Κοσμολογία

Βαρυτικό κύμα από συγχώνευση μαύρων τρυπών με πολύ διαφορετικές μάζες.

Το σήμα με κωδικό όνομα GW190412 είναι η πρώτη ανίχνευση βαρυτικού κύματος προερχόμενου από την συγχώνευση δυο μαύρων τρυπών με πολύ διαφορετικές μάζες: 8M☉ και 30M☉ (όπου M☉ η μάζα του ήλιου μας).

Για πρώτη φορά στο βαρυτικό κύμα GW190412 «ακούσαμε» μια υψηλότερη αρμονική, παρόμοια με αυτές των μουσικών οργάνων, εξηγεί ο Frank Ohme της ερευνητικής ομάδας Max Planck. Τα συστήματα με άνισες μάζες, όπως το GW190412 δημιουργούν πιο δυνατά σήματα σε σχέση με τις προηγούμενες παρατηρήσεις – τις οποίες δεν μπορούσαμε να ακούσουμε. Η εν λόγω ανίχνευση επιβεβαιώνει άλλη μια φορά την θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία προβλέπει την ύπαρξη των ανώτερων αρμονικών, δηλαδή βαρυτικά κύματα σε δυο ή τρείς φορές υψηλότερες συχνότητες από την θεμελιώδη συχνότητα που παρατηρούνταν μέχρι σήμερα.

Κι αυτό γιατί οι μαύρες τρύπες που προκάλεσαν το κύμα GW190412 διαφέρουν αρκετά στις μάζες τους – έχουν αντίστοιχα 8 και 30 φορές την μάζα του ήλιου. Όλα τα προηγούμενα βαρυτικά κύματα που είχαν ανιχνευθεί είχαν προέλθει από την συγχώνευση μαύρων τρυπών με περίπου ίδιες μάζες.

Αυτή η μεγάλη διαφορά μάζας σημαίνει ότι οι φυσικοί μπορούν να μετρήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια πολλές ιδιότητες του δυαδικού συστήματος: την απόστασή του από την Γη, την γωνία που παρατηρούμε το επίπεδο της τροχιάς του και το πόσο γρήγορα περιστρέφεται η βαρύτερη μαύρη τρύπα γύρω από τον άξονά της.

Το σήμα GW190412 παρατηρήθηκε από τους ανιχνευτές LIGO και Virgo στις 12 Απριλίου 2019. Η συγχώνευση των μαύρων τρυπών συνέβη σε απόσταση 1,9 με 2,9 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.

Η παρατήρηση του GW190412 δείχνει ότι παρόμοια συστήματα μαύρων τρυπών με άνισες μάζες ίσως να μην είναι τόσο σπάνια όσο προβλέπουν κάποια μοντέλα.

https://physicsgg.me/2020/04/20/%ce%b2%ce%b1%cf%81%cf%85%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%ba%cf%8d%ce%bc%ce%b1-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%cf%83%cf%85%ce%b3%cf%87%cf%8e%ce%bd%ce%b5%cf%85%cf%83%ce%b7-%ce%bc%ce%b1%cf%8d%cf%81%cf%89%ce%bd-%cf%84/

Αναθεωρώντας την κοσμολογία: Η επέκταση του Σύμπαντος μπορεί να μην είναι ομοιόμορφη.

Ο Κωνσταντίνος Μίγκας, ερευνητής στην αστρονομία και αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο της Βόννης, στη Γερμανία και ο επιβλέπων Thomas Reiprich σχεδιάζουν να επαληθεύσουν μια νέα μέθοδο που θα επέτρεπε τους αστρονόμους να ελέγξουν την αποκαλούμενη ισοτροπική υπόθεση. Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, το Σύμπαν έχει, παρά τις κάποιες τοπικές διαφορές, τις ίδιες ιδιότητες σε κάθε κατεύθυνση σε μεγάλη κλίμακα.

Ευρέως αποδεκτή ως συνέπεια της καθιερωμένης βασικής φυσικής, η υπόθεση υποστηρίζεται από παρατηρήσεις του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου. Ένα άμεσο υπόλειμμα της Μεγάλης Έκρηξης, η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB ) αντανακλά την κατάσταση του Σύμπαντος όπως ήταν στη βρεφική του ηλικία, μόλις 380.000 ετών. Η ομοιόμορφη κατανομή της CMB στον ουρανό υποστηρίζει ότι σε αυτές τις αρχικές ημέρες το Σύμπαν πρέπει να έχει επεκταθεί ταχύτατα και με τον ίδιο ρυθμό προς όλες τις κατευθύνσεις.

Στο σημερινό Σύμπαν, ωστόσο, αυτό μπορεί να μην είναι αληθές.

«Μαζί με συναδέλφους από τα Πανεπιστήμια της Βόννης και του Harvard, ερευνήσαμε τη συμπεριφορά πάνω από 800 σμήνη γαλαξιών του παρόντος σύμπαντος», αναφέρει ο Κωνσταντίνος, όπως αναφέρεται στην ιστοσελίδα της ESA. «Αν η ισοτροπική υπόθεση ήταν σωστή, οι ιδιότητες των σμηνών θα είναι ομοιόμορφες σε όλο τον ουρανό. Όμως στην πραγματικότητα είδαμε σημαντικές διαφορές».

Οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν μετρήσεις θερμοκρασίας ακτίνων-Χ του εξαιρετικά θερμού αερίου που διαποτίζει τα σμήνη και συνέκρινε τα δεδομένα με το πόσο φωτεινά εμφανίζονται τα σμήνη στον ουρανό. Σμήνη της ίδιας θερμοκρασίας και εντοπισμένα σε ίσες αποστάσεις θα πρέπει να εμφανίζονται το ίδιο φωτεινά. Όμως αυτό δεν είναι εκείνο που οι αστρονόμοι παρατήρησαν.

«Παρατηρήσαμε ότι τα σμήνη με τις ίδιες ιδιότητες, με όμοιες θερμοκρασίες, φαινόταν να είναι λιγότερο φωτεινά από ότι θα αναμέναμε σε μια κατεύθυνση στον ουρανό, και φωτεινότερα από ότι αναμενόταν σε άλλη κατεύθυνση», λέει ο Thomas. «Η διαφορά ήταν αρκετά σημαντική, γύρω στο 30%. Οι διαφορές αυτές δεν είναι τυχαίες αλλά έχουν ένα καθαρό μοτίβο που εξαρτάται από την κατεύθυνση στην οποία παρατηρούσαμε στον ουρανό».

Πριν αμφισβητήσουν το ευρέως αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο, το οποίο παρέχει τη βάση για την εκτίμηση των αποστάσεων του σμήνους, ο Κωνσταντίνος και οι συνάδελφοί του πρώτα αναζήτησαν άλλες πιθανές εξηγήσεις. Ίσως, θα μπορούσε να υπάρχει μη ανιχνεύσιμο αέριο ή νέφη σκόνης που αποκρύβουν την θέα και κάνουν τα σμήνη σε μια ορισμένη περιοχή να εμφανίζονται πιο αδύναμα. Τα δεδομένα, ωστόσο, δεν υποστηρίζουν αυτό το σενάριο.

Σε ορισμένες περιοχές του διαστήματος η κατανομή των σμηνών θα μπορούσε να επηρεάζεται από εκτεταμένες ροές, μεγάλης κλίμακας κινήσεις ύλης που προκαλούνται από βαρυτική έλξη εξαιρετικά μεγάλων δομών όπως μεγάλες ομάδες σμηνών. Αυτή η υπόθεση, ωστόσο, επίσης φαίνεται απίθανη. Ο Κωνσταντίνος προσθέτει ότι τα ευρήματα προκάλεσαν έκπληξη στην ομάδα.

«Αν το Σύμπαν είναι πραγματικά ανισότροπο, ακόμη και αν ήταν μόνο τα τελευταία λίγα δισεκατομμύρια χρόνια, αυτό θα σημάνει μια τεράστια αλλαγή παραδείγματος επειδή η κατεύθυνση κάθε αντικειμένου θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν αναλύουμε τις ιδιότητές του», αναφέρει. «Για παράδειγμα, σήμερα, εκτιμάμε την απόσταση των πολύ απομακρυσμένων αντικειμένων στο Σύμπαν εφαρμόζοντας ένα σύνολο κοσμολογικών παραμέτρων και εξισώσεων. Πιστεύουμε ότι οι παράμετροι αυτοί είναι ίδιοι παντού. Όμως αν τα συμπεράσματά μας είναι σωστά δεν θα συμβαίνει και θα πρέπει να αναθεωρήσουμε όλα τα προηγούμενα συμπεράσματά μας».

Από στελέχη της ESA, το εύρημα θεωρείται ένα εξαιρετικά συναρπαστικό. Προηγούμενες μελέτες, αναφέρουν, υποστήριξαν ότι το παρόν Σύμπαν μπορεί να μη επεκτείνεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά το αποτέλεσμα αυτό – πρώτη φορά ένας τέτοιος έλεγχος έγινε με σμήνη γαλαξιών σε ακτίνες-Χ – έχει μια πολύ μεγαλύτερη σημαντικότητα και επίσης αποκαλύπτει μια μεγάλη δυναμική για μελλοντικές έρευνες.

Οι επιστήμονες εικάζουν ότι αυτή η ενδεχομένως ανώμαλη επίδραση στην κοσμική επέκταση μπορεί να προκληθεί από τη σκοτεινή ενέργεια, το μυστηριώδες συστατικό του κόσμου το οποίο αναλογεί στην πλειονότητα – περίπου 69% – της όλης ενέργειας. Πολύ λίγα είναι γνωστά σήμερα σχετικά με την σκοτεινή ενέργεια, εκτός του ότι εμφανίζεται να επιταχύνει την επέκταση του Σύμπαντος τα λίγα τελευταία δισεκατομμύρια χρόνια.

Το επερχόμενο τηλεσκόπιο Ευκλείδης της ESA, που σχεδιάστηκε για να απεικονίσει δισεκατομμύρια γαλαξιών και να μελετήσει εξονυχιστικά την επέκταση του σύμπαντος, την επιτάχυνσή του και τη φύση της σκοτεινής ενέργειας, μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση αυτού του μυστηρίου στο μέλλον.

Περισσότερα στη δημοσίευση: Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−Tscaling relation. Astronomy & Astrophysics.

https://www.scoop.it/topic/physicists-and-physics/p/4117991612/2020/04/26/-

Η μεταβαλλόμενη ενέργεια του κενού ως μηχανισμός για την κατανόηση της κοσμικής ιστορίας του σύμπαντος.

H επιστήμη της Κοσμολογίας έχει ως στόχο τη μελέτη της εξέλιξης και της δομής του Σύμπαντος συνολικά, αλλά και των επιμέρους δομών που αυτό περιέχει. Η ενδελεχής ανάλυση τόσο των διαστημικών όσο και των επίγειων παρατηρήσεων (της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων, πηγών ακτίνων-Χ, υπερκαινοφανών αστέρων, δομών μεγάλης κλίμακας, κτλ.) συγκλίνουν σε ένα Κοσμολογικό πρότυπο. Σύμφωνα με αυτό, το Σύμπαν δημιουργήθηκε με τη μεγάλη έκρηξη, είναι χωρικά επίπεδο, είναι ομογενές και ισότροπο και έχει ηλικία ~13.8 δισεκατομμυρίων περίπου ετών. Σε αυτό το σημείο είναι σημαντικό να διευκρινιστεί ότι, για τη σύγχρονη Κοσμολογία, “Μεγάλη Έκρηξη” θεωρείται η εκτόνωση μιας αρχικά υπέρπυκνης και υπέρθερμης κατάστασης, η οποία θα μπορούσε να προέλθει από διάφορες εκφάνσεις των θεωριών κβαντικής βαρύτητας. Τα δε κύρια στοιχεία που υποστηρίζουν την ορθότητα αυτού του γενικού πλαισίου της θεωρίας και που δεν ερμηνεύονται στο σύνολο τους από καμία άλλη θεωρία, είναι: (1) η διαστολή του Σύμπαντος, (2) το υπόβαθρο ακτινοβολίας μικροκυμάτων και (3) η γένεση και τα ποσοστά των ελαφρών χημικών στοιχείων.

Στην πρώιμη περίοδό του, το Σύμπαν πέρασε από μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής (σύντομης χρονικής διάρκειας) που ονομάζεται πληθωρισμός. Στη συνέχεια, μετά από μία παρατεταμένη περίοδο στην οποία κυριαρχούσαν κατά σειρά η ακτινοβολία και η ύλη, τα τελευταία 7 δισεκατομμύρια χρόνια εισήλθε και πάλι σε φάση επιταχυνόμενης διαστολής. Μάλιστα, γι’ αυτή τους την ανακάλυψη, οι Perlmutτer, Riess και Schmidt τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής για το έτος 2011.

