Αστρονομία (Β' μέρος)

Ακτινοβολία υψηλών ενεργειών

Το μεγαλύτερο ποσοστό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που τα διαστημόπλοια και τα επίγεια τηλεσκόπια συλλέγουν από το Διάστημα είναι «θερμική» και μας έρχεται από τους αστέρες. Η θερμική ακτινοβολία έχει κατανοηθεί πλήρως από τις αρχές του 20ου αιώνα, ονομάζεται «ακτινοβολία του μελανού σώματος» και προέρχεται από τα διεγερμένα άτομα και μόρια. Η ερμηνεία της ακτινοβολίας του «μελανού σώματος» αποτέλεσε τη βάση πάνω στην οποία στηρίχθηκε η κβαντομηχανική.
Ωστόσο, μια σειρά από ασυνήθιστες κοσμικές πηγές, όπως οι υπερκαινοφανείς αστέρες, οι pulsar, οι ενεργοί γαλαξίες και οι κοσμικές πίδακες και οι ξαφνικές εξάρσεις των ακτίνων γ, δεν μπορούν να ερμηνευτούν με βάση τη θερμική ακτινοβολία. Τα υψηλής ενέργειας φωτόνια (ραδιοπηγές, πηγές ακτίνων Χ και ακτίνων γ) έρχονται από τις επιλεγμένες περιοχές του Σύμπαντος που μόλις αναφέραμε και δημιουργούνται από υψηλής ενέργειας ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα που προκύπτουν από τα πλήρως ιονισμένα άτομα (πλάσμα). Η ακτινοβολία αυτή λέγεται μη θερμική και οι φυσικοί μηχανισμοί που τη δημιουργούν είναι άγνωστοι. Η ερμηνεία της μη θερμικής ακτινοβολίας παραμένει ένα από τα δύσκολα και σε μεγάλο βαθμό άλυτα προβλήματα της σύγχρονης Αστροφυσικής.
Οι ενέργειες που μπορεί να φτάσουν τα μη θερμικά φορτία στο Σύμπαν είναι ασύλληπτα μεγάλες. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι κοσμικές ακτίνες που βομβαρδίζουν συνεχώς τη Γη και παραμένουν για πολλές δεκαετίες ένα ανεξήγητο φαινόμενο. Το ενεργειακό φάσμα των κοσμικών ακτίνων φτάνει σε πολύ υψηλές ενέργειες [>1020 eV (ένα eV ισοδυναμεί με περίπου 10-19 Joule). Για να έχουμε ένα μέτρο σύγκρισης, ο μεγαλύτερος επίγειος επιταχυντής (ο Large Hadrons Collider στο CERN), θα επιταχύνει φορτία μέχρι 10-12 eV. Δηλαδή πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από τους κοσμικούς επιταχυντές] και ακολουθεί με μεγάλη ακρίβεια έναν απλό νόμο. Οι κοσμικοί επιταχυντές που θα μεταφέρουν μεγάλα ποσοστά ενέργειας στα μη θερμικά φορτία παραμένουν επίσης ένα πολύ σύνθετο πρόβλημα. Η μη θερμική ακτινοβολία και οι κοσμικοί επιταχυντές αποτέλεσαν τα τελευταία χρόνια μια από τις πιο δραστήριες ερευνητικές περιοχές της Αστροφυσικής, την Αστροφυσική των Υψηλών Ενεργειών.
Η αστροφυσική των πολύ υψηλών ενεργειών συνδέεται άμεσα και με τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, δηλαδή των δομικών λίθων της ύλης. Τα δύο πεδία (ο μεγάκοσμος και ο μικρόκοσμος) συναντήθηκαν και δημιούργησαν την πολύ μοντέρνα ερευνητική περιοχή της Αστροσωματιδιακής Φυσικής.
Οι κοσμικοί επιταχυντές υποθέτουμε σήμερα ότι είναι το αποτέλεσμα της αλληλοεπίδρασης ισχυρών ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Μερικοί επιταχυντές είναι το αποτέλεσμα μιας απότομης εμφάνισης ισχυρότατων ηλεκτρικών πεδίων. Για παράδειγμα, ένας ταχύτατα περιστρεφόμενος pulsar με απίστευτης έντασης διπολικά μαγνητικά πεδία (>1010 Gauss) μπορεί να φιλοξενήσει τέτοια ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Άλλες μορφές επιτάχυνσης είναι λιγότερο απότομες και τα φορτία συνεχώς κερδίζουν ενέργεια, την οποία στη συνέχεια χάνουν με την ταυτόχρονη παραγωγή ακτινοβολίας υψηλής ενέργειας. Για παράδειγμα, τα ωστικά κύματα ή άλλης μορφής ισχυρά ηλεκτρομαγνητικά κύματα που δημιουργούνται από την έκρηξη υπερκαινοφανών μπορούν να παγιδεύσουν κοντά τους φορτία τα οποία σταδιακά, σε περίοδο 10.000 ετών, θα φτάσουν ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Τα υψηλής ενέργειας φορτία μπορούν να αλληλοεπιδράσουν με τους πυρήνες που υπάρχουν στη γειτονιά του ωστικού κύματος και να δημιουργηθούν από τη διάσπαση πυρήνων αλυσιδωτές πυρηνικές αντιδράσεις και νέες ακτίνες γ. Η σχάση πυρήνων από υψηλής ενέργειας φορτία στη γειτονιά του υπερκαινοφανούς είναι ένα θέμα που ελκύει και τους πυρηνικούς φυσικούς.
Κοσμικοί επιταχυντές «φιλοξενούνται» σε μια σειρά περίεργες αστροφυσικές πηγές ακτινοβολίας υψηλών ενεργειών (π.χ. υπερκαινοφανείς αστέρες, pulsar, ζεύγη αστέρων, μαύρες τρύπες, ενεργοί γαλαξίες και συστήματα γαλαξιών, μεγάλης κλίμακας αστρικά νέφη).
Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι η Αστροφυσική είναι ένα κατεξοχήν διεπιστημονικό ερευνητικό πεδίο, γιατί όλοι οι επιστήμονες των θετικών επιστημών και οι μηχανικοί συνεργάζονται στενά για την κατασκευή οργάνων, την ανάλυση των παρατηρήσεων και την ερμηνεία τους. Η ανακάλυψη των μυστικών του Σύμπαντος που κατοικούμε δεν έπαψε να ελκύει το ενδιαφέρον της ανθρωπότητας από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα.

Λουκάς Βλάχος

Καθηγητής Αστροφυσικής

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

Αστρονομία ακτίνων Χ και γ

Οι ακτίνες Χ, όπως και οι ακτίνες γ είναι μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Είναι δηλαδή φωτόνια που όμως δεν μπορούμε να δούμε, σε αντίθεση με εκείνα του ορατού φωτός που τώρα μεταφέρουν τις πληροφορίες αυτές από τη σελίδα στο μάτι σας. Μάλιστα οι ακτίνες γ μπορεί να είναι χιλιάδες έως εκατομμύρια φορές πιο ενεργητικές από τις ακτίνες Χ, που με τη σειρά τους είναι χιλιάδες φορές πιο ενεργητικές από το ορατό φως.
Η ατμόσφαιρα απορροφά αυτή την ακτινοβολία όταν έρχεται από το Διάστημα και δεν την αφήνει να φτάσει στην επιφάνεια της Γης. Έτσι οι αστροφυσικοί δεν γνώριζαν αν υπάρχουν ουράνια αντικείμενα που εκπέμπουν σε αυτές τις ενέργειες έως πριν από περίπου 40 χρόνια. Τότε μπόρεσαν να τοποθετήσουν τους κατάλληλους ανιχνευτές σε αερόστατα και δορυφόρους, να τους στείλουν πάνω από την προστατευτική ασπίδα της Γης και να μάθουν τι συνέβαινε «εκεί έξω». Και βέβαια τους περίμεναν μεγάλες εκπλήξεις.
Ενώ τα κλασικά όργανα αστρονομικής παρατήρησης, δηλαδή το ανθρώπινο μάτι στην αρχή και τα οπτικά τηλεσκόπια αργότερα, έδιναν μια εικόνα του Σύμπαντος που βρίσκεται σε αρμονία (ας θυμηθούμε τη «Μουσική των Σφαιρών» του Πυθαγόρα), οι παρατηρήσεις στις ακτίνες Χ και γ φανέρωσαν ένα Σύμπαν γεμάτο από βίαια φαινόμενα: καταρρεύσεις αστέρων προς δημιουργία υπέρπυκνων αστέρων νετρονίων, εκρήξεις υπερκαινοφανών που κυριολεκτικά διαλύουν τα άστρα διασκορπίζοντας το υλικό τους τριγύρω, υπέρθερμους δίσκους προσαύξησης γύρω από συμπαγή αντικείμενα, όπως για παράδειγμα οι μαύρες τρύπες, εκροές σχετικιστικού πλάσματος με μορφή πιδάκων οι οποίοι εκτείνονται, διατηρώντας την αρχική τους κατεύθυνση, πολλές χιλιάδες έτη φωτός από την πηγή τους, αινιγματικές εκλάμψεις ακτίνων γ που «ανάβουν» οπουδήποτε στον ουρανό, διαρκούν μόλις μερικά δευτερόλεπτα και μετά σβήνουν αφήνοντας πίσω μια ηχώ σε άλλα μήκη κύματος και πολλά άλλα ακόμα. Αν και τα παραπάνω διαφέρουν πολύ μεταξύ τους, ωστόσο σχετίζονται με διάφορους κοινούς μηχανισμούς και συνιστούν μια νέα (και πολύ λιγότερο γνωστή) εικόνα του Σύμπαντος από αυτήν που γνώριζαν οι άνθρωποι μέχρι τις τελευταίες δεκαετίες του 20ου αιώνα.
Οι παρατηρήσεις φανερώνουν στις ακτίνες Χ την παρουσία πολύ θερμού αερίου με θερμοκρασίες πολλών εκατομμυρίων βαθμών. Για παράδειγμα, οι καταστροφικές εκρήξεις supernova στο τέλος της ζωής των μεγάλων αστέρων δημιουργούν ωστικά κύματα που διατρέχουν τον μεσοαστρικό χώρο θερμαίνοντάς τον και κάνοντάς τον να ακτινοβολεί στις ακτίνες Χ. Και ακόμα γιγάντιες μαύρες τρύπες στο κέντρο των λεγομένων ενεργών γαλαξιών, πολλοί από τους οποίους βρίσκονται στις παρυφές του Σύμπαντος, αποσπούν αέριο από κοντινά άστρα και το έλκουν προς το μέρος τους. Οι ακτίνες Χ που εκπέμπονται κατά τη διαδικασία αυτή είναι το κύκνειο άσμα της πυρακτωμένης ύλης πριν συνθλιβεί από τις βαρυτικές δυνάμεις και εξαφανιστεί για πάντα πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Αλλά δεν είναι ανάγκη να πάμε τόσο μακριά: το ίδιο φαινόμενο παρατηρούμε και στον δικό μας Γαλαξία, μόνο που εδώ οι περισσότερες πηγές έχουν έναν αστέρα νετρονίων στη θέση της μαύρης τρύπας. Και ο κατάλογος είναι μακρύς, δεν σταματάει εδώ.
Στις ακτίνες γ, πάλι, παρατηρούμε τους λεγόμενους κοσμικούς επιταχυντές, δηλαδή αστροφυσικά αντικείμενα που με διάφορες διαδικασίες μπορούν να επιταχύνουν σωμάτια σε ταχύτητες που προσεγγίζουν την ταχύτητα του φωτός. Τα σωματίδια αυτά, σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, αποκτούν υψηλές ενέργειες και εκπέμπουν φωτόνια γ ως μια απόδειξη της μοναδικότητάς τους (πράγματι το Σύμπαν είναι κρύο, μόλις 3 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν). Η ύπαρξη αυτών των σχετικιστικών, όπως ονομάζονται, σωματιδίων αποτελεί μια εξαίρεση από τον κανόνα, σαν να λέμε μια ακραία αλλά πολύ ενδιαφέρουσα μειονότητα που κάνει την παρουσία της αισθητή με τις ακτίνες γ. Παράδειγμα κοσμικών επιταχυντών-πηγών ακτίνων γ αποτελούν τα υπολείμματα υπερκαινοφανών και οι pulsar στον Γαλαξία μας, ενώ οι quasars και οι εκλάμψεις ακτίνων γ (GRB) εκπέμπουν σε αυτές τις ενέργειες από βαθιά μέσα στο Σύμπαν.
Η αστρονομία των ακτίνων Χ και γ είναι πλέον ένα αναπόσπαστο κομμάτι της σύγχρονης αστροφυσικής. Άνοιξε ένα νέο παράθυρο στο Διάστημα και μέσα από αυτό είδαμε για πρώτη φορά το σχετικιστικό Σύμπαν με τις φυσικές διαδικασίες και τα αντικείμενα που προβλέπουν οι θεωρίες του Αϊνστάιν. Οι μελλοντικοί διαστημικοί ανιχνευτές προβλέπεται να «δουν» με μεγαλύτερη ευκρίνεια αυτά τα αντικείμενα, να ανακαλύψουν ίσως καινούργια και να μας βοηθήσουν μα κατανοήσουμε ακόμα καλύτερα την εξωτερική τους φύση.

Απόστολος Μαστιχιάδης

Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Αθηνών

Μαύρες τρύπες και βαρυτικά κύματα

Ανατρέχοντας στην ιστορία των επιστημών είναι δύσκολο να βρεθεί «όμοιος» του Αϊνστάιν όσον αφορά την επαναστατική ανατροπή παγιωμένων επιστημονικών αντιλήψεων, αλλά και προκαταλήψεων. Όμως αν η ανεύρεση «ομοίου» είναι δύσκολη, η ύπαρξη «τυχερότερου» είναι μάλλον αδύνατη. Έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή τους, κάθε μια από τις απόψεις/προβλέψεις του μεγάλου αυτού επιστήμονα αντιστέκεται σθεναρά στις επιστημονικές επιθέσεις που δέχεται καθημερινά από επίδοξους επαναστάτες που φιλοδοξούν να τον αποκαθηλώσουν. Σήμερα το οικοδόμημα που έχτισε ο ταπεινός υπάλληλος του γραφείου πατεντών της Βέρνης φαντάζει ισχυρότερο από ποτέ. Ειδικά η θεωρία του για τη βαρύτητα, που εξηγεί την εξέλιξη του Σύμπαντος ως σύνολο, αλλά και τις επιμέρους τοπικές κινήσεις αστέρων και γαλαξιών, αποτελεί καθημερινό εργαλείο των αστρονόμων και των θεωρητικών φυσικών στην προσπάθειά τους να κατανοήσουν ακραία κοσμικά φαινόμενα (τρομακτικές αστρικές εκρήξεις, πρωτόγνωρες πηγές ισχυρής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, τη Μεγάλη Έκρηξη που δημιούργησε το Σύμπαν κοκ.). Ιδιαίτερο επίσης ενδιαφέρον παρουσιάζουν και στοιχεία της θεωρίας του τα οποία ενώ ο ίδιος απέρριψε, σήμερα διαπιστώνουμε ότι ακόμα και σε αυτά είχε δίκιο.
Μια από τις πλέον εξωφρενικές προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν είναι οι μαύρες τρύπες. Αν ένα άστρο συμπιεζόταν ώστε η διάμετρός του να μικρύνει κατά μερικές εκατοντάδες χιλιάδες φορές, τότε τίποτα δεν θα μπορούσε να ξεφύγει από το ισχυρό βαρυτικό πεδίο αυτού του υπέρπυκνου σώματος, ούτε καν το φως, και το ίδιο το άστρο θα κατέρρεε υπό το βάρος του εαυτού του. Ένα τέτοιο σώμα θα ήταν πρακτικά αόρατο και μόνον έμμεσα θα μπορούσε να διαπιστωθεί η ύπαρξή του. Στο φυσιολογικό ερώτημα αν αξίζει τον κόπο να ασχολείται κάποιος με «αόρατα» αντικείμενα, η απάντηση των επιστημόνων είναι όχι απλώς καταφατική, αλλά θα πρόσθεταν ότι οι μαύρες τρύπες αποτελούν μοναδικά εργαστήρια στο Σύμπαν, για τέσσερις λόγους: 1) Στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας ο χώρος και ο χρόνος υφίστανται εξαιρετική στρέβλωση (για παράδειγμα, αν και το βέλος του χρόνου εξακολουθεί να «δείχνει» το μέλλον, χρόνος κυλάει, κατά παράξενο τρόπο, βασανιστικά αργά). 2) Κοντά σε μια μαύρη τρύπα η Κβαντική Φυσική (η Φυσική του μικρόκοσμου) συναντά τη Βαρυτική Φυσική (τη Φυσική του μεγάκοσμου). Οι δυο αυτοί κλάδοι της Φυσικής με εντελώς διαφορετικά θεωρητικά πλαίσια προσέγγισης της Φύσης φαίνεται να συναντώνται στο χείλος του κοσμικού γκρεμού στην «επιφάνεια» μιας μαύρης τρύπας. 3) Οι μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών, σμηνών αστέρων, αλλά και διάσπαρτες κατά εκατομμύρια στους γαλαξίες αποτελούν μοναδικές ενεργειακές μηχανές που τις κάνουν κάθε άλλο παρά αόρατες. 4) Αποτελεί μαθηματικό, φυσικό και φιλοσοφικό ερώτημα το τι γίνεται στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας: για παράδειγμα, εκεί ο χρόνος και ο χώρος ανταλλάσσουν ρόλους! Η ύλη αλλά και κάθε μορφής ακτινοβολία οδεύει αναπόδραστα προς ένα σημείο το οποίο θεωρητικά θα καταλήξει να έχει άπειρη πυκνότητα! Με άλλα λόγια, η κλασική μας αντίληψη για τη Φυσική καταρρέει σε αυτό το ιδιόμορφο σημείο για το οποίο χρησιμοποιούμε τον μαθηματικό όρο «ανωμαλία». Μιας και ούτε πειράματα ούτε μετρήσεις μπορούμε να κάνουμε μέσα σε μια μαύρη τρύπα, θα μπορούσε κανείς να «ανακατέψει» θεωρητικά τη βαρύτητα με την κβαντική θεωρία και να «ανοίξει» ένα παράθυρο σε μια άλλη περιοχή του Σύμπαντός μας ή μια γέφυρα προς κάποιο άλλο Σύμπαν!
Η δύναμη της βαρύτητας εξαρτάται από δυο παράγοντες: τη μάζα των σωμάτων και τις διαστάσεις τους. Αυτό αποτελεί σημείο συμφωνίας της παλαιότερης θεωρίας που ανέπτυξε ο Νεύτων (1687) και της τρέχουσας του Αϊνστάιν (1916). Από εκεί και πέρα οι δυο θεωρίες αποκλίνουν σημαντικά, με σημείο αιχμής την ταχύτητα διάδοσης του βαρυτικού πεδίου. Σύμφωνα με τον Νεύτωνα, αν το βαρυτικό πεδίο αλλάξει, τότε όλο το Σύμπαν ακαριαία θα «αισθανθεί» αυτή την αλλαγή. Επομένως η τοπική αλλαγή του βαρυτικού πεδίου θα μπορούσε να αποτελέσει μοναδικό τρόπο για την ακαριαία μετάδοση διασυμπαντικών μηνυμάτων! Η θεωρία του Αϊνστάιν προβλέπει κάτι πιο λογικό, δηλαδή ότι η πληροφορία της αλλαγής της έντασης του βαρυτικού πεδίου θα διαδίδεται στο Σύμπαν με πεπερασμένη ταχύτητα ίση με αυτήν του φωτός. Οι αλλαγές του βαρυτικού πεδίου θα δημιουργούν «κυματισμούς στο χωρόχρονο», όπως και οι αλλαγές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα (φωτεινά, ραδιοφωνικά κοκ.). Βαρυτικά κύματα παράγονται από κάθε μεταβολή του βαρυτικού πεδίου, για παράδειγμα αν κινηθούμε από τη θέση μας τότε το βαρυτικό πεδίο της Γης (που περιλαμβάνει και το σώμα μας) θα αλλάξει απειροελάχιστα κι έτσι ένας αστροναύτης στο διαστημικό σταθμό θα αισθανθεί ξαφνικά το σώμα του να «κυματίζει», καθώς οι διαστάσεις του θα αλλάζουν κατά 1/10... (ακολουθούμενο από άλλα 49 μηδενικά) του εκατοστού! Προφανώς, δεν θα μπορέσει ποτέ να αισθανθεί μια τέτοια αλλαγή, αλλά ούτε και να την μετρήσει. Εντούτοις αυτό το συνοπτικό πείραμα θέτει κάποια ερωτηματικά: 1) πόσο ισχυρές πρέπει να είναι οι αλλαγές του βαρυτικού πεδίου για να γίνουν αντιληπτές, και 2) πώς θα τις ανιχνεύσουμε; Στο πρώτο ερώτημα η απάντηση είναι σχεδόν προφανής: μόνο μεταβολές πολύ ισχυρών βαρυτικών πεδίων σαν και αυτά που συναντάμε σε μαύρες τρύπες ή αστέρια νετρονίων, αλλά και στις αρχικές φάσεις της δημιουργίας του Σύμπαντος θα μπορούσαν να είναι ισχυρές πηγές βαρυτικών κυμάτων. Για τον μη ειδικό αναγνώστη αναφέρουμε ότι τα αστέρια νετρονίων είναι τα πιο πυκνά αντικείμενα στο Σύμπαν: έχουν την πυκνότητα που θα είχε η Γη αν την συμπιέζαμε στο μέγεθος μιας μπάλας του τένις. Θεωρητικά οι μαύρες τρύπες είναι ακόμη «πυκνότερα αντικείμενα», αλλά δεν κατανοούμε την κατάσταση στην οποία θα βρίσκεται εκεί η ύλη, ενώ για τα αστέρια νετρονίων θέλουμε να πιστεύουμε ότι η Φυσική είναι σε θέση να εξηγήσει τη συμπεριφορά της ύλης σ’ αυτές τις τρομακτικές πυκνότητες. Το δεύτερο ερώτημα αφορά την ανίχνευσή τους. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα τα ανιχνεύουμε με το μάτι μας, τις κεραίες των ραδιοφώνων, των κινητών τηλεφώνων, των τηλεοράσεων, τις δορυφορικές κεραίες κλπ., δηλαδή χρησιμοποιούμε κατάλληλες συσκευές ανάλογα με τη συχνότητα του υπό ανίχνευση κύματος. Τα βαρυτικά κύματα δυστυχώς (ή και ευτυχώς) δεν ανιχνεύονται τόσο απλά, αφού η βαρύτητα δημιουργεί απειροελάχιστες παραμορφώσεις στα σώματα. Επομένως, μια συσκευή μέτρησης βαρυτικών κυμάτων θα πρέπει στην ουσία να μετρά παραμορφώσεις σωμάτων ή αλλαγές στην απόσταση μεταξύ δύο ακινήτων στο χώρο σημείων.
Τα βαρυτικά κύματα αποτελούν το μοναδικό τρόπο παρατήρησης της «αόρατης πλευράς του Σύμπαντος» (μαύρες τρύπες και παλαιοί αστέρες νετρονίων), της «δομής της ύλης σε πυρηνικές πυκνότητες» (εσωτερικά αστέρων), αλλά και των «πρώτων στιγμών της Μεγάλης Έκρηξης».
Οι πρώτοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων διανύουν ήδη την αρχική φάση λειτουργίας τους. Εντός της επόμενης τετραετίας η ευαισθησία τους πρόκειται να βελτιωθεί κατά περίπου 10 φορές. Επομένως, την περίοδο 2012-13 αναμένουμε την πρώτη αδιαμφισβήτητη απευθείας ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. Το γεγονός αυτό θα σημάνει την αφετηρία μια νέας εποχής για την Αστρονομία. Η Αστρονομία Η Αστρονομία Βαρυτικών Κυμάτων θα μας δώσει τη δυνατότητα να δούμε μια μέχρι σήμερα αόρατη πλευρά του Σύμπαντός μας, που ίσως κρύβει και μυστικά τα οποία ούτε καν είχαμε φανταστεί.

Κώστας Κόκκοτας

Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και Τυβίγγης

Σύγχρονη Κοσμολογία

Η Κοσμολογία, παρόλο που προσπαθεί να δώσει απάντηση στα θεμελιώδη ερωτήματα που έθεσε ο άνθρωπος από την αυγή του πολιτισμού, είναι μια σχετικά νέα επιστήμη. Το ερώτημα «πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν;» (για το οποίο, μέχρι πρόσφατα, την απάντηση αναζητούσαν μόνο στο χώρο της φιλοσοφίας και της θρησκείας) άπτεται πλέον της επιστήμης και των μεθοδολογιών της. Η ιστορική διαδρομή που διήνυσε η ανθρώπινη νόηση για να φτάσει στο σημείο να μελετά με αυστηρά επιστημονικές μεθόδους την ίδια τη γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος είναι πολύ μακρά. Τελικά, στις αρχές του 20ου αιώνα και με την ανάπτυξη της φασματοσκοπίας, των μεγάλων τηλεσκοπίων, αλλά και με τη θεμελίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, μπόρεσε η Κοσμολογία να κατακτήσει περίοπτη θέση ανάμεσα στις σύγχρονες επιστήμες.
Η σύγχρονη Κοσμολογία θεωρεί ότι η ορθή βάση ερμηνείας της γένεσης και της εξέλιξης του Σύμπαντος είναι η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Τα πραγματικά δεδομένα που υποστηρίζουν την ορθότητα του γενικού πλαισίου αυτού του μοντέλου και που δεν ερμηνεύονται στο σύνολό τους από καμιά άλλη θεωρία, είναι:
1) Η διαστολή του Σύμπαντος,
2) Η ύπαρξη του υπόβαθρου ακτινοβολίας μικροκυμάτων, και
3) Η γένεση και τα ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων (κυρίως του υδρογόνου και του ηλίου).
Έχουν υπάρξει βέβαια και άλλες θεωρίες, όπως για παράδειγμα η θεωρία της Σταθερής κατάστασης των Hoyle, Bondi και Gold, η οποία όμως δεν σώζει τα φαινόμενα, αλλά υπάρχουν δυστυχώς και θλιβερές ιδεοληψίες που αρνούνται τα πραγματικά δεδομένα στο όνομα δογματικών αντιρρήσεων.
Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης υποστηρίζει ότι το Σύμπαν είναι δυναμικά εξελισσόμενο και ότι «γεννήθηκε» από μια αρχική υπέρπυκνη και υπέρθερμη κατάσταση, η οποία δημιούργησε τον ίδιο τον χώρο και τον χρόνο. Καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, συντίθενται τα δομικά συστατικά της ύλης: τα πρωτόνια, τα νετρόνια, τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνια και εντέλει τα άτομα των στοιχείων του υδρογόνου και ηλίου, των οποίων τα ποσοστά, στην πρωταρχική συμπαντική ύλη, ορθά προέβλεψε ο Gamow περίπου στα μέσα του 20ου αιώνα. Επίσης, μια πρόβλεψη της θεωρίας είναι η σύζευξη της αρχικής θερμικής ακτινοβολίας με την ύλη, έως ότου η θερμοκρασία του Σύμπαντος να μειωθεί στους 4.000ο C, λόγω των ελεύθερων ηλεκτρονίων που δρουν σαν ανακλαστήρες της ακτινοβολίας (όπως ακριβώς τα σωματίδια της υγρασίας ανακλώντας το φως δημιουργούν την ομίχλη). Όταν η θερμοκρασία μειωθεί, τα ηλεκτρόνια συζευγνύονται με τους ατομικούς πυρήνες δημιουργώντας άτομα κι η ακτινοβολία απελευθερώνεται, ξεκινώντας το αέναο ταξίδι της στο Σύμπαν για να φτάσει τελικά και σε μας με τη μορφή μιας ισοτροπικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Είναι εκπληκτικό ότι ο Gamow ήδη από τα μέσα του περασμένου αιώνα προέβλεψε την ύπαρξη αυτής της ακτινοβολίας, η οποία πειραματικά επιβεβαιώθηκε το 1967 από τους Pensias και Wilson και μετρήθηκε πρόσφατα με εκπληκτική ακρίβεια από τους δορυφόρους COBE και WMAP της NASA. Είναι η εξέλιξη του Σύμπαντος μονοσήμαντη και η μορφή της δεδομένη; Όχι, επειδή εξαρτάται από το συνολικό ποσό της υλο-ενέργειας που περιέχει.
- Εάν περιέχει μικρό ποσό υλο-ενέργειας σημαίνει ότι το Σύμπαν θα διαστέλλεται απ’ άπειρον (το λεγόμενο «Ανοιχτό» Σύμπαν).
- Εάν περιέχει μεγάλο ποσό υλο-ενέργειας τότε το Σύμπαν θα αρχίσει να συστέλλεται έπειτα από κάποιο χρονικό διάστημα έως ότου συνθλιβεί κάτω από την επίδραση της ιδιοβαρύτητάς του (το λεγόμενο «Κλειστό» Σύμπαν).
- Τέλος, υπάρχει η περίπτωση του κρίσιμου ποσού υλο-ενέργειας, που είναι το σύνορο μεταξύ των δύο παραπάνω περιπτώσεων. Στην περίπτωση αυτή, όμως, το πώς ακριβώς διαστέλλεται το Σύμπαν εξαρτάται και από το είδος της υλο-ενέργειας που περιέχει. Αν στη δυναμική του Σύμπαντος συνεισφέρει και η λεγόμενη «σκοτεινή» ενέργεια (μια άγνωστης μορφής ενέργεια που τα αποτελέσματά της προσομοιάζουν αυτό που λέμε «αντι-βαρύτητα»), τότε η δράση της αντιστρέφει την αρχική επιβράδυνση της διαστολής σε επιτάχυνση κι έτσι το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται αλλά με επιταχυνόμενο ρυθμό.
Πράγματι, με τις πρόσφατες παρατηρήσεις των διαταραχών θερμοκρασίας του υπόβαθρου μικροκυμάτων (κυρίως με το δορυφόρο WMAP), βρέθηκε ότι το Σύμπαν περιέχει το κρίσιμο ποσό υλο-ενέργειας. Επιπλέον, με την ανάλυση σύγχρονων παρατηρήσεων μακρινών αστέρων supernova, βρέθηκε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, γεγονός που θα το οδηγήσει στο μέλλον σε μια θάλασσα εντελώς απομονωμένων γαλαξιών.
Αυτή η μη αναμενόμενη ανακάλυψη αντιστοιχεί ουσιαστικά με σεισμό 9 Ρίχτερ στους κόλπους της σύγχρονης Κοσμολογίας, από τον οποίον οι κοσμολόγοι ακόμα να συνέλθουν...

Μανώλης Πλειώνης

Διευθυντής Ερευνών, Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής

Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών

Η «σκοτεινή» πλευρά του Σύμπαντος

Ένας από τους πυλώνες της σύγχρονης Κοσμολογίας είναι η ύπαρξη της μυστηριώδους «σκοτεινής» ύλης και της εξίσου (αν όχι περισσότερο) μυστηριώδους «σκοτεινής» ενέργειας. Η «σκοτεινή» ύλη, την ακριβή σύνθεση της οποίας δεν γνωρίζουμε ακόμα, δεν αλληλοεπιδρά μέσω καμιάς άλλης δύναμης εκτός της βαρύτητας, δεν παράγει κανενός είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (δηλαδή φως) και αποτελεί περίπου το 26% της συμπαντικής υλο-ενέργειας. Η συνήθης (βαρυονική) ύλη, που αποτελείται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια, αλληλοεπιδρά μέσω όλων των γνωστών μορφών ενέργειας, αλλά αποτελεί μόνο το 4% της συνολικής υλο-ενέργειας του Σύμπαντος.
Η ύπαρξη της «σκοτεινής» ύλης πιθανολογήθηκε ήδη από τα μέσα του 20ου αιώνα από τη μελέτη των σχετικών κινήσεων γαλαξιών σε σμήνη. Βρέθηκε ότι οι σχετικές ταχύτητες των γαλαξιών ήταν κατά πολύ μεγαλύτερες από ό,τι προέβλεπε το βαρυτικό δυναμικό του σμήνους, υπολογισμένου από την ακτινοβολία των γαλαξιών. Σύμφωνα με αυτούς τους υπολογισμούς, η ταχύτητα διαφυγής των γαλαξιών ήταν τέτοια που θα έπρεπε να έχουν διαφύγει και το σμήνος να έχει διαλυθεί. Η πιθανή ύπαρξη «σκοτεινής» ύλης δίνει λύση στο πρόβλημα αυτό, μιας και αυξάνει κατά πολύ το πραγματικό βαρυτικό δυναμικό του σμήνους σε επίπεδα που να επιτρέπουν οι γαλαξίες να έχουν τις παρατηρούμενες ταχύτητες δίχως να θέτουν σε κίνδυνο την ακεραιότητα του σμήνους. Επιπλέον, μεταγενέστερες μελέτες των επιπέδων καμπυλών περιστροφής των σπειροειδών γαλαξιών πάλι ερμηνεύτηκαν με την ύπαρξη «σκοτεινής» ύλης. Υπάρχουν βέβαια και άλλες πιθανές λύσεις των παραπάνω προβλημάτων που έχουν να κάνουν κυρίως με τη λεγόμενη μεταβαλλόμενη βαρύτητα. Αυτές οι λύσεις προϋποθέτουν ότι η δύναμη βαρύτητας δεν είναι σε όλες τις κλίμακες αποστάσεων αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης ή ότι ακόμα και η σταθερά της βαρύτητας μεταβάλλεται με την απόσταση. Όμως αυτές οι θεωρίες δεν έχουν μπορέσει, μέχρις στιγμής, να εξηγήσουν όλα τα φαινόμενα που ερμηνεύονται με την ύπαρξη «σκοτεινής» ύλης. Επιπλέον η ύπαρξή της προβλέπεται και από τις παρατηρήσεις των διαταραχών του υποβάθρου μικροκυμάτων. Είναι επίσης σημαντικό ότι χωρίς τη «σκοτεινή» ύλη δεν μπορούμε να ερμηνεύσουμε την ίδια την ύπαρξη κοσμικών δομών, μιας και οι διαταραχές του υποβάθρου της ακτινοβολίας μικροκυμάτων, όντας διαταραχές και της πυκνότητας της βαρυονικής ύλης του πρώιμου Σύμπαντος (θυμηθείτε ότι ύλη και ακτινοβολία είναι συζευγμένες στο αρχέγονο Σύμπαν), είναι πολύ μικρές για να δημιουργήσουν τους γαλαξίες. Μόνο αν υπάρχει «σκοτεινή» ύλη, η οποία δεν συζευγνύεται με την ακτινοβολία και της οποίας οι διαταραχές πυκνότητας άρχισαν να μεγαλώνουν πολύ πριν αποδεσμευτούν η βαρυονική ύλη και η ακτινοβολία, τότε υπάρχουν αρκετά μεγάλες διαταραχές στην πυκνότητα της «σκοτεινής» ύλης, μέσα στις οποίες πέφτουν τα αποδεσμευμένα βαρυόνια και δημιουργούν, με την πάροδο του χρόνου, τους γαλαξίες.
Πρόσφατα και λόγω των εκπληκτικών παρατηρήσεων μακρινών υπερκαινοφανών αστέρων, έχει ανοίξει, στους κύκλους των κοσμολόγων, η συζήτηση για την πιθανή ύπαρξη της μυστηριώδους «σκοτεινής» ενέργειας που λειτουργεί απωστικά, δηλαδή αντίθετα από τη βαρύτητα, ενώ αποτελεί το υπόλοιπο 70% της συμπαντικής υλο-ενέργειας. Δύο κυρίως μοντέλα «σκοτεινής» ενέργειας έχουν προταθεί: η λεγόμενη κοσμολογική σταθερά (που την εισήγαγε πρώτος ο Αϊνστάιν), που είναι μια ενέργεια σταθερή στο χρόνο, και η λεγόμενη πεμπτουσία, που είναι ένα πεδίο του οποίου η ενέργεια εξελίσσεται χρονικά και πιθανώς και χωρικά.
Η φυσική ερμηνεία της κοσμολογικής σταθεράς ως της ενέργειας του κενού υποστηρίζεται από την κβαντομηχανική (από το γεγονός ότι ζεύγη σωματίων και αντισωματίων δημιουργούνται από το κενό και παρόλο που ζουν ελάχιστα, προσδίδουν στο κενό μη-μηδενική δυναμική ενέργεια). Είναι γνωστό ότι όλες οι μορφές ενέργειας δημιουργούν βαρυτικό πεδίο, άρα και η ενέργεια του κενού. Όμως έχουμε το παράδοξο ότι οι θεωρίες που προβλέπουν την ύπαρξη κοσμολογικής σταθεράς προβλέπουν επίσης ότι πρέπει να έχει τιμή 10120 φορές μεγαλύτερη από αυτή που μετράμε με αστρονομικές παρατηρήσεις.
Σήμερα γίνεται μια παγκόσμια προσπάθεια, τόσο σε θεωρητικό αλλά κυρίως σε πειραματικό επίπεδο, για να μετρηθεί και να πιστοποιηθεί η μορφή αυτής της μυστηριώδους ενέργειας, προσπάθεια στην οποία συμμετέχουν και Έλληνες κοσμολόγοι.

Μανώλης Πλειώνης

Διευθυντής Ερευνών, Ινστιτούτο Αστρονομίας και Αστροφυσικής

Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών

Ζωή στο Σύμπαν

Όλοι αισθανόμαστε ότι με το έτος 2011 αρχίζει ένα νέο κεφάλαιο με μεγάλες υποσχέσεις κοσμοϊστορικών ανακαλύψεων για το Σύμπαν και τη θέση του ανθρώπου σε αυτό.
Είναι επίκαιρο, λοιπόν, τη στιγμή αυτή να πάρουμε μια ανάσα στη φρενίτιδα της συλλογής δεδομένων και να εξετάσουμε πού βρισκόμαστε ως ζωή στο Σύμπαν. Είμαστε μόνοι ή έχουμε και αδέλφια εκεί έξω; Υπάρχει ζωή και κάπου αλλού εκτός από τον ευλογημένο αυτόν πλανήτη;
Εύκολο το ερώτημα. Το έφερε στα χείλια του ο άνθρωπος ευθύς ως αντιλήφθηκε ότι όλα αυτά τα φώτα που αναβοσβήνουν στον ουρανό τη νύχτα είναι άλλα αστέρια σαν το δικό μας Ήλιο. Δύσκολη όμως η απάντηση.
Τώρα, με όλα τα επιστημονικά μέσα που διαθέτουμε από το έδαφος και από το Διάστημα μαζεύουμε πληροφορίες τις οποίες, δυστυχώς, είναι αδύνατο να προλάβουμε να εκτιμήσουμε. Είναι πάντως γεγονός ότι δεν μπορέσαμε να βρούμε ζωή σε κανέναν από τους πλανήτες του Ηλιακού μας Συστήματος.
Μια επισκόπηση των συνθηκών που επικρατούν στους γήινους πλανήτες (Ερμή, Αφροδίτη, Άρη) αποκλείει τη δυνατότητα ζωής στον Ερμή λόγω της έλλειψης στοιχειώδους ατμόσφαιρας. Η Αφροδίτη έχει τρομερά πυκνή ατμόσφαιρα, αλλά διαβολικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που αποκλείουν την ύπαρξη ζωής, έστω και της πιο στοιχειώδους. Βέβαια, από πολλούς έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι η Αφροδίτη είναι μια εικόνα του πώς θα είναι η Γη σε μερικά χρόνια, ακατοίκητη λόγω της μόλυνσης και με το φαινόμενο του θερμοκηπίου να αυξάνει τη θερμοκρασία και να προκαλεί ασφυξία στα πάντα.
Ο τρίτος γήινος πλανήτης είναι ο Άρης που, όπως αποδείχθηκε τελευταία, έχει πάρα πολύ πάγο και νερό κάτω από την επιφάνεια, με μικρή ατμόσφαιρα η οποία δεν τον προστατεύει από τη θανάσιμη υπεριώδη ακτινοβολία του Ηλίου, αν και μικρόβια θα μπορούσαν να επιβιώσουν κάτω από την ερημική επιφάνεια. Πάντως, ο ρομαντισμός μας για μικρά πράσινα ανθρωπάκια και για πρόσωπα σκαλισμένα στην επιφάνειά του έχει από καιρό διαψευστεί.
Οι υπόλοιποι πλανήτες του Ηλίου μας είναι αέριοι, χωρίς στερεή επιφάνεια, ενώ ο Πλούτωνας είναι πάρα πολύ μακριά από τον Ήλιο για να συντηρεί ζωή. Όμως οι αέρινοι πλανήτες έχουν δεκάδες δορυφόρους που τους εξετάζουμε λεπτομερειακά για την πιθανότητα ύπαρξης στοιχειώδους βέβαια ζωής. Ο πιο πιθανός υποψήφιος για ζωή είναι ο έκτος σε μέγεθος δορυφόρος του Κρόνου, ο Εγκέλαδος, γιατί έχει μια ικανοποιητική θερμοκρασία και νερό, υδρογόνο, άζωτο και οξυγόνο, που είναι απαραίτητα για τη συγκρότηση οργανικών μορίων. Επίσης ο Τιτάνας, ο μεγαλύτερος δορυφόρος του Κρόνου, ο οποίος έχει ατμόσφαιρα πλούσια σε χημικές ενώσεις, όπως μεθάνιο το οποίο στη Γη σημειώνει την ύπαρξη ζωντανών οργανισμών. Αν έχει νερό, όμως κάτω από την επιφάνεια, αυτό θα είναι παγωμένο. Τέλος, η Ευρώπη, δορυφόρος του Δία, έχει ηφαιστειακή δραστηριότητα και πιθανώς νερό και θα μπορούσε να στηρίξει στην παγωμένη επιφάνειά της μικρόβια κοντά στις υδροθερμικές εκροές.
Τι γίνεται όμως σε μακρύτερες αποστάσεις; Οι αστρονόμοι πάντοτε πιστεύαμε ότι πρέπει να υπάρχουν και άλλοι πλανήτες στο Σύμπαν εξαιτίας του τεράστιου αριθμού των αστέρων. Αφού ο μικρός μας Ήλιος έχει 9 πλανήτες και σε έναν τουλάχιστον από αυτούς υπάρχει ζωή και μάλιστα λογική, θα πρέπει και κάπου αλλού να υπάρχει. Ήδη ψάχνουμε τη λογική ζωή πολλά χρόνια τώρα με τα διάφορα προγράμματα SETI με ραδιοκύματα. Μέχρι το τέλος του αιώνα που μας πέρασε δεν είχαμε ανακαλύψει ούτε καν τους άλλους πλανήτες που με θέρμη πρεσβεύαμε. Τα τελευταία όμως 20 χρόνια, με τη βελτίωση των μέσων και της τεχνικής μας, βρήκαμε εκατοντάδες πλανήτες αστέρων στο κοντινό μας Σύμπαν και όσο πάμε ανακαλύπτουμε κι άλλους. Σε μερικούς από αυτούς υπάρχει θερμοκρασία κατάλληλη για την ύπαρξη ζωής και ίσως και οργανικών μορίων. Με το πρόγραμμα Kepler της NASA ελπίζουμε να δούμε μέχρι και 50 πλανήτες με συνθήκες παραπλήσιες της Γης.

Γενικά, όμως, μέχρι τώρα δεν έχουν βρεθεί «τα αδέλφια μας στο Διάστημα», κι ας οργιάζουν οι φήμες για επισκέψεις τους στη Γη και για καλές ή κακές επιδράσεις από την παρουσία τους. Πολλοί πιστεύουν ότι υπάρχουν και ότι κάποτε ίσως έλθουμε σε επαφή μαζί τους. Όλοι μας έχουμε την ελπίδα ότι δεν είμαστε μόνοι στο Διάστημα. Όμως, από την άλλη, βλέπουμε πόσο σπάνιοι είναι οι κατοικήσιμοι πλανήτες και θα πρέπει να συνετιστούμε και να είμαστε πιο προσεκτικοί στη χρήση της δικής μας γαλάζιας σφαίρας.

Παύλος Λασκαρίδης

Ομότιμος καθηγητής Αστροφυσικής

Πανεπιστήμιο Αθηνών

Αστρονομία (Α' μέρος)

Ο ρόλος της Αστρονομίας

Η Αστρονομία, μητέρα όλων των επιστημών, έχει τις ρίζες της στις αστρικές παρατηρήσεις των Βαβυλωνίων και των Αιγυπτίων. Οι ιερείς-αστρονόμοι εκείνης της περιόδου διαπίστωσαν εμπειρικά ότι οι εποχές σχετίζονταν με τη θέση του Ήλιου και των άστρων, ότι οι εκλείψεις μπορούσαν εύκολα να προβλεφθούν με την περίοδο σάρο και ότι οι αστρικοί ρυθμοί κανόνιζαν τη ροή του χρόνου.
Η Αστρονομία συστηματοποιήθηκε ως επιστήμη από τους αρχαίους Έλληνες φυσιολόγους φιλοσόφους και οι απαρχές της βρίσκονται στους Ίωνες προσωκρατικούς φιλοσόφους του 6ου αιώνα π.Χ. Στη συνέχεια ο Ίππαρχος, το 2ο αιώνα π.Χ., μας έδωσε τον πρώτο κατάλογο των άστρων και των αστερισμών αποτυπώνοντας την ελληνική μυθολογία στον ουρανό. Έκτοτε ήταν ένα απλό παιχνίδισμα μνήμης ο προσανατολισμός στην ξηρά και ιδιαίτερα στη θάλασσα. Ο Ησίοδος, με το βιβλίο του «Έργα και Ημέραι», δίνει χρήσιμες αστρονομικές πληροφορίες στους αγρότες οι οποίες τους βοηθούσαν στις γεωργικές τους καλλιέργειες. Στην Αίγυπτο των Πτολεμαίων έχουμε μια συστηματική προσπάθεια να βρεθεί η μαθηματική αντιστοιχία ανάμεσα στο μακρόκοσμο (Σύμπαν) και το μικρόκοσμο (άνθρωπος). Εκεί ο άνθρωπος προσπαθούσε να δαμάσει το θάνατο μέσω του ελέγχου της ροής του χρόνου, που προσδιορίζει τις λειτουργίες της βιολογικής φθοράς όλων των ζωντανών οργανισμών πάνω στη Γη.
Οι αστρικές εποχές και οι εφαρμογές της Αστρονομίας αποτυπώθηκαν σε ναούς, σε ανάκτορα, στη ζωγραφική, στη γλυπτική και στην τέχνη. Οι πυραμίδες ήταν τεράστια μεσημβρινά αστρονομικά όργανα και οι οβελίσκοι τεράστιοι γνώμονες. Η μελέτη της κίνησης του άκρου της σκιάς του γνώμονα επέτρεψε στους αρχαίους αστρονόμους τη μελέτη της φαινόμενης κίνησης του Ηλίου και από αυτήν τον καθορισμό των ισημεριών και των τροπών, της διάρκειας του τροπικού έτους, τη λόξωση της εκλειπτικής και τον προσδιορισμό του γεωγραφικού πλάτους. Με τα ηλιακά ρολόγια, που ήταν βελτιωμένοι γνώμονες, μετρήθηκε ο αληθινός ηλιακός χρόνος. Η άρρηκτη διαισθητική ενότητα και σχέση που ανέπτυξε ο ανθρώπινος νους ανάμεσα στις έννοιες χρόνος και ρυθμός αποτέλεσε ένα ουσιαστικό εργαλείο μέτρησης του χρόνου από τη στιγμή που μπόρεσε να αποτυπωθεί μέσω των λειτουργιών της ανθρώπινης μνήμης και έκφρασης. Έτσι, οι αστρικοί ρυθμοί έδωσαν την έννοια του ημερολογίου.
Η χλομή παρουσία της Σελήνης τη νύχτα, μέσω των φάσεών της, μας έδωσε την έννοια του μήνα και της εβδομάδας. Το άστρο της ημέρας όμως, ο φωτοδότης και ζωοδότης Ήλιος, συνδέεται με πολυάριθμα γήινα φαινόμενα που σχετίζονται με την εξέλιξη του ζωικού κόσμου και ιδιαίτερα της ανθρώπινης ζωής. Η καταλυτική παρουσία του Ήλιου, ως του πρώτου θεού στην αρχαιότητα, επηρέασε σε αφάνταστο βαθμό την ιστορία του ανθρώπινου πολιτισμού.
Ουσιαστικά όμως τα αιώνια ερωτήματα που βασικά συνδέονται με την Αστρονομία και οι άνθρωποι περιμένουν απαντήσεις από αυτήν είναι: ποιοι είμαστε, από πού ερχόμαστε και πού πάμε; Πώς και γιατί γεννήθηκε το Σύμπαν; Τι υπήρχε πριν υπάρξει η Δημιουργία; Πώς εξελίσσεται και πού θα καταλήξει το γιγαντιαίο αυτό δημιούργημα; Τα ερωτήματα αυτά συνεχίζουν να κεντρίζουν την ανθρώπινη φαντασία από τα πανάρχαια χρόνια μέχρι σήμερα και οι απαντήσεις έρχονται με βραδείς ρυθμούς. Ο πρωτοπόρος ερευνητής σήμερα βρίσκεται πέρα από τα γήινα και η Αστρονομία είναι ακριβώς η επιστήμη εκείνη που μας βοηθάει να σπάσουμε τα γήινα δεσμά μας και να φτάσουμε τα επουράνια.
Η ανάπτυξη της Αστρονομίας, η μετεξέλιξή της στην Αστροφυσική με την κατανόηση των αστρικών διεργασιών και με την ανάπτυξη της Διαστημικής έκανε χειροπιαστό το όνειρο ρομαντικών και ονειροπόλων συγγραφέων και αστρονόμων. Το ταξίδι προς τα άστρα είναι πλέον εφικτό. Οι διαστημικοί πύραυλοι, τα διαστημόπλοια και οι τεχνητοί δορυφόροι, αφάνταστες τεχνολογικές κατακτήσεις του ανθρώπινου πολιτισμού μέσω της επιστήμης μας, βοηθούν την ανθρώπινη σκέψη να ξεφύγει από τις γήινες καταβολές της και να ονειρευτεί τις αθέατες ουράνιες πολιτείες, κόσμους που ασφαλώς θα κατακτήσει στο μέλλον ο ανθρώπινος πολιτισμός.

Στράτος Θεοδοσίου

Αναπληρωτής καθηγητής Αστροφυσικής, Αστρονομίας και Μηχανικής,

Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Αθηνών

Αναζητώντας την αλήθεια… με το φως

Από τα πρώτα του βήματα στον πλανήτη Γη ο άνθρωπος προσπαθεί συνεχώς να κατανοήσει τον κόσμο που τον περιβάλλει. Αναζητεί την απόλυτη αλήθεια. Αυτήν που όχι μόνο θα εξηγεί πλήρως όλα τα φυσικά φαινόμενα που συμβαίνουν γύρω του, αλλά και θα του επιτρέπει να προβλέπει τη μελλοντική τους εξέλιξη. Το κίνητρο και η κρυφή ελπίδα πίσω από αυτή την προσπάθεια είναι ότι στο τέρμα της πορείας, αν αυτό πράγματι υπάρχει, ίσως τον περιμένει και η απάντηση στο πιο σημαντικό ερώτημα: γιατί ο ίδιος βρίσκεται εδώ και γιατί ακολουθεί αυτόν το δρόμο;
Τα αρχικά και πιο έντονα ερεθίσματα στο δρόμο αυτόν ο άνθρωπος τα απέκτησε χρησιμοποιώντας την όρασή του, σηκώνοντας απλώς το βλέμμα του προς τον ουρανό. Εκεί αναγνώρισε τη ζωοποιό δύναμη του Ήλιου, που ανατέλλει και δύει καθορίζοντας το ρυθμό της ζωής. Εντυπωσιάστηκε από τα μυστηριώδη αντικείμενα της νύχτας: τη Σελήνη που αλλάζει μορφή, τα αστέρια και τους πλανήτες, φωτεινά αντικείμενα καρφωμένα στο ουράνιο στερέωμα, που με το πέρασμα του χρόνου μένουν ακίνητα ή πλανώνται το ένα σε σχέση με τα άλλα. Η Αστρονομία ως κλάδος έρευνας είχε γεννηθεί!
Με την ανάπτυξη της επιστημονικής μεθόδου, η οποία οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στον Αριστοτέλη, ο άνθρωπος χρησιμοποιεί πλέον όλες τις αισθήσεις του συστηματικά. Συλλέγει πληροφορίες και τις ταξινομεί, με βάση αυτές αναπτύσσει θεωρίες για το πώς λειτουργεί ο κόσμος και στη συνέχεια κάνει πειράματα για να ελέγξει αν οι θεωρίες αυτές είναι σωστές. Έτσι καταφέρνει πριν από σχεδόν 3.000 χρόνια και προβλέπει σπάνια φαινόμενα όπως οι εκλείψεις. Μερικούς αιώνες αργότερα κατανοεί ότι η Γη είναι σφαιρική, υπολογίζοντας με ακρίβεια το μέγεθός της, εκτιμά την απόσταση έως τη Σελήνη και τολμά - όχι με τόση επιτυχία - να μετρήσει την απόστασή του από την ίδια την πηγή του φωτός, τον Ήλιο.
Η πρόοδος είναι αλματώδης. Φυσικά φαινόμενα, όπως το ουράνιο τόξο ύστερα από μια ανοιξιάτικη βροχή, ή το φως που περνά μέσα από ένα γυάλινο πρίσμα δίπλα σε ένα παράθυρο, προδίδουν ότι το φως του Ήλιου δεν είναι διαφανές και άχρωμο. Αντίθετα, διακρίνεται από πληθώρα χρωμάτων, αυτά που οι αρχαίοι Έλληνες απέδιδαν στη θεότητα Ίριδα και τα οποία εμφανίζονται με σαφώς καθορισμένη σειρά: από το ιώδες έως το πράσινο και από το κίτρινο έως το ερυθρό. Ακριβή πλέον πειράματα του επιτρέπουν να κατανοήσει ότι το φως δεν κινείται πάντοτε σε ευθεία γραμμή, καθώς και ότι ανακλάται, σκεδάζεται και απορροφάται από την ύλη ανάλογα με το χρώμα του. Ανακαλύπτει ότι ο τρόπος με τον οποίο συντελούνται αυτές οι αλλαγές στο φάσμα του φωτός καθορίζεται πλήρως από την ύλη μέσα από την οποία περνά, και αποκαλύπτει την άγνωστη έως τότε σύσταση και δομή της. Τέλος, κατορθώνει να μετρήσει την ίδια την ταχύτητα του φωτός και να επιβεβαιώσει τολμηρές θεωρίες ότι όντως αυτή αποτελεί τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορεί να κινηθεί οτιδήποτε στο Σύμπαν.
Το φως των άστρων χρησιμοποιούν και σήμερα οι αστρονόμοι που πήραν με τη σειρά τους τη σκυτάλη της ανακάλυψης. Αρωγός σε αυτόν τον αγώνα δρόμου είναι η σύγχρονη τεχνολογία που τους εξοπλίζει με εντυπωσιακά όργανα. Τεράστια τηλεσκόπια σε ψηλές βουνοκορφές όλης της Γης, πάνω από τα σύννεφα, συλλέγουν συνεχώς με ξέφρενους ρυθμούς το φως απομακρυσμένων άστρων και γαλαξιών. Υπερευαίσθητες ψηφιακές φωτογραφικές κάμερες καταγράφουν την κάθε αμυδρή αχτίδα, την αναλύουν και αποκωδικοποιούν τα μυστικά του αντικειμένου που τη γέννησε.
Τα τελευταία 50 χρόνια η διαστημική τεχνολογία επιτρέπει επίσης στους αστρονόμους για πρώτη φορά να μεταφέρουν τα τηλεσκόπιά τους από τον πλανήτη μας στο Διάστημα. Έτσι αίρουν και το τελευταίο παραπέτασμα ανάμεσα στα επιστημονικά τους όργανα και στα αστέρια που παρατηρούν, αυτό της ατμόσφαιρας της Γης, η οποία λόγω της χημικής σύστασης του αέρα επηρεάζει το φως καθώς αυτό τη διαπερνά. Μπορούν και καταγράφουν πλέον φως με χρώματα πέρα από αυτά της ίριδας, όπως το υπέρυθρο, το οποίο η ατμόσφαιρα της Γης συγκρατούσε. Η μελέτη αυτού του υπέρυθρου φωτός, που εκπέμπεται από πιο ψυχρά αντικείμενα και διαπερνά εύκολα τη σκόνη που υπάρχει διάσπαρτη στο Σύμπαν, μας επιτρέπει να δούμε μια νέα, σκοτεινή πλευρά των αστρονομικών αντικειμένων. Μας οδηγεί να ανακαλύψουμε πλανήτες που μόλις έχουν δημιουργηθεί γύρω από κοντινά αστέρια, καθώς και υπερμαζικές μελανές οπές που κρύβονται μέσα σε πυρήνες μακρινών γαλαξιών πίσω από «αστρονομικές» ποσότητες σκόνης.
Ο συγκερασμός αυτός επιστήμης και τεχνολογίας, σε συνδυασμό με τη δίψα για ανακάλυψη, γνώση και κατανόηση, οδηγεί τους αστρονόμους στο να ανοίξουν ένα νέο παράθυρο στο Σύμπαν, φέρνοντάς τους ένα βήμα πιο κοντά στον πηγαιμό για την Ιθάκη τους...

Βασίλης Χαρμανδάρης

Επίκουρος καθηγητής Αστροφυσικής

Πανεπιστημίου Κρήτης

Τα μεγάλα οπτικά τηλεσκόπια

Στις πιο αφιλόξενες ερημικές βουνοκορφές του πλανήτη μας δεσπόζουν γιγαντιαία υπερσύγχρονα οπτικά τηλεσκόπια, με τα οποία οι επιστήμονες εξερευνούν τα άδυτα του Σύμπαντος με μεγαλύτερη ακρίβεια από ποτέ άλλοτε.
Στα τέλη του 20ου αιώνα, η τεχνολογική πρόοδος οδήγησε σε μια πραγματική επανάσταση στην κατασκευή μεγάλων τηλεσκοπίων. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 1990, τα καλύτερα εν λειτουργία τηλεσκόπια είχαν διάμετρο μέχρι 5 μέτρα. Τα τελευταία 15-20 χρόνια έχουν τεθεί σε λειτουργία 8 τηλεσκόπια με διάμετρο μεταξύ 8 και 10 μέτρων, ενώ κατά την επόμενη δεκαετία αναμένεται να λειτουργήσουν 3 τηλεσκόπια με διαμέτρους της τάξης των 30-40 μέτρων! Η επιτυχής λειτουργία τέτοιων τεράστιων τηλεσκοπίων, που θεωρούνταν ουσιαστικά ακατόρθωτη πριν από μερικά χρόνια, έγινε εφικτή χάρη στην προσαρμοστική οπτική, την οπτική συμβολομετρία και στην κατασκευή κυψελοειδών αντί μονολιθικών κατόπτρων.
Στην κορυφή του ανενεργού ηφαιστείου Μάουνα Κέα στη Χαβάη και σε υψόμετρο 4.300 είναι συγκεντρωμένα μερικά από τα μεγαλύτερα σύγχρονα τηλεσκόπια. Στην κορυφή αυτή υπάρχει η μισή ποσότητα οξυγόνου από ό,τι στην επιφάνεια της θάλασσας και οι συνθήκες για αστρονομικές παρατηρήσεις θεωρούνται εξαιρετικές.
Το Ευρωπαϊκό Συμβολομετρικό Τηλεσκόπιο VLT βρίσκεται στο όρος Παρανάλ, στην έρημο Ατακάμα της Χιλής, σε υψόμετρο 2.600 και ανήκει στο Ευρωπαϊκό Παρατηρητήριο του Νότιου Ημισφαιρίου (ESO). Αποτελείται από 4 τηλεσκόπια διαμέτρου 8,2 μέτρων το καθένα και από 4 κινητά βοηθητικά τηλεσκόπια διαμέτρου 1,8 μέτρα το καθένα. Τα τηλεσκόπια μπορούν να λειτουργήσουν μαζί, σχηματίζοντας ένα γιγαντιαίο συμβολόμετρο, το οποίο ισοδυναμεί με ένα πολύ μεγαλύτερο τηλεσκόπιο, που μπορεί να παρατηρεί με ακρίβεια κατά 25 φορές μεγαλύτερη από ό,τι το καθένα από τα 4 τηλεσκόπια χωριστά. Αξίζει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιώντας ένα μόνο από τα τηλεσκόπια των 8,2 μέτρων μπορεί κάποιος να παρατηρήσει εξαιρετικά αμυδρά αντικείμενα 30ου μεγέθους, μέσα σε μία μόνο ώρα. Το μέγεθος αυτό αντιστοιχεί σε ουράνια σώματα που είναι 4 δισεκατομμύρια φορές αμυδρότερα από αυτά που μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι! Φανταστείτε ένα αυτοκίνητο πάνω στο φεγγάρι με αναμμένους τους προβολείς του. Με το VLT μπορεί κάποιος να διακρίνει τους δύο προβολείς σαν ξεχωριστές πηγές φωτός!
Θα πρέπει να αναφέρουμε ακόμα μερικά από τα μεγαλύτερα εν λειτουργία οπτικά τηλεσκόπια στον κόσμο, όπως το Μέγα Τηλεσκόπιο των Καναρίων Νήσων (Gran Telescopio Canarias), με κυψελοειδές κάτοπτρο, συνολικής διαμέτρου 10,4 μέτρων στην Ισπανία, το τηλεσκόπιο SALT στη Νότια Αφρική (διαμέτρου 11 μέτρων), τα δίδυμα τηλεσκόπια Keck στη Χαβάη (διαμέτρου 10 μέτρων το καθένα), το τηλεσκόπιο Hobby-Eberly στο Τέξας των ΗΠΑ (διαμέτρου 9,2 μέτρων), το Μεγάλο Διπλό Τηλεσκόπιο στην Αριζόνα των ΗΠΑ, τα δύο τηλεσκόπια Gemini (το ένα στη Χαβάη και το άλλο στη Χιλή, διαμέτρου 8,1 μέτρων το καθένα). Για να καταλάβουμε την ισχύ των σύγχρονων αυτών οργάνων, αρκεί να αναφέρουμε ότι αν «βλέπαμε τόσο καλά» όσο το τηλεσκόπιο SALT, για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να διακρίνουμε τη φλόγα ενός κεριού στο φεγγάρι με γυμνό μάτι!
Ο κατάλογος σύγχρονων τηλεσκοπίων θα ήταν ελλιπής χωρίς το περίφημο διαστημικό τηλεσκόπιο «Hubble» της NASA, το οποίο, αν και έχει πολύ μικρότερη διάμετρο (κάτοπτρο διαμέτρου 2,4 μέτρων) από τα μεγάλα γήινα τηλεσκόπια, έχει συνεισφέρει μερικές από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις στην Αστροφυσική τα τελευταία 15 χρόνια, υποβοηθούμενο από την απουσία της ατμόσφαιρας, που αποτελεί το μεγαλύτερο εχθρό των γήινων τηλεσκοπίων, παρά τις νέες επαναστατικές μεθόδους που εφαρμόζονται για την αντιμετώπισή της (προσαρμοζόμενα κάτοπτρα και τεχνητούς αστέρες που προβάλλονται στον ουρανό με laser).
Με τα σύγχρονα οπτικά τηλεσκόπια, οι επιστήμονες βρίσκουν πλανήτες που περιφέρονται γύρω από μακρινά άστρα, μελετούν με μεγάλη λεπτομέρεια τη γένεση και το θάνατο των άστρων, την εξέλιξη των γαλαξιών και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις, ενώ έχουν καταφέρει να παρατηρήσουν ακόμα και ύλη που «καταβροχθίζεται» από γιγάντιες μαύρες τρύπες, όπως αυτή που βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία. Μεγάλη πρόοδος έχει σημειωθεί στην κατανόηση της δομής του Σύμπαντος στο οποίο ζούμε, μετρώντας ποσοτικά το περιεχόμενο του Σύμπαντος σε «σκοτεινή» ύλη και προσεγγίζοντας με αρκετή αξιοπιστία την κοσμολογική σταθερά.
Τα νέας γενιάς γήινα τηλεσκόπια (διαμέτρου της τάξης των 30-40 μέτρων) που είναι υπό σχεδιασμό, καθώς και το υπό κατασκευή νέο διαστημικό τηλεσκόπιο της NASA (James Webb Space Telescope, διαμέτρου 6,5 μέτρων) αναμένεται ότι θα ανοίξουν νέα παράθυρα στο Σύμπαν, επιτρέποντάς μας να μελετήσουμε το σχηματισμό των πρώτων γαλαξιών και άστρων μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά ακόμα και τη γένεση πλανητικών συστημάτων!
Δεν θα ήταν υπερβολή να υποστηρίξουμε ότι ο 21ος αιώνας θα αποδειχθεί ο «χρυσός αιώνας» της Αστρονομίας.

Δέσποινα Χατζηδημητρίου

Αναπληρώτρια καθηγήτρια

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστήμιο Κρήτης

Ο Ήλιος και οι πλανήτες

Από το ασύλληπτα μεγάλο πλήθος αστεριών στο στερέωμα υπάρχει ένα που για μας τους ανθρώπους ξεχωρίζει. Δεν εννοώ ούτε τον Πολικό Αστέρα ούτε τον Σείριο ούτε τον Αλδεβαράν, αλλά τον Ήλιο. Ο Ήλιος είναι το πιο όμορφο αστέρι, επειδή χωρίς αυτόν πολύ απλά δεν θα υπήρχαμε. Το εγγύτατο στη Γη αστέρι είναι ο ζωοδότης κάθε μορφής ζωής στον πλανήτη μας. Χάρη στην ακτινοβολία του ευδοκιμούν τα φυτά και χάρη στην ύπαρξη των φυτών επιβιώνουν τα φυτοφάγα ζώα και ο άνθρωπος.
Και το πιο όμορφο αστέρι του Σύμπαντος είναι στολισμένο με ένα διάδημα μοναδικών πλανητών: Ερμής, Αφροδίτη, Γη, Άρης, Δίας, Κρόνος, Ουρανός, Ποσειδώνας. Ο καθένας με τα ιδιαίτερα, μοναδικά χαρακτηριστικά του.
Η σχέση του Ήλιου με τους πλανήτες «του» έχει δύο όψεις: μια ορατή και μια αόρατη. Η ορατή είναι συνδεδεμένη με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του, η αόρατη με το μαγνητικό του πεδίο και τον ηλιακό άνεμο.
Ας τα πάρουμε ξεχωριστά. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του Ήλιου δεν είναι εξολοκλήρου ορατή, αφού περίπου η μισή βρίσκεται στο υπέρυθρο και λιγότερο στο υπεριώδες μέρος του φάσματος. Ωστόσο μιλάμε για «ορατή» όψη, επειδή είναι η πλευρά εκείνη της σχέσης του Ήλιου με εμάς τους ανθρώπους που τη βλέπουμε (και τη νιώθουμε ως θερμότητα).
Η ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας και ενέργειας που φτάνει στον κάθε πλανήτη καθορίζει και την ποιότητα της σχέσης του Ηλίου με τον πλανήτη. Η πιο θερμή σχέση υπάρχει, προφανώς λόγω της εγγύτητας, με τον Ερμή, ο οποίος δέχεται κατά μέσο όρο ισχύ 10.000 βατ ανά τετραγωνικό μέτρο, τη στιγμή που η Γη δέχεται γύρω στα 1.300 κι ο μακρινός Ποσειδώνας μόλις 1,5 βατ ανά τετραγωνικό μέτρο.
Η σχέση αυτή του Ηλίου και των πλανητών είναι καθοριστική για την ύπαρξη ζωής. Ο Ερμής κυριολεκτικά ψήνεται από την ηλιακή ακτινοβολία, ενώ ο Ποσειδώνας είναι ένας παγωμένος και εξίσου αφιλόξενος για τη ζωή κόσμος. Οι (θεωρητικά τουλάχιστον) πιο κατάλληλοι για να φιλοξενήσουν ζωή με τις μορφές που γνωρίζουμε, είναι οι ενδιάμεσοι πλανήτες Αφροδίτη, Γη και Άρης. Και ο μόνος πλανήτης που φιλοξενεί σήμερα ζωή είναι η Γη.
Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι η θερμοκρασία του πλανήτη είναι ευνόητο ότι εξαρτάται από την απόστασή του από τον Ήλιο, υπάρχει και μια εξαίρεση. Η Αφροδίτη, αν και βρίσκεται σε διπλάσια απόσταση από τον Ήλιο από ό,τι ο Ερμής, είναι μια πύρινη κόλαση και μάλιστα με θερμοκρασίες που ξεπερνούν τις θερμοκρασίες του Ερμή: 48ο C, αντί για τους 470ο C του Ερμή! Η δυσανάλογα (για τη θέση της) υψηλή θερμοκρασία της Αφροδίτης αποτελούσε αίνιγμα, έως ότου αναγνωρίστηκε ότι η αιτία είναι μάλλον η πυκνή ατμόσφαιρά της, που αποτελείται τουλάχιστον κατά 95% από διοξείδιο του άνθρακα. Η ατμόσφαιρα πιθανότατα λειτουργεί σαν θερμοκήπιο, μπλοκάροντας τη διαφυγή θερμότητας με τη μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας στο Διάστημα. Το αποτέλεσμα είναι οι εφιαλτικές υψηλές θερμοκρασίες του πλανήτη.
Η αόρατη όψη της σχέσης του Ήλιου με τους πλανήτες οφείλεται, όπως είπαμε, στο μαγνητικό του πεδίο και στον ηλιακό άνεμο. Ο ηλιακός άνεμος είναι η καυτή ανάσα του Ήλιου: αποτελείται κυρίως από θετικά ιόντα υδρογόνου και ήλιου και ηλεκτρόνια, και απλώνεται προς όλες τις κατευθύνσεις του Διαστήματος, παρασύροντας μαζί του και το μαγνητικό πεδίο του Ηλίου.
Η επίδραση αυτού του συνδυασμού μαγνητικού πεδίου και πλάσματος (όπως ονομάζουμε το μίγμα θετικών ιόντων και ηλεκτρονίων) στον κάθε πλανήτη εξαρτάται από το αν ο πλανήτης διαθέτει δικό του ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Εάν αυτό συμβαίνει, όπως στην περίπτωση της Γης, του Δία και του Κρόνου, παρατηρούνται βίαια φαινόμενα απελευθέρωσης ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας και επιτάχυνσης ιόντων και ηλεκτρονίων. Τα φαινόμενα αυτά είναι μέρος του διαστημικού καιρού.
Η πιο εντυπωσιακή συνέπεια της επιτάχυνσης φορτισμένων σωματιδίων από την επίδραση του Ήλιου στους μαγνητισμένους πλανήτες είναι το σέλας, ένα θέαμα εξαίσιας, μοναδικής ομορφιάς, που στη Γη έχει μαγεύσει τον άνθρωπο από τα πανάρχαια χρόνια.
Με τη μορφή μεγαλοπρεπών και ζωηρόχρωμων φώτων στο νυχτερινό ουρανό, το σέλας έχει μια ατέλειωτη ποικιλία μορφών, χρωμάτων και δομών, που εναλλάσσονται συνεχώς. Οι πολύχρωμες κουρτίνες φωτός έχουν περιγραφεί σαν «φλεγόμενοι ουρανοί» και «ουράνιοι δράκοντες» από τον Ησίοδο.
Σήμερα, χάρη στη δυνατότητα να παρατηρούμε τους πλανήτες με διαστημικά σκάφη, γνωρίζουμε ότι και στους γιγάντιους πλανήτες Δία και Κρόνο, που διαθέτουν ισχυρό μαγνητικό πεδίο, εκδηλώνεται το λαμπρός σέλας, σαν ύμνος της στενής σχέσης του Ήλιου με τους πλανήτες του.

Ιωάννης Δαγκλής

Διευθυντής ερευνών Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών

Αναζήτηση εξωηλιακών πλανητών

Εξωηλιακός πλανήτης ή εξωπλανήτης (exoplanet) ονομάζεται κάθε πλανήτης που δεν ανήκει στο δικό μας Ηλιακό Σύστημα, δηλαδή δεν περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο.
Η ύπαρξη τέτοιων πλανητών πέρα από το δικό μας Ηλιακό Σύστημα αποτελούσε μέχρι το 1990 ένα από τα μεγαλύτερα ερωτήματα της Αστρονομίας και ήταν συνυφασμένο με το πανανθρώπινο και διαχρονικό ερώτημα της ύπαρξης ζωής στο Σύμπαν. Από το 1990 όμως τα δεδομένα άλλαξαν ριζικά το σκηνικό. Το 1992 ανακαλύφθηκαν από τους Wolszczan και Frail οι πρώτοι εξωηλιακοί πλανήτες γύρω από τον pulsar PSR 1257+12, και το 1995 οι Mayor και Queloz ανακάλυψαν τους πρώτους τέτοιους πλανήτες να περιφέρονται γύρω από τον αστέρα 51 Πήγασου, έναν αστέρα σαν τον δικό μας Ήλιο. Μέχρι τον Ιανουάριο 2009 είχαν ανακαλυφθεί 336 εξωηλιακοί πλανήτες. Ο αριθμός αυτός μεταβάλλεται γρήγορα καθώς νέες ανακαλύψεις προστίθενται κάθε τόσο.
Πιστεύεται ότι το 10% των άστρων έχει τουλάχιστον έναν γίγαντα πλανήτη με περίοδο μικρότερη των 10 ετών. Υπάρχουν περίπου 100 δισεκατομμύρια άστρα σε κάθε γαλαξία, οπότε πρέπει να υπάρχουν περί τα 10 δισεκατομμύρια πλανήτες στον δικό μας Γαλαξία! Και υπάρχουν δισεκατομμύρια γαλαξίες στο Σύμπαν.
Οι περισσότεροι εξωηλιακοί πλανήτες που έχουν ανακοινωθεί είναι γιγαντιαίοι πλανήτες αερίου και μοιάζουν με τον πλανήτη Δία, αλλά μάλλον αυτό είναι αποτέλεσμα των περιορισμών στην τεχνολογία και τα μέσα ανίχνευσης. Εκτιμάται, όμως, ότι οι ελαφροί και βραχώδεις είναι πολύ περισσότεροι από τους γιγαντιαίους αέριους πλανήτες.

ΤΡΟΠΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ
Σχεδόν όλοι οι γνωστοί εξωπλανήτες, που είναι εξαιρετικά αμυδρά σώματα σε σύγκριση με τους δικούς μας πλανήτες, έχουν ανακαλυφθεί με τις εξής κύριες έμμεσες μεθόδους ανίχνευσης:
Αστρομετρική μέθοδος. Συνίσταται στην ακριβή μέτρηση της θέσης του αστέρα στον ουρανό και της παρατήρησης του τρόπου με τον οποίον αλλάζει η θέση του με το χρόνο εξαιτίας της βαρυτικής επίδρασης του πλανήτη πάνω στον αστέρα.
Μέθοδος Doppler. Κατά την περιφορά του αστέρα και του πλανήτη γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους, οι μεταβολές στην ταχύτητα με την οποία ο αστέρας πλησιάζει ή απομακρύνεται από τη Γη (δηλαδή οι μεταβολές στην ακτινική ταχύτητα του αστέρα ως προς τη Γη) μπορούν να υπολογιστούν από τη μετατόπιση των φασματικών γραμμών του αστέρα με βάση το φαινόμενο Doppler. Αυτή είναι και η πιο χρησιμοποιημένη μέθοδος.
Μέθοδος διάβασης. Εάν ένας πλανήτης περνάει μπροστά από το δίσκο του δικού του αστέρα, τότε η παρατηρούμενη λαμπρότητα του αστέρα ελαττώνεται κατά ένα μικρό ποσοστό. Η ελάττωση αυτή εξαρτάται από τις διαστάσεις του αστέρα και του πλανήτη.
Μέθοδος βαρυτικής μικροεστίασης. Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει όταν το βαρυτικό πεδίο ενός αστέρα ενεργεί ως ένας φακός, ενισχύοντας το φως ενός απομακρυσμένου αστέρα του αστρικού πεδίου. Η ύπαρξη πλανήτη γύρω από τον μπροστινό αστέρα μπορεί να προκαλέσει αναγνωρίσιμες ανωμαλίες στην καμπύλη φωτός του φαινομένου της βαρυτικής μικροεστίασης.

ΑΜΕΣΗ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ
Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα υπάρχοντα τηλεσκόπια, εφοδιασμένα με όργανα κατάλληλα για κατευθείαν «φωτογράφηση» πλανητών, μπορούν να ανιχνεύσουν άμεσα εξωηλιακούς πλανήτες (που πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτεροι από τον Δία, να είναι πολύ μακριά από το δικό τους άστρο και να είναι νέοι, οπότε θα είναι θερμοί και θα εκπέμπουν έντονα στο υπέρυθρο).
Η ανακάλυψη του πρώτου πολυπλανητικού συστήματος ανακοινώθηκε στις 13 Νοεμβρίου 2008, αλλά η φωτογραφία του πάρθηκε το 2007 με τα τηλεσκόπια Keck και Gemini. Παρατηρήθηκαν κατευθείαν τρεις πλανήτες να περιφέρονται γύρω από το άστρο HR 8799, και με μάζα 10, 10 και 7 φορές τη μάζα του Δία. Την ίδια μέρα ανακοινώθηκε ότι το διαστημικό τηλεσκόπιο «Hubble» «φωτογράφησε» κατευθείαν έναν εξωηλιακό πλανήτη γύρω από τον αστέρα Fomalhaut με μάζα περίπου τριπλάσια της μάζας του Δία.

ΕΞΩΗΛΙΑΚΟΙ ΠΛΑΝΗΤΕΣ ΚΑΙ ΖΩΗ
Η ανακάλυψη αρκετών εξωηλιακών πλανητών θέτει σε νέες βάσεις το ζήτημα ύπαρξης εξωγήινης ζωής, καθώς δίνει μια καλύτερη εικόνα της στατιστικής πιθανότητας ανάπτυξης ζωής στον Γαλαξία μας (σύμφωνα με την εξίσωση του Ντρέικ). Σήμερα πιστεύεται ότι ο τρίτος πλανήτης του ερυθρού νάνου Gliese 581 (περίπου 20 έτη φωτός από τη Γη) είναι το καλύτερο μέχρις στιγμής παράδειγμα εξωηλιακού πλανήτη, λίγο μόνο μεγαλύτερου από τη Γη, που περιφέρεται μέσα στη λεγόμενη «κατοικήσιμη ζώνη», ώστε να είναι δυνατή η εμφάνιση και η ανάπτυξη της ζωής πάνω Του. Η ύπαρξη ζωής σχεδόν σε όλους τους υπόλοιπους εξωηλιακούς πλανήτες μάλλον αποκλείεται, καθώς πρόκειται για γίγαντες αερίων με πολύ υψηλές θερμοκρασίες στην ατμόσφαιρά τους.

Παναγιώτης Νιάρχος

Καθηγητής Παρατηρησιακής Αστροφυσικής

Εθνικό Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

Αστροφυσικοί πίδακες

Η σύγχρονη Αστροφυσική αποκρυπτογραφεί ένα ζωντανό και ανακυκλούμενο Σύμπαν ιονισμένου αερίου (πλάσματος), όπου ο Ήλιος και οι αστέρες γεννιούνται και πεθαίνουν ως έμβιοι οργανισμοί. Σήμερα για πρώτη φορά παρατηρούμε τη διαδικασία γένεσης άλλων ήλιων, όταν μέσα σε αθέατα νεφελώματα εκκολάπτονται νέοι αστέρες που περιβάλλονται από πυκνά δισκοειδή κουκούλια ύλης και εκτοξεύουν περίτεχνους πίδακες πλάσματος στον μεσοαστρικό χώρο. Το τέλος της ζωής των αστέρων οδηγεί είτε στον σχηματισμό λευκών νάνων είτε ταχύτατα περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων στο κέντρο πολυσχιδών νεφελωμάτων, ή, ακόμα, μυστηριωδών μελανών οπών που εκτοξεύουν νέφη πλάσματος με σχετικιστικές ταχύτητες. Σε πολύ μακρινότερες αποστάσεις έχουν πρόσφατα συλλέξει ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη στο κέντρο ιδιόμορφων γαλαξιών, τεράστιων μελανών οπών οι οποίες ζυγίζονται χάρη στο πλάσμα που τις περιβάλλει υπό μορφή δίσκου και από τους οποίους αναβλύζουν σχετικιστικοί πίδακες με λαμπρούς κόμβους που φαίνονται να κινούνται με ταχύτητες που υπερβαίνουν ακόμα και την ταχύτητα του φωτός.

ΝΕΟΓΕΝΝΗΤΟΙ ΑΣΤΕΡΕΣ ΑΠΟ ΣΚΟΤΕΙΝΑ ΝΕΦΕΛΩΜΑΤΑ
Οι κοντινότεροι πίδακες πλάσματος εμφανίζονται στις περιοχές γένεσης αστέρων όταν ένα γιγαντιαίο μοριακό νεφέλωμα διαστάσεων εκατοντάδων ετών φωτός καταρρέει λόγω του βάρους του. Τότε, λόγω του νόμου διατήρησης της στροφορμής, περιστρέφεται ολοένα και ταχύτερα σχηματίζοντας ένα δίσκο. Στο κέντρο του δίσκου βρίσκεται ο πρωτοαστέρας, ο οποίος έπειτα από δεκάδες εκατομμύρια χρόνια συνεχούς προσαύξησης ύλης αποκτά υψηλή κεντρική θερμοκρασία και πυκνότητα για την έναρξη θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Καθώς το άστρο προσπαθεί να αναδυθεί μέσα από την αέρια μήτρα του, από το δίσκο εκτοξεύονται, σαν περίτεχνα πυροτεχνήματα, λεπτοί πίδακες πλάσματος που διαδίδονται ανέπαφοι για αρκετά έτη φωτός, πολλές χιλιάδες φορές την απόσταση Γης-Ηλίου. Οι πίδακες αυτοί είναι πλάσμα του δίσκου που επιταχύνεται όπως χάντρες περασμένες σε σύρματα τα οποία είναι κολλημένα στο δίσκο και σχηματίζουν κάποια γωνία με τον άξονα περιστροφής του.

ΛΕΥΚΟΙ ΝΑΝΟΙ ΑΠΟ ΕΡΥΘΡΟΥΣ ΓΙΓΑΝΤΕΣ
Πίδακες πλάσματος εμφανίζονται και κατά το θάνατο των άστρων. Ερυθροί και αμυδροί αστέρες ελαφρότεροι του Ηλίου καίνε τα θερμοπυρηνικά τους καύσιμα με αργό ρυθμό (τρισεκατομμύρια χρόνια), κυανοί λαμπροί αστέρες βαρύτεροι του Ήλιου καίνε ταχύτερα και είναι βραχύβιοι (μερικά εκατομμύρια χρόνια), ενώ αστέρες ενδιάμεσης μάζας (όπως ο Ήλιος) καίνε συντηρητικά και είναι μακρόβιοι (μερικά δισεκατομμύρια χρόνια). Όταν εξαντληθεί το υδρογόνο στον αστρικό πυρήνα, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σταματούν και ο πυρήνας καταρρέει λόγω έλλειψης δύναμης ικανής να αντισταθεί στη βαρύτητα, ενώ η παραγόμενη θερμότητα δημιουργεί υψηλές θερμοκρασίες που καίνε το ήλιο σε άνθρακα. Η παραγόμενη θερμότητα προκαλεί μια απότομη διαστολή και ψύξη των εξωτερικών στρωμάτων, μετατρέποντας τον αστέρα σε ερυθρό γίγαντα. Όταν ο πυρήνας εξαντλήσει τα αποθέματα του ήλιου, αρχίζει πάλι να καταρρέει και ο μόνος τρόπος να σταματήσει αυτό είναι η κβαντομηχανική πίεση των ηλεκτρονίων. Αυτό γίνεται όταν ο πυρήνας του άστρου συρρικνωθεί στις διαστάσεις της Γης, σχηματίζοντας ένα λευκό νάνο, δηλαδή αστρική στάχτη ένα κυβικό εκατοστό της οποίας ζυγίζει περίπου ένα τόνο.

ΑΣΤΕΡΕΣ ΝΕΤΡΟΝΙΩΝ ΚΑΙ ΜΕΛΑΝΕΣ ΟΠΕΣ
Όταν ένα άστρο ηλιακής μάζας ξοδέψει όλο το ήλιο στον πυρήνα του, η διαδικασία παραγωγής ενέργειας τερματίζεται. Σε βαρύτερους όμως αστέρες, μετά την καύση του ηλίου ο πυρήνας έχει αρκετή μάζα και καταρρέοντας επιτυγχάνει κατάλληλες θερμοκρασίες για την καύση σε διαδοχικά στρώματα ηλίου σε άνθρακα, άνθρακα σε πυρίτιο κλπ., μέχρι την παραγωγή του σιδήρου. Ο σίδηρος έχει τον πιο σταθερό πυρήνα από όλα τα χημικά στοιχεία, έτσι ώστε απαιτείται να ξοδευτεί περισσότερη ενέργεια για τη σύντηξη των πυρήνων του από όση παράγεται. Επομένως, μετά την παραγωγή σιδήρου ο αστρικός πυρήνας φθάνει σε ενεργειακό αδιέξοδο και είναι καταδικασμένος σε καταστροφή με δυο τελικά προϊόντα. Όταν είναι σχετικά ελαφρύς, ολίγων ηλιακών μαζών, πρωτόνια και ηλεκτρόνια συνενώνονται σχηματίζοντας νετρόνια. Το τελικό προϊόν είναι ένα άστρο νετρονίων μεγέθους μερικών μόνο χιλιομέτρων, αλλά πυκνότητας τρομακτικά υψηλής (μια μικρή κουταλιά αυτής της ύλης ζυγίζει ένα δισεκατομμύριο τόνους και ολόκληρος ο πληθυσμός της Γης αν στελνόταν εκεί θα συμπιεζόταν τόσο, ώστε θα χωρούσε μέσα σε ασπιρίνη). Από την άλλη, οι βαρύτεροι πυρήνες άνω των περίπου 10 ηλιακών μαζών, καταλήγουν στις περίφημες μελανές οπές.
Η κατάρρευση του πυρήνα σιδήρου δημιουργεί ένα ισχυρό κρουστικό κύμα που διαλύει και εκσφενδονίζει κυριολεκτικά τα εξωτερικά στρώματα του άστρου στο Διάστημα. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης, η σύγκρουση διαφόρων πυρήνων οδηγεί στο σχηματισμό των βαρύτερων του σιδήρου στοιχείων (μολύβδου, χρυσού, ουρανίου κλπ.), διασκορπίζοντας στο Διάστημα τα στοιχεία που θα χρησιμοποιηθούν κατά την επόμενη αστρική γενιά για να σχηματίσουν νέα άστρα, πλανήτες, ζωή κλπ. Τα βαριά στοιχεία που βρίσκονται στο σώμα μας προέρχονται από μια τέτοια ακριβώς διαδικασία.

ΠΙΔΑΚΕΣ ΠΛΑΣΜΑΤΟΣ ΑΠΟ ΓΑΛΑΞΙΑΚΟΥΣ ΠΥΡΗΝΕΣ ΚΑΙ ΚΒΑΖΑΡ
Αστροφυσικοί πίδακες αναδύονται και από μακρινούς και ιδιόμορφους γαλαξίες στο κέντρο των οποίων λουφάζουν γιγάντιες μελανές οπές και συμβαίνουν εξαιρετικά βίαια, ενεργητικά και συναρπαστικά φαινόμενα, για την κατανόηση των οποίων η σύγχρονη Φυσική δοκιμάζει τα όριά της. Εκεί, για παράδειγμα, μέσα στις διαστάσεις ενός πλανητικού συστήματος χωρούν δεκάδες γαλαξίες σαν τον δικό μας!
Τέτοια χαρακτηριστικά καθιστούν αυτά τα σώματα όχι μόνο τις πιο ισχυρές ενεργειακές πηγές στη Φύση, αλλά ίσως και τα πιο συναρπαστικά εργαστήρια της Φυσικής στο Σύμπαν.

Κανάρης Τσίγκανος

Καθηγητής Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών

Αστρική εξέλιξη

ΓΕΝΝΗΣΗ
Στην πρόσκαιρη ζωή μας πάνω στη Γη τίποτα δεν μας φαίνεται τόσο μόνιμο και σταθερό όσο τα άστρα στον ουρανό. Και όμως, αυτή η «σταθερότητα» των άστρων δεν είναι παρά μόνο φαινομενική. Γιατί τα άστρα, όπως και κάθε τι άλλο στο Σύμπαν, γεννιούνται, εξελίσσονται και πεθαίνουν. Χάρη, μάλιστα, στα μεγάλα τηλεσκόπια και τα τροχιακά μας αστεροσκοπεία τις τελευταίες μερικές δεκαετίες συγκεντρώσαμε μια τεράστια ποσότητα πληροφοριών για το τι συμβαίνει στο Σύμπαν. Ακτίνες Χ και γ, καθώς επίσης και υπεριώδεις οπτικές, υπέρυθρες και διαφόρων ειδών ραδιοακτινοβολίες συλλαμβάνονται, συγκεντρώνονται και μελετώνται αποκαλύπτοντάς μας διαδικασίες εν δράσει, που ούτε καν θα μπορούσαμε να προβλέψουμε πριν από μερικά χρόνια.
Στις μεσοαστρικές περιοχές, για παράδειγμα, τα αραχνοΰφαντα νεφελώματα αερίων και σκόνης συγκεντρώνουν το περιεχόμενό τους σε μεγάλους σωρούς φέρνοντας αντιμέτωπες τη βαρύτητα με τη θερμότητα, σ’ έναν αγώνα που όλο και γιγαντώνεται και μπορεί να διαρκέσει εκατομμύρια χρόνια έως ότου αρχίσουν οι πυρηνικές αντιδράσεις ενός νέου άστρου. Κάτω από ορισμένες συνθήκες τα νεφελώματα αυτά, καθένα με διάμετρο πολλών ετών φωτός, διασπώνται, με αποτέλεσμα μια ή περισσότερες από τις περιοχές αυτές να αρχίσουν μια αργή αλλά σταθερή συστολή κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας των υλικών τους.
Με το πέρασμα του χρόνου η θερμοκρασία στο κέντρο του νεφελώματος αρχίζει σταδιακά να αυξάνει εκπέμποντας τεράστιες ποσότητες υπέρυθρης ενέργειας. Όταν η θερμοκρασία αυτή φτάσει τους 10-15 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, αρχίζουν οι πυρηνικές αντιδράσεις που μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο, σηματοδοτώντας έτσι τη γέννηση ενός νέου άστρου. Αέρια υλικά που προσελκύονται από την περιφέρεια στριφογυρίζουν με τεράστιες ταχύτητες γύρω από το νεογέννητο άστρο σχηματίζοντας μια τεράστια δίνη υπερθερμασμένων υλικών.
Από τους πόλους του περιστρεφόμενου δίσκου ξεπετάγονται τεράστιοι πίδακες υλικών, πάνω και κάτω από τον δίσκο, σαν γιγάντια ενεργά ηφαίστεια. Με την πάροδο του χρόνου ο δίσκος των υλικών συμπυκνώνεται σχηματίζοντας μικρότερα σώματα τα οποία μετατρέπονται σε πλανήτες και δορυφόρους, ενώ η ακτινοβολία του νέου άστρου σαν μανιασμένος άνεμος εκσφενδονίζει σιγά-σιγά τα υπολειπόμενα υλικά του δίσκου αφήνοντας πίσω τους πλανήτες να περιφέρονται γύρω από το άστρο τους. Μετά τη γέννησή του ένα άστρο συνεχίζει να μετατρέπει το υδρογόνο του σε ήλιο στις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που εκτελούνται στο κέντρο του.
Όταν ο Γαλαξίας μας ήταν ακόμα νέος, τα πρωταρχικά του νεφελώματα δημιούργησαν δεκάδες ή εκατοντάδες χιλιάδες άστρα ταυτόχρονα, σχηματίζοντας έτσι τα γνωστά μας σφαιρωτά σμήνη. Σήμερα όμως τα νεφελώματα δεν είναι τόσο μεγάλα και σχηματίζουν πολύ λιγότερα άστρα στα λεγόμενα ανοιχτά ή γαλαξιακά σμήνη άστρων. Σε γενικές γραμμές ένα ανοιχτό σμήνος αποτελείται από 50-500 συνολικά άστρα, ενώ σε σπάνιες περιπτώσεις μπορεί να φτάσουν τις μερικές χιλιάδες. Ακόμα και ο Ήλιος μας γεννήθηκε σ’ ένα παρόμοιο σμήνος.

ΕΞΕΛΙΞΗ
Τα άστρα που αποτελούν τα νεαρά αστρικά σμήνη δεν έχουν όλα το ίδιο μέγεθος, το ίδιο χρώμα ή την ίδια λαμπρότητα. Τι, άραγε, είναι αυτό που κάνει τα άστρα, αν και έχουν περίπου την ίδια ηλικία και γεννήθηκαν στο ίδιο νεφέλωμα, να μην έχουν εντούτοις το ίδιο χρώμα και την ίδια λαμπρότητα; Η απάντηση βρίσκεται στη μάζα των άστρων, αφού για κάθε άστρο στο Σύμπαν το πιο σημαντικό στοιχείο στη ζωή και την εξέλιξή του καθορίζεται από την ποσότητα της ύλης που περιλαμβάνει. Γιατί η ποσότητα της ύλης που έχει το κάθε άστρο όταν γεννιέται, καθαρίζει επακριβώς και τη μοίρα του: τη ζωή του και το θάνατό του!
Μερικά άστρα γεννιούνται με λιγοστό υδρογόνο, λάμπουν αμυδρά με ένα αδύναμο φως, έχουν μια κοκκινωπή φαιά απόχρωση και επιφανειακή θερμοκρασία 3.000 βαθμούς Κελσίου. Άστρα σαν τον Ήλιο μας έχουν περισσότερα υλικά, είναι θερμότερα και λάμπουν στους 6.000 βαθμούς Κελσίου, με ένα έντονο κιτρινωπό φως. Μερικά άλλα, πάλι, έχουν πολλαπλάσια υλικά από ό,τι ο Ήλιος, είναι κυανόλευκα με θερμοκρασία 20.000 βαθμούς Κελσίου και λάμπουν με την ένταση ενός εκατομμυρίου ήλιων. Η μάζα πάντως του κάθε άστρου δεν καθορίζει μόνο την εμφάνιση που έχει όταν γεννηθεί. Καθορίζει επίσης και τι είδους άστρο θα γίνει, πόσα χρόνια θα ζήσει, πώς θα είναι στη γεροντική του ηλικία και τέλος πώς θα πεθάνει. Όλα εξαρτώνται από την ποσότητα της μάζας που έχει εκεί.
Ένα άστρο ενηλικιώνεται όταν η πίεση της βαρύτητας των εξωτερικών του στρωμάτων εξισορροπείται από την πίεση της ακτινοβολίας και ενέργειας που παράγεται στον πυρήνα του από τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που μετατρέπουν το υδρογόνο σε ήλιο. Έτσι το άστρο αυτό παραμένει σε ισορροπία όσο καιρό η «καύση» του υδρογόνου είναι η μοναδική θερμοπυρηνική αντίδραση που εκτελείται στον πυρήνα του. Η περίοδος Η περίοδος αυτή της ωριμότητας ενός άστρου διαρκεί το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του. Μετά τη σταθεροποίηση ενός άστρου, η μάζα του θα καθορίσει πόσα χρόνια θα ζήσει σταθερά.
Τα μικρά κοκκινωπά άστρα, αυτά που λέμε κόκκινους νάνους, έχουν μόλις το ένα δεκάκις χιλιοστό της λαμπρότητας του Ηλίου και είναι τόσο αμυδρά ώστε κανένα τους δεν φαίνεται από τη Γη χωρίς τη βοήθεια τηλεσκοπίου. Παρόλη όμως την αμυδρότητα και την απλότητά του, ένα μικρό κόκκινο άστρο θα επιζήσει περισσότερο από οποιοδήποτε άλλο είδος άστρου. Επειδή είναι μικρό, οι θερμοπυρηνικές αντιδράσεις του εκτελούνται αργά, και γι’ αυτό λάμπει αμυδρά. Θα χρειαστούν πολλές δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια για να εξαντλήσει το καύσιμο υδρογόνο του.
Αντίθετα, οι τεράστιοι γαλάζιοι γίγαντες είναι άστρα πλούσια σε υλικά και γι’ αυτό ιδιαίτερα σπάταλα. Οι θερμοπυρηνικές τους αντιδράσεις εκτελούνται με έναν ταχύτατο ρυθμό, με αποτέλεσμα να ακτινοβολούν τεράστιες ποσότητες ενέργειας μέσα σε λίγο χρόνο. Γι’ αυτό άλλωστε και η ζωή τους δεν πρόκειται να διαρκέσει πολύ. Ένα άστρο 25 ηλιακών μαζών, για παράδειγμα, σπαταλάει τα υλικά του πολύ γρήγορα λάμποντας 80.000 φορές πιο έντονα από ό,τι ο Ήλιος με μια θερμοκρασία 35.000 βαθμούς Κελσίου. Γι’ αυτό η ζωή ενός τέτοιου άστρου δεν διαρκεί περισσότερο από μερικά εκατομμύρια χρόνια.

ΘΑΝΑΤΟΣ
Όλα, πάντως, τα άστρα στο τέλος της ζωής τους μετατρέπονται σε κόκκινους γίγαντες. Το στάδιο αυτό αποτελεί το προτελευταίο κεφάλαιο της ζωής του κάθε άστρου. Στο στάδιο αυτό ένα άστρο βρίσκεται στον προθάλαμο του θανάτου του. Ενός θανάτου που θα αφήσει πίσω του ένα από τρία μόνο πιθανά «λείψανα», ανάλογα με τη μάζα που έχει κάθε άστρο. Όταν ένα άστρο με λιγότερα υλικά από 4 ηλιακές μάζες γίνει κόκκινος γίγαντας, μπαίνει σε μια περίοδο αστάθειας. Η βαρυτική του δύναμη δεν είναι ικανή να συγκρατήσει τα εξωτερικά του στρώματα, τα οποία αποχωρίζονται σιγά-σιγά και διαφεύγουν στο Διάστημα. Τα αέρια αυτά στρώματα αποχωρώντας σχηματίζουν ένα διαστελλόμενο κέλυφος, το οποίο στα τηλεσκόπιά μας φαίνεται σαν ένας δακτύλιος αερίων. Οι αστρονόμοι των περασμένων αιώνων με τα μικρά τηλεσκόπιά τους νόμιζαν ότι τα αντικείμενα αυτά έμοιαζαν με πλανήτες, γι’ αυτό και το ονόμασαν πλανητικά νεφελώματα.
Τα διαστελλόμενα αέρια των πλανητικών νεφελωμάτων περιλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της αρχικής μάζας ενός άστρου και καθώς αποχωρίζονται από αυτό αφήνουν πίσω τους, αποκαλύπτοντάς τον συγχρόνως, το γυμνό υπερθερμασμένο πυρήνα του. Δηλαδή το αρχικό άστρο έχει μετατραπεί σ’ έναν άσπρο νάνο που ακτινοβολεί ένα έντονο γαλανόλευκο φως από μια επιφάνεια 16.000 φορές μικρότερη από την αρχική του. Δισεκατομμύρια όμως χρόνια αργότερα, ο άσπρος νάνος θα πάψει σιγά-σιγά να ακτινοβολεί μετατρεπόμενος σ’ έναν κρυστάλλινο, άψυχο, μαύρο νάνο.
Άστρα με ακόμα μεγαλύτερη μάζα εκρήγνυνται με την ενέργεια τρισεκατομμυρίων βομβών υδρογόνου. Τεράστιες ποσότητες υλικών εκσφενδονίζονται στο Διάστημα εμπλουτίζοντας το διαστρικό χώρο με «βαριά» χημικά στοιχεία (ανώτερα του σιδήρου) που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια της έκρηξης. Μια τέτοια έκρηξη ονομάζεται νόβα, και αν η έκρηξη δεν είναι αρκετά μεγάλη τα άστρα αυτά μπορεί να επιζήσουν και να επανέλθουν σιγά-σιγά στην προηγούμενη κατάστασή τους, θαμπώνοντας ξανά αργότερα το γύρω Διάστημα με το βίαιο ξέσπασμα μιας νέας νόβα.
«Stella nova» στα λατινικά σημαίνει νέο άστρο, παρόλο που στην πραγματικότητα μια τέτοια έκρηξη σηματοδοτεί το τελευταίο στάδιο της ζωής του. Τα άστρα αυτά μπορεί να εκτοξεύσουν τα υλικά τους περισσότερες από μια φορές. Δεν υπάρχει όμως δεύτερη φορά για τα άστρα που έχουν ύλη πολλαπλάσια της ύλης που έχει ο Ήλιος μας. Όταν τα άστρα αυτά, από τις διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό τους, αναγκαστούν να εκραγούν, τότε η έκρηξη που επακολουθεί είναι ένα από τα πιο βίαια φαινόμενα στο Σύμπαν. Η έκρηξη αυτή ονομάζεται supernova κι έχει σαν αποτέλεσμα τη συμπίεση του αστρικού πυρήνα στα περίπου 10 χιλιόμετρα.
Αποτέλεσμα αυτής της συμπίεσης είναι η δημιουργία μιας σφαίρας με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια στο Σύμπαν, ενώ ένας βόλος υλικών της ζυγίζει ένα δισεκατομμύριο τόνους. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρα νετρονίων, που περιστρέφεται από μερικές δεκάδες έως μερικές εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο εκπέμποντας στο Διάστημα τεράστιες ποσότητες ενέργειας, σαν ένας πραγματικός διαστημικός φάρος. Ένα τέτοιο άστρο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1968. Αργότερα όμως ανακαλύφθηκαν εκατοντάδες παρόμοια αντικείμενα, που λόγω των ραδιοακτινοβολιών που εκπέμπουν ονομάστηκαν παλλόμενες ραδιοπηγές και έγιναν γνωστές με τη διεθνή συγκεκομμένη ονομασία τους ως pulsar.
Μια supernova ή ένα pulsar είναι πραγματικά εντυπωσιακές ανακαλύψεις. Τίποτα όμως δεν μπορεί να συγκριθεί με τη βαρυτική δύναμη μιας μαύρης τρύπας: τα απολειφάδια αυτά της καρδιάς των πιο γιγάντιων άστρων στο Σύμπαν έχουν συμπιέσει τα υλικά δεκάδων ήλιων σε μια «σημειακή ιδιομορφία». Τίποτα δεν μπορεί να ξεφύγει από ένα τέτοιο αντικείμενο, ούτε κι αυτό ακόμα το φως. Γι’ αυτό και η ανακάλυψη μιας μαύρης τρύπας μπορεί να γίνει κυρίως από την επίδραση που έχει αυτή στη γύρω περιοχή της.
Αν, λοιπόν, η μαύρη τρύπα βρίσκεται αρκετά κοντά σ’ ένα άλλο άστρο, η δύναμη της τεράστιας βαρύτητας που έχει θα τραβήξει τα υλικά του άστρου προς το μέρος της, σαν μια απόκοσμη διαστημική ρουφήχτρα. Τα αστρικά υλικά συγκεντρώνονται σ’ έναν παχύ δίσκο επικάθισης (ή προσαύξησης) γύρω από τη μαύρη τρύπα σε μια τελευταία προσπάθεια να αποφύγουν το αναπόφευκτο. Μάταια, όμως, γιατί σύντομα η βαρυτική δύναμη της μαύρης τρύπας τα τραβάει με επιταχυνόμενο ρυθμό στην απύθμενη άβυσσό της, εκπέμποντας στα πρόθυρα ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας που αποτελούν το κύκνειο άσμα των καταδικασμένων σε αφανισμό υλικών.
Υπολογίζεται μάλιστα ότι στο κέντρο του Γαλαξία μας μια τεράστια μαύρη τρύπα καταβροχθίζει κυριολεκτικά τα σωθικά του. Εκατομμύρια άστρα έχουν ήδη πέσει στην αγκαλιά της κεντρικής αυτής μαύρης τρύπας, ενώ παρόμοια αντικείμενα πρέπει να ενεργοποιούν τις εκρηκτικές διαδικασίες που παρατηρούμε και σε άλλους απόμακρους γαλαξίες. Και είναι βέβαιο ότι πέρα από τα όρια ορατότητας των σύγχρονων αστρονομικών μας οργάνων εκτείνονται πραγματικότητες που ούτε να φανταστούμε μπορούμε: διαστημικοί χώροι που ποτέ δεν πρόκειται να δούμε. Γιατί το παράξενο και υπέροχο Σύμπαν στο οποίο ζούμε θα έχει πάντοτε όλο και πιο νέες εκπλήξεις για όλους όσοι προσπαθούν να το κατανοήσουν καλύτερα.

Διονύσιος Σιμόπουλος

Διευθυντής Ευγενίδειου Πλανηταρίου