

Η διατύπωση της θεωρίας υπερχορδών έχει γίνει με βάση σειράς διαταραχών,

και όχι ως ακριβώς διατυπωμένη θεωρία. Παρόλο που υπάρχει αρκετή

πρόοδος προς μια μη-διαταρακτική διατύπωση, και υποθέσεις για πλήρεις

ορισμούς στο χωροχρόνο που ικανοποιούν ορισμένες ασύμπτωτες, δεν έχει

διατυπωθεί ακόμη μια πλήρης μη-διαταρακτική θεωρία υπερχορδών.

Όσον αφορά τις επιτυχίες της θεωρίας των Χορδών:

Σημαντικότατες συνεισφορές σε διάφορους κλάδους των μαθηματικών. o Συμμετρία κατόπτρου (mirror symmetry).o Σημαντικές ανακαλύψεις στην Θεωρία κόμβων (knot theory).o Μελέτη των χώρων Calabi-Yau.o Πρόσφατες συνεισφορές στο πρόγραμμα Langlands.

Μικροσκοπική απόδειξη της εξίσωσης Bekenstein-Hawking για την εντροπία των μελανών οπών.

Σημαντική πρόοδο στην κατανόηση ορισμένων ισχυρά συζευγμένων θεωριών

πεδίου, μέσω του δυϊσμού σύμμορφης θεωρίας πεδίου--βαρύτητας AdS

Η Διαστολή του Σύμπαντος

Για το Σύμπαν γνωρίζουμε πρώτον ότι εξελίσσεται, αφού και το σύνολο αλλά και τα επί μέρους τμήματά του αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου και δεύτερον ότι η ύλη αποτελείται από ορισμένα στοιχειώδη σωματίδια, είτε αυτά λέγονται κουάρκ, είτε πριόνια είτε ο,τιδήποτε άλλο. Τα στοιχειώδη αυτά σωματίδια σχηματίζουν τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν τα άτομα των 92 χημικών στοιχείων που βρίσκονται ελεύθερα στη φύση. Τα άτομα σχηματίζουν με τη σειρά τους αέρια και σωματίδια σκόνης, από τα οποία γεννιούνται τα άστρα, οι πλανήτες και οι άνθρωποι. Τα άστρα σχηματίζουν με τη σειρά τους σμήνη άστρων που βρίσκονται στις τεράστιες συγκεντρώσεις των γαλαξιών, οι οποίοι σχηματίζουν ομάδες, σμήνη και υπερσμήνη γαλαξιών.

Είναι επίσης γεγονός ότι αν εξετάσουμε  όλα όσα μπορούμε να δούμε με τα μεγαλύτερα τηλεσκόπιά μας πάνω στη Γη ή ακόμη και σε τροχιά γύρω της (σε όλα τα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος), θα διαπιστώσουμε ότι δεν μπορούμε να αντιληφθούμε παρά ένα πολύ μικρό ποσοστό της ύλης και της ενέργειας που πρέπει να υπάρχει. Η "σκοτεινή ύλη" (όπως ονομάζεται) που πρέπει να υπάρχει με κάποια μορφή, αποτελεί το 90% όλης της ύλης του Σύμπαντος και παρ` όλα αυτά, προς το παρόν τουλάχιστον, έχει διαφύγει της οποιασδήποτε προσπάθειάς μας να την εντοπίσουμε ή και να προσδιορίσουμε έστω από τι αποτελείται.

Σήμερα πάντως, γνωρίζουμε ότι ζούμε σε ένα σύμπαν που διαρκώς διαστέλλεται, αφού από τη δεκαετία του 1920 ο αστρονόμος Έντουιν Χάμπολ απέδειξε ότι όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται συνεχώς από εμάς, τόσο πιο

γρήγορα μάλιστα, όσο πιο απομακρυσμένοι είναι. Μία τέτοια όμως διαπίστωση μπορεί να μας οδηγήσει στην υπόθεση ότι εμείς και το Ηλιακό μας Σύστημα βρισκόμαστε στο κέντρο του σύμπαντος, κάτι που φυσικά δεν είναι σωστό. Πάρτε, για παράδειγμα, ένα μπαλόνι με διάφορες κουκκίδες πάνω στην εξωτερική του επιφάνεια. Οι κουκκίδες αυτές αντιπροσωπεύουν τις τεράστιες συγκεντρώσεις των άστρων που ονομάζουμε γαλαξίες. Καθώς λοιπόν φουσκώνουμε το μπαλόνι, παρατηρούμε ότι η κάθε κουκκίδα απομακρύνεται από όλες τις άλλες. Έτσι, από οποιαδήποτε κουκκίδα κι αν κοιτάξουμε, θα αντιληφθούμε ότι η κουκκίδα μας είναι το "κέντρο" και ότι όλες οι άλλες κουκκίδες απομακρύνονται από εμάς.

Η Θεωρία του Πληθωρισμού

Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία το Σύμπαν πέρασε μια περίοδο ταχύτατης

διαστολής, όπου διπλασιαζόταν το μέγεθός του ανά   δευτερόλεπτα κάνοντάς το γιγαντιαίο. Η διαστολή αυτή ξεκίνησε όταν το σύμπαν ήταν

ηλικίας μόλις   sec και θερμοκρασίας   Κ.

Σπάσιμο συμμετρίας- αλλαγή φάσης:

Σε τόσο υψηλή θερμοκρασία οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις είναι ενοποιημένες με τις ηλεκτρασθενείς.

Όταν σπάει η συμμετρία αυτή έχουμε αλλαγή φάσης (όπως όταν ο πάγος λιώνει και μετατρέπεται σε νερό).

Η διάσταση του σύμπαντος εκείνη την περίοδο ήταν 10cm και η διάσταση

των αιτιατών περιοχών   cm.

Ταχύτατη διαστολή:

Το σύμπαν μεγαλώνει κατά ένα παράγοντα της τάξεως 10^50 Οι αιτιατές περιοχές (με διαστάσεις υποατομικών σωματίων) αποκτούν

μέγεθος μπάλας ποδοσφαίρου. Εμείς ζούμε και αντιλαμβανόμαστε μία από αυτές τις περιοχές. Υπάρχουν 10^150 τέτοιες περιοχές- δηλαδή σύμπαντα σαν το δικό μας.Ενεργειακή τροφοδοσία του Πληθωρισμού:

Λόγω της αλλαγής φάσης έχουμε έκλυση τεράστιας ποσότητας ενέργειας. Θυμίζει την ενέργεια που πρέπει να παρέχουμε για την τήξη ενός

κομματιού πάγου. Οπότε αν και το σύμπαν διεστάλη η θερμοκρασία του έπεσε μονάχα κατά

5 τάξεις μεγέθους.

Αποτελέσματα:

Το Σύμπαν διαστέλλεται ταχύτατα (δεν πρέπει να μας ξενίζει το γεγονός της ταχείας διαστολής, γιατί δεν αναφερόμαστε σε μετακίνηση σωμάτων η οποία μπορεί το πολύ να γίνει με την ταχύτητα του φωτός, αλλά σε διαστολή του περιβάλλοντος χώρου) με αποτέλεσμα περιοχές που ήταν αρχικά κοντά να απομακρυνθούν πάρα πολύ. Όμως επειδή είχαν παρόμοια χαρακτηριστικά τα διατήρησαν και για αυτό το σύμπαν φαίνεται ίδιο σε εξαιρετικά μεγάλες αποστάσεις

Λόγω της ταχύτατης διαστολής, το Σύμπαν αποκτά την επιθυμητή επιπεδότητα

Εξαφανίζονται τα μαγνητικά μονόπολα.Η Θεωρία του πληθωρισμού περιγράφει το «prequel» του Big Bang,

δηλαδή πως ό,τι συνέβη στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του ενός τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου δημιούργησε το σύμπαν στο οποίο ζούμε. Η Θεωρία του πληθωρισμού εξηγεί γιατί το σύμπαν είναι τόσο ομοιόμορφο, δηλαδή, γιατί οι γαλαξίες κατανέμονται έτσι ομοιόμορφα σε όλο το χωροχρόνο, και γιατί η θερμοκρασία της κοσμικής βάσης της ακτινοβολίας (CMB), που εκλύθηκε  από το Big Bang είναι τόσο ομοιόμορφη όπου κι αν κοιτάξουν οι φυσικοί.

Πρόσφατα ευρήματα από επιστήμονες, κοιτάζοντας το CMB με τηλεσκόπια στο Νότιο Πόλο,  φαίνεται να επιβεβαιώνουν τη θεωρία του Πληθωρισμού, η οποία προβλέπει επίσης (ή ίσως «antedicts» είναι ο σωστός όρος) ότι «απωθητική υλική βαρύτητα» αναγκάζει το σύμπαν να επεκτείνεται με γεωμετρική πρόοδο, εν μέσω ακόμα διασπάσεων της ύλης.

Τα πεδία Higgs

  Όπως πιστεύουμε σήμερα, οι τέσσερις δυνάμεις που παρατηρούνται στο Σύμπαν, δηλαδή η Βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή και η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση, τις πρώτες στιγμές της ζωής του Σύμπαντος ήταν ενωμένες σε μία και μοναδική δύναμη.

Η δύναμη αυτή τις επόμενες, ελαχιστότατες στιγμές της ζωής του Σύμπαντος, διασπάστηκε και κατ’ αυτό τον τρόπο δημιουργήθηκαν οι δυνάμεις που γνωρίζουμε σήμερα.

Ως αίτιο της διάσπασης της μίας και μοναδικής δύναμης που υπήρχε στην αρχή της συμπαντικής ζωής, σήμερα θεωρούνται ότι είναι κάποια πεδία τα οποία ονομάζονται πεδία Higgs, από τον Σκοτσέζο φυσικό Peter Higgs, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, ο οποίος πρώτος τα επινόησε.

Όπως γνωρίζουμε σήμερα, η ενέργεια ενός πεδίου είναι συγκεντρωμένη σε ένα σύνολο ομοειδών στοιχειωδών σωματιδίων τα οποία και το δημιουργούν. Έτσι ακριβώς και η ενέργεια των πεδίων Higgs είναι μαζεμένη σε ένα μεγάλο αριθμό σωματιδίων τα οποία ονομάζονται, αντιστοίχως σωματίδια Higgs.

Η ιδέα ύπαρξης των πεδίων και των σωματιδίων Higgs είναι ένα από τα βασικά στοιχεία πάνω στα οποία στηρίζεται η θεωρία του πληθωρισμού.

Ένα δεύτερο βασικό στοιχείο πάνω στο οποίο θεμελιώνεται η θεωρία του πληθωρισμού είναι η ύπαρξη μιας νέας παράξενης κατάστασης της ύλης, που προϋπήρχε της αισθητής δημιουργίας, την οποία ονομάζουμε ψευδοκενό. Μέσα από το υλικό αυτό, όπως πιστεύουμε σήμερα, αναδύθηκε το αισθητό και μετρήσιμο Σύμπαν που έχουμε την ψευδαίσθηση ότι μας περιβάλει σαν ένα τεράστιο κοσμικό μπαλόνι.

Τι είναι όμως το ψευδοκενό; Το ψευδοκενό είναι κι αυτό ένα πεδίο, παρόμοιο με το πεδίο Higgs, που το ονομάζουμε επίσημα πεδίο πληθωρισμού.

Αυτή την παράξενη κατάσταση της ύλης που προϋπήρχε του αισθητού μας Σύμπαντος, αν τη μελετήσουμε για μικρά χρονικά διαστήματα, μοιάζει σαν να είναι σταθερή. Αν όμως τη μελετήσουμε για πολύ μεγάλες χρονικές περιόδους θα αντιληφθούμε μέσα της πολύ μεγάλες αναταραχές.

Μέσα σ’ αυτές τις περιοχές του ψευδοκενού, όπως περιγράφει η θεωρία, δημιουργείται μια ισχυρότατη απωστική δύναμη, η οποία είναι το αίτιο το οποίο δημιουργεί μια εκπληκτικά γρήγορη διαστολή του κενού χώρου. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια ταχύτατα διαστελλόμενη φυσαλίδα κενού μέσα στο υλικό του ψευδοκενού.

Όπως υπολογίζουμε σήμερα, τις πρώτες στιγμές μετά τη γέννηση του Σύμπαντος, οι συνθήκες ήταν οι κατάλληλες προκειμένου να δημιουργηθεί αυτό το φαινόμενο, και έτσι σε απειροελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου διπλασιάστηκαν οι διαστάσεις του Σύμπαντος.

Την ταχύτατη αυτή διαστολή του νεαρότατου τότε Σύμπαντος ο σπουδαίος φυσικός και κοσμολόγος Alan Guth, την ονόμασε πληθωρισμό και έτσι έγινε ο πατέρας της Θεωρίας του Πληθωρισμού.

Σιγά σιγά οι διαστελλόμενες φυσαλίδες του πραγματικού κενού γέμισαν τον χώρο του συμπαντικού ψευδοκενού, δημιουργώντας ένα φαινόμενο που μοιάζει σαν το βράσιμο του νερού. Οι φυσαλίδες, κατά κύματα, εμφανίστηκαν σε νέες τυχαίες θέσεις στον χώρο. Αρχικά, οι δημιουργούμενες φυσαλίδες ήταν μικρές, ενώ στη συνέχεια, μεγάλωσαν με ταχύτητα που πλησίαζε την

ταχύτητα του φωτός. Η διαστολή αυτή συνεχίστηκε μέχρι ότου οι φυσαλίδες γέμισαν όλο τον χώρο. Στο εσωτερικό των φυσαλίδων επικρατούσαν συνθήκες πραγματικού κενού και μέσα του τα πεδία Higgs δημιουργούσαν μια σειρά ιδιαίτερων φυσικών ιδιοτήτων για κάθε μια φυσαλίδα.

Κατά τη διάρκεια αυτού του συμπαντικού αναβρασμού, η ενέργεια των πεδίων Higgs είχε τη δυνατότητα να παράγει σωματίδια μεγάλης ενέργειας, τα οποία συγκρουόμενα μεταξύ τους, παρήγαγαν με τη σειρά τους άλλα σωματίδια. Τότε η πληθωριστική διαστολή σταμάτησε και ως αποτέλεσμα των προηγούμενων διαδικασιών έχουμε τη δημιουργία μιας νέας σειράς σωματιδίων πολύ υψηλών θερμοκρασιών, ικανών να δημιουργήσουν αυτό που σήμερα ονομάζουμε Μεγάλη Έκρηξη.

Όπως είναι φανερό –σύμφωνα με τη Θεωρία του Πληθωρισμού– η Μεγάλη Έκρηξη δεν είναι η αρχή της συμπαντικής δημιουργίας εφόσον πριν από αυτή δημιουργήθηκε μια σειρά φυσικών διεργασιών που την προκάλεσαν.

Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη: Κάποια στιγμή η πληθωριστική διαστολή σταματάει. Τη στιγμή εκείνη η ενέργεια μετασχηματίζεται δημιουργώντας τη συνηθισμένη ύλη που υπάρχει σήμερα στο ορατό Σύμπαν.

Με λίγα λόγια οι φυσαλίδες του πραγματικού κενού από εκεί και πέρα μετατρέπονται διαδοχικά σε φυσαλίδες πραγματικής ύλης

Μόλις εμφανιστεί μια τέτοια φυσαλίδα κανονικής ύλης, το τοίχωμά της διαστέλλεται με ταχύτητα που τελικά πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός. Κατά τη διάρκεια της διαστολής, η τεράστια πυκνότητα ενέργειάς της, δηλαδή η ενέργεια των πεδίων Higgs, που είναι συγκεντρωμένη στο τοίχωμά της, μεγαλώνει συνέχεια.

Όταν τα τοιχώματα δύο φυσαλίδων συγκρουστούν, η ενέργεια των φλοιών τους έχει τη δυνατότητα να απλωθεί ομοιόμορφα στο πλαίσιο μιας νέας κοινής φυσαλίδας.

Στη συνέχεια, η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε σωματίδια κανονικής ύλης, τα οποία εκτοξεύονται προς όλες τις κατευθύνσεις, συγκρουόμενα μεταξύ τους. Η κίνηση των σωματιδίων αυτών είναι εντελώς τυχαία και έτσι μπορούν να γεμίζουν ομοιόμορφα τον χώρο της νέας συμπαντικής φυσαλίδας.

Αυτό σημαίνει ότι εάν δύο φυσαλίδες βρίσκονται πολύ κοντά η μία στην άλλη, τότε πολύ γρήγορα τα τοιχώματά τους θα συγκρουστούν, απελευθερώνοντας ομοιόμορφα την ενέργειά τους προς όλες τις κατευθύνσεις στο πλαίσιο μιας νέας κοινής συμπαντικής φυσαλίδας.

Αντιθέτως, εάν οι φυσαλίδες δεν είναι κοντά τη στιγμή της δημιουργίας τους, το ψευδοκενό –το οποίο παρεμβάλλεται μεταξύ τους– θα διασταλεί με τέτοια ταχύτητα, ώστε τα τοιχώματά τους, ακόμα και αν κινούνται με την ταχύτητα του φωτός, δεν θα μπορέσουν ποτέ να συναντηθούν.

Προβλήματα που επιλύει η Πληθωριστική Θεωρία: Τα βασικά προβλήματα του σύμπαντος που επιλύει ο πληθωρισμός είναι:

η επιπεδότητα,

το πρόβλημα του ορίζοντα, τα ανεπιθύμητα υπολείμματα, και η ομογένεια και ισοτροπία

Το μοντέλο του κοσμολογικού πληθωρισμού επιλύει με πολύ καλή ακρίβεια τα παραπάνω προβλήματα και, παρόλο που γεννάει κάποια νέα, έτυχε της ευρείας αποδοχής από τους αστροφυσικούς.

Η Γένεση των Γαλαξιών

Η υψηλής ενέργειας ακτινοβολία γάμα που επικρατούσε στο νεαρό Σύμπαν, είχε ως αποτέλεσμα να μην επιτρέπει σε τίποτα να φαίνεται ολόγυρα. Ένα Σύμπαν γεμάτο φωτόνια που η υψηλή τους όμως ενέργεια θα έκανε τα πάντα αόρατα στα ανθρώπινα μάτια. Με το πέρασμα όμως του χρόνου τα φωτόνια, από τις συνεχείς τους συγκρούσεις με τα υπόλοιπα σωματίδια που περιελάμβανε το Σύμπαν, έχαναν συνεχώς ενέργεια. Και καθώς το Σύμπαν διεστέλλετο και κρύωνε, η ενέργεια αυτή συνεχώς ελαττωνόταν. Οι μάζες όμως των σωματιδίων της ύλης δεν άλλαζαν καθόλου. Έτσι, 10.000 χρόνια μετά τη "Μεγάλη Έκρηξη" η ύλη άρχισε να υπερισχύει της ακτινοβολίας και το Σύμπαν άφησε πίσω του την Εποχή των Φωτονίων και μπήκε στην Εποχή της Ύλης. Παρ` όλα αυτά το Σύμπαν περιελάμβανε ακόμη και τότε έναν τεράστιο αριθμό φωτονίων που υπολογίζεται ότι αντιστοιχούσαν δέκα δισεκατομμύρια φωτόνια σε κάθε ένα πρωτόνιο. Ο μεγάλος αυτός αριθμός και η αρκετά μεγάλη τους ακόμη ενέργεια επέτρεπαν στα φωτόνια να συνεχίσουν το ρόλο τους, αυτόν του "μαστροχαλαστή". Γιατί οποτεδήποτε κάποιο από τα ηλεκτρόνια προσπαθούσε να ενωθεί με κάποιο πρωτόνιο, σχηματίζοντας έτσι ένα άτομο υδρογόνου, τα φωτόνια το διέλυαν σχεδόν στιγμιαία.

Με αυτήν τη μορφή τίποτα δεν άλλαξε στο Σύμπαν, το οποίο συνέχισε να διαστέλλεται και να ψύχεται στη διάρκεια των επόμενων 300.000 χρόνων, οπότε η θερμοκρασία του έπεσε στους 3.000 βαθμούς Κελσίου. Σ` αυτήν τη θερμοκρασία τα φωτόνια είχαν πλέον χάσει τον αρχικό τους δυναμισμό και οι διάφοροι πυρήνες που υπήρχαν στο Σύμπαν μπόρεσαν να συλλάβουν ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας, όπως είπαμε, τα άτομα του υδρογόνου και του ηλίου, με μία αναλογία 75% υδρογόνου και 25% ηλίου. Επιτέλους, η ύλη επικράτησε ολοκληρωτικά στο νέο Σύμπαν. Φωτόνια ενέργειας, ελευθερωμένα από την ύλη, εκτοξεύτηκαν ανάμεσα στους χώρους μεταξύ των ατόμων, δημιουργώντας μία κοσμική διαφανή πλέον σφαίρα. Πίσω τους άφησαν μία άλλη σκοτεινή σφαίρα που ήταν (και είναι ακόμη και σήμερα) αδιαφανής. Μία κοσμική σφαίρα με διάμετρο 300.000 ετών φωτός, την οποία κανένα οπτικό τηλεσκόπιο ή άλλο μας όργανο - όσο ισχυρό - κι αν είναι δεν θα μπορέσει ποτέ να διαπεράσει. Το άμεσο δηλαδή αποτέλεσμα της δημιουργίας των ατόμων εκείνη την εποχή ήταν η διάλυση της "κοσμικής ομίχλης" που έκανε μέχρι τότε το Σύμπαν αδιαφανές.

Η θερμοκρασία του Σύμπαντος συνεχώς ελαττωνόταν και το πορτοκαλί χρώμα που επικρατούσε στην αρχή άλλαξε σιγά-σιγά και μετετράπη σε

κόκκινο, μετά σε βαθύ κόκκινο και, τέλος, στο βαθύ σκοτάδι που επικρατεί στο διάστημα. Σήμερα, η αρχική εκείνη υπέρθερμη ακτινοβολία κατάντησε να είναι κυριολεκτικά η σκιά του αρχικού της εαυτού, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία της ακτινοβολίας που μας βομβαρδίζει συνεχώς να μην υπερβαίνει τους 2,7 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν ή τους μείον 270 περίπου βαθμούς Κελσίου.

Σ` ένα εκατομμύριο χρόνια και κάτω από την αδύνατη, αλλά επίμονη, πίεση της βαρύτητας το ομογενές Σύμπαν άρχισε να "διασπάται", ενώ τμήματα αερίου υδρογόνου άρχισαν να συμπυκνώνονται γύρω από τα πρωταρχικά εκείνα "ραγίσματα" του χωρόχρονου που κρυσταλλοποιήθηκαν στη διάρκεια του πρώτου μικροδευτερόλεπτου, σχηματίζοντας έτσι τους "σπόρους" που έγιναν αργότερα γαλαξίες. Στα δέκα εκατομμύρια χρόνια η πυκνότητα της ύλης ήταν ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από ό,τι είναι σήμερα, περιλαμβάνοντας ένα περίπου άτομο υδρογόνου ανά κυβικό εκατοστόμετρο. Υπήρχε δηλαδή η ίδια πυκνότητα ύλης με την πυκνότητα που επικρατεί σήμερα στους γαλαξίες, κάτι που σημαίνει ότι την εποχή εκείνη δεν ήταν δυνατόν να υπάρξουν οι γαλαξίες με τη μορφή που έχουν σήμερα.

Ακόμη όμως και σήμερα δεν έχει ξεκαθαρίσει πλήρως ο τρόπος, με τον οποίο έγινε η αρχέγονη εκείνη διάσπαση των αερίων που αποτελούσαν το πρωτογενές Σύμπαν για τη δημιουργία των πρώτων γαλαξιών. Μία από τις κυρίαρχες πάντως απόψεις που επικρατούν σήμερα ανάμεσα στους κοσμολόγους είναι και η ύπαρξη των κοσμικών χορδών. Οι κοσμικές χορδές, σύμφωνα με το μοντέλο του Σύμπαντος που τις προβλέπει, πρέπει να δημιουργήθηκαν στη διάρκεια της Εποχής του Πληθωρισμού στη χρονική περίοδο δέκα εις την μείον τριάντα πέντε έως δέκα εις την μείον τριάντα δύο του πρώτου δευτερολέπτου της γένεσης. Την εποχή εκείνη η ύπαρξη του "ψευδοκενού", άφησε πίσω του τεράστιες μακρόστενες "θηλιές" με υπερβολικά συμπιεσμένη ύλη και ενέργεια. Κάθε εκατοστόμετρο μιας τέτοιας κοσμικής χορδής πρέπει να περιελάμβανε μάζα χιλιάδων δισεκατομμυρίων τόνων, ενώ το σημερινό τους μήκος (αν υπάρχουν ακόμη) θα πρέπει να μετριέται σε εκατομμύρια ετών φωτός (όπου ένα έτος φωτός είναι ίσο με δέκα περίπου τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα)!

Οι κοσμικές αυτές χορδές πάλλονταν με ρυθμό που πλησίαζε την ταχύτητα του φωτός (300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο), παράγοντας με αυτόν τον τρόπο βαρυτικά κύματα. Η εκπομπή αυτή των βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε με διαφόρους τρόπους να απωθήσει τα αέρια του Σύμπαντος και να τα υποχρεώσει να δημιουργήσουν σε ορισμένες περιοχές συγκεντρώσεις ύλης, ενώ σε άλλες σφαιρικές περιοχές δεν απέμεναν σχεδόν καθόλου υλικά. Θα μπορούσαν επίσης οι κοσμικές αυτές χορδές να χρησιμεύσουν και ως ένα είδος "μαγνήτη" που να προσέλκυε την ύλη γύρω τους σχηματίζοντας τεράστια νέφη αερίων.

Σ` αυτές τις συγκεντρώσεις ύλης τα αέρια άρχισαν να διασπώνται σιγά - σιγά κάτω από τις βαρυτικές τους επιδράσεις, σχηματίζοντας μικρότερες ακόμη συγκεντρώσεις που αργότερα γέννησαν τους φωτογαλαξίες, οι οποίοι εξελίχθηκαν σιγά - σιγά στους γαλαξίες που βλέπουμε εμείς σήμερα. Παρ` όλα αυτά, σήμερα υπάρχουν ακόμη πολλά αναπάντητα ερωτήματα για τον

τρόπο, με τον οποίο γεννήθηκαν και εξελίχθηκαν αρχικά οι γαλαξίες. Οι θεωρητικές μας φυσικά μελέτες διορθώνονται συνεχώς με τις αποκαλύψεις των παρατηρήσεων που γίνονται με τη βοήθεια των επίγειων και των τροχιακών μας αστεροσκοπείων.

Η δημιουργία νέων άστρων και η εξέλιξη τους

Τα άστρα δημιουργούνται μέσα σε τεράστια νέφη αερίου και σκόνης που λέγονται νεφελώματα και που βρίσκονται στους γαλαξίες. Το υλικό των νεφελωμάτων αποτελείται κατά κύριο λόγο από υδρογόνο, ήλιο και σκόνη (συνθετότερα μόρια). Οι διαστάσεις τους είναι πάρα πολύ μεγαλύτερες από το ηλιακό μας σύστημα αλλά η πυκνότητά τους πολύ χαμηλή. Αυτά τα νέφη λόγω της πολύ μεγάλης μάζας τους έχουν κάποια βαρύτητα η οποία όμως, λόγω της χαμηλής πυκνότητας, δεν είναι ικανή να υπερνικήσει τις θερμικές κινήσεις των μορίων και να προκαλέσει τη βαρυτική συστολή και συμπύκνωση.

Το Νεφέλωμα Rosette έχει πρόσφατα δημιουργήσει ένα αστρικό σμήνος. Το σμήνος των άστρων, που είναι στο μέσον, ελευθερώνει υπερηχητικούς ανέμους που διασκορπίζουν και τελικά εξαφανίζουν το νεφέλωμα. Περιέχει πολλά καυτά άστρα που εκπέμπουν σημαντικές ποσότητες υπεριώδους ακτινοβολίας, που ιονίζει το διαστρικό αέριο και σχηματίζεται ένα λαμπερό πλάσμα. Ας σημειωθεί ότι το κόκκινο χρώμα οφείλεται στο ιονισμένο υδρογόνο.

Στην αρχή υπάρχει στο διάστημα μόνο ένα τεράστιο σκοτεινό νέφος αερίων και σκόνης, δηλαδή ένα νεφέλωμα. Για να αρχίσει η συστολή του απαιτείται ένας αρχικός μηχανισμός συμπίεσης. Υπάρχουν τρεις τέτοιοι μηχανισμοί για να ξεκινήσουν την αρχική συμπύκνωση.

Ο πρώτος είναι όταν δύο ή περισσότερα νέφη συγκρούονται μεταξύ τους. Τότε, λόγω της σύγκρουσης τα νέφη συμπιέζονται και η πυκνότητά τους αυξάνει.

Ο δεύτερος τρόπος είναι όταν κοντά σε κάποιο ή κάποια νέφη γίνεται έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς αστέρα. Οι σουπερνόβα είναι τεράστιες εκρήξεις αστεριών που βρίσκονται στα τελευταία στάδια της ζωής τους. Σε μία τέτοια έκρηξη το μεγαλύτερο μέρος ενός αστεριού (ή και ολόκληρο το άστρο) διαλύεται και η ύλη του εκσφενδονίζεται βίαια στο διάστημα. Το ωστικό κύμα αυτής της έκρηξης συμπιέζει τα γειτονικά νέφη και δίνει το έναυσμα για τη βαρυτική συστολή.

Ο τρίτος τρόπος είναι όταν στην περιοχή των νεφών έχουν ήδη σχηματισθεί νέα μεγάλα άστρα. Αυτά τα άστρα εκπέμπουν τεράστια ποσά ακτινοβολίας, η πίεση της οποίας πάνω στην ύλη των γειτονικών νεφών μπορεί να τα συμπιέσει.

Ο σημαντικότερος όμως τρόπος σχηματισμού αστεριών στο Γαλαξία μας είναι τα "σπειροειδή κύματα πυκνότητας". Αυτά είναι κύματα πίεσης τα οποία ξεκινούν από τον πυρήνα του Γαλαξία και ξετυλίγονται προς τα έξω

σπειροειδώς στον δίσκο του γαλαξία. Καθώς αυτά τα κύματα περιφέρονται δια μέσου της μεσοαστρικής ύλης με διαφορετική γωνιακή ταχύτητα από αυτή, συμπιέζουν όσα νέφη συναντούν και προκαλούν τη δημιουργία αστεριών.

Σ’ αυτού του είδους τα κύματα οφείλεται η μορφολογία των σπειροειδών γαλαξιών όπως είναι και ο δικός μας Γαλαξίας.

Ο λόγος για τον οποίο χρειάζεται η αρχική συμπίεση ενός νέφους είναι για να υπερνικηθούν οι τυχαίες θερμικές κινήσεις των μορίων. Αυτό γίνεται όταν η πυκνότητα του νέφους ξεπεράσει κάποιο όριο που ονομάζεται όριο του Jeans.

Όταν η πυκνότητα λόγω της αρχικής συμπίεσης γίνει μεγαλύτερη από την κρίσιμη πυκνότητα Jeans, τότε η βαρύτητα του νέφους γίνεται αρκετά ισχυρή και έλκει τα μόρια προς το κέντρο με συνέπεια το νέφος να αρχίσει να συστέλλεται. Τότε λέμε ότι το νέφος βρίσκεται σε βαρυτική αστάθεια, διότι όσο αυτό συστέλλεται τόσο η βαρύτητά του γίνεται ισχυρότερη, με αποτέλεσμα η συστολή να επιταχύνεται συνέχεια.

Οι σφαιροειδείς σχηματισμοί

Όταν το υλικό μέσα σε ένα διαγαλαξιακό νεφέλωμα φθάσει σε μια συγκεκριμένη πυκνότητα, τότε οι ισχυρές δυνάμεις της βαρύτητας το αναγκάζουν να καταρρεύσει προς το εσωτερικό του. Σχηματίζεται τότε ένα μεγάλο σφαιροειδές αντικείμενο (δεξιά) που περιστρέφεται αργά.

Το αρχικό σφαιροειδές αντικείμενο ψύχεται γιατί εκπέμπονται ραδιοκύματα και υπέρυθρη ακτινοβολία. Εν συνεχεία συμπιέζεται από τις δυνάμεις βαρύτητας καθώς επίσης από τα κύματα κλονισμού της πίεσης της σουπερνόβα ή το καυτό αέριο που απελευθερώνεται από τα κοντινά φωτεινά αστέρια. Αυτές οι δυνάμεις αναγκάζουν το κατά προσέγγιση σφαιρικό αντικείμενο να καταρρεύσει και να περιστραφεί. Η διαδικασία της κατάρρευσης διαρκεί από 10.000 έως 1.000.000 χρόνια.

Καθώς η κατάρρευση του αρχικού σφαιροειδές αντικειμένου προχωρά, η θερμοκρασία και η πίεση μέσα του αυξάνει, δεδομένου ότι τα άτομα είναι πιο κοντά μεταξύ τους. Επίσης, το σφαιροειδές αντικείμενο περιστρέφεται ολοένα γρηγορότερα. Αυτή η περιστροφή προκαλεί μια αύξηση στις φυγόκεντρες δυνάμεις που αναγκάζει το αντικείμενο να έχει έναν κεντρικό πυρήνα και έναν δίσκο σκόνης που τον περιβάλλει (που λέγεται είτε πρωτοπλανητικός δίσκος ή δίσκος συσσώρευσης). Ο κεντρικός πυρήνας γίνεται το πρωτοάστρο, ενώ ο πρωτοπλανητικός δίσκος μπορεί τελικά να σχηματίσει πλανήτες, αστεροειδείς, κ.λ.π.

Η δημιουργία του Πρωτοάστρου

Μόλις σχηματιστεί το πρωτοάστρο τότε αρχίζει να καταρρέει κάτω από την επίδραση της ίδιας της βαρύτητας του και λόγω των συγκρούσεων των ατόμων του εκπέμπεται φωτεινή ακτινοβολία. Σε αυτό το στάδιο η ύλη συνεχώς καταρρέει προς το κέντρο του πρωτοάστρου χωρίς να συναντά την παραμικρή αντίσταση, δηλαδή πίεση στο εσωτερικό του, έτσι ώστε να εξισορροπήσει το βάρος των υπερκείμενων στρωμάτων που καταρρέουν.

Έχουμε δηλαδή ελεύθερη πτώση της ύλης προς το κέντρο του πρωτοάστρου, η οποία διαρκεί περίπου 1.000 έτη, δηλαδή ένα απειροελάχιστο κλάσμα της συνολικής ζωής ενός άστρου που είναι της τάξης των δισεκατομμυρίων ετών. Στη συνέχεια ο πυρήνας γίνεται αρκετά πυκνός λόγω της συνεχούς πτώσης της ύλης προς το κέντρο του πρωτοάστρου, ώστε τελικά γίνεται αδιαφανής, δηλαδή η φωτεινή ακτινοβολία που εκπέμπεται από την ύλη δεν καταφέρνει να διαφύγει από τον πυρήνα. Αποτέλεσμα είναι να μη υπάρχει σημαντική απώλεια από τον πυρήνα και άρα να αυξάνεται η θερμοκρασία και η πίεση σε αυτόν.

H πίεση αυτή που εξασκείται στο αέριο με φορά από τον πυρήνα προς τα εξωτερικά υπερκείμενα στρώματα οδηγεί σε «ημι-υδροστατική ισορροπία» και εξισορροπεί μερικώς τη βαρυτική δύναμη, είναι δε ικανή να επιβραδύνει τη συνεχή κατάρρευση της μάζας του πρωτοάστρου προς το κέντρο του. Έτσι η βαρυτική συστολή συνεχίζεται αλλά με πιο αργό ρυθμό.

Από αυτή τη φάση της ζωής του πρωτοάστρου μέχρι τη στιγμή που αυτό θα μετατραπεί σε άστρο, η επικρατέστερη θεωρία για την αστρική εξέλιξη του Ιάπωνα Hayashi, προβλέπει ότι τα πρωτοάστρα αρχίζουν να εκπέμπουν φωτεινή ακτινοβολία πολύ πριν αρχίσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό τους και γίνουν, δηλαδή, άστρα.

Σε αυτή τη φάση τα πρωτοάστρα είναι μεγάλα σε διαστάσεις, αφού η βαρυτική κατάρρευση δεν έχει ολοκληρωθεί, και είναι ψυχρά, εφόσον δεν λαμβάνουν χώρα οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Έτσι τα πρωτοάστρα είναι αρχικά ψυχρά και λαμπρά σώματα και βρίσκονται πάνω δεξιά στο διάγραμμα H-R, στην περιοχή των ερυθρών γιγάντων. Καθώς η βαρυτική κατάρρευση συνεχίζεται, το πρωτοάστρο συστέλλεται και ελαττώνεται η λαμπρότητα του, αφού μικραίνει σε μέγεθος, ενώ η θερμοκρασία του δεν μεταβάλλεται σημαντικά.

Έτσι η πορεία του στο διάγραμμα H-R είναι περίπου μια κατακόρυφη γραμμή. Στη συνέχεια όμως η θερμότητα του πυρήνα αυξάνεται τόσο πολύ που φτάνει στην επιφάνεια του με αποτέλεσμα να αυξάνεται πολύ η επιφανειακή του θερμοκρασία, οπότε το πρωτοάστρο κινείται προς τα αριστερά στο διάγραμμα H-R, μέχρι τελικά να φθάσει στην Κύρια Ακολουθία, όπου μετατρέπεται σε άστρο.

Πράγματι, λόγω της συνεχούς βαρυτικής κατάρρευσης, η θερμοκρασία στον πυρήνα γίνεται 10.000.000 K (βαθμοί Kelvin), τιμή απαραίτητη για να αρχίσουν οι πρώτες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, που είναι ικανές να αντισταθμίσουν τη βαρυτική κατάρρευση λόγω της ισχυρής πίεσης της ακτινοβολίας που οδεύει από το εσωτερικό προς το εξωτερικό. Τελικά

αποκαθίσταται μια ευσταθής ισορροπία στο ουράνιο σώμα που ονομάζουμε πλέον άστρο και όχι πρωτοάστρο.

Αν το πρωτοάστρο έχει πολύ υλικό τότε η βαρυτική κατάρρευση και η θέρμανση του συνεχίζεται. Αν δεν υπάρχει αρκετό υλικό στο πρωτοαστέρι, το πιο πιθανό είναι να γίνει ένας καφές νάνος (ένα μεγάλο που δεν φωτίζει ουράνιο σώμα που έχει μάζα μεταξύ 1028 kg και 84 x 1028 kg).

Ένα καταπληκτικό συμπέρασμα της θεωρίας Hayashi είναι ότι πρωτοάστρα με μάζες μικρότερες από το ένα δέκατο αυτής του Ηλιου δεν θα καταφέρουν ποτέ να μετατραπούν σε άστρα, διότι η θερμοκρασία τους δεν θα φθάσει ποτέ στους 10.000.000 K και έτσι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις δεν θα ξεκινήσουν. H μετέπειτα εξέλιξη αυτών των μικρών πρωτοάστρων δεν παρουσιάζει και τόσο ενδιαφέρον αφού θα ψύχονται συνεχώς μέχρι να καταλήξουν σε λευκούς νάνους

Όταν η θερμοκρασία του πρωτοάστρου γίνει περίπου 10.000.000 βαθμούς, αρχίζει η πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου, που μετατρέπεται σε ήλιο συν ενέργεια. Αυτή η παραγωγή της ακτινοβολίας αποτρέπει την περαιτέρω συστολή του αστεριού. Επίσης, το πρωτοάστρο απελευθερώνει αστρικούς ανέμους που αναγκάζει το νεφέλωμα να διαλυθεί και τελικά να εξαφανιστεί.

Τα νέα αστέρια εκπέμπουν πίδακες πυκνής ακτινοβολίας που θερμαίνουν το περιβάλλον υλικό στο σημείο στο οποίο λάμπει έντονα. Αυτοί οι στενοί στο πλάτος πίδακες μπορούν να έχουν μήκος τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα ενώ μπορούν να ταξιδέψουν με ταχύτητες 800.000 χλμ/ώρα. Όμως επειδή περιέχουν ιονισμένο υλικό μπορούν να εστιαστούν από το μαγνητικό πεδίο του αστεριού.

Το πρωτοάστρο είναι τώρα πια ένα σταθερό άστρο της κύριας ακολουθίας που θα παραμείνει σε αυτή την κατάσταση (στην περίπτωση του δικού μας ήλιου) για περίπου 10 δισεκατομμύριο χρόνια.

Επί της κύριας Ακολουθίας δεν υπάρχει ημιυδροστατική ισορροπία, όπως συμβαίνει στη φάση της εξέλιξης του πρωτοάστρου, αλλά πλήρης υδροστατική ισορροπία, γι’ αυτό και το άστρο είναι ευσταθές και οι πυρηνικές καύσεις του υδρογόνου στον πυρήνα παράγουν την απαραίτητη εσωτερική πίεση που υποβαστάζει τα υπερκείμενα στρώματα τα οποία εξασκούν πίεση προς το κέντρο, λόγω βαρύτητας.

Η εξέλιξη των Άστρων

Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του άστρου, τόσο ταχύτερα καταναλώνει το σύνολο των πυρηνικών του αποθεμάτων. Συνεπώς, τόσο μικρότερο χρονικό διάστημα παραμένει στην κύρια ακολουθία. Για παράδειγμα, ο ήλιος μας θα παραμείνει συνολικά στην κύρια ακολουθία περίπου 9 δισεκατομμύρια χρόνια. H παραμονή ενός άστρου επί της κύριας ακολουθίας χαρακτηρίζεται

από τη θερμοπυρηνική σύντηξη του υδρογόνου του πυρήνα και τη μετατροπή του σε ήλιο.

Μόλις εξαντληθεί το υδρογόνο, παύουν οι πυρηνικές καύσεις και η πίεση στον πυρήνα ελαττώνεται, οπότε δεν είναι πλέον ικανή να συγκρατήσει το βάρος των υπερκείμενων στρωμάτων και έτσι ξαναρχίζει για δεύτερη φορά στην ιστορία του άστρου, η βαρυτική κατάρρευση. Σε αυτή τη φάση, παρόλο που έχουμε έναν πυρήνα από ήλιο, ο οποίος συστέλλεται λόγω της βαρύτητας, εντούτοις το σύνολο του άστρου διαστέλλεται. Αυτό οφείλεται στη θερμοβαθμίδα, δηλαδή στον χωρικό ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας κατά μήκος της ακτίνας (το πόσο μεταβάλλεται η θερμοκρασία σε μια μικρή μεταβολή της ακτίνας, ως προς αυτή τη μεταβολή της ακτίνας), η οποία πρέπει να έχει μικρές τιμές επειδή μόνο έτσι διατηρείται η ενεργειακή ισορροπία.

Επομένως, λόγω της νέας βαρυτικής συστολής, η θερμοκρασία στον πυρήνα αυξάνεται κατά πολύ και μαζί με αυτήν και η θερμοβαθμίδα. Κατά συνέπεια αυξάνεται η ακτίνα του ώστε να διατηρηθεί σε χαμηλές τιμές η θερμοβαθμίδα. Λόγω της διαστολής του άστρου, δημιουργούνται ρεύματα μεταφοράς που μεταφέρουν στην επιφάνεια του τεράστια ποσά ενέργειας, με αποτέλεσμα η λαμπρότητα του να αυξάνεται κατά πολύ, ενώ η επιφανειακή του θερμοκρασία να ελαττώνεται κάπως λόγω της αύξησης της επιφάνειας από τη διαστολή. Συνεπώς σε αυτή τη φάση, το άστρο απομακρύνεται από την Κύρια Ακολουθία και κινείται προς τα δεξιά του διαγράμματος H-R (αύξηση λαμπρότητας, ελάττωση θερμοκρασίας).

Σε αυτή τη φάση το άστρο αποτελείται από έναν αδρανή πυρήνα ηλίου, ενώ η βαρυτική κατάρρευση συνεχίζεται. Λόγω της συνεχούς συστολής, η θερμοκρασία του πυρήνα αυξάνεται. Όταν γίνει ίση με 200.000.000 K, τότε αρχίζουν και πάλι οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις, με το ήλιο αυτή τη φορά να μετατρέπεται σε άνθρακα.

Έτσι, για ακόμα μια φορά η βαρυτική κατάρρευση σταματά και το άστρο παραμένει σε ισορροπία, αφού η πίεση που παράγεται από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις αντισταθμίζει τη βαρυτική δύναμη.

Μετά την εξάντληση του ηλίου, ξαναρχίζει η βαρυτική συστολή του πυρήνα, ο οποίος αποτελείται μόνο από άνθρακα. H μετέπειτα εξέλιξη του άστρου είναι αβέβαιη, αφού δεν είναι σίγουρο αν ο πυρήνας γίνει ποτέ αρκετά θερμός ώστε να αρχίσουν νέες πυρηνικές αντιδράσεις που να μετατρέπουν τον άνθρακα σε βαρύτερα στοιχεία.

Όμως η κυριότερη παράμετρος που «αποφασίζει» για την εξέλιξη του άστρου είναι η μάζα του. Άστρα με μάζες μικρότερες από τη μισή του ήλιου μας, ποτέ δεν θα καταφέρουν να φθάσουν στην κατάλληλη θερμοκρασία ώστε να αρχίσει η καύση του ηλίου. Επίσης έχουν κατασκευαστεί μοντέλα προσομοίωσης άστρων για τη φάση της κύριας ακολουθίας, που είναι η μεγαλύτερη και η σημαντικότερη φάση στη ζωή ενός άστρου.

Μέχρι σήμερα όλα τα μοντέλα έδειχναν ότι η μάζα των άστρων δεν μπορεί να υπερβαίνει τις 100 Ηλιακές μάζες, οπότε η εξέλιξη τους συμβαίνει ομαλά με τον τρόπο που ήδη περιγράψαμε. Αντίθετα, άστρα με μάζα μεγαλύτερη από αυτό το όριο, πολύ σύντομα διαλύονται με μια τιτάνια έκρηξη. Αυτό συμβαίνει διότι μόλις αρχίσουν οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης του υδρογόνου, η πίεση που δημιουργείται, με φορά από το εσωτερικό του πυρήνα προς τα εξωτερικά στρώματα είναι τόσο μεγάλη, που η βαρύτητα αδυνατεί να την αντισταθμίσει και το άστρο οδηγείται σε έκρηξη.

Εντούτοις νέες έρευνες έδειξαν ότι κάτω από ορισμένες συνθήκες είναι δυνατή η δημιουργία πολύ μεγαλύτερων άστρων από το προαναφερόμενο όριο, με μάζα μέχρι και 300 φορές εκείνης του Ήλιου.

Εργάστηκαν οι:

Βασιλείου Δημήτρης

Δαούτης Θεολόγος

Ιγνατιάδης Κώστας3

Καραβασίλη Σοφία

Καρατζάς Δημήτρης

Κεραμαράκης Χάρης

Κουτκίδης Ανδρέας

Κρίκης Παναγιώτης

Κωτούλα Γεωργία

Μόσχου Βασίλης

Μπαξεβανίδης Γιάννης

Μπεμπελή Μαρίνα

Μυλωνάς Γιώργος

Ρέντας Αχιλλέας

Τζιτζίκου Κωνσταντίνα

Τοκαμάνης Κώστας

Χαμουρατίδου Ειρήνη

Χονδρογιώργος Σταμάτης