Γνωρίζουμε επίσης ότι, από το συνολικό ποσό υλοενέργειας που περιέχει το Σύμπαν, μόνο το ~30% αποτελείται από ύλη. Παρά την τεράστια πρόοδο που έχει επιτευχθεί σε θεωρητικό αλλά και σε παρατηρησιακό επίπεδο, δε γνωρίζουμε σχεδόν τίποτα για τη φύση του υπόλοιπου ~70%, το οποίο και ευθύνεται για τη σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Για τον λόγο αυτόν τής έχει δοθεί η αινιγματική ονομασία “σκοτεινή ενέργεια”! Πράγματι, κατά την τελευταία δεκαετία υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον στην κοινότητα των κοσμολόγων και των θεωρητικών φυσικών σχετικά με τη φύση αυτής της εξωτικής “σκοτεινής ενέργειας”. Η απουσία μιας θεμελιώδους θεωρίας, όσον αφορά στον φυσικό μηχανισμό επαγωγής της κοσμικής επιτάχυνσης, έχει ανοίξει ένα παράθυρο σε μια πληθώρα εναλλακτικών κοσμολογικών σεναρίων. Τα περισσότερα από αυτά βασίζονται είτε στην ύπαρξη νέων πεδίων στη φύση (και άρα νέας φυσικής), είτε σε κάποια τροποποίηση της γενικής σχετικότητας του Einstein σε κοσμολογικές κλίμακες.

Η κυρίαρχη σύγχρονη θεωρία για την αρχή και την εξέλιξη του Σύμπαντος (θεωρία της μεγάλης έκρηξης) υποστηρίζει ότι αυτό ξεκίνησε από μια κατάσταση πολύ υψηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας, και έκτοτε διαστέλλεται συνεχώς. Με τη μεγάλη έκρηξη παράγεται ο ίδιος ο χωρόχρονος, ο οποίος εξασφαλίζει το απαραίτητο υπόβαθρο μέσα στο οποίο το Σύμπαν εξελίσσεται. Η διαστολή του Σύμπαντος παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Αμερικανό αστρονόμο Hubble τη δεκαετία του 1920, είχε όμως προβλεφθεί από τη γενικευμένη θεωρία της βαρύτητας του Einstein (Γενική Θεωρία της Σχετικότητας). Σημαντική ένδειξη για την ορθότητα της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης αποτέλεσε η ανακάλυψη, από τους Αμερικανούς αστρονόμους Penzias και Wilson (βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1978), της λεγόμενης Κοσμικής Ακτινοβολίας Μικροκυμάτων του υπόβαθρου (ΚΑΜ). Η ΚΑΜ είναι η αρχική θερμική ακτινοβολία που γέμισε το Σύμπαν μετά την αρχική έκρηξη, με άλλα λόγια πρόκειται για το ενεργειακό απολίθωμα των αρχέγονων φωτονίων (η θερμοκρασία της σήμερα είναι 2.7ο Κ περίπου). Είναι φανερό ότι η μελέτη της μάς οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα για τη φυσική κατάσταση του πρώιμου Σύμπαντος. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας, κατέστη δυνατή, κυρίως κατά την τελευταία δεκαετία, η δημιουργία χαρτών της χωρικής κατανομής της ΚΑΜ. Παρ’ όλα τα θετικά στοιχεία της θεωρίας της μεγάλης έκρηξης, η τελευταία σχετίζεται με το πρόβλημα της αρχικής ανωμαλίας, δηλαδή του απειρισμού της θερμοκρασίας και της πυκνότητας του Σύμπαντος κατά τη στιγμή της “έκρηξης”.

Εξαιτίας της υποατομικής κλίμακας του Σύμπαντος, αυτό αρχικά συμπεριφέρεται ως ένα κβαντικό σύστημα. Παρά το γεγονός ότι μέχρι σήμερα δεν έχουμε μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας, ο χρόνος στον οποίον τα κβαντικά φαινόμενα της βαρύτητας κυριαρχούν ονομάζεται χρόνος Planck και λαμβάνει χώρα τα πρώτα 10-43 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη. Στη συνέχεια, και μόλις 10-35 δευτερόλεπτα μετά τη μεγάλη έκρηξη, θεωρούμε ότι το Σύμπαν περνά σε μια φάση επιταχυνόμενης διαστολής (πληθωρισμός), η οποία τού δίνει μακροσκοπικές διαστάσεις, αυξάνοντας δραστικά το μέγεθός του (κατά ένα παράγοντα 1025). Μέχρι στιγμής δε γνωρίζουμε το πεδίο, αποκαλούμενο “inflaton”, που προκαλεί τον πληθωρισμό, αλλά γίνονται προσπάθειες να καθοριστούν οι ιδιότητές του από παρατηρήσεις. Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, βασική αρχή της κβαντομηχανικής, οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα (άρα και το νεαρό Σύμπαν), ακόμα και όταν βρίσκεται σε χαμηλή ενεργειακή κατάσταση, έχει ενέργεια που σχετίζεται με το “κενό”, η πυκνότητα του οποίου -στο πλαίσιο της καθιερωμένης κβαντικής θεωρίας πεδίου- παραμένει σταθερή και ανεξάρτητη από τον χρόνο. Η έρευνα έχει δείξει ότι αυτή η ενέργεια πρακτικά θα μπορούσε να ευθύνεται για την πρώιμη πληθωριστική περίοδο.

Το βασικό αποτέλεσμα αυτής της πληθωριστικής εποχής είναι ότι εξομαλύνει σε μεγάλο βαθμό τις αρχικές ανομοιογένειες κι επιβάλλει την επίπεδη (Ευκλείδεια) γεωμετρία στο χωρικό μέρος του χωρόχρονου. Στη συνέχεια, δεν είμαστε σίγουροι για το πότε ή το γιατί, η περίοδος αυτή της επιταχυνόμενης διαστολής τελειώνει. Εν συνεχεία, η ενέργεια που την οδηγούσε μετατρέπεται σε συνηθισμένη ύλη και ακτινοβολία, και με αυτόν τον τρόπο αρχίζει η συμβατική κοσμική ιστορία, όπως προβλέπεται από τη θεωρία της μεγάλης έκρηξης. Μετά τον αρχικό πληθωρισμό, το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή της ακτινοβολίας. Αρχικά έχουμε την ισοδυναμία μεταξύ της ηλεκτρομαγνητικής και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, καθώς και τη δημιουργία των βαρυονίων (πρωτονίων, νετρονίων, κτλ.) όπου το βαθμωτό πεδίο του Higgs (Νόμπελ 2013) παίζει βασικό ρόλο. Στη συνέχεια έχουμε τη δημιουργία των πυρήνων των ελαφρύτερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα (κυρίως υδρογόνου, ηλίου και πολύ λίγου λιθίου) και λίγο μετά, εξαιτίας της διαστολής και της συνεπακόλουθης ψύξης που υφίσταται το Σύμπαν, τα ηλεκτρόνια σταδιακά χάνουν την κινητική τους ενέργεια και τελικά συζεύγνυνται με τους ατομικούς πυρήνες για να δημιουργήσουν άτομα. Η εποχή της ακτινοβολίας διαρκεί περίπου ~400,000 χρόνια, ενώ η θερμοκρασία στο τέλος αυτής της περιόδου είναι ~3,000ο Κ.

Κατόπιν, το Σύμπαν εισέρχεται στην εποχή όπου η σημαντικότερη συνιστώσα του κοσμικού ρευστού που καθορίζει τη δυναμική συμπεριφορά του Σύμπαντος είναι η ύλη (σκοτεινή και βαρυονική), που κυριαρχεί για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος. Αυτή η περίοδος χαρακτηρίζεται από τη δημιουργία, μέσω βαρυτικών αλληλεπιδράσεων, των κοσμικών δομών (αρχικά δομές τυπικού μεγέθους αστρικών σμηνών –και λίγο μικρότερες– και σταδιακά μεγέθους γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών). Με την πάροδο του χρόνου, όμως, η δυναμική του Σύμπαντος και η ικανότητά του να γεννά κοσμικές δομές αλλάζει. Ο ρυθμός παραγωγής γαλαξιών συνεχώς φθίνει, και η περαιτέρω δημιουργία σμηνών γαλαξιών μειώνεται δραστικά στη σημερινή εποχή, μιας και η διαστολή αραιώνει συνεχώς τη συγκέντρωση της ύλης και εξασθενεί το ρόλο της βαρύτητας. Ταυτόχρονα, όμως, μία “σκοτεινή” (αόρατη) μορφή ενέργειας, η οποία έχει παρόμοια χαρακτηριστικά με αυτήν που οδηγεί τον αρχικό πληθωρισμό, αρχίζει σιγά-σιγά να κυριαρχεί. Η διατάραξη της σχέσης ύλης −”σκοτεινής” ενέργειας υπέρ της τελευταίας επέδρασε δραματικά στη μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλάζοντας τον ρυθμό διαστολής του από επιβραδυνόμενο σε επιταχυνόμενο.

Συνεπώς, η “σκοτεινή” ενέργεια θα λέγαμε ότι σχετίζεται με ένα νέο πεδίο. Το ρόλο της “σκοτεινής” ενέργειας θα μπορούσε να παίξει η Κοσμολογική σταθερά, η οποία εισήχθη αρχικά από τον Einstein πριν από περίπου 100 χρόνια. Πράγματι, έχει βρεθεί ότι το μοντέλο με την Κοσμολογική σταθερά ερμηνεύει πολύ καλά το παρατηρούμενο Σύμπαν. Όμως η παρατηρούμενη τιμή της είναι απείρως μικρή σε σχέση με την τιμή που πρέπει να έχει στο πρώιμο Σύμπαν, ώστε να οδηγήσει στον αρχικό πληθωρισμό.

Συνοψίζοντας, τα βασικά ανοικτά θέματα στη σύγχρονη Κοσμολογία είναι:

Πώς μπορεί να ξεπεραστεί το πρόβλημα της αρχικής ανωμαλίας;

Με ποιό φυσικό μηχανισμό ξεκινά ο πρώιμος πληθωρισμός, πότε και γιατί τελειώνει, αλλά και πώς το Σύμπαν εισέρχεται στην περίοδο της ακτινοβολίας;

Ποιός είναι ο λόγος για τον οποίον η πληθωριστική φάση “ανάβει” για λίγο στο νεαρό Σύμπαν, στη συνέχεια “σβήνει” για τα επόμενα 7 δισεκατομμύρια χρόνια και κυριαρχεί ξανά στην κοσμική εξέλιξη τα τελευταία 7 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια.

Ποιά είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας, η οποία σχετίζεται με την παρατηρούμενη επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος; Θεωρίες για τη φύση της “σκοτεινής” ενέργειας έχουν προταθεί πολλές (π.χ. παραλλαγές της θεωρίας της βαρύτητας, νέα σωματίδια, νέα πεδία) κι αυτές μελετώνται και ελέγχονται από τους ερευνητές ως προς το εάν και κατά πόσον επαληθεύονται από τις σύγχρονες παρατηρήσεις.

Ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετέχει ο διευθυντής του Ι.Α.Α.Δ.Ε.Τ. του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών και Διευθυντής Ερευνών Κ.Ε.Α.Ε.Μ. της Ακαδημίας Αθηνών Δρ Σ. Βασιλάκος, προτείνει την εφαρμογή στην Κοσμολογία της θεώρησης ότι η ενέργεια του κενού εξελίσσεται με τον χρόνο. Στόχος της παραπάνω πρότασης είναι η επίλυση των προαναφερθέντων ζητημάτων. Με άλλα λόγια, η Κοσμολογική σταθερά του Einstein δεν είναι πλέον μια σταθερά της φύσης, αλλά εξαρτάται από τον χρόνο (Κοσμολογική παράμετρος). Η θεώρηση αυτή βρίσκεται σε πλήρη αντιστοιχία με την ομογένεια και ισοτροπία του Σύμπαντος και δεν αντιτίθεται σε καμία από τις βασικές αρχές τις Κοσμολογίας. Η επιστημονική ομάδα προτείνει κάτι καινούριο: εάν υπάρχει η Κοσμολογική παράμετρος, τότε δεν χρειάζεται η εισαγωγή νέων πεδίων στη φυσική, ούτε η τροποποίηση της θεωρίας βαρύτητας. Η λύση των κλασσικών εξισώσεων πεδίου του Einstein μας δίνει ένα μοντέλο του Σύμπαντος που είναι απαλλαγμένο από τα παραπάνω προβλήματα. Συγκεκριμένα, το Σύμπαν ξεκινά χωρίς αρχική ανωμαλία (χωρίς “μεγάλη έκρηξη”), ευρισκόμενο σε φάση πρώιμου πληθωρισμού (χώρος de-Sitter), ως αποτέλεσμα των κβαντικών ανωμαλιών που προέρχονται από την κβαντική βαρύτητα (θεωρία χορδών). Σε πρόσφατο άρθρο της ομάδας με τίτλο: “Do we come from a quantum anomaly?” προτείνεται ότι οι βαρυτικές κβαντικές ανωμαλίες, ως αποτέλεσμα της κβαντικής βαρύτητας στο πρώιμο Σύμπαν, ευθύνονται για τη δημιουργία του Κόσμου μας. Αυτές οι ανωμαλίες δρουν πριν τον κοσμικό πληθωρισμό και δημιουργούν ενέργεια του κενού, η οποία εξαρτάται από τον χρόνο. Σε αυτήν την ενέργεια το Σύμπαν οφείλει τη μακροσκοπική του διάσταση και σε αυτό το πλαίσιο γίνεται εφικτή η κατανόηση της κοσμικής ιστορίας του Σύμπαντος. Πράγματι, η γρήγορη μεταστοιχείωση του αρχέγονου κενού σε ακτινοβολία παράγει τα αρχέγονα φωτόνια της ΚΑΜ, αλλά και σταματά με φυσικό τρόπο τον πρώιμο πληθωρισμό. Με αυτόν τον τρόπο, το Σύμπαν εισέρχεται ομαλά στην εποχή της ακτινοβολίας, ικανοποιώντας όλες τις αρχές του καθιερωμένου προτύπου. Τέλος, ο μηχανισμός μας σε ένα πολύ μεταγενέστερο στάδιο της ιστορίας του Σύμπαντος πρακτικά οδηγεί την Κοσμολογική παράμετρο στο να τείνει στη σημερινή παρατηρούμενη τιμή της, συνδέοντας με φυσικό και ομαλό τρόπο τον πρώιμο πληθωρισμό με τη σημερινή επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος. Ταυτόχρονα, ο προβλεπόμενος ρυθμός παραγωγής των κοσμικών δομών βρίσκεται σε απόλυτη αντιστοιχία με τις παρατηρήσεις.

Ο μηχανισμός αυτός έχει δημοσιευθεί σε διεθνή ευρωπαϊκά και αμερικανικά επιστημονικά περιοδικά με κριτές υψηλού κύρους (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Journal of Cosmology & Astroparticle Physics, Physical Review D.). Επίσης, γι’ αυτήν την ιδέα η επιστημονική ομάδα έχει λάβει σειρά τιμητικών διακρίσεων στον διεθνή διαγωνισμό βαρύτητας που γίνεται κάθε χρόνο στις ΗΠΑ: Essay Competition of Gravity Research. Η τελευταία διάκριση ήρθε το 2019 με την εργασία “Do we come from a Quantum Anomaly?”. Η εν λόγω επιστημονική εργασία έγινε σε συνεργασία με τους καθηγητές N. Mavromatos (London) και J. Sola (Barcelona) και δημοσιεύθηκε σε ειδική έκδοση του επιστημονικού περιοδικού Intern. Journal. of Mod. Physics D.

https://physicsgg.me/2020/05/13/%ce%b7-%ce%bc%ce%b5%cf%84%ce%b1%ce%b2%ce%b1%ce%bb%ce%bb%cf%8c%ce%bc%ce%b5%ce%bd%ce%b7-%ce%b5%ce%bd%ce%ad%cf%81%ce%b3%ce%b5%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%ba%ce%b5%ce%bd%ce%bf%cf%8d-%cf%89%cf%82/

Alan Guth: το σύμπαν είναι στην πραγματικότητα αιώνιο.

Το σύμπαν ξεκίνησε με μια έκρηξη – μια μεγάλη έκρηξη. Η έκρηξη «τέντωσε» τον ίδιο τον χωροχρόνο, εκτοξεύοντας υπέρθερμη ύλη προς όλες τις κατευθύνσεις. Με την διαστολή του σύμπαντος, η ύλη ψύχθηκε και άρχισε να συγκεντρώνεται σχηματίζοντας τους πρώτους πυρήνες, τα πρώτα άτομα, στη συνέχεια τα άστρα, μετά τους γαλαξίες, και τελικά, όλα όσα σήμερα βλέπουμε και γνωρίζουμε.

Για τον φυσικό και κοσμολόγο Alan Guth, καθηγητή Φυσικής στο MIT, υπάρχει ένα μεγάλο αναπάντητο ερώτημα για την μεγάλη έκρηξη: «τι ήταν αυτό που την προκάλεσε;»

Η απάντηση σύμφωνα με τον Guth βρίσκεται στην θεωρία του κοσμικού πληθωρισμού, οποίος καθορίζει τις προϋποθέσεις της μεγάλης έκρηξης. Για την θεωρία αυτή ο Guth, ο Andrei Linde από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και ο Alexei Starobinsky του Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής Landau της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, τιμήθηκαν με το βραβείο Kavli 2014 στην αστροφυσική.

Σύμφωνα με τη θεωρία, για λιγότερο από ένα εκατομμυριοστό του τρισεκατομυριοστού του τρισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μετά την γέννηση του σύμπαντος, μια εξωτική μορφή ύλης άσκησε μια (πέραν της διαισθήσεώς μας) δύναμη, μια βαρυτική απωστική δύναμη. Παρότι θεωρούμε την βαρυτική δύναμη ελκτική (η εικόνα του Νεύτωνα και το μήλο που πέφτει), η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν επιτρέπει μια τέτοια δύναμη.

Σύμφωνα με τον Guth, στις συνθήκες που επικρατούσαν στο αρχέγονο σύμπαν, όταν οι θερμοκρασίες ήταν εξαιρετικά υψηλές η ύπαρξη ενός τέτοιου υλικού ήταν λογικά πιθανή. Δεν ήταν παρά μια μικροσκοπική κηλίδα, αλλά όταν άρχισε να μεγαλώνει η διαστολή ήταν εκθετική. Εξετάζοντας αυτά τα μοιραία γεγονότα – και το τι συνέβη στη συνέχεια – εγείρονται μερικά από τα πιο συναρπαστικά ερωτήματα στην επιστήμη:

Πως άρχισε το σύμπαν μας, πως θα εξελιχθεί και τι προκάλεσε την δημιουργία του;

Δεν περιμένουμε να απαντήσουμε άμεσα σ’ αυτές τις ερωτήσεις, αλλά οτιδήποτε μας οδηγεί σε μικρά βήματα κατανόησης αυτών των ερωτημάτων είναι εντυπωσιακό.

Ας δούμε λοιπόν πως απαντά ο Guth στα ερωτήματα, από πού προήλθε το σύμπαν μας, τι άλλο υπάρχει εκεί έξω, πως ο πληθωρισμός μπορεί να δημιουργήσει αρχέγονες μαύρες τρύπες, μια υποθετική οντότητα που θα μπορούσε να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος.

Τι υπήρχε πριν αρχίσει ο πληθωρισμός;

Αυτό είναι κάτι που έχω σκεφτεί στο πλαίσιο μιας δημοσίευσης που γράφω με τον Sean Carroll [από το Caltech]. Η ιδέα είναι ότι το σύμπαν είναι στην πραγματικότητα αιώνιο. Υπήρχε πάντοτε, οπότε δεν υπάρχει κάποια αρχή που να απαιτεί εξήγηση. Οι ίδιοι οι νόμοι της Φυσικής δεν φαίνεται να κάνουν σημαντική διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος. Καθώς το σύμπαν εξελίσσεται, η εντροπία του, το μέγεθος που μετράει την αταξία, αυξάνεται. Αυτό που αποκαλούμε μέλλον είναι απλά μια κατεύθυνση προς μεγαλύτερη εντροπία. Μια κατάσταση χαμηλότερης εντροπίας είναι αυτό που αποκαλούμε παρελθόν.

Όμως ένα περίεργο πράγμα συμβαίνει όταν πάρουμε αυτήν την αρχική κατάσταση χαμηλής εντροπίας και την παρακολουθήσουμε πίσω στον χρόνο, προς αυτό που αποκαλούμε παρελθόν: η εντροπία θα αρχίσει να αυξάνεται επίσης και προς αυτήν την κατεύθυνση. Νομίζω ότι οι άνθρωποι που θα ζούσαν [κατά μήκος αυτού του βέλους του χρόνου] δεν θα ένιωθαν κάτι διαφορετικό από αυτό που αισθανόμαστε τώρα. Όλοι θα σκέφτονται ότι ζουν από το παρελθόν προς το μέλλον, μόνο που αυτό που αποκαλούν μέλλον θα είναι αυτό που εμείς αποκαλούμε παρελθόν.

Τι μπορεί να μας πει ο πληθωρισμός σχετικά με τις δυνάμεις που συγκροτούν το σύμπαν μας;

Αν η μόνη ύλη στους γαλαξίες ήταν η ύλη που βλέπουμε, τότε δεν θα ήταν αρκετή για να τους συγκρατήσει ώστε να μην διαλυθούν εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους – ή δεν θα είχαν σχηματιστεί ποτέ. Γιαυτό υπάρχει η υπόθεση της σκοτεινής ύλης, απαραίτητη ώστε να συγκρατείται η ύλη των γαλαξιών. Σε συνεργασία με άλλους φυσικούς και φοιτητές υπολογίζω την παραγωγή των αρχέγονων μαύρων τρυπών σε μια εκδοχή της πληθωριστικής θεωρίας που ονομάζεται υβριδικός πληθωρισμός. Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να είναι συστατικό της σκοτεινής ύλης. Θα μπορούσαν επίσης να είναι οι σπόροι οι οποίοι οδήγησαν στον σχηματισμό των τεράστιων μαύρων τρυπών που εντοπίζονται στα κέντρα των γαλαξιών – μαύρες τρύπες που έχουν εκατομμύρια έως και δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Αν ποτέ εντοπίσουμε τις αρχέγονες μαύρες τρύπες, θα πρόκειται για συγκλονιστική ανακάλυψη.

Είναι το σύμπαν μας όλο αυτό που βλέπουμε;

Η θεωρία του αιώνιου πληθωρισμού μας λέει ότι άπαξ και ξεκινήσει ο πληθωρισμός, δεν θα σταματήσει ποτέ. Μάλλον εκεί που τελειώνει δημιουργούνται σύμπαντα. Τα αποκαλούμε σύμπαντα τσέπης γιατί κανένα από αυτά δεν είναι αυτό που εκφράζει μόνη της έννοια συν-πᾶν. Ζούμε σε ένα από αυτά. Και παρόλο που τα σύμπαντα τσέπης συνεχίζουν να σχηματίζονται, υπάρχει πάντα ένας όγκος εξωτικού υλικού απωστικής βαρύτητας που μπορεί να αυξάνεται για πάντα, παράγοντας έναν άπειρο αριθμό αυτών των κόσμων τσέπης σε μια ατελείωτη διαδικασία.

Κάθε ξεχωριστό σύμπαν-τσέπης τελικά πιθανώς να πεθάνει, με την έννοια ότι θα εξαντληθεί η ενέργειά του και θα κρυώσει. Όμως, στη μεγάλη εικόνα όλων των συμπάντων τσέπης, η ζωή θα εμφανιζόταν συνεχώς σε όλο και περισσότερα από αυτά.

Υπάρχει κάτι αρνητικό στο να ζεις σε ένα πολυσύμπαν;

Το πρόβλημα με ένα άπειρο πολυσύμπαν είναι ότι αν θέσουμε μια απλή ερώτηση όπως, «εάν ρίξετε ένα νόμισμα ποια είναι η πιθανότητα να εμφανιστεί κορώνα», συνήθως θα λέγατε 50%. Αλλά στο πλαίσιο του πολυσύμπαντος, η απάντηση είναι ότι υπάρχει ένας άπειρος αριθμός κορωνών και άπειρος αριθμός γραμμάτων. Δεδομένου ότι δεν μπορούμε να συγκρίνουμε άπειρες ποσότητες, δεν υπάρχει σαφής τρόπος να λέμε ότι κάποιοι τύποι γεγονότων είναι πιο πιθανοί και κάποιοι άλλοι τύποι σπάνιοι. Αυτό οδηγεί σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την σημασία της πιθανότητας. Και οι πιθανότητες είναι ζωτικής σημασίας για τους φυσικούς, επειδή η βασική μας θεωρία είναι η κβαντική θεωρία, η οποία θεμελιώνεται με τις πιθανότητες, επομένως θα πρέπει να αποκτήσουμε μια βαθύτερη γνώση γι αυτές.

https://physicsgg.me/2020/05/23/alan-guth-%cf%84%ce%bf-%cf%83%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bd-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%83%cf%84%ce%b7%ce%bd-%cf%80%cf%81%ce%b1%ce%b3%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8c%cf%84%ce%b7%cf%84/

Ένα πείραμα ελεύθερης πτώσης τεραστίων διαστάσεων.

Η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν – η γενική θεωρία της σχετικότητας – βασίζεται στην παγκοσμιότητα της ελεύθερης πτώσης, σύμφωνα με την οποία όλα τα σώματα αποκτούν την ίδια επιτάχυνση σε ένα εξωτερικό βαρυτικό πεδίο. Σε αντίθεση με όλες σχεδόν τις εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας, η ισχυρή αρχή της ισοδυναμίας της γενικής σχετικότητας απαιτεί την ισοδυναμία των επιταχύνσεων των σωμάτων, ακόμα κι αυτών που διαθέτουν τεράστια μάζα (πλανήτες, άστρα), ανεξάρτητα από την ιδιο-βαρυτική συνοχή τους.

Οι αστρονόμοι Voisin et al επιβεβαίωσαν με μεγαλύτερη ακρίβεια το φαινόμενο αυτό, μελετώντας πάλι το τριπλό αστρικό σύστημα PSR J0337+1715 που συνίσταται από δυο λευκούς νάνους και ένα άστρο νετρονίων.

Στην εργασία τους «An improved test of the strong equivalence principle with the pulsar in a triple star system» , δείχνουν ότι δυο άστρα (ένα άστρο νετρονίων και ένας λευκός νάνος) «πέφτουν» με την ίδια επιτάχυνση στο πεδίο βαρύτητας ενός (δεύτερου) λευκού νάνου.

Πρόκειται για την πραγματοποίηση μιας αστρικής έκδοσης του διάσημου πειράματος του Γαλιλαίου από τον πύργο της Πίζας: δυο σώματα διαφορετικής σύστασης πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση στο βαρυτικό πεδίο της Γης. Αν μετρούσαν μια μικρή διαφορά στις επιταχύνσεις, ανάλογα με το πόσο ισχυρά συνείχε τα σώματα η ίδια τους η βαρύτητα, τότε θα παρατηρούσαν το λεγόμενο φαινόμενο Nordtvedt…

Περισσότερα για την ισχυρή αρχή της ισοδυναμίας, για το φαινόμενο Nordtvedt (και για σχετικές παλαιότερες μετρήσεις) μπορείτε να διαβάσετε στην ανάρτηση «Η ελεύθερη πτώση ενός άστρου νετρονίων κι ενός λευκού νάνου»

https://physicsgg.me/2018/07/06/%CE%B7-%CE%B5%CE%BB%CE%B5%CF%8D%CE%B8%CE%B5%CF%81%CE%B7-%CF%80%CF%84%CF%8E%CF%83%CE%B7-%CE%B5%CE%BD%CF%8C%CF%82-%CE%AC%CF%83%CF%84%CF%81%CE%BF%CF%85-%CE%BD%CE%B5%CF%84%CF%81%CE%BF%CE%BD%CE%AF%CF%89/

, ενώ για τις πρόσφατες ακριβέστατες μετρήσεις των νέων μετρήσεων μπορείτε να βρείτε ΕΔΩ: «Astrophysicists confirm cornerstone of Einstein’s Theory of Relativity»

https://phys.org/news/2020-06-astrophysicists-cornerstone-einstein-theory-relativity.html

(ή αν θέλετε τεχνικές λεπτομέρειες ΕΔΩ)

https://arxiv.org/pdf/2005.01388.pdf

Στην φωτογραφία Οι τροχιές των άστρων του συστήματος PSR J0337+1715 (δυο λευκοί νάνοι και ένα πάλσαρ) σε διαδοχικές μεγεθύνσεις.

https://physicsgg.me/2020/06/13/%ce%ad%ce%bd%ce%b1-%cf%80%ce%b5%ce%af%cf%81%ce%b1%ce%bc%ce%b1-%ce%b5%ce%bb%ce%b5%cf%8d%ce%b8%ce%b5%cf%81%ce%b7%cf%82-%cf%80%cf%84%cf%8e%cf%83%ce%b7%cf%82-%cf%84%ce%b5%cf%81%ce%b1%cf%83%cf%84%ce%af/

Eντοπίστηκε μία από τις πρώτες εκρήξεις του Σύμπαντος.

Το Σύμπαν για το ανθρώπινο μυαλό είναι κάτι άπειρο, κάτι που δεν ισχύει, τουλάχιστον για το δικό μας Σύμπαν (γιατί μάλλον υπάρχουν άπειρα σύμπαντα), το οποίο είναι πεπερασμένο με αρχή, μέση και τέλος.

Όλα ξεκίνησαν με μια «Μεγάλη Έκρηξη» και αμέσως μετά από αυτό το γεγονός τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια συνέβησαν αμέτρητα βίαια φαινόμενα.

Οι αστρονόμοι του τηλεσκοπίου Gemini-North της Χαβάης, έκαναν την σπάνια παρατήρηση μιας έκλαμψης από σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα, η οποία σημειώθηκε σε απόσταση 10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη.

Το συγκεκριμένο περιστατικό είναι σπάνιο, διότι είναι από τα πιο απομακρυσμένα παρόμοια περιστατικά που έχουν παρατηρηθεί από τους επιστήμονες.

Όσο πιο μακριά βρίσκεται ένα αντικείμενο από τη Γη, τόσο πιο αμυδρό θα είναι και το φως που εκπέμπει και που θα είναι ορατό στον πλανήτη μας και φυσικά τόσο πιο πίσω στο παρελθόν θα βρίσκεται, αφού το φως του είναι αυτό που μας ενημερώνει για την «πραγματικότητά» του σε μια δεδομένη χρονική στιγμή.

Για αυτό το λόγο οι ερευνητές του πανεπιστημίου Northwestern, βρέθηκαν προ εκπλήξεως, όταν διαπίστωσαν την απόσταση που σημειώθηκε η έκλαμψη, η οποία είναι μια από τις πιο ισχυρές που έχει παρατηρηθεί.

Δηλαδή είδαν ένα γεγονός που έλαβε χώρα 10 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.

Το συγκεκριμένο φως ήταν η έκλαμψη μιας σύντομης έκρηξης ακτίνων γάμμα (SGRB) και είναι η δεύτερη πιο μακρινή που έχει εντοπιστεί. Την ίδια ώρα, υπολογίζεται πως η εν λόγω έκρηξη, σημειώθηκε 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά από το Big Bang, τη Μεγάλη Έκρηξη που σύμφωνα με τους επιστήμονες δημιούργησε το σύμπαν. Επίσης, το συγκεκριμένο φαινόμενο αποτελεί και την πιο απομακρυσμένη σύντομη έκρηξη ακτίνων γάμμα που παρατηρήθηκε και υπολογίστηκε.

Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal Letters την Τρίτη, συντάχθηκε από την βοηθό καθηγητή του πανεπιστημίου Northwestern, Γουέν-φάι Φονγκ, η οποία δήλωσε πως, η ομάδα «σίγουρα δεν περίμενε να ανακαλύψει ένα μακρινό SGRB, καθώς είναι εξαιρετικά σπάνια και πολύ αμυδρά».

Τα SGRB, οι σύντομες εκρήξεις ακτίνων γάμμα, προκαλούνται συνήθως από τη συγχώνευση δύο άστρων νετρονίων, τα οποία απελευθερώνουν μια απίστευτη έκρηξη φωτεινής ενέργειας. Μέχρι να φτάσει στη Γη, όμως, αυτή η απελευθέρωση ενέργειας είναι τόσο αχνή όσο και φευγαλέα. Τέτοιες εκρήξεις διαρκούν μόλις λίγες ώρες πριν ξεθωριάσουν.

Η άμεση αντίδραση των επιστημόνων έδωσε ακριβή στοιχεία

Αυτή την έκρηξη, που ονομάστηκε SGRB181123B, οι ερευνητές μπόρεσαν να την εντοπίσουν μέσω ενός συνδυασμού ακριβούς επιστήμης και απόλυτης τύχης.

Ανιχνεύθηκε αρχικά το βράδυ των Ευχαριστιών το 2018 από τη NASA, η ομάδα του πανεπιστημίου Northwestern γρήγορα τοποθέτησε το τηλεσκόπιο Gemini-North προς την απαραίτητη κατεύθυνση, για να μετρήσουν το μέγεθος της λάμψης. Ορισμένες παρατηρήσεις από τη Χιλή και την Αριζόνα βοήθησαν, στο να δημιουργηθεί μια εικόνα σχετικά με το τι αφορούσε η έκλαμψη.

Λόγω της άμεσης αντίδρασης της ομάδας, «μπορέσαμε να λάβουμε ακριβείς παρατηρήσεις της έκρηξης, λίγες ώρες μετά την ανακάλυψή της», δήλωσε η Κέρι Πάτερσον, μία από τους συγγραφείς της μελέτης.

Τα μυστικά του «έφηβου» σύμπαντος

Η ανακάλυψη είναι σημαντική, επειδή η έκλαμψη συνέβη όταν το σύμπαν ήταν μόλις στα εφηβικά του στάδια. Περίπου στο 30% της τρέχουσας ηλικίας του και έτσι προσφέρει μια σπάνια ματιά στις συγχωνεύσεις νετρονίων, σε μια περίοδο γνωστή ως «κοσμικό υψηλό μεσημέρι».

«Η εύρεση ενός SGRB σε αυτό το σημείο στην ιστορία του σύμπαντος, υποδηλώνει πως, σε μια εποχή που το σύμπαν σχημάτιζε πολλά άστρα, το ζεύγος των άστρων νετρονίων μπορεί συγχωνεύθηκε αρκετά γρήγορα», δήλωσε η Φονγκ.

Λογικό άλλωστε, από την στιγμή που το τότε Σύμπαν, ήταν ιδιαίτερα πυκνό και στις αρχές της «ζωής» του. Τα πράγματα ήταν πολύ διαφορετικά.

Σύμφωνα με την Θεωρία των Υπερχορδών, το δικό μας Σύμπαν μπορεί να είναι μια απλή «παλλόμενη» σφαίρα χωροχρόνου που εκρήγνυται και «μαζεύεται» ξανά και ξανά, όπως κάνουν άπειρες άλλες τέτοιες σφαίρες.

Βέβαια αυτό, για την δική μας μικρή πεπερασμένη ζωή φαίνεται να μην έχει ιδιαίτερη σημασία, αλλά από την άλλη πρόκειται για έννοιες που βοηθούν περισσότερο στην κατανόηση της απειρίας του Θεού σε μεταφυσικό-επιστημονικό επίπεδο.

https://www.pronews.gr/epistimes/diastima/896549_epistimones-entopisan-spania-ekrixi-poy-egine-sto-proimo-sympan-foto

Το σύμπαν μας δεν είναι το μόνο.

Το σύμπαν δεν είναι ένα, όπως δεν υπήρξε ένα και μοναδικό Big Bang. Οι μακρινοί γαλαξίες απομακρύνονται από κοντά μας, ενώ ο υπερ-γαλαξίας που θα δημιουργηθεί από τη συνένωση των γειτονικών μας γαλαξιών θα μείνει μόνος σε ένα άδειο σύμπαν και τελικά θα αποσυντεθεί. Ομως πολύ πριν συμβούν όλα αυτά, η ανθρωπότητα ενδέχεται να ζήσει μεγάλες καταστροφές, και το είδος μας να κινδυνεύσει με εξαφάνιση.

Φως στη μακρινή αρχή της ζωής και στα μυστικά της σκοτεινής ύλης που αποτελεί το 85% όλης της ύλης του σύμπαντος αλλά ακόμη δεν γνωρίζουμε τη φύση της ρίχνει ο Γιώργος Ευσταθίου, διακεκριμένος καθηγητής Αστροφυσικής, διευθυντής του Ινστιτούτου Κοσμολογίας του Πανεπιστημίου Κέμπριτζ και εταίρος της Βασιλικής Ακαδημίας της Βρετανίας, ο οποίος σε όλη του τη ζωή αναζητεί απαντήσεις στα θεμελιώδη ανθρώπινα ερωτήματα για την αρχή του κόσμου μας. Εχει λάβει πολλές διακρίσεις και βραβεία για επαναστατικές ανακαλύψεις αναφορικά με τον σχηματισμό και την εξέλιξη των γαλαξιών. Ανέπτυξε προσομοιώσεις στον ηλεκτρονικό υπολογιστή που έδειξαν ότι η σκοτεινή ύλη ορίζει την πορεία τους. Είχε για 21 χρόνια ηγετικό ρόλο στο έργο της αποστολής του δορυφόρου Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, η οποία άνοιξε παράθυρο στην εικόνα του σύμπαντος λίγο μετά τη Μεγάλη Εκρηξη και στο παλιότερο φως του κόσμου.

Εχει ανακηρυχθεί ένας από τους επτά σοφούς του κόσμου.

Η Κοσμολογία μας διδάσκει ότι το σύμπαν έχει ηλικία 13,8 δισεκατομμυρίων ετών. Ο Hλιος μας μετρά 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, και έχει σχεδόν διανύσει τη μισή ζωή του. Στο τέλος, ο Hλιος θα γίνει ερυθρός γίγαντας και θα καταστρέψει τη Γη. Oμως ας πιάσουμε τα πράγματα από την αρχή.

– Πώς ακριβώς γεννήθηκε ο κόσμος μας; Γνωρίζουμε τα όρια του σύμπαντος;

– Σύμφωνα με τη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, αν πάμε πίσω στον χρόνο η θερμοκρασία και η πυκνότητα του σύμπαντος γίνεται άπειρες. Οι κοσμολόγοι αποκαλούν αυτήν την κατάσταση «μοναδικότητα». Καμιά φορά ταυτίζουμε τη «μοναδικότητα» με τη Μεγάλη Εκρηξη. Ομως η φυσική αυτή θεωρία είναι ατελής, καθώς καταρρέει σε πολύ υψηλές ενέργειες. Χρειαζόμαστε λοιπόν μια θεωρία της βαρύτητας που να ισχύει σε αυτές τις συνθήκες, με άλλα λόγια μια κβαντική θεωρία της βαρύτητας. Η Θεωρία Χορδών είναι μια προσπάθεια οικοδόμησης μιας τέτοιας θεωρίας, μολονότι δεν γνωρίζουμε πραγματικά πώς επαληθεύεται, ή εάν είναι σωστή. Προς το παρόν, φαίνεται ότι η Θεωρία των Χορδών οδηγεί σε ένα «πολυσύμπαν», όπου το σύμπαν μας είναι ένα από τα πολλά σύμπαντα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους. Εάν αυτό είναι σωστό, δεν υπήρξε ένα και μοναδικό Big Bang. Φυσικά, όλα αυτά είναι θεωρητικά.

– Από πού προήλθε η ζωή;

– Θα έλεγα από «μια στατιστική διακύμανση»! Από αυξομειώσεις στην κβαντική ροή. Θα μου προκαλούσε μεγάλη έκπληξη αν η ζωή ήταν αναπόφευκτη συνέπεια των νόμων της Φυσικής. Σε ένα πολυσύμπαν όπως το περιέγραψα παραπάνω, τα περισσότερα σύμπαντα είναι στείρα, δεν υπάρχουν σε αυτά οι συνθήκες που θα επέτρεπαν την ύπαρξη ζωής. Αλλά σε ορισμένες ειδικές γωνίες του πολυσύμπαντος, μία από τις οποίες είναι και η δική μας, οι συνθήκες, κατά τύχη, επέτρεψαν στα αστέρια να δημιουργήσουν εκείνα τα χημικά στοιχεία που έκαναν δυνατή την ανάπτυξη της ζωής. Ετσι, αν με ρωτήσετε «σε τι οφείλουμε την ύπαρξή μας», θα σας απαντούσα, «πιθανότατα, σε ένα τυχαίο γεγονός».

– Ποιο είναι το μέλλον του κόσμου;

– Πειράματα έχουν δείξει ότι το σύμπαν επιταχύνεται αντί να επιβραδύνεται, κάτι που θα συνέβαινε αν το σύμπαν αποτελούνταν από συμβατική ύλη. Αυτή η επιτάχυνση προκαλείται από ένα στοιχείο του σύμπαντος που είναι γνωστό ως «σκοτεινή ενέργεια». Βέβαια, μολονότι την έχουμε ονοματίσει, κανείς δεν γνωρίζει τι είναι πραγματικά η σκοτεινή ενέργεια. Η επιτάχυνση του σύμπαντος έχει ως αποτέλεσμα, οι μακρινοί γαλαξίες να απομακρύνονται από εμάς γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός. Στο απώτερο μέλλον, τα δισεκατομμύρια των μακρινών γαλαξιών που μπορούμε να δούμε σήμερα με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, θα έχουν εξαφανιστεί, δεν θα βρίσκονται σε αιτιώδη επαφή. Ο γαλαξίας μας θα συγχωνευθεί με τους κοντινούς γαλαξίες σχηματίζοντας έναν μεγάλο υπερ-γαλαξία. Στο μακρινό μέλλον, αυτός ο υπερ-γαλαξίας θα μείνει μόνος του σε ένα κατά τα άλλα άδειο σύμπαν. Τα αστέρια θα πεθάνουν και τελικά τα πρωτόνια θα αποσυντεθούν. Ολη η μνήμη της ανθρώπινης ύπαρξης θα διαγραφεί. Υπάρχουν και άλλες πιθανότητες, ενδέχεται το σύμπαν μας να διαλυθεί σε μια νέα κατάσταση, αλλά το μέλλον της ανθρωπότητας είναι εξίσου ζοφερό και σε αυτό το σενάριο. Το θετικό είναι ότι έχουμε μπροστά μας μερικά δισεκατομμύρια χρόνια πριν συμβεί κάτι τέτοιο.

– Ποιο είναι το μέλλον του ανθρώπινου είδους;

– Ειλικρινά, ανησυχώ για την ικανότητά μας ως είδος να επιβιώσουμε τα επόμενα 100 χρόνια! Ο Μάρτιν Ρις, συνάδελφός μου στο Κέμπριτζ, έγραψε ένα βιβλίο με τίτλο «Ο Τελικός μας Αιώνας», εξετάζοντας διάφορες πιθανές καταστροφές (συμπεριλαμβανομένης μιας πανδημίας) που θα μπορούσαν να εξαφανίσουν το μεγαλύτερο μέρος της ανθρωπότητας. Με βάση αυτήν την εκτίμηση, υπάρχει μια 50/50 πιθανότητα η ανθρωπότητα να επιβιώσει τον επόμενο αιώνα. Συμμερίζομαι αυτήν την απαισιόδοξη εκτίμηση. Σε 100 χρόνια υποψιάζομαι ότι θα υπάρχουν πολύ λιγότεροι άνθρωποι που θα ζουν υπό βιώσιμες συνθήκες.

– Τι μας διδάσκουν τα αστέρια και οι γαλαξίες;

– Ο κύριος στόχος της Αστρονομίας / Κοσμολογίας είναι να προσπαθήσει να δώσει απαντήσεις στα μεγάλα παιδικά ερωτήματα που θέτουμε όλοι: Πώς φτάσαμε έως εδώ; Ποια είναι η αρχή του σύμπαντος; Πόσο μεγάλο είναι; Από τι αποτελούμαστε; Σε πιο τεχνικό επίπεδο, παρατηρώντας το σύμπαν –αστέρια, μαύρες τρύπες, γαλαξίες, κοσμική ακτινοβολία– μπορούμε να κάνουμε δοκιμές υπό πολύ πιο ακραίες συνθήκες από εκείνες που βιώνουμε στη Γη. Για παράδειγμα, με τον δορυφόρο Planck, οι συνάδελφοί μου και εγώ καταφέραμε να κάνουμε δοκιμές σε ενέργειες ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερες από την υψηλότερη ενέργεια που παρήχθη στον Μεγάλο Επιταχυντή Ανδρονίων στο Cern.

– Αλλαξε ο τρόπος που βλέπετε την Αστροφυσική;

– Ποτέ δεν μεγάλωσα! Συνέχισα να θέτω παιδικά ερωτήματα και ευτυχώς κατάφερα να έχω μια θέση ερευνητή σε πανεπιστήμιο. Νομίζω ότι όλοι θέτουν αυτά τα μεγάλα ερωτήματα – εγώ είμαι αρκετά τυχερός που πληρώνομαι για να τα μελετήσω.

Οι θεωρίες συνωμοσίας, οι επιστήμονες και το τέλος της πανδημίας

Ο Γιώργος Ευσταθίου γεννήθηκε το 1955 στο Λονδίνο, όπου μεγάλωσε ακούγοντας ελληνικά από τους γονείς του, Πέτρο και Χριστίνα Ευσταθίου, οι οποίοι μετανάστευσαν σε νεαρότατη ηλικία από την Κύπρο στο Ηνωμένο Βασίλειο, στις αρχές του 1950. Η πιο ζωντανή μνήμη της παιδικής του ηλικίας είναι η εικόνα του νεογέννητου αδελφού του (είναι το μεγαλύτερο από τρία αδέλφια), «ήμουν τριών χρόνων και θυμάμαι τη σκηνή με μεγάλη λεπτομέρεια». Εκείνος που τον έκανε να αγαπήσει την επιστήμη ήταν ο πατέρας του, ενώ από πολύ μικρή ηλικία άρχισε να διαβάζει και να ασχολείται με ερωτήματα, όπως γιατί ο ουρανός είναι σκοτεινός τη νύχτα –μια καθόλου εύκολη απάντηση–, πώς σχηματίζονται οι πλανήτες, τι γνωρίζουμε για το σύμπαν. Σε ηλικία μόλις 11 ετών απέκτησε το πρώτο του τηλεσκόπιο, με το οποίο πραγματοποιούσε δοκιμές χρόνου στους δορυφόρους του Δία, παρακολουθώντας τις τροχιές τους γύρω από τον πλανήτη, ενώ κατέγραφε τις φάσεις του φεγγαριού και αποτύπωνε σε σχέδια την εικόνα της επιφάνειάς του. Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και έλαβε το διδακτορικό του στην αστρονομία από το Πανεπιστήμιο του Ντάραμ. Η συνέχεια είχε καθοριστικούς σταθμούς. Πανεπιστήμιο Μπέρκλεϊ, Ινστιτούτο Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, καθηγητής Αστρονομίας και επικεφαλής Αστροφυσικής στην Οξφόρδη, επιστροφή στο Κέμπριτζ ως διευθυντής του Ινστιτούτου Αστρονομίας και στη συνέχεια ως πρώτος διευθυντής του Ινστιτούτου Κοσμολογίας.

Αυτό που τον συναρπάζει στην επιστήμη είναι τα εκτεταμένα συμπεράσματα που μπορείς να βγάλεις από απλές παρατηρήσεις, το βάθος που υπάρχει πίσω από απλές ερωτήσεις, η δυνατότητα να θέτεις ερωτήματα που απαιτούν βαθιά γνώση του τρόπου που το σύμπαν λειτουργεί και να δίνεις λύσεις. Δεν μπορεί να φανταστεί πώς θα ήταν η ζωή σε έναν κόσμο χωρίς επιστήμη, η οποία μπορεί και πρέπει να καθοδηγεί τις πολιτικές αποφάσεις.

– Θεωρίες συνωμοσίας, ένα κύμα σκοταδισμού συνοδεύει συχνά τα άλματα στην ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας. Πού βαδίζουμε;

– Η επιστήμη βασίζεται σε στοιχεία. Υπάρχουν ορισμένα επιστημονικά ερωτήματα οι απαντήσεις στα οποία δεν αμφισβητούνται, για παράδειγμα, ο ηλεκτρομαγνητισμός περιγράφεται από τις εξισώσεις του Μάξγουελ. Υπάρχουν όμως και άλλα επιστημονικά ερωτήματα που δεν έχουν τόσο σαφείς απαντήσεις, για παράδειγμα, θα είναι ένα υποψήφιο εμβόλιο αποτελεσματικό κατά του κορωνοϊού; Eνα σημαντικό μέρος της επιστήμης εμπεριέχει την αβεβαιότητα, αφορά την ανάλυση αποδεικτικών στοιχείων και την αξιολόγηση αυτού που πραγματικά γνωρίζουμε. Αυτό απαιτεί αντικειμενικότητα και ακεραιότητα. Η αντικειμενικότητα χάνεται όταν οι άνθρωποι δουλεύουν με βάση το ένστικτο, την πίστη ή τη μόδα. Oπως διαπιστώνει διαρκώς ο Ντόναλντ Τραμπ, δεν μπορείς να τα βάζεις με τον ιό – θα κάνει τα δικά του και δεν θα απαντήσει στο tweet.

– Λαμβάνουν οι κυβερνήσεις υπόψη τους τη γνώμη των επιστημόνων;

– Οι κυβερνήσεις δίνουν πολύ περισσότερη προσοχή στους επιστήμονες μετά την πανδημία. Στο Ηνωμένο Βασίλειο πιστεύω ότι έχουν ακούσει τους επιστήμονες σε σειρά σοβαρών θεμάτων, όπως ο αφθώδης πυρετός, η νόσος των τρελών αγελάδων, η κλιματική αλλαγή, τα γενετικώς τροποποιημένα τρόφιμα κ.ά. Ανησυχώ εδώ και πολλά χρόνια που τόσο λίγοι πολιτικοί έχουν επιστημονική κατάρτιση. Στο Ηνωμένο Βασίλειο υπάρχουν πολλοί πρώην δικηγόροι, τραπεζίτες κ.ο.κ., αλλά πολύ λίγοι με επιστημονική εκπαίδευση. Μερικές φορές, η μικρή κατανόηση της επιστήμης οδηγεί σε κακές αποφάσεις. Για παράδειγμα, στη Βρετανία η κυβέρνηση επιδότησε γενναία τα αυτοκίνητα ντίζελ (ακολουθώντας κάποιες επιστημονικές συμβουλές), αλλά δεν έθεσε αρκετά ερωτήματα. Μέχρι που διαπίστωσε την απάτη των κατασκευαστών με τις εκπομπές ρύπων.

– Πώς θα επηρεάσει η κρίση του κορωνοϊού τον τρόπο ζωής μας;

– Βαθέως. Νομίζω ότι μπορεί να χρειαστούν και 30 χρόνια για να επιστρέψουμε στην προ κορωνοϊού κατάσταση. Το τέλος της πανδημίας θα έλθει με την ανοσία αγέλης, είτε με φυσικό τρόπο είτε μέσω μαζικών εμβολιασμών. Ωστόσο, είμαι αρκετά απαισιόδοξος και φοβάμαι πως θα χαθούν πολλές ζωές ακόμη. Μακροπρόθεσμα, η πανδημία μπορεί να ενθαρρύνει τους ανθρώπους να ακολουθούν έναν πολύ πιο υγιεινό τρόπο ζωής, κάτι που θα ήταν μια θετική εξέλιξη.

– Η Ελλάδα και η Κύπρος αντιμετώπισαν πολύ καλά την κρίση του κορωνοϊού. Αυτό δεν συνέβη παντού.

– Δεν είμαι ειδικός, αλλά πιστεύω ότι η Ελλάδα και η Κύπρος προχώρησαν πολύ νωρίς σε lockdown, κάτι που έσωσε πολλές ζωές. Αντίθετα, με εξέπληξε το κακό μοντέλο που χρησιμοποίησε η βρετανική κυβέρνηση. Ηταν σαφές τόσο σε μένα όσο και σε πολλούς άλλους «επιδημιολόγους του καναπέ» ότι το βρετανικό μοντέλο δεν συμβάδιζε με τα δεδομένα και ότι ο χρόνος διπλασιασμού των κρουσμάτων ήταν περίπου τρεις ημέρες. Το Ηνωμένο Βασίλειο θα έπρεπε να έχει επιβάλει lockdown πολύ νωρίτερα. Δεν υπάρχει δικαιολογία γι’ αυτό που έγινε, τα στοιχεία ήταν πολύ σαφή.

– Πώς αντιλαμβάνεστε την τρέχουσα κατάσταση στην Ελλάδα; Ποιο θα μπορούσε να είναι το μέλλον της χώρας;

– Kαι πάλι, δεν είμαι ειδικός. Φοβάμαι (και πραγματικά ελπίζω να κάνω λάθος) ότι η τουριστική βιομηχανία θα πληγεί σκληρά για πολλά χρόνια. Η υποστήριξη της υψηλής τεχνολογίας στην οικονομία πρέπει να αποτελεί βασική προτεραιότητα. Οσον αφορά τον τουρισμό, το πιο αποτελεσματικό θα ήταν ίσως ο κλάδος να επικεντρωθεί σε έναν μόνο στόχο: μικρότερο όγκο τουριστών, υψηλότερη ποιότητα.

Σύμφωνα με τον κ. Ευσταθίου, η Ελλάδα πρέπει να επενδύσει σοβαρά στην επιστήμη, εάν θέλει να κρατήσει τα «μυαλά» στη χώρα και να δώσει αναπτυξιακή ώθηση στην οικονομία της. «Οι κυβερνήσεις δεν πρέπει να αποφεύγουν να χρηματοδοτούν προγράμματα δημιουργίας θέσεων εργασίας για νέους. Η Ελλάδα πρέπει να δημιουργήσει ευκαιρίες», καταλήγει.

Οι μαύρες τρύπες

«Το σύμπαν είναι πολύ πιο έξυπνο από εμάς. Παρατηρούμε απίστευτα φαινόμενα, π.χ., όλοι οι μεγάλοι γαλαξίες έχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο τους. Μερικοί έχουν δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ηλίου. Ενα ποσοστό της μάζας τους μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα, για λόγους που δεν κατανοούμε πλήρως. Υπάρχουν πολλά άλλα περίεργα φαινόμενα, την ύπαρξη των οποίων ελάχιστοι άνθρωποι θα μπορούσαν να υποπτευθούν. Το σύμπαν είναι γεμάτο εκπλήξεις και αυτό μας γεμίζει ταπεινότητα. Με την επιστήμη μπορούμε να κατανοήσουμε τον κόσμο γύρω μας. Απομένει αρκετός χώρος για τη θρησκεία και τη φιλοσοφία, που προσπαθούν να απαντήσουν στα “γιατί”. Είμαι ικανοποιημένος που παραμένω στον χώρο της επιστήμης προσπαθώντας να απαντήσω στα “πώς”».

https://physicsgg.me/2020/08/09/%cf%84%ce%bf-%cf%83%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bd-%ce%bc%ce%b1%cf%82-%ce%b4%ce%b5%ce%bd-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%bf-%ce%bc%cf%8c%ce%bd%ce%bf/

Η NASA ανοίγει τον κρυμμένο θησαυρό εικόνων του σύμπαντος.

Στο βίντεο που ακολουθεί βλέπουμε μια νέα συλλογή εικόνων που απεικονίζουν την προσέγγιση «πολλών μηκών κύματος» στην αστρονομία, που μας βοηθά να κατανοήσουμε πληρέστερα το σύμπαν μας.

Κάθε φωτογραφία αυτής της συλλογής συνίσταται από πολλά μήκη κύματος, από τις ακτίνες Χ που βλέπει το διαστημικό τηλεσκόπιο της NASA Chandra, και άλλα μήκη κύματος από τις ακτίνες γ μέχρι τα ραδιοκύματα που ανιχνεύουν διάφορα τηλεσκόπια:

https://physicsgg.me/2020/09/10/%ce%b7-nasa-%ce%b1%ce%bd%ce%bf%ce%af%ce%b3%ce%b5%ce%b9-%cf%84%ce%bf%ce%bd-%ce%ba%cf%81%cf%85%ce%bc%ce%bc%ce%ad%ce%bd%ce%bf-%ce%b8%ce%b7%cf%83%ce%b1%cf%85%cf%81%cf%8c-%ce%b5%ce%b9%ce%ba%cf%8c%ce%bd/

Το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο που έχει εντοπιστεί ποτέ στο σύμπαν.

Το ισχυρότερο μαγνητικό πεδίο που έχει παρατηρηθεί ποτέ στο σύμπαν εντόπισαν αστρονόμοι, με βάση παρατηρήσεις της κινεζικής αποστολής Insight-HXMT.

Όπως ανακοινώθηκε από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, οι αστρονόμοι πραγματοποίησαν εκτενείς παρατηρήσεις του πάλσαρ GRO J1008-57 και ανακάλυψαν ένα μαγνητικό πεδίο περίπου ενός δισεκατομμυρίων Tesla στην επιφάνεια ενός αστέρα νετρονίων. Πρόκειται για το ισχυρότερο – μακράν- μαγνητικό πεδίο που έχει επιβεβαιωμένα εντοπιστεί στο σύμπαν.

Η σχετική έρευνα πραγματοποιήθηκε από επιστήμονες του Ινστιτούτου Φυσικής Υψηλής Ενέργειας (ΙΗΕΡ) της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και του Eberhard Karls Universität Tübingen στη Γερμανία, και δημοσιεύτηκε στο The Astrophysical Journal Letters.

Οι επιστήμονες μελέτησαν το πάλσαρ ακτίνων Χ GRO J1008-57 που είχε εντοπιστεί από το Insight-HXMT κατά την έκλαμψή του τον Αύγουστο του 2017. Ως αποτέλεσμα, ανακάλυψαν ένα CRSF (cyclotron resonant scattering feature) με μαγνητικό πεδίο που, βάσει θεωρητικών υπολογισμών, φτάνει το ένα δισεκατομμύρια Tesla- δηλαδή δεκάδες εκατομμύρια φορές μεγαλύτερο από ό,τι μπορεί να παραχθεί στα γήινα εργαστήρια.

Οι αστέρες νετρονίων έχουν τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία στο σύμπαν. Οι δυαδικοί αστέρες νετρονίων ακτίνων Χ είναι συστήματα που αποτελούνται από ένα αστέρα νετρονίων και ένα κανονικό άστρο- «σύντροφο». Ο αστέρας νετρονίων συσσωρεύει ύλη και σχηματίζει έναν περιτριγυρίζοντα δίσκο συσσώρευσης. Αν το μαγνητικό πεδίο είναι ισχυρό, η συσσωρευθείσα ύλη διοχετεύεται μέσω μαγνητικών γραμμών στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων, με αποτέλεσμα ακτινοβολία Χ. Ως αποτέλεσμα, αυτές οι πηγές αποκαλούνται πάλσαρ. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει πως ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό (CSRF) συναντάται κάποιες φορές στα φάσματα των πάλσαρ ακτίνων Χ. Το χαρακτηριστικό αυτό λειτουργεί ως ένδειξη/ τρόπο μέτρησης για το μαγνητικό πεδίο κοντά στην επιφάνεια του αστέρα νετρονίων.

https://www.scoop.it/topic/physicists-and-physics/p/4120777348/2020/09/14/-

Υπάρχουν κοσμικές χορδές;

Tα δεδομένα του Παρατηρητηρίου ΝανοΧερτς Βαρυτικών Κυμάτων της Βόρειας Αμερικής (NANOGrav) μπορεί να περιέχουν ενδείξεις ύπαρξης κοσμικών χορδών.

Στην δημοσίευση με τίτλο «Has NANOGrav found first evidence for cosmic strings?»,

https://arxiv.org/abs/2009.06607

εξετάζεται η πιθανότητα τα δεδομένα του πειράματος NANOGrav να περιέχουν βαρυτικό σήμα σε συχνότητες nano-Hertz που προκαλείται από κοσμικές χορδές που δημιουργήθηκαν στις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος.

Οι ερευνητές Simone Blasi, Vedran Brdar, και Kai Schmitz υποστηρίζουν ότι μια στοχαστική διαδικασία που παρατηρήθηκε στα δεδομένα 12,5 ετών του NANOGrav θα μπορούσε να οφείλεται σε βαρυτικά κύματα που παρήγαγε ένα δίκτυο κοσμικών χορδών. Οι κοσμικές χορδές είναι σαν τις χορδές που συνθέτουν τα στοιχειώδη σωματίδια αλλά τεντωμένες σε «κοσμικά μήκη» – και περιγράφονται με τα ίδια μαθηματικά των στοιχειωδών χορδών. Οι κινήσεις αυτών των τεραστίων διαστάσεων χορδών θα μπορούσαν να δημιουργήσουν βαρυτικά κύματα ανιχνεύσιμα στη Γη. Οι Blasi et al ισχυρίζονται πως είναι δυνατή η εκτίμηση των βασικών χαρακτηριστικών των κοσμικών χορδών μέσα από τα δεδομένα του πειράματος του NANOGrav, εφόσον αυτά περιέχουν βαρυτικά σήματα που οφείλονται στις κοσμικές χορδές.

Πριν από 20 χρόνια είχε ο προταθεί η μοναδική πιθανή παρατήρηση κοσμικής χορδής που έφερε το όνομα CSL-1, αλλά αργότερα αποδείχθηκε πως επρόκειτο λάθος ερμηνεία. Τώρα βλέπουμε για άλλη μια φορά ότι πειραματικά δεδομένα θα μπορούσαν να υποστηρίξουν την θεωρία των χορδών, κάτι βέβαια που θα κάνει έξαλλους τους αρνητές της – οι οποίοι υποστηρίζουν ότι δεν πρόκειται απλά για μια λάθος θεωρία, αλλά … not even wrong.

https://physicsgg.me/2020/09/24/%cf%85%cf%80%ce%ac%cf%81%cf%87%ce%bf%cf%85%ce%bd-%ce%ba%ce%bf%cf%83%ce%bc%ce%b9%ce%ba%ce%ad%cf%82-%cf%87%ce%bf%cf%81%ce%b4%ce%ad%cf%82/

Επιστήμονες υπολόγισαν τη συνολική ποσότητα ύλης στο σύμπαν.

Η ακριβής μέτρηση της συνολικής ποσότητας ύλης στο σύμπαν αποτελούσε ανέκαθεν έναν από τους κορυφαίους στόχους της κοσμολογίας- και επιστήμονες στο University of California, Riverside, κατάφεραν να κάνουν ακριβώς αυτό.

Σε σχετική έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Astrophysical Journal οι επιστήμονες διαπιστώνουν πως η ύλη αποτελεί το 31% του συνόλου της ύλης και ενέργειας στο σύμπαν μας, με το υπόλοιπο να αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια. Όπως είπε ο Μοχάμεντ Αμπντουλάχ, τελειόφοιτος του UCR Department of Physics and Astronomy και πρώτος συντάκτης της έρευνας, εάν όλη η ύλη του σύμπαντος ήταν κατανεμημένη ισόποσα στο διάστημα, θα αντιστοιχούσε σε μια μέση πυκνότητα μάζας αντίστοιχη σε έξι άτομα υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο. «Ωστόσο, εφόσον γνωρίζουμε ότι το 80% της ύλης είναι στην πραγματικότητα σκοτεινή ύλη, το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ύλης αποτελείται όχι από άτομα υδρογόνου, αλλά από ένα είδος ύλης που οι κοσμολόγοι δεν κατανοούν ακόμα».

Όπως εξήγησε, μια δοκιμασμένη τεχνική για να διαπιστωθεί η συνολική ποσότητα ύλης στο σύμπαν είναι η σύγκριση του παρατηρηθέντος αριθμού και μάζας συμπλεγμάτων γαλαξιών ανά μονάδα με προβλέψεις από αριθμητικές προσομοιώσεις. Επειδή τα σημερινά συμπλέγματα γαλαξιών έχουν σχηματιστεί από ύλη που κατέρρευσε μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια, κάτω από την ίδια της τη βαρύτητα, ο αριθμός των συμπλεγμάτων που παρατηρούνται σήμερα είναι πολύ «ευαίσθητος» σε κοσμολογικές συνθήκες- και ειδικότερα η συνολική ποσότητα ύλης.

«Υψηλότερο ποσοστό ύλης θα είχε ως αποτέλεσμα περισσότερα συμπλέγματα» είπε ο Αμπντουλάχ. «Η πρόκληση για την ομάδα μας ήταν να μετρήσει τον αριθμό των συμπλεγμάτων και μετά να βρει ποια απάντηση ήταν η σωστή. Αλλά είναι δύσκολο να μετρήσουμε τη μάζα οποιουδήποτε συμπλέγματος με ακρίβεια, επειδή η περισσότερη ύλη είναι σκοτεινή, οπότε δεν μπορούμε να τη δούμε με τηλεσκόπια».

Για τον σκοπό αυτό οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα ειδικό εργαλείο, το «GalWeight», και το χρησιμοποίησαν σε παρατηρήσεις από το Sloan Digital Sky Survey (SDSS) για τη δημιουργία του GalWCat19- ενός δημόσια διαθέσιμου καταλόγου συμπλεγμάτων γαλαξιών. Εν τέλει σύγκριναν τον αριθμό των συμπλεγμάτων στον κατάλογο με προσομοιώσεις για να συμπεράνουν τη συνολική ποσότητα ύλης στο σύμπαν.

Συγκρίνοντας τις μετρήσεις με αυτές άλλων ομάδων, που χρησιμοποιούσαν διαφορετικές τεχνικές, η ομάδα του UCR ήταν σε θέση να υπολογίσει την καλύτερη συνδυαστική τιμή, καταλήγοντας στο συμπέρασμα πως η ύλη αποτελεί το 31.5±1.3% της συνολικής ποσότητας ύλης και ενέργειας στο σύμπαν.

https://physicsgg.me/2020/09/30/%ce%b5%cf%80%ce%b9%cf%83%cf%84%ce%ae%ce%bc%ce%bf%ce%bd%ce%b5%cf%82-%cf%85%cf%80%ce%bf%ce%bb%cf%8c%ce%b3%ce%b9%cf%83%ce%b1%ce%bd-%cf%84%ce%b7-%cf%83%cf%85%ce%bd%ce%bf%ce%bb%ce%b9%ce%ba%ce%ae-%cf%80/

Οι «κυνηγοί» των βαρυτικών κυμάτων.

Η πρώτη ελληνική πανεπιστημιακή ομάδα που συμμετέχει στο πείραμα Virgo και στην αποστολή LISA.

Για πολλούς η απονομή του Νομπέλ Φυσικής του 2020 συμβολίζει το κλείσιμο ενός κύκλου, όσο παράδοξο και αν ακούγεται αυτό όταν μιλάμε για τις μαύρες τρύπες που περισσότερο «ανοίγουν» παρά «κλείνουν». Κι όμως, φέτος, όπως είπε και ο επικεφαλής της επιτροπής του βραβείου, «γιορτάζει ένα από τα πιο εξωτικά σώματα του σύμπαντος».

Με το διάσημο βραβείο τιμήθηκαν εξ ημισείας ο σερ Ρότζερ Πενρόουζ, που απέδειξε μαθηματικά την ύπαρξή τους, και οι ερευνητές Ράινχαρτ Γκέντσελ και Αντρια Γκεζ, που προσκόμισαν τις πρώτες αποδείξεις για την ύπαρξη των μελανών οπών. Η επιτροπή της ακαδημίας τίμησε το πείραμα και μετά τη θεωρία. Το 2017 μοιράστηκαν το Νομπέλ Φυσικής οι Ράινερ Βάις, Μπάρι Μπάρις και Κιπ Θορν για την προσφορά τους στην παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, ενώ φέτος τιμήθηκε ο θεωρητικός τους, κλείνοντας τον κύκλο.

Θα λέγαμε ότι διανύουμε μια περίοδο που οι μαύρες τρύπες και η εξερεύνησή τους είναι στο προσκήνιο, σε πολλά επίπεδα: Οι ανιχνευτές Virgo και Ligo εντοπίζουν νέα βαρυτικά κύματα, πέρυσι δημοσιεύτηκε η πρώτη φωτογραφία μιας μαύρης τρύπας ενός μακρινού γαλαξία από το πείραμα Event Horizon Telescope και ίσως του χρόνου φωτογραφηθεί και η μελανή οπή του δικού μας γαλαξία, ενώ το μυστήριο που ακόμη καλύπτει τον τρόπο λειτουργίας τους κάνει τη φαντασία συγγραφέων και σεναριογράφων να οργιάζει.

Ποιος μπορεί να ξεχάσει την πιο ποπ στιγμή τους, όταν πρωταγωνιστούσαν στην ταινία «Interstellar» του Κρίστοφερ Νόλαν.

Η φετινή βράβευση των εξωτικών σωμάτων έφερε χαμόγελα σε επαγγελματίες και ερασιτέχνες που μελετούν τα μυστηριώδη αντικείμενα, αλλά και σε μια ολιγομελή επιστημονική ομάδα του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. «Ο Πενρόουζ μάς έδειξε πώς φθάνεις από ένα άστρο σε μια μαύρη τρύπα και έδωσε το πρώτο κίνητρο για να προχωρήσει η κατασκευή των ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων. Τα πράγματα είναι αλληλένδετα», μας λέει ο καθηγητής Σχετικότητας του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ Νίκος Στεργιούλας.

Τα μέλη

Ο Νίκος Στεργιούλας και η ομάδα του έχουν έναν παραπάνω λόγο να επιχαίρουν, καθώς από το φετινό καλοκαίρι παρακολουθούν από πολύ κοντά τον χορό των μελανών οπών πάνω στη συμπαντική σκηνή. Με επτά μέλη από το πανεπιστήμιο της Θεσσαλονίκης –τους καθηγητές Ν. Στεργιούλα, Γιώργο Παππά, Αναστάσιο Τέφα, τους υποψήφιους διδάκτορες Π. Ιωσήφ, Π. Νούση, Ν. Φλωρόπουλο και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Ν. Πασσαλή– και τον καθηγητή Φυσικής του ΕΚΠΑ Θεοχάρη Αποστολάτο, η ομάδα αποτελεί τη νεότερη προσθήκη και την πρώτη ελληνική πανεπιστημιακή συμμετοχή που έγινε δεκτή στη μεγάλη ευρωπαϊκή οικογένεια του ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων Virgo.

Συναντάμε τον κ. Στεργιούλα στο γραφείο του, στο Αστεροσκοπείο του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, ένα κτίριο του 1957 από τον αρχιτέκτονα Πάτροκλο Καραντινό που ξεχωρίζει στην πανεπιστημιούπολη για τη διπλή σειρά κάθετων πτερυγίων ηλιοπροστασίας που έχει στη δυτική του όψη και τον θόλο του με διάμετρο έξι μέτρων. Από αυτό το μικρό κτίριο και –λόγω κορωνοϊού– από αρκετά ακόμη απομακρυσμένα σημεία, η ομάδα του ΑΠΘ θα ξεκινήσει να αναλύει δεδομένα με την ελπίδα να εντοπίσει το επόμενο μεγάλο κύμα.

«Εχουμε εξειδίκευση στην πρόβλεψη και ανάλυση παρατηρήσεων των αστέρων νετρονίου. Οταν συγχωνεύονται δύο αστέρες νετρονίου, μπορούμε να αναλύσουμε τις παρατηρήσεις αυτές με σκοπό να καταλάβουμε τι είναι αυτό που βρίσκεται στο κέντρο αυτών των αστέρων. Ενα από τα άλυτα μυστήρια του σύμπαντος είναι πώς συμπεριφέρεται η ύλη στο κέντρο αυτών των αστέρων και μέχρι να το καταλάβουμε δεν θα υπάρξει πρόοδος στη θεωρητική φυσική υψηλών ενεργειών», μας λέει ο κ. Στεργιούλας, ενώ με την άκρη του ματιού του παρακολουθεί την οθόνη του υπολογιστή του με τους φοιτητές που δίνουν τις εξετάσεις του εξαμήνου από απόσταση.

Στις αρχές Σεπτεμβρίου οι επιστήμονες στους δύο ανιχνευτές, Ligo και Virgo, που λειτουργούν σε Αμερική και Ευρώπη, ανακοίνωσαν τη σύγκρουση και συγχώνευση δύο μαύρων τρυπών, των πιο μακρινών και με τη μεγαλύτερη μάζα που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα μέσω των βαρυτικών κυμάτων. «Οι παρατηρήσεις που ανακοινώθηκαν είχαν γίνει πριν μπούμε εμείς στο πείραμα. Δεν συμμετείχαμε εμείς, αλλά όντας μέσα στο Virgo παρακολουθούσαμε την προετοιμασία για την ανακοίνωση και για πρώτη φορά συμμετείχαμε στη χαρά μιας τόσο μεγάλης ανακάλυψης», μας λέει ο καθηγητής.

Στο κοντινό μέλλον, εξηγεί, όταν οι ανιχνευτές εξελιχθούν κι άλλο και βελτιωθεί ακόμη περισσότερο η ευαισθησία τους, θα ανιχνεύονται δεκάδες συγκρούσεις αστέρων νετρονίων και ίσως κάποιες από αυτές θα μπορέσουμε να τις δούμε «ζωντανά», δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. «Σε 3 ή 4 χρόνια θα παρατηρούμε τις συγκρούσεις και κάποιες από αυτές θα τις αξιοποιήσουμε για να δούμε τη στιγμή που θα γίνεται η συγχώνευση. Δηλαδή, πρώτα θα ανιχνεύουμε τα βαρυτικά κύματα στο Virgo / Ligo και ύστερα θα ειδοποιούμε τους αστρονόμους ότι επίκειται συγχώνευση για να τη δουν με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία».

Η μηχανική μάθηση

Η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, όμως, δεν είναι μόνο υπόθεση των φυσικών. «Μόλις οι ανιχνευτές ξεκινήσουν να λειτουργούν, κατακλύζονται από τεράστιες ποσότητες δεδομένων. Σε αυτόν τον “θόρυβο” που μπορεί να προκαλείται από το Διάστημα, τον φλοιό της Γης ή και τα ίδια τα μηχανήματα, ψάχνουμε να βρούμε ίχνη κυμάτων που ίσως είναι βαρυτικά», μας λέει ο αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Πληροφορικής του ΑΠΘ Αναστάσιος Τέφας, με ειδικότητα στη μηχανική μάθηση.

Σε μια διεπιστημονική συνεργασία ο κ. Τέφας, μαζί με διδακτορικούς ερευνητές από τον τομέα της Πληροφορικής, δουλεύει με τους συναδέλφους του από τον τομέα της Φυσικής δημιουργώντας αυτά που θα περιγράφαμε ως εργαλεία για έναν κοινό σκοπό. «Η δική μας δουλειά είναι να κατασκευάσουμε γρήγορους και αποδοτικούς αλγόριθμους που θα καταλαβαίνουν τα βαρυτικά κύματα. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούμε τεχνικές μηχανικής μάθησης και λογισμικό που μαθαίνει να λύνει προβλήματα», συμπληρώνει ο καθηγητής και προσθέτει ότι η «βουτιά» στην καθαρή επιστήμη δεν είναι πάντα εύκολη υπόθεση.

«Στην Πληροφορική ασχολούμαστε κυρίως με εφαρμογές για τον πραγματικό κόσμο, ενώ τα βαρυτικά κύματα αφορούν τον κόσμο που μας περιβάλλει, εξίσου σημαντικά, αλλά που απαιτούν μια άλλη προσέγγιση. Αν πάντως καταφέρουμε να ανιχνεύσουμε γεγονότα στο Διάστημα αναλύοντας τεράστιες ποσότητες δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, τότε ίσως το κάνουμε και στον πραγματικό κόσμο με δεδομένα π.χ. των χρηματαγορών».

Σε ένα άλλο επίπεδο, αυτό που αξίζει να παρατηρήσει κανείς σε αυτές τις επιστημονικές ομάδες είναι η διάθεση και η ανάγκη συνεργασίας. Τα μεγάλα προβλήματα της επιστήμης φαίνεται πως πια δεν μπορούν να λυθούν από μια ιδιοφυΐα αλλά από πολλά μυαλά μαζί, ενώ τα «κλειδιά» για την κατανόηση του κόσμου βρίσκονται κρυμμένα σε σειρές αριθμών και δεδομένων. «Εχουμε γίνει κομμάτι μιας παγκόσμιας ομάδας. Είναι αξιοσημείωτο πως τελικά οι άνθρωποι κατάφεραν να οργανωθούν διότι κατάλαβαν ότι δεν λύνεται κάτι μόνο του. Δεν είναι κάτι που το βρίσκεις συχνά στις επιστήμες», σημειώνει.

Τα επόμενα χρόνια θα βλέπουμε στα πέρατα του σύμπαντος

Με την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων οι επιστήμονες συχνά λένε ότι «ακούνε» το σύμπαν. «Αν το σύμπαν είναι μια ζούγκλα, τα βαρυτικά κύματα είναι ο ήχος που κάνουν το νερό ή τα πουλιά», μας λέει ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Νικόλαος Καρνέσης, ο οποίος ήρθε στο ΑΠΘ για δύο χρόνια από το Εργαστήριο Αστροφυσικής και Κοσμολογίας του Πανεπιστημίου του Παρισιού.

Ο κ. Καρνέσης θα δουλέψει με την ερευνητική ομάδα του κ. Στεργιούλα πάνω στην ανάλυση δεδομένων της διαστημικής αποστολής LISA (Laser Interferometer Space Antenna) που οργανώνει ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων με ανιχνευτές στο Διάστημα το 2034. «Το LISA είναι ένα όργανο που έχει πολλές ομοιότητες με τους ανιχνευτές που βρίσκονται στο έδαφος. Απλώς φανταστείτε αυτούς να τους πηγαίναμε στο Διάστημα για να αυξήσουμε την ευαισθησία τους σε πιο χαμηλές συχνότητες. Ετσι θα δούμε πιο βαριές μαύρες τρύπες να συγχωνεύονται και τις υπερμεγέθεις στα κέντρα των γαλαξιών. Με το LISA θα δούμε κάποιες πηγές βαρυτικών κυμάτων που θα τις πιάσει το Virgo έπειτα από εβδομάδες ή και χρόνια», μας λέει ο κ. Καρνέσης.

Αυτή τη στιγμή, μας εξηγούν οι δύο επιστήμονες, η ακρίβεια των οργάνων είναι ακόμη σχετικά χαμηλή. Υπάρχει ένα περιθώριο αβεβαιότητας των μετρήσεων που κυμαίνεται στο 30%, αλλά όσο βελτιώνεται η ευαισθησία των οργάνων το ποσοστό αυτό θα μειώνεται. «Με το LISA και τον διάδοχο του Virgo, το Einstein Telescope, έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων τρίτης γενιάς, θα μπορέσουμε να δούμε κάθε συγχώνευση μελανών οπών μέχρι τα πέρατα του σύμπαντος, θα βλέπουμε τα πάντα», λέει ο κ. Στεργιούλας.

Τα επόμενα χρόνια, μας εξηγεί ο καθηγητής, έχοντας συσσωρεύσει πολλές ανιχνεύσεις κυμάτων και σε διαφορετικές αποστάσεις, οι επιστήμονες θα μπορούν να μετρήσουν καλύτερα τον ρυθμό διαστολής του σύμπαντος και να περιγράψουν με ακρίβεια την ιστορία του. Ισως τότε απαντηθούν τα ερωτήματα για τη μάζα στο κέντρο της μαύρης τρύπας, τον ορίζοντα γεγονότων, τη σκοτεινή ενέργεια. Ισως και όχι.

Στη μεγάλη επιστημονική οικογένεια που συνεργάζεται για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, οι Ελληνες επιστήμονες που εργάζονται στα πανεπιστήμια και στα ερευνητικά κέντρα του εξωτερικού δεν λείπουν. Κάθε άλλο. Παραμένει, ωστόσο, σημαντικό το γεγονός ότι μέσα σε αυτή την οικογένεια υπάρχει η ομάδα ενός ελληνικού πανεπιστημίου. Τι έχει αλλάξει, λοιπόν, στο ΑΠΘ;

Τα μνημόνια

«Διαχρονικά υπάρχει μια σταθερή αύξηση της εξωστρέφειας στα ελληνικά ΑΕΙ», σχολιάζει ο κ. Στεργιούλας, «αλλά η συγκεκριμένη συνεργασία θα μπορούσε να είχε ξεκινήσει κάποια χρόνια νωρίτερα». Ο λόγος που δεν ξεκίνησε νωρίτερα, συνεχίζει ο καθηγητής, ήταν, όπως πολλά στην Ελλάδα, οικονομικός. «Χρειάζεται να έχεις έναν ελάχιστο αριθμό ατόμων για μια τέτοια συνεργασία και αυτός προέκυψε τα τελευταία δύο χρόνια, μετά το τέλος των μνημονίων, όταν άρχισαν ξανά να διορίζονται καθηγητές στα πανεπιστήμια. Η πρώτη θέση που εγκρίθηκε στο Τμήμα Φυσικής ήταν στο Αστεροσκοπείο, επειδή είχαμε υποστεί μεγάλη μείωση. Η θέση ήταν του κ. Παππά που δουλεύει στα βαρυτικά κύματα και αυτό, με την προσθήκη κι άλλων συναδέλφων, μας έδωσε τη δυνατότητα να εισέλθουμε σε αυτά τα προγράμματα», εξηγεί.

Το πόσο πολύ έμοιαζε με μαύρη τρύπα η δεκαετία της οικονομικής κρίσης φαίνεται από κάτι τέτοια παραδείγματα. Ρούφηξε το φως σε όλα τα επίπεδα. Ας ελπίσουμε να μην επαληθευτεί το «παράδοξο της πληροφορίας».

https://physicsgg.me/2020/10/11/%ce%bf%ce%b9-%ce%ba%cf%85%ce%bd%ce%b7%ce%b3%ce%bf%ce%af-%cf%84%cf%89%ce%bd-%ce%b2%ce%b1%cf%81%cf%85%cf%84%ce%b9%ce%ba%cf%8e%ce%bd-%ce%ba%cf%85%ce%bc%ce%ac%cf%84%cf%89%ce%bd/

Η επιτάχυνση του σύμπαντος.

Τον Φεβρουάριο του 2018 και επί ένα χρόνο η ερευνητική ομάδα του νομπελίστα Φυσικής Aνταμ Ρις μελετούσε μία ακόμη έκρηξη σουπερνόβα τύπου Ια, η οποία παρατηρήθηκε στον γαλαξία NGC 2525 που βρίσκεται σε απόσταση 70 εκατομμυρίων ετών φωτός προς την κατεύθυνση του αστερισμού της Πρύμνης. Στα τέλη του περασμένου μήνα η ομάδα του Ρις έδωσε στη δημοσιότητα τα αποτελέσματα της έρευνάς της και μία εξαιρετική αλληλουχία φωτογραφιών που παρουσιάζει την εξέλιξη της φωτεινότητας της σουπερνόβα, η οποία στο μέγιστό της έφτασε να είναι πέντε δισεκατομμύρια φορές λαμπρότερη από τον Ηλιο. Η έρευνα της ομάδας του Ρις προσπαθεί να μελετήσει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη συμπεριφορά των σουπερνόβα αυτού του τύπου κι εξ αυτού να βγάλει καλύτερα συμπεράσματα για την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας που κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται επιταχυνόμενο εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, αν και μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1990, θεωρούσαμε ότι με την πάροδο του χρόνου η διαστολή του σύμπαντος θα έπρεπε να ελαττωνόταν λόγω της βαρύτητας.

Την εποχή εκείνη δύο ερευνητικές ομάδες, το Supernova Cosmology Project με επικεφαλής τον Σολ Περλμάτερ και η High-Z Supernova Search Team με τους Μπράιαν Σμιτ και Aνταμ Ρις, στην προσπάθειά τους να υπολογίσουν τον ρυθμό της ελάττωσης της διαστολής μελετούσαν ένα ιδιαίτερο είδος αστρικών εκρήξεων σουπερνόβα «Τύπου Ια» σε απόμακρους γαλαξίες. Η μελέτη αυτή μας βοηθάει στη μέτρηση των πιο απόμακρων αστρονομικών αποστάσεων, γιατί οι εκρήξεις αυτές εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια απ’ ό,τι δισεκατομμύρια άστρα. Εχουν μάλιστα μελετηθεί με τόσο μεγάλη προσοχή, ώστε να είμαστε σήμερα αρκετά βέβαιοι για το απόλυτο μέγεθος της φωτεινότητας που έχουν. Οταν λοιπόν βρίσκουμε τέτοιου είδους εκρήξεις σε απόμακρους γαλαξίες, μπορούμε να μετρήσουμε το φαινόμενο μέγεθός τους και, συγκρίνοντάς το με το απόλυτο μέγεθος του είδους τους, να υπολογίσουμε και την απόστασή τους από εμάς.

Σε γενικές γραμμές οι σουπερνόβα «Τύπου Ια» αφορούν άσπρους νάνους σε διπλά ή πολλαπλά συστήματα άστρων, οι οποίοι απορροφούν υλικά από κάποιον συνοδό τους με αποτέλεσμα να υπερβούν το όριο ισορροπίας τους, το οποίο είναι περίπου 1,4 ηλιακές μάζες. Φανταστείτε δηλαδή δύο άστρα σε κοντινή τροχιά, εκ των οποίων το ένα έχει μετατραπεί σε άσπρο νάνο. Με την πάροδο εκατομμυρίων χρόνων οι τροχιές τους θα μικραίνουν όλο και περισσότερο φέρνοντας τα δύο άστρα πιο κοντά. Στο μεταξύ όμως ο συνοδός του άσπρου νάνου συνεχίζει να εξελίσσεται κανονικά και κάποτε θα φτάσει στο στάδιο να μετατραπεί σε κόκκινο γίγαντα. Τότε η βαρυτική δύναμη του άσπρου νάνου θα αρχίσει να έλκει τα εξωτερικά στρώματα του κόκκινου γίγαντα, σχηματίζοντας έτσι γύρω από τον νάνο ένα δίσκο υλικών προσαύξησης, όπως ονομάζεται. Σιγά σιγά τα υλικά του δίσκου αυτού έλκονται από τον νάνο και προστίθενται στη μάζα του.

Ετσι, η μάζα του άσπρου νάνου αυξάνεται σταδιακά και όταν ο πυρήνας του υπερβεί τις 1,4 ηλιακές μάζες, ο άσπρος νάνος καταρρέει απότομα, υπερθερμαίνοντας το εσωτερικό του στους 10 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, με αποτέλεσμα την έκρηξή του. Τα υλικά που διασκορπίζονται στο Διάστημα με ταχύτητα 20.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο εμπλουτίζουν τον διαστρικό χώρο με νεοσχηματισμένα βαρέα χημικά στοιχεία. Οι απόμακρες αυτές αστρικές εκρήξεις σουπερνόβα χρησιμεύουν ως «μονάδες αναφοράς» και ενός είδους κλίμακα αποστάσεων. Ο εντοπισμός των αποστάσεων αυτών μας πληροφορεί ποιος είναι ο ρυθμός της διαστολής του σύμπαντος σε διαφορετικές χρονικές περιόδους της ιστορίας του, κι έτσι οι μελέτες αυτές μας δίνουν τη δυνατότητα να υπολογίσουμε κατά πόσον ο ρυθμός της διαστολής αυτής ελαττώνεται ή επιταχύνεται με το πέρασμα του χρόνου.

Στα μέσα της δεκαετίας του 1990 λοιπόν, οι δύο ανεξάρτητες πολυεθνικές ομάδες ερευνητών που αναφέραμε πιο πάνω, στα τρία χρόνια παρατηρήσεων που έκαναν βρήκαν μόνο 42 σουπερνόβα, επειδή τέτοιοι αστέρες εκρήγνυνται μόνο μία φορά κάθε 100 χρόνια μέσα σε ένα γαλαξία. Και άπαξ και συνέλεξαν τα δεδομένα, έκαναν μια επαναστατική ανακάλυψη η οποία έχει έκτοτε επιβεβαιωθεί επανειλημμένως: ότι δηλαδή η διαστολή του σύμπαντος αντί να ελαττώνεται, όπως νομίζαμε, έχει αρχίσει αντίθετα να επιταχύνεται από τότε που το σύμπαν είχε το ήμισυ περίπου της ηλικίας που έχει σήμερα.

Για αυτό όλο και πιο πολλοί κοσμολόγοι αντιμετωπίζουν σήμερα την επιτάχυνση αυτή σαν ένα απωθητικό είδος «αντιβαρύτητας», που είναι συνδεδεμένη με την ενεργειακή πυκνