ΑΝΑΛΥΣΗ: Πως φτάσαμε από το Big Bang στη δημιουργία του ηλιακού μας συστήματος

Του Γιώργου Λώλου, επίτιμου καθηγητή πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, University of Regina, Καναδά

Η αστροφυσική, η αστρονομία και η κοσμολογία περνούν μια χρυσή εποχή. Με μία σειρά μη επανδρωμένων διαστημικών οχημάτων, με τηλεσκόπια και ραδιοτηλεσκόπια, η επιστημονική κοινότητα έχει εμβαθύνει τις γνώσεις μας για τους πλανήτες, το ηλιακό σύστημα και το για το ίδιο το σύμπαν.

Όμως, κάθε νέα έρευνα μας φέρνει συχνά σε νέες αμφιβολίες σε ουσιώδεις θεωρίες, που είχαν εμπεδωθεί ως δεδομένες. Το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ (JWST), για παράδειγμα, έχει φέρει στο προσκήνιο την ορθότητα της στάνταρ θεωρίας της χρονολογικής εξέλιξης το σύμπαντος, με την ανακάλυψη μεγάλων γαλαξιών μόνο 300 με 500 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, που δεν είναι συμβατά με το μοντέλο μέχρι τώρα. Έχουμε βέβαια και τις αβεβαιότητες για το τι είναι Σκοτεινή Ενέργεια και Σκοτεινή Μάζα! Οπότε είναι χρήσιμο να κάνουμε μία, όχι τόσο σύντομη ανασκόπηση, της πιό εμπεδωμένης θεωρίας για την γένεση και εξέλιξη το σύμπαντος, που καταλήγει στην δημιουργία γαλαξιών και αστρικών συστημάτων με πλανήτες, που είναι πιό άμεσου ενδιαφέροντος στο πλατύ κοινό.

Η Μεγάλη Έκρηξη – Big Bang

Αν αφήσουμε τις θεολογικές βάσεις για την δημιουργία του σύμπαντος, η μοντέρνα επιστημονική ανάλυσης για την δημιουργία του σύμπαντος είναι θεμελιωμένη επάνω σε τρεις, ουσιαστικά, βάσεις.

1. Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein, στην μορφή της λύσης των εξισώσεων των Friedmann και Lemaître το 1922 και 1927, αντίστοιχα. Η λύση αυτή των εξισώσεων απέδειξε ότι το σύμπαν στον χωροχρόνο δεν είναι στατικό αλλά είτε μικραίνει είτε μεγαλώνει και αυτό είχε οδηγήσει αρχικά στην ερώτηση αν το τέλος του σύμπαντος θα είναι θερμό λόγω αδιαβατικής συρρίκνωσης ή ψυχρό λόγω της αδιαβατικής εκτόνωσης.

2. Αστρονομικά Δεδομένα Μετρήσεων του Hubble και των πολύ πολύτιμων μελετών των Slipher και Leavitt νωρίτερα, οδήγησαν τον Hubble το 1929 στις μετρήσεις των αποστάσεων των γαλαξιών σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από την Γη. Αυτές οι μελέτες και παρατηρήσεις, τον ώθησαν στην μέτρηση του οπτικού φάσματος που εκπέμπουν αυτοί οι γαλαξίες και στην ανακάλυψη ότι το φάσμα έχει μετακινηθεί προς τα μεγάλα μήκη κύματος (ερυθρή μετατόπιση, red shift). Βάσει αυτών και, εν συνδυασμώ με το Doppler red shift, το συμπέρασμα ήταν ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν από την Γη και μεταξύ τους, δηλαδή το σύμπαν επεκτεινόταν. Η δυναμική επέκτασης, λοιπόν, του σύμπαντος σημαίνει ότι σε κάποιο χρόνο έπρεπε να είχε ξεκινήσει από ένα εξαιρετικά μικρότερο μέγεθος και με μία μεγάλη έκρηξη, όπως μία στατική βόμβα εκτοξεύει τα θραύσματα προς ολες τις κατευθύνσεις ομοιογενώς. Η ιδέα, λοιπόν της ῍εκρηκτικής γέννησης῍ του σύμπαντος είναι βασισμένη σε μετρήσεις, όχι απλώς θεωρίες. Ο Hubble, γνωρίζοντας την απόσταση των γαλαξιών από την Γη και με το red shift, υπολόγισε την ταχύτητα με την οποίαν το σύμπαν επεκτείνεται, γνωστή και ως η σταθερά του Hubble. Θα εξετάσουμε αυτήν την σταθερά πιό κάτω.

3. Θερμοδυναμική Βάση, με βάση την αδιαβατική εκτόνωση του σύμπαντος και πηγαίνοντας πίσω στην αρχή της εκρηκτικής γέννησης, περνάμε από αστρονομικές μετρήσεις σε θερμοδυναμική και πυρηνική φυσική, που οδηγούν στην Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang, ΒΒ) και Πυρηνοσύνθεση. Στα τέλη της δεκαετίας του 1940, οι φυσικοί Gamow, Alfer και Herman διατύπωσαν την θεωρία ότι, αν το σύμπαν γεννήθηκε μέσα σε ένα εξαιρετικά μικρό χώρο, έπρεπε βάση της θερμοδυναμικής να ήταν σε κατάσταση εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, που λειτούργησε σαν ένας αντιδραστήρας σύντηξης δημιουργώντας τα πρώτα στοιχεία, ιδιαιτέρως το Υδρογόνο και το Ήλιο. Αυτή η θεωρία όχι μόνον εξηγούσε την δημιουργία των χημικών στοιχείων, αλλά έθετε και τις βάσεις για την πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας για το ΒΒ.

Με βάση την θεωρία για το ΒΒ, η πειραματική επιβεβαίωση τέθηκε επάνω σε βασικές αρχές της θερμοδυναμικής και της φυσικής του πλάσματος.

Στην αρχή, αυτό που αποκαλούμε σύμπαν τώρα, ήταν ένα εξαιρετικά πυκνό και πολύ υψηλών θερμοκρασιών (δηλαδή κινητικής ενέργειας των φωτονίων, ηλεκτρονίων και πρωτονίων) πλάσμα. Η πυκνότητα του πλάσματος ήταν τόσο υψηλή που τα φωτόνια συγκρουόντουσαν με τα ηλεκτρόνια και δεν μπορούσαν να δραπετεύσουν από το πλάσμα. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και στον ¨Ηλιο, που τα φωτόνια χρειάζονται χιλιάδες χρόνια να φθάσουν στην επιφάνεια του. Είναι η περίοδος που για το σύμπαν χαρακτηρίζεται ως ομιχλώδης. Ως αποτέλεσμα της εκρήξεως, το πλάσμα επεκτείνεται σφαιρικά και ομοιόμορφα και ταυτοχρόνως ψύχεται.

Αυτή η επέκταση χαμηλώνει τις κινητικές ενέργειες (θερμοκρασία του πλάσματος) των πρωτονίων και ηλεκτρονίων έτσι ώστε η ελκυστική ηλεκτροστατική δύναμης Coulomb να επιτρέπει την δημιουργία ουδέτερων ατόμων. Αυτό συνέβη περίπου 380.000 χρόνια μετά από το ΒΒ.

Πριν προχωρήσουμε στην εξέλιξη του σύμπαντος, μέχρι την τωρινή εποχή, ας κοιτάξουμε πώς οι θεμελειώδεις δυνάμεις (πεδία) που καθορίζουν την Φυσική, εξελίχθηκαν από το ΒΒ. Την στιγμή της γένεσης του σύμπαντος, ας το καθορίσουμε ως χρόνο Τ﹦0, οι θεμελιώδεις δυνάμεις της βαρύτητας, της ισχυρής, της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς ήταν μία, που είχε όλους τους νόμους των τεσσάρων στην βάση της και ήταν η θεμελιώδης εξίσωση που σήμερα είναι το ιερό δισκοπότηρο της θεωρητικής Φυσικής. Είναι η θεμελίωσης μίας θεωρίας με εξισώσεις που ενοποιούν όλα τα πεδία (δυνάμεις) σε ένα νόμο που περιγράφει τα πάντα. Μια τέτοια ενοποίηση απαιτεί ενέργειες για πειραματική επαλήθευση της τάξης του ΒΒ, κάτι που δεν προβλέπεται στο προσεχές μέλλον. Ο διαχωρισμός των πεδίων (δυνάμεων) έλαβε χώρα εξαιρετικά σύντομα μετά την γένεση του σύμπαντος, στον χρόνο Τ﹦0, αλλά με μεγάλα κενά μεταξύ τους (εν συγκρίσει με τους σχετικούς χρόνους για το κάθε πεδίο).

• Έτσι, πρώτα διαχωρίστηκε το πεδίο βαρύτητας από τα άλλα, σε χρόνο περίπου 10^-43 s, όταν η θερμοκρασία του πλάσματος ήταν περιπου 10³² Κ (βαθμούς Κέλβιν).
• Πολύ αργότερα, σε χρόνο περιπου 10^-35 s, διαχωρίστηκε η ισχυρή δύναμη (αυτή μεταξύ αδρονίων) από τις άλλες, όταν το πλάσμα είχε θερμοκρασία περίπου 10²⁷ Κ. Αυτό το στάδιο είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον διότι προκάλεσε μία ταχύτατη διαστολή του σύμπαντος.
• Η μόνη δύναμη που απέμεινε ήταν η ενοποιημένη ηλεκτρασθενής (QED), η θεωρία που περιγράφει την ενοποιημένη ηλεκτροδυναμική και την ασθενή πυρηνική δύναμη (γνωστή, π.χ. από την ραδιενεργό διάσπαση βήτα).
• Ο διαχωρισμός της ηλεκτρασθενoύς δύναμης στις δύο συνιστώσες έγινε πολύ αργότερα (σχετικά με τις προηγούμενες), σε χρόνο 10^-12 s και θερμοκρασία περίπου 10¹⁵ Κ.

Η χρονολογική αυτή σειρά είναι αποτέλεσμα των σταθερών σύζευξης (coupling constants) για κάθε δύναμη, από την ισχυρότερη της βαρύτητας διαδοχικά μέχρι την ασθενέστερη, που είναι της ασθενούς.

Όπως αναφέρθηκε ανωτέρω, περίπου 380.000 χρόνια μετά το ΒΒ, η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων και πρωτονίων είχε ελαττωθεί αρκετά ώστε να σχηματιστούν τα πρώτα ουδέτερα άτομα, ταυτοχρόνως εκπέμποντας ακτινοβολία, που τώρα αναγνωρίζουμε ως την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (Cosmic Microwave Background – CMB), που αποτελεί και το πιο ισχυρό πειραματικό αποτέλεσμα που εδραίωσε την θεωρία του ΒΒ. Η θερμοκρασία, όταν έγινε αυτή η επανένωσης ηλεκτρονίων και πρωτονίων, ήταν περίπου 3.000 Κ και, επομένως, η ερώτηση είναι: γιατί τότε η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, όπως ανιχνεύθηκε από τους Penzias και Wilson το 1964-1965, ήταν 2,74 Κ αντί για 3.000 Κ; Βέβαια, οι Penzias και Wilson δεν έβαλαν ένα θερμόμετρο μακρυά από πλανήτες και Ήλιο να μετρήσουν την θερμοκρασία του σύμπαντος. Αλλά ανίχνευσαν (κατά λάθος) τον υπόβαθρο θόρυβο μικροκυμάτων, αφού είχαν εξαιρέσει όλες τις άλλες πιθανές γήινες πηγές μικροκυμάτων. Το μήκος κύματος αντιστοιχούσε σε εκπομπή ενός μελανού σώματος (black body) με θερμοκρασία 2,74 Κ. Εδώ χρειάζεται να πάμε προσωρινά σε κλασική θερμοδυναμική και να δούμε την σχέση θερμοκρασίας και μήκος κύματος. Κάθε σώμα εκπέμπει ενέργεια σε μορφή φάσματος ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, εκτός αν η θερμοκρασία του είναι στους
Τ﹦0 Κ. Η σχέση μεταξύ του μήκους κύματος λ_max, που αντιστοιχεί στην μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας, και της θερμοκρασίας δίνεται από την εξίσωση του Wien:

Τ ﹦b ∕ λ_max        (1)

Όπου η θερμοκρασία είναι σε βαθμούς Κέλβιν, το μήκος κύματος σε μέτρα και b είναι μια σταθερά. Με θερμοκρασία 3000 Κ, το λ_max θα ήταν 966 nm (νανόμετρα), ενώ οι Penzias και Wilson ανίχνευσαν φάσμα με μήκος κύματος λ_max ﹦1,06 mm, δηλαδή από υλικό θερμοκρασίας 2,74 Κ. Το φάσμα παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.

Θα επιστρέψουμε στην Εξίσωση (1) όταν αναλύσουμε τους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος και, ιδίως, την Αφροδίτη και το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ο λόγος για αυτήν την τεράστια διαφορά, μεταξύ του μήκους κύματος των 3000 Κ και της μέτρησης, είναι λόγω της επέκτασης του σύμπαντος και του Doppler shift, καθώς η απόσταση μεταξύ Γης και σημείου αρχικής εκπομπής αυξάνεται. Είναι μια άλλη ισχυρή ένδειξη της επικρατούσας θεωρίας και της δυναμικής εξίσωσης της Γενικής Θεωρίας την Σχετικότητας που προέβλεπε ένα μη στατικό σύμπαν. Η ομοιόμορφη κατανομή της ακτινοβολίας έχει χαρτογραφηθεί από πολλά εργαστήρια, όπως COBE, Planck και άλλα. Τα αποτελέσματα του Ευρωπαϊκού διαστημικού εργαστηρίου Planck απεικονίζονται στην Εικόνα 2.

Παρατηρούνται μικρές διάφορες στην θερμοκρασία, που όμως είναι της τάξης του 10^-5 Κ, δηλαδή η πυκνότητα της θερμοκρασίας θεωρείται ομοιογενείς αλλά όχι τελείως. Οι πολύ μικρές εστίες διαφορετικών θερμοκρασιών είναι αποτέλεσμα των διαφορών της πυκνότητας του πλάσματος στο σύμπαν, πριν από τα 380.000 χρόνια που έγινε η εκπομπή της CMB, και είχαν γίνει ήδη εστίες συγκέντρωσης μάζας, που κατέληξαν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά, στην δημιουργία γαλαξιών.

Εξέλιξη του Σύμπαντος και η δημιουργία των γαλαξιών

Αν παραβλέψουμε προς το παρόν τις θεωρίες του πιθανού ρόλου της σκοτεινής ύλης και σκοτεινής ενέργειας. Στα πρώιμα στάδια της βαρυτικής δύναμης στην δημιουργία κέντρων συγκέντρωσης ύλης, θα εξετάσουμε την χρονολογική σειρά δημιουργίας των γαλαξιών, όπως ισχυρίζεται η επικρατούσα θεωρία και αστρονομικές μετρήσεις. Η εκρηκτική επέκτασης του σύμπαντος αμέσως μετά το ΒΒ ήταν εξαιρετικά ραγδαία, όπως αναλύθηκε. Μάλιστα, σε αυτά τα αρχικά στάδια το σύμπαν επεκτεινόταν με ταχύτητες υψηλότερες από την ταχύτητα του φωτός στο κενό!

Αμέσως αυτό φαίνεται να καταρρίπτει την βάση της θεωρίας της σχετικότητας, όμως δεν είναι έτσι. Η θεωρία της σχετικότητας πράγματι έχει ως βάση ότι μάζα και πληροφορία, δηλαδή οτιδήποτε απτό, δεν μπορεί να υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός στο κενό. Όμως, η επέκταση του σύμπαντος στον χωρoχρόνο ούτε μάζα κινεί ούτε πληροφορία μεταφέρει, στην ουσία το επεκτεινόμενο σύμπαν δημιουργεί τον χώρο και τον χρόνο και ούτε το ένα ούτε το άλλο πίπτουν στην κατηγορία μάζας και πληροφορίας. Είναι ακριβώς το ίδιο με την φασική ταχύτητα ενός κύματος (phase velocity) που είναι η ταχύτητα ενός σημείου με σταθερή φάση, εν αντιθέσει με την ταχύτητα διάδοσης του κύματος (group velocity) που είναι αυτή που μεταδίδει ενέργεια και πληροφορία.

Μετά τον διαχωρισμό των πεδίων, όπως είδαμε, σε χρόνο 10^-10 με 10^-4 s δημιουργήθηκαν τα σωματίδια, βασικά πρωτόνια και νετρόνια με την σύντηξη των κουάρκ. Η ασθενής δύναμη διαχωρίζεται από την ηλεκτρική (ηλεκτρασθενή) απελευθερώνοντας τα νετρίνα που ακόμη κατακλύζουν το σύμπαν. Στα 3 με 20 min η θερμοκρασία (σε κινητική ενέργεια των σωματιδίων) είναι ακόμη πολύ υψηλή, ώστε η σύντηξη πρωτονίων και νετρονίων να είναι δυνατή και οι πυρήνες των πρώτων ελαφρότερων στοιχείων σχηματίζονται, όπως υδρογόνο και ήλιο μαζί με μικρότερες ποσότητες λιθίου.

Από την δημιουργία των πρώτων ατόμων υδρογόνου (380.000 χρόνια μετά το ΒΒ), μέχρι περίπου τα 150 εκατομμύρια με 1 δισεκατομμύριο χρόνια, δεν είχαν σχηματιστεί ακόμα αστέρια όπως αντιλαμβανόμαστε σήμερα. Ολοι οι σημερινοί γαλαξίες και το σύμπαν ήταν ένα ψυχρό (σχετικά βέβαια) επεκτεινόμενο σύνολο ουδέτερων ατόμων υδρογόνου και σκοτεινής ύλης. Στην σκοτεινή ύλη θα επανέλθουμε. Αυτή η περίοδος χαρακτηρίζεται και ως η “σκοτεινή”. Από τα 150 εκατομμύρια μέχρι το ένα δισεκατομμύριο χρόνια η αυξανόμενη βαρύτητα, από την παρουσία μάζας και σκοτεινής μάζας, αρχίζει να σχηματίζει εστίες συγκέντρωσης αερίων και σκοτεινής μάζας με τον εξαρχής ιονισμό της μάζας των αερίων. Κάπου σε αυτό το χρονικό διάστημα άρχισε δειλά δειλά και η ανάφλεξη που δημιουργεί τους πρώτους αστέρας και γαλαξίες.

Μετά τα πρώτα περίπου 400 εκατομμύρια χρόνια η βαρύτητα συγκεντρώνει γαλαξίες που, με την σειρά τους, δημιουργούν γιγάντιους αστέρες με σύντομη ζωή που καταλήγουν σε σουπερνόβα που πλούτισαν το σύμπαν με βαρύτερα στοιχεία όπως άνθρακα, οξυγόνο, σίδηρο και χρυσό (όλα πολύ σταθερά στοιχεία). Εννέα δισεκατομμύρια χρόνια μετά το ΒΒ ο Ήλιος σχηματίστηκε με το δικό του ηλιακό σύστημα που τώρα έχει την ώριμη ηλικία των ~ 4,6 δισεκατομμυρίων χρόνων. Έχουμε, λοιπόν, ένα σύμπαν περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων χρόνων. Μια γραφική παράστασης της δημιουργίας του σύμπαντος δίνεται στην Εικόνα 3.

Δυστυχώς η φυσική δεν ήταν ευχαριστημένη με αυτήν την “σχετικά απλή” διαδικασία γένεσης του σύμπαντος και αποφάσισε να ρίξει τρικλοποδιές.

Θυμάστε τον Hubble και την σταθερά του; Η μέτρηση του, που εκφράζει τον ρυθμό με τον οποίο διαστέλλεται το σύμπαν, δεν ήταν σωστή και έδινε πολύ μεγαλύτερη σταθερά από μετέπειτα πιο ακριβείς μετρήσεις. Επίσης η σταθερά έχει αποδειχθεί ότι δεν είναι… σταθερά αλλά μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου και εξαρτάται από την μέθοδο που χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της. Έτσι τώρα έχουμε δύο τιμές. Μία μέθοδος δίνει τιμές 73 με 76 km/s/Mpc ενώ μία άλλη μέθοδος δίνει 67 με 68 km/s/Mpc. Αυτό είναι σοβαρό πρόβλημα διότι, αφενός μεν δίνουν διαφορετικές τιμές στην ηλικία και διαστάσεις του σύμπαντος, αφετέρου δε πιθανώς να είναι συνέπεια ουσιωδών ελλείψεων στην θεωρία της κοσμολογίας, στον ρόλο της σκοτεινής μάζας και ενέργειας ή, ακόμη, και λάθος στην φυσική του πολύ νεαρού σύμπαντος. Η ορατή μάζα στο σύμπαν (μάζα πρωτονίων, νετρονίων, ηλεκτρονίων και νετρίνων) αποτελεί μόνο το ~4,9% της συνολικής μάζας, ενώ η σκοτεινή μάζα είναι ~26,8% με το υπόλοιπο ~68,3% να είναι σκοτεινή ενέργεια.

Τι είναι ακριβώς η φύση της σκοτεινής μάζας παραμένει σκοτεινή, αν και θεωρίες υπάρχουν και πιθανώς ένα σωματίδιο, που μία θεωρία έχει ως βάση της, να έχει κάνει ήδη την παρουσία του σε εργαστήρια. Ακόμη όμως η ερώτηση παραμένει αναπάντητη. Η σκοτεινή ενέργεια παραμένει εξίσου σκοτεινή στην φύση της. Μπορεί να είναι αποτέλεσμα την γενικής θεωρίας της σχετικότητας, όπου η κοσμολογική σταθερά Λ αντιπροσωπεύει την ενέργεια του άδειου πεδίου, όπως η κβαντική θεωρία πεδίων έχει την “ενέργεια του κενού”, όπου σωματίδια εμφανίζονται και εξαφανίζονται από το κενό. Μπορεί επίσης να υποδεικνύουν προβλήματα με την γενική θεωρία της σχετικότητας, ότι κάτι λείπει ή ακόμη ότι δεν περιγράφει με ακρίβεια το σύμπαν σε κοσμική κλίμακα.

Ο Γαλαξίας μας

Τώρα που “κατασκευάσαμε” το σύμπαν ας ασχοληθούμε με την γειτονιά μας. Ο γαλαξίας μας άρχισε να σχηματίζεται περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν εστίες σκοτεινής μάζας και αέρια υδρογόνου και ηλίου δημιούργησαν μια εστία βαρύτητας που έλκυε την ύλη από το άμεσο διάστημα προς το κέντρο της μάζας της. Μετά από περίπου 1 με 3 δισεκατομμύρια χρόνια, η ύλη που έπεφτε με κυκλική τροχιά προς την διαρκώς αυξανόμενη μάζα στο κέντρο, συνεπώς και της αυξανόμενης βαρύτητας, σχημάτιζε έναν χαρακτηριστικό πλατύ γαλακτικό δίσκο. Όσο αυτός ο αρχικός γαλαξίας μεγάλωνε, άρχισε να “καταβροχθίζει” και άλλους πολύ μικρότερους γαλαξίες με την δημιουργία των σπειροειδών βραχιόνων, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4.

Στο κέντρο του γαλαξία υπάρχει μἰα γιγαντιαία μαύρη τρύπα (Sagittarius A*) με μάζα περίπου 4 εκατομμύρια φορές της μάζης του Ηλίου και σε απόσταση περίπου 27.000 έτη φωτός από εμάς. Στο κέντρο του γαλαξία η πυκνότητα αστέρων είναι εκατοντάδες φορές πιό πυκνή από την περιοχή μας και η ακτινοβολία, ιδίως σε ακτίνες γάμμα, είναι εξαιρετικά υψηλή. Το δικό μας ηλιακό σύστημα είναι στην περιφέρεια, στον βραχίονα του Ορίωνος και έτσι οργανικά μόρια μπόρεσαν να δημιουργηθούν κάτω από συνθήκες θερμοκρασίας και ακτινοβολιας συμβατές με την ανάπτυξη ζωής.

Το Ηλιακό Σύστημα

Το Ηλιακό μας σύστημα δημιουργήθηκε σε τεσσάρα στάδια, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 5. Στάδιο 1: Το Ηλιακό Νεφέλωμα (Solar Nebula), που είχε δημιουργηθεί από το αρχικό αέριο νέφος, συστέλλεται κάτω από την ίδια του την βαρύτητα με συνέπεια την αύξηση της θερμότητας (Εικόνα 5.1). Ο συνδιασμος συστολής και κινηματικής καταστάσεώς έχει ως αποτέλεσμα το νεφέλωμα να σχηματίσει έναν πλατύ περιστρεφόμενο δίσκο, όπως στο Στάδιο 2, (Εικόνα 5.2), με το υψηλής πυκνότητας κέντρο να έχει φθάσει σε θερμοκρασίες 10⁶ Κ, όπου η σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο να έχει ξεκινήσει. Αυτό τώρα είναι Στάδιο 3, η γένεση του Ηλίου (Εικόνα 5.3). Με τον Ήλιο στα πρώτα στάδια της ύπαρξης του, ως ο αστέρας του συστήματος, το υλικό από το αρχικό νεφέλωμα σε τροχιές γύρω του και μέσω της βαρύτητας, αρχίζει να σχηματίζει τους πρώτοπλανήτες που, με την πάροδο του χρόνου σχηματίζουν τις συμπαγείς μάζες των πλανητών στο Στάδιο 4 (Εικόνα 5.4).

Οι Πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος

Η Εικόνα 6 δείχνει τους 8 πλανήτες (ο Πλούτωνας μια είναι πλανήτης μια δεν είναι) με τις γωνίες εν σχέση με το εκλειπτικό επίπεδο και την κατεύθυνση της περιστροφής τους (δεξιόστροφο ή αριστερόστροφο) να υποδεικνύονται. Μερικές γενικές παρατηρήσεις: Μόνον η Αφροδίτη και ο Ουρανός είναι δεξιόστροφοι, αν και ο τελευταίος έχει τον άξονα περιστροφής στο πλάι αντί σε άξονα Βορρά – Νότου. Θεωρητικά, για έναν Ήλιο όπως τον δικό μας, η ζώνη αποστάσεων που οι πλανήτες είναι δυνατόν να έχουν νερό σε μορφή υγρού και, επομένως την δυνατότητα ανάπτυξης ζωής, είναι σχετικά στενή εν σχέση με την ακτίνα του ηλιακού συστήματος. Η Αφροδίτη, η Γη και ο Άρης είναι μέσα σε αυτήν την ζώνη. Η Αφροδίτη στο εσωτερικό όριο ενώ ο Άρης στο εξωτερικό, με καμία όμως ομοιότητα μεταξύ τους.

Στην ΠΤΗΣΗ έχουν δημοσιευθεί άρθρα για την Αφροδίτη, για τη για Σελήνη και τον Άρη με σχέδια για μόνιμες βάσεις, ακόμη και για γεωδιαμόρφωση ή γαιοπλασία τους (terraforming). Ο Άρης έχει, βέβαια, γίνει αντικείμενο σχεδίων για βάση στο προσεχές μελλον. Ας δούμε, λοιπόν, ποιές ήταν οι αιτίες που μεταμόρφωσαν τους τρεις γειτονικούς πλανήτες ώστε να εξελιχθούν σε εκ διαμέτρου αντίθετες περιβαλοντικές συνθήκες και αν η γαιοπλασία είναι δυνατή ή είναι μυθοπλασία. Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει συνοπτικά τα πλανητικά δεδομένα της Αφροδίτης, της Γης και του Άρη.

Η Γη μας

Ας ξεκινήσουμε από την Γη που γνωρίζουμε πολύ καλύτερα από τους άλλους δύο. Ο πλανήτης μας έχει ένα βασικότατο φυσικό μέγεθος, που οι άλλοι δύο δεν το έχουν και που έχει κάνει όλη την διαφορά. Το γεωμαγνητικό πεδίο. Η Γη αποτελείται από στρώματα: Ο Φλοιός, ο Μανδύας που είναι και ο πιο παχύς, ο Εξωτερικός Πυρήνας και ο Εσωτερικός Πυρήνας (κέντρο), όπως φαίνεται στην Εικόνα 7.

Όλοι γνωρίζουμε ότι η Γη είναι ουσιαστικά ένα τεράστιο μαγνητικό δίπολο που μας προστατεύει από την ηλιακή ακτινοβολία και όχι μόνο. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα 8.

Πώς όμως δημιουργείται το μαγνητικό πεδίο, που δεν είναι ένα φυσικό φαινόμενο που πηγάζει απαραιτήτως από την κοσμολογία, ως αναλύθηκε ανωτέρω; Η απάντηση βρίσκεται στην ρευστή φύση του εξωτερικού στρώματος που, σε συνδυασμό με το στέρεο εσωτερικό στρώμα και την σχετική κίνηση του ενός με το άλλο, δημιουργεί ηλεκτρικά ρεύματα και επομένως μαγνητικό πεδίο. Με αλλά λόγια, αυτά τα δύο στρώματα, που είναι ως επί το πλείστον σίδηρος και νικέλιο, έχουν κατασκευάσει ένα γιγαντιαίο δυναμό, γνωστό και ως Γεωδυναμό, όπως παρουσιάζεται στην Εικόνα 9. Το εσωτερικό στρώμα, που είναι κάτω από εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, παραμένει στην στερεά κατάσταση παρά την πολύ υψηλή θερμοκρασία (5.000 με 6.000 C). Το εξωτερικό στρώμα διατηρείται σε ρευστή κατάσταση λόγω μεταφοράς θερμότητας από το εσωτερικό δημιουργώντας θερμοσυναγωγικά ρεύματα (convection currents), όπως φαίνονται στην Εικόνα 9.

Η περιστροφική κίνηση της Γης δημιουργεί μια σχετική ταχύτητα περιστροφής μεταξύ του στερεού και του ρευστού στρώματος, που αυξάνει επιπλέον τα ηλεκτρικά ρεύματα και συνεισφέρει στην ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η φυσική περιγραφή είναι χαώδης και το μαγνητικό πεδίο όχι μόνο δεν είναι σταθερό στον χρόνο αλλά επίσης αλλάζει Βορά με Νότο κάθε (στατιστικά) 200.000 με 300.000 χρόνια. Η τελευταία τέτοια αλλαγή έγινε περίπου 700.000 χρόνια πριν. Τέλος, το μαγνητικό πεδίο προστατεύει και την ατμόσφαιρα από τον ηλιακό άνεμο και, εν συνδυασμό με την υψηλή βαρύτητα, η Γη έχει κρατήσει την ατμόσφαιρα της.

Η Αφροδίτη

Από τον Πίνακα 1 βλέπουμε ότι η Αφροδίτη λαμβάνει, στην άνω ατμόσφαιρα της, διπλάσια ηλιακή ισχύ ανά τετραγωνικό μέτρο από αυτήν της Γης και, όμως, η επιφανειακή θερμοκρασία είναι 40 φορές υψηλότερη. Τι λοιπόν μετέτρεψε έναν πλανήτη, σαν την Γη σε διαστάσεις, σε μια κόλαση; Η απάντηση έχει διάφορα αίτια: Είναι πλησιέστερα στον Ήλιο από την Γη και θα ήταν, σαν αυτή αλλά με υψηλότερη μέση θερμοκρασία από τους 15 βαθμούς της Γης. Η υψηλότερη αυτή, όμως, θερμοκρασία είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της εξάτμισης των ωκεανών και τη δραματική αύξηση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα. Ενώ όλοι συγκεντρώνουν το άγχος τους στο διοξείδιο του άνθρακα ως τον κύριο παράγοντα στην κλιματική αλλαγή, οι υδρατμοί είναι επίσης ένα αέριο του θερμοκηπίου. Τι είναι όμως το φαινόμενο του θερμοκηπίου, που έχει γίνει ευαγγέλιο στα χείλη πολλών που δεν γνωρίζουν το μηχανισμό του;

Ο Ήλιος εκπέμπει φάσμα σχεδόν όπως ένα “μελανό σώμα” σε θερμοκρασία 5.250 C, σύμφωνα με την θερμοδυναμική, που απεικονίζεται στην Εικόνα 10.

Στα μήκη κόμματος του υπεριώδους και ορατού, η απώλεια έντασης είναι κυρίως λόγω σκέδασης, διασποράς και απορρόφησης, ιδίως από το όζον, στο υπεριώδες. Στο ευρύ φάσμα της υπέρυθρης ακτινοβολίας τα πράγματα είναι διαφορετικά. Εδώ παρατηρούμε μήκη κύματος που μόρια των αερίων επιδεικνύουν ισχυρή απορρόφηση σε ορισμένα μήκη κύματος και, ενώ το οξυγόνο έχει μια μικρή επίδραση στα 750 nm, τα μόρια του ύδατος παίζουν τον κύριο ρόλο στην απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας, ακόμη εν σχέση και με το διοξείδιο του άνθρακα.

Στην Εξίσωση 1, το μήκος κύματος λ_max είναι γραμμικά ανάλογο της θερμοκρασίας του εκπέμποντας σώματος. Αυτό της ηλιακής είναι λ_max ≈ 0,49μm, ενώ το μήκος κύματος που εκπέμπει η Γη με Τ= 294 Κ είναι ≈ 10μm. Τα μόρια των αερίων του θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα της Γης (υδρατμοί, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο) δεν απορροφούν στα μήκη κύματος μικρότερα από περίπου 750 νμ διότι η μοριακή δομή τους δεν έχει ενεργειακούς βαθμούς ελευθερίας που αντιστοιχούν σε αυτήν την ενέργεια. Αντιθέτως, η ενέργεια από την Γη συντονίζεται με τους βαθμούς ελευθερίας (ταλαντώσεις και γενικά κινητική ενέργεια) και έτσι απορροφούν σημαντικό ποσοστό της ακτινοβολίας προς τα έξω που εκπέμπει η Γη.

Έτσι, μέρος της ενέργειας που θα επέστρεφε στο διάστημα, έχει παγιδευθεί μεταξύ της ατμόσφαιρας και της Γης. Αυτό εξηγεί γιατί νύχτες με σύννεφα είναι πιο ήπιες από ξαστεριά. Η Εικόνα 11 δείχνει το φάσμα που εκπέμπει η Γη σε Τ= 294 Κ, ως ένα μελανό σώμα που φθάνει στην άνω ατμόσφαιρα της Γης.

Από την άνω Εικόνα 11 παρατηρούμε αμέσως την ισχυρή απορρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα και των άλλων αερίων που παρουσιάζεται και ως διαφορά στην ένταση που φθάνει στην άνω ατμόσφαιρα από ότι θα ήταν σύμφωνα με το φάσμα μελανού σώματος. Αυτά για την Γη και γενικά για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Για την Αφροδίτη, η φυσική διαδικασία είναι παρόμοια αλλά εξαιρετικά πιο ισχυρή.

Στην Αφροδίτη, η μεγάλη συγκέντρωση υδρατμών συνέχισε να αυξάνει την θερμοκρασία και επομένως και την ποσότητα υδρατμών σε ένα φαύλο κύκλο, δηλαδή σε ένα φαινόμενο του θερμοκηπίου που έχει ξεφύγει. Η έντονη ηλιακή ακτινοβολία διέσπασε τα μόρια των υδρατμών σε οξυγόνο και υδρογόνο, το οποίο δραπέτευσε της ατμόσφαιρας, αφήνοντας το οξυγόνο να δεσμευτεί στην επιφάνεια του πλανήτη μετατρέποντας τον σε εντελώς ξηρό. Χωρίς υδάτινα σώματα να απορροφούν και αποθηκεύουν το διοξείδιο του άνθρακα, δημιουργήθηκε σε χρόνο εκατομμυρίων χρόνων η εξαιρετικά πυκνή ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα. Πιθανώς μια περίοδος με ενεργή ηφαιστειακή δράση να έκαναν την κατάσταση χειρότερη.

Τα περίεργα της Αφροδίτης δεν τελειώνουν εκεί. Αν και ο πλανήτης δεν έχει μαγνητικό πεδίο όπως η Γη, δηλαδή δεν λειτουργεί ένα Γεωδυναμό, όμως η Αφροδίτη έχει μαγνητικό πεδίο που χαρακτηρίζεται ως εξ επαγωγής! Ο ηλιακός άνεμος μεταφέρει (λόγω ηλεκτρικών φορτίων) μαγνητικό πεδίο το οποίο συγκρούεται με την ιονόσφαιρα της Αφροδίτης και αυτή η αλληλεπίδραση δημιουργεί ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει τον πλανήτη σε σχήμα ουρά κομήτη. Αυτό το ασθενές μαγνητικό πεδίο δεν προστατεύει την επιφάνεια από την ηλιακή ακτινοβολία αλλά η εξαιρετικά πυκνή ατμόσφαιρα διοξειδίου του άνθρακα το κάνει. Μια ημέρα στην Αφροδίτη διαρκεί 243 ημέρες, πιο πολύ ακόμη και από τον χρόνο μια περιστροφής γύρω από τον Ήλιο που είναι 225 γήινες ημέρες. Μια πλευρά, δηλαδή του πλανήτη, “ψήνεται” για καλά από το άστρο μας. Οπότε η Γαιοπλασία για την Αφροδίτη είναι, στην ουσία, μυθοπλασία. Διότι καμία από τις φυσικές αιτίες που την έκαναν μια “κόλαση” δεν μπορεί να εξαλειφθούν με ανθρώπινη τεχνολογία.

Ο Άρης

Η απάντηση στην ερώτηση “τι σκότωσε τον Άρη” είναι πιο εύκολο και σύντομο να απαντηθεί: Η έλλειψη μαγνητικού πεδίου. Περίπου πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια, η μικρή μάζα του Άρη (11% της Γης) έχασε θερμότητα γρήγορα και το μεταλλικό εσωτερικό στρώμα έγινε όλο στερεό, χάνοντας τον μηχανισμό για δημιουργία μαγνητικού πεδίου. Χωρίς το προστατευτικό μαγνητικό πεδίο, ο ηλιακός άνεμος και οι μαγνητικές καταιγίδες, σε συνδυασμό με την χαμηλή βαρύτητα, σιγά σιγά και σε μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, είχαν ως αποτέλεσμα ο πλανήτης να χάσει την ατμόσφαιρα του στο διάστημα. Με την ατμόσφαιρα να αραιώνει και την θερμομόνωση που παρείχε να μειώνεται, ότι επιφανειακό νερό υπήρχε είτε εξατμίστηκε είτε πάγωσε στους πόλους.

Εν συγκρίσει με την Αφροδίτη, ο Άρης είναι θεωρητικά κατοικήσιμος από φυσικής και βιολογικής πλευράς, εφόσον το ανθρώπινο προσωπικό έχει όλα τα απαραίτητα για τις βιολογικές ανάγκες του και έχει και την προστασία από το εχθρικό περιβάλλον, την ακτινοβολία και τους μικρομετεωρίτες. Αυτό μπορεί να συμβεί πιθανώς κάτω από το έδαφος. Αλλά Γαιοπλασία, με την έννοια ότι θα δημιουργηθούν δραστικές και μόνιμες μεταβολές που θα επιτρέπουν συνθήκες διαβίωσης παρόμοιες με της Γης, δεν είναι δυνατή. Οι λόγοι που έκαναν το Άρη ένα νεκρό πλανήτη είναι μη ανατρέψιμοι.

Επίλογος

Η πρόοδος που έχει γίνει την τελευταία εικοσαετία στις γνώσεις μας για το σύμπαν, πώς δημιουργήθηκε και πώς εξελίχθηκε, εμπλούτισε τις βάσεις των γνώσεων και θεωριών των προηγούμενων αιώνων. Θεωρία και πειραματικά δεδομένα πηγαίνουν χέρι χέρι, όπως είναι η βάση της Φυσικής και μας οδήγησαν στην κατανόηση από πού προερχόμαστε, από την στιγμή της δημιουργίας μέχρι σήμερα. Ταυτοχρόνως, όμως, οι εξελιγμένες μέθοδοι πειραματικών μετρήσεων και παρατηρήσεων έφεραν στο προσκήνιο και εκπλήξεις, που πριν είκοσι χρόνια ούτε υπήρχαν ως θέμα. Για παράδειγμα, το σύμπαν επεκτείνεται αλλά με επιτάχυνση, δηλαδή μια άγνωστη δύναμη απωθεί την μάζα ενάντια στη βαρύτητα. Η σκοτεινή ενέργεια έχει προταθεί ως λύση, αλλά τι είναι η σκοτεινή ενέργεια παραμένει ακόμη μυστήριο.

Επίσης, η σκοτεινή μάζα φαίνεται ότι έπαιξε βασικό ρόλο στα πρώτα στάδια δημιουργίας γαλαξιών, αλλά η σωματιδιακή φύση της παραμένει επίσης άγνωστη, αν και πειραματικά αποτελέσματα σε εργαστήρια σωματιδιακής και αστροφυσικής πιθανώς να έχουν επιτύχει την πρώτη ανίχνευση του υπευθύνου σωματιδίου. Σε όλες αυτές τις ανοιχτές ακόμη θεωρίες πρέπει να βάλουμε και το πρόβλημα της σταθεράς του Hubble. Για την επιστημονική κοινότητα, που συνδιάζει τώρα τις έρευνες στην κοσμολογία, αστρονομία, αστροφυσική, πυρηνική και σωματιδιακή, που όλες πιά είναι ένα εννιαίο μέρος της διαστημικής φυσικής με διαφορετικά συνδεδεμένα πεδία, το μέλλον φαίνεται τόσο λαμπρό όσο και γεμάτο με προκλήσεις.