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