Κοσμολογία, σκοτεινή ύλη, κοσμική δομή, αστροφυσική

Έμεινα άσχημα προσκολλημένος στο συνέδριο αστροφυσικής στο Μαρσέιγ (Ιούνιος 2001)

Αναζητώ με απελπισία τη σκοτεινή ύλη.

Οι επιστήμονες είναι πολύ ικανοποιημένοι με τις παρατηρήσεις που έγιναν στην περιοχή των ακτίνων Χ, με τη βοήθεια των τηλεσκόπων XMM και Chandra. Παρακάτω, μία εικόνα τέχνης του τηλεσκόπου XMM στα ακτίνες Χ:

Εδώ αναφέρομαι σε ένα ήδη παλιό άρθρο, από τον Ιανουάριο του 2001, που δημοσιεύτηκε στην εφημερίδα Ciel et Espace, από το χέρι του Azar Khalatbari. Παραθέτω μερικά αποσπάσματα:

Σελίδα 25: "Μεταξύ των συμπλεγμάτων γαλαξιών, η ύλη συσσωρεύεται, δημιουργώντας μακρόστενες δομές, νήματα. Όλο αυτό το κοσμικό σύνολο παραμένει συνδεδεμένο, σε κάθε κλίμακα, μέσω της βαρυτικής δύναμης. Για πολλά χρόνια οι κοσμολόγοι αναρωτήθηκαν πώς εξελίχθηκε η δομή της ύλης για να φτάσει στα νήματα, και αν αυτές οι δομές που βλέπουμε σήμερα υπήρχαν παλαιότερα."

Και εγώ το αναρωτιέμαι, γιατί αυτή η δομή, τουλάχιστον στο επίπεδο των παρατηρήσεων, υπάρχει μόνο στη φαντασία του κ. Khalatbari. Λίγες γραμμές παρακάτω, αυτός γράφει:

• "Χωρίς παρατηρήσεις για την πρώιμη φάση του Σύμπαντος, οι κοσμολόγοι χρησιμοποίησαν τη σκοτεινή ύλη (...) και τους επεξεργαστές τους για να δημιουργήσουν προσομοιώσεις. Αποτέλεσμα: αν, σε πρώιμες εποχές, η ύλη σχημάτιζε μικροσκοπικά κομμάτια (στη γλώσσα των αστρονόμων, αν το Σύμπαν είχε διακυμάνσεις πυκνότητας), αυτές οι πρωτόγονες διακυμάνσεις θα μπορούσαν μόνο να ενταθούν με το χρόνο, λόγω της βαρύτητας. Αυτό είναι το σημερινό σχήμα."*

Ποιο σχήμα εννοεί αυτός ο καλός άνθρωπος; Το άρθρο παραμένει σιωπηλό γι' αυτό. Τον Ιούνιο του 2001 πήγα σε διεθνές συνέδριο αστροφυσικής και αστρονομίας στο Μαρσέιγ. Το γενικό θέμα ήταν "Πού είναι η ύλη;" (Where is the matter?). Σε τέτοια συναντήσεις, αναθέτουν σε ανθρώπους να κάνουν "επισκοπήσεις" ή "ανασκόπηση θεμάτων" για διάφορα θέματα. Θυμάμαι ότι ένας Ιταλός, του οποίου ξέχασα το όνομα, είχε αναθέσει να παρουσιάσει τι γνωρίζουμε για τη VLS, τη "πολύ μεγάλη δομή", τη δομή μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν. Τώρα οι άνθρωποι έχουν όλο και πιο ισχυρούς τηλεσκόπους. Οκτώ μέτρα διάμετρος είναι σχεδόν τυπικό, σήμερα. Προσθέστε τα πλεονεκτήματα της αδαπτικής οπτικής, της διαστημικής αστρονομίας, και όλα τα υπόλοιπα. Με άλλα λόγια, οι παρατηρήσεις γίνονται όλο και πιο ακριβείς. Ο Ιταλός μας έδειξε λοιπόν τομές του κόσμου, που εκτείνονταν μέχρι αποστάσεις δεκάδων εκατομμυρίων ετών φωτός. Πράγματι, η μνήμη μου δεν καταρρέει ακόμα. Είδα πολλές εικόνες που έδειχναν ότι αυτή η λακονική δομή του κόσμου, που ανακαλύφθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '70, φαινόταν να επιβεβαιώνεται. Από κάθε πλευρά, από κάθε γωνία, όποια και αν ήταν η μέθοδος διαμέρισης του σύμπαντος, βρίσκαμε πάντα αυτή την ίδια δομή σε "συνδεδεμένες φυσαλίδες". Στη συνέχεια, ο πρόεδρος παρουσίασε αποτελέσματα από προσομοιώσεις:

Υπήρξα, νομίζω, απλώς ανήσυχος. Όταν κάποιος άνθρωπος σηκώθηκε με το μικρόφωνο και ρώτησε αν κάποιος δεν είχε ερώτηση για τον ομιλητή, σηκώθηκα. Μου έδωσαν το μικρόφωνο και μπροστά σε αυτή τη συγκέντρωση δύο εκατοντάδων συμμετεχόντων από διάφορα κράτη, ρώτησα αν το γεγονός ότι αυτές οι υπολογιστικές προσομοιώσεις και οι όμορφες εικόνες του λακονικού κόσμου που μόλις είδαμε δεν φαίνεται να έχουν σαφή σχέση, δεν αποτελεί πρόβλημα.

Τότε επικράτησε σιωπή για 20-30 δευτερόλεπτα. Μία πλήρης, βαριά, κοφτή σιωπή. Κοίταξα παντού, άκουσα προσεκτικά: τίποτα. Μετά από αυτά τα μισά λεπτά σιωπής, δεν μπόρεσα να κάνω τίποτα παραπάνω παρά να καθίσω. Ήμουν άκαμπτος; Πιθανό. Ίσως η εποχή που τα "θεωρητικά αποτελέσματα" έπρεπε να συμφωνούν με τις παρατηρήσεις, είναι ήδη παρελθόν.

Αυτό όλο αυτό μου θυμίζει τις δυσκολίες του Γαλιλαίου. Όταν είχε στα χέρια του τη γνωστή του τηλεσκόπιο, ανακάλυψε ότι κάποιες αστέρια ήταν στη πραγματικότητα διπλά συστήματα. Επειδή οι σύγχρονοί του ήταν αμφίβολοι, τους κάλεσε να κοιτάξουν μέσα στο όργανό του, και το έκαναν. Πιστεύετε ότι αυτό άλλαξε κάτι; Όχι. Του είπαν ότι δεν μπορούσαν να είναι πραγματικά διπλά, απλώς εμφανίζονταν έτσι στο όργανό του, που προέρχεται από τη φωτιά του διαβόλου. Φαίνεται ότι είναι ίδια η κατάσταση σήμερα με την αστρονομία. Ίσως ξέρετε ότι εδώ και τριάντα χρόνια δεν έχουμε ποτέ μπορέσει να εξηγήσουμε αυτή τη λακονική δομή του κόσμου. Η "θεωρία των φλαπσάκων" του Zel'dovitch είχε σύντομη διάρκεια. Στην πραγματικότητα, αμέσως μόλις προσπαθούσαμε να φτιάξουμε "πλάκες" ύλης, η θέρμανση διέλυε αυτές τις δομές πολύ γρήγορα. Αχ, εν παρεικτί, δεν σας είπα με τι έφτιαξαν οι θεωρητικοί προσομοιώσεις την ίδια φιλοσοφική δομή. Με CDM (cold dark matter, ή "κρύα σκοτεινή ύλη"). Στην πραγματικότητα, αυτή τη στιγμή δεν σας είπα όλη την ιστορία. Δεν ξέρω γιατί έκρυψα αυτό το κομμάτι της υπόθεσης. Πράγματι, εκείνη τη στιγμή που ο Ιταλός ήταν έτοιμος να παρουσιάσει, είχα καθίσει στη δεύτερη σειρά, ακριβώς δίπλα στον προβολέα. Μετά την ερώτησή μου για το σημαντικό κενό που φαινόταν να χωρίζει "θεωρία" και "παρατηρήσεις", και μετά τα 20 δευτερόλεπτα σιωπής, πρόσθεσα:

• Το 1993 είχαμε πάρει αυτή τη λακονική δομή μέσω προσομοίωσης, ξεκινώντας από ένα μοντέλο δίδυμου.

και τοποθέτησα το παρακάτω διαφάνεια στο όργανο:

Έτσι, όλοι μπόρεσαν να δουν αυτή την εικόνα, και επίσης ότι έμοιαζε πολύ με τις προηγούμενες εικόνες που αφορούσαν παρατηρήσεις. Αλλά κανένας δεν μίλησε, και με βρήκα στη θέση ενός ανόητου, στο πλάι του προβολέα. Όλοι περίμεναν φυσικά να αφαιρέσω αυτή τη διαφάνεια, που δεν ήταν στο πρόγραμμα, και να καθίσω. Το έκανα τελικά. Πλήρης αποτυχία...

Η εικόνα αυτή δημοσιεύτηκε το 1995 στο Astrophysics and Space Science και ήταν επίσης μέρος της διάλεξής μου σε αυτό το συνέδριο (δεν είχα πάρει παρά μόνο ένα "poster", που κανείς δεν είδε). Επιπλέον, εμφανίστηκε στο βιβλίο μου "Έχασα το μισό σύμπαν" (Albin Michel 1997 και Hachette 2000, εκδόσεις επικοινωνίας).**

Προσέρχομαι στο συνέδριο (το πρώτο συνέδριο στο οποίο συμμετείχα μετά από 17 χρόνια, επειδή από το 1983 δεν έχω πάρει κανένα χρηματικό ποσό από το CNRS για διαβούλευση ή οτιδήποτε) και αναρωτιόμουν αν θα υπήρχε διάλογος. Η γυναίκα μου μου είπε: "Κάνε αντίγραφα του άρθρου σου και βάλε τα στα τραπέζια, πριν αρχίσει η συνεδρία της Τρίτης". Το έκανα. Έκανα 70 αντίγραφα της "μακράς έκδοσης" του άρθρου μου (64 σελίδες) και πριν από την έναρξη της πρώτης συνεδρίας της Τρίτης, στις 9 το πρωί, τα τοποθέτησα σε όλα τα τραπέζια. Όλα αφαιρέθηκαν. Δεν βρήκα κανένα αντίγραφο στα καλάθια απορριμμάτων του συνεδρίου, ή παραμένοντας κάτω από ένα τραπέζι. Στο τέλος του εγγράφου υπήρχαν τα στοιχεία μου, το email μου.

Έξι μήνες αργότερα: τίποτα. Πλήρης σιωπή. Ούτε μία μικρή ερώτηση, ούτε η παραμικρή περιέργεια...

Μοιάζει με νεολαία επιστημονικής φαντασίας: ένας επιστήμονας γίνεται ακατάληπτος, χωρίς να το συνειδητοποιεί, και μπαίνει σε ένα παράλληλο σύμπαν. Παρ' όλα αυτά, κατά τη διάρκεια του συνεδρίου ήμουν πολύ καλά, ευγενής και όλα. Καλά ενδεδυμένος, αποστημένος. Απλώς έθεσα τέσσερις-πέντε ερωτήσεις που όλες οδήγησαν σε πλήρη αποτυχία. Η ερώτηση για τη δομή μεγάλης κλίμακας είναι μία. Αλλά επιστρέφω σε αυτό το παλιό τεύχος του Ciel et Espace και σε αυτό το άρθρο του Khalatbari. Με την ανάγνωση αυτών των γραμμών, έχω την αίσθηση ότι βρίσκομαι σε κάποιο όνειρο. Η αστροφυσική έχει πάρει μία σαφώς ονειρική διάσταση εδώ και πολλά χρόνια. Σε αυτό το ίδιο συνέδριο είχα την ευκαιρία να γνωρίσω τον Meillier, ο οποίος μαζί με τον Fort, δημιούργησε την πρώτη χάρτη "του αόρατου σύμπαντος", αποδεχόμενος αυτή τη δομή από την αποκωδικοποίηση των επιπτώσεων της βαρυτικής λήψης. Δεν είναι τόσο δύσκολο να φανταστεί κανείς. Σκεφτείτε μία πλάκα με λευκά σημεία σε κόκκινο ή μαύρο φόντο (επειδή πρόκειται για το σύμπαν). Αν βάλετε σταγόνες νερού σε αυτή την πλάκα, θα προκαλέσουν διαμορφώσεις στις εικόνες των λευκών σημείων. Αν σας παρουσιάζατε μία φωτογραφία αυτής της πλάκας, προβληματισμένη κατακόρυφα, θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι, αν δεν αντιλαμβάνεστε άμεσα την παρουσία αυτού του νερού, διαφανούς, στην πλάκα, μπορείτε να επανακατασκευάσετε την παρουσία του, χαράζοντας τη διανομή του βασιζόμενοι στις διαμορφώσεις των εικόνων των λευκών σημείων. Περίπου αυτό κάνουν ο Fort και ο Meillier. Χαράζουν το "αόρατο", το "μη παρατηρήσιμο", βασιζόμενοι στις επιπτώσεις της αδύναμης βαρυτικής λήψης (weak gravitational lensing). Το περιοδικό "The World" είχε δημοσιεύσει μία υπέροχη χρωματική αναπαράσταση αυτού του αποτελέσματος το 1999.

Αλλά ήδη εκείνη την εποχή υπήρχαν κάποια "σκιές" (για λεπτομέρειες, βλ. την επικοινωνία μου στο συνέδριο του Ιουνίου 2001), και η λέξη είναι πολύ καλά επιλεγμένη. Πράγματι, αυτή η μέθοδος χαρτογράφησης τους έβαλε σε ένα ή δύο σημεία συγκεντρώσεις ύλης που είχαν τουλάχιστον τη μάζα χίλιων γαλαξιών, δηλαδή τη μάζα των μεγαλύτερων γνωστών συμπλεγμάτων γαλαξιών (Coma, η Παρθένος). Ωστόσο, σε αυτά τα σημεία: τίποτα στο ορατό, στο υπέρυθρο, στο υπεριώδες, ούτε καν στην περιοχή των ακτίνων Χ. Ο Meillier μας το επιβεβαίωσε στο συνέδριο του Ιουνίου 2001. Είχε ακόμα, τους μήνες πριν, βρει ένα τρίτο "αόρατο σύμπλεγμα" αυτού του είδους. Επειδή μόλις είχε δηλώσει την αξιοπιστία της μεθόδου χαρτογράφησης, τον ρώτησα πώς εξηγεί την παρουσία αυτών των "τριών αόρατων συμπλεγμάτων", τόσο σημαντικών. Ξέρετε τι απάντησε;

- Αυτά τα αόρατα σύμπλεγμα; Θα σας πω τη γνώμη μου: Προσωπικά, δεν τα πιστεύω!

Δεν μπόρεσα να μάθω περισσότερα. Με αυτόν τον τρόπο, έβαζε υπό αμφισβήτηση τα δικά του έργα, αλλά φαινόταν να αφήνει την αίθουσα αδιάφορη. Εκεί άρχισα να βαριέμαι. Κατά τη διάρκεια του συνεδρίου, πράγματι μου έκανε εντύπωση, αναγνωρίζω. Δεν μπορώ να βρω τη διάθεση σε μία ατμόσφαιρα όπου φαίνεται να λείπει κάθε συζήτηση, ή κάθε λογική. Οι ρόλοι είναι διαμορφωμένοι. Οι "μεγάλοι" παρουσιάζουν τα αποτελέσματά τους. Υπάρχουν ερωτήσεις που δεν πρέπει να τεθούν. Αισθάνεσαι μία συμφωνία. Τα παιχνίδια είναι προκαθορισμένα, οι ρόλοι διανεμημένοι σε μία φαρσά, όπου οι ανθρώποι που εμποδίζουν την αναζήτηση δεν έχουν μέρος.

Κατά τη διάρκεια αυτών των πέντε ημερών, γνώρισα μόνο μία αδιάκοπη σειρά αποτυχιών. Ας αναφέρουμε και άλλη μία. Σε αυτό το παλιό τεύχος του Ciel et Espace βρήκα και ένα από τα θέματα του συνεδρίου: τα αποτελέσματα των μετρήσεων στην περιοχή των ακτίνων Χ. Τα σύμπλεγμα γαλαξιών επιβεβαιώθηκαν ως δυνατές πηγές ακτίνων Χ. 8-15 keV. Αυτό σημαίνει μεταξύ 100 και 180 εκατομμυρίων βαθμών. Άρα υπάρχει αέριο σε τέτοια θερμοκρασία σε αυτά τα σύμπλεγμα. Όλοι νόμιζαν με την κεφαλή, υπενθυμίζοντας ότι πρόκειται για ένα από τα μυστήρια του σύμπαντος. Εξακολουθώ να είμαι εντελώς συγκλονισμένος:

• Ας κάνουμε τον ακόλουθο υπολογισμό:

Για άτομα υδρογόνου, αυτό δίνει μία μέση ταχύτητα 1500 km/s. Τελικά, δεν είναι φυσικό και λογικό; Αυτή η ταχύτητα είναι παρόμοια με τις ταχύτητες διαφυγής των γαλαξιών. Αν τα άτομα κινούνταν με μικρότερη ταχύτητα, τα γαλαξία θα τα είχαν απορροφήσει. Πριν από περισσότερα από 25 χρόνια, όταν είχαμε προτείνει την ιδέα ότι μπορεί να υπάρχει τόσο ζεστό αέριο μεταξύ γαλαξιών, είχα κάνει έναν υπολογισμό, όχι πολύ δύσκολο, για το μέσο ελεύθερο δρόμο αυτών των ατόμων, λαμβάνοντας υπόψη την εκτίμηση της πυκνότητας. Βρήκαμε ότι αυτός ο μέσος ήταν πολύ λιγότερο συγκρουστικός, και γι' αυτό η θερμοκρασία διατηρήθηκε. Διαφορετικά, οι συγκρούσεις μεταξύ ατόμων θα είχαν προκαλέσει ψύξη διακοσμήσεως της αέριας μάζας και την απορρόφησή της από τους γαλαξίες. Στο σημείο αυτό, το ενδιαφέρον θέμα είναι η προέλευση μίας τόσο ζεστής μάζας αερίου. Ποιο φαινόμενο μπορεί να την έχει θερμάνει τόσο; Προτείνω ότι αυτή η ζεστή μάζα αερίου δημιουργήθηκε την ίδια στιγμή με τα πρώτα αστέρια. Τελικά, γνωρίζουμε λίγα πράγματα για τα φαινόμενα που συνοδεύουν τη γέννηση αστέρων, κυρίως επειδή αυτή η γέννηση γίνεται στην ιδιαίτερη ακολουθία μαζών αερίου που κρύβουν αυτά τα φαινόμενα από τα μάτια μας. Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι αστέρια τύπου T-Tauri μπορούν να έχουν πολύ συγκλονιστικές γεννήσεις. Όλοι ρωτούν: "Γιατί τόση δραματικότητα;". Θα σας απαντήσω ότι αστέρια με μικρή επιφανειακή θερμοκρασία, όπως το ηλιακό μας, καταφέρνουν να δημιουργήσουν στο περιβάλλον τους μία στέρνα πολύ ζεστότερη, σε εκατομμύρια βαθμών.

Έπειτα προσπάθησα να περιγράψω σε μερικές προτάσεις τη διαδικασία θέρμανσης MHD της ηλιακής στέρνας. Και πρόσθεσα:

• Προσωπικά, θα εκτιμούσα ότι η γέννηση των πρώτων αστέρων, των αστέρων που σήμερα είναι γηρασμένοι, μπορεί να συνοδεύτηκε από έντονα φαινόμενα θέρμανσης MHD, τέτοια ώστε τα άτομα αυτού του αερίου, μετά την απόκτηση θερμοκρασίας υψηλότερης από την ταχύτητα διαφυγής του γαλαξία στον οποίο ανήκουν, να τον εγκαταλείψουν χωρίς πιθανότητα επιστροφής.

Πρόκειται μόνο για απλούς υπολογισμούς της θεωρίας κινητικής των αερίων. Αλλά αν είχα μιλήσει στα μαρσιανικά, δεν θα είχα περάσει διαφορετική αποτυχία από εκείνη που υποδέχτηκε τα λόγια μου. Φανταστείτε τη σκηνή: ένας εξηκοντάρης (ο υπηρέτης σας) λαμβάνει το λόγο. Πλήρης σιωπή στην αίθουσα. Απλώς περιμένουν καταπράσινα να καθίσει αυτός ο ενοχλητής. Παρ' όλα αυτά, η ιδέα, στην ουσία, είναι ενδιαφέρουσα. Μπορεί να φανταστεί κανείς ότι όταν δημιουργείται ένας γαλαξίας, αυτή η γέννηση μπορεί να συνοδεύεται από πολλές ανάφλεξης αστέρων και μεγάλη εκπομπή ενέργειας. Τότε αυτό το σύστημα μοιάζει με ένα "φούρνο". Ένας μαζικός γαλαξίας θα είχε περισσότερες πιθανότητες να θερμάνει το υπολειπόμενο αέριο μέχρι να διαφύγει, δημιουργώντας ταχύτητες θερμικής διακύμανσης υψηλότερες από τις ταχύτητες διαφυγής. Σκέφτομαι τους ελλειπτικούς γαλαξίες, που είναι μαζικοί και φτωχοί σε αέριο. Αντίθετα με τους μικρότερους γαλαξίες, οι οποίοι μπορεί να κρατήσουν το αέριο σε απόσταση, χωρίς να δώσουν στα άτομα υδρογόνου αρκετή ταχύτητα για να διαφύγουν. Μπορεί επίσης να σκεφτεί κανείς ότι οι ελλειπτικοί είναι γαλαξίες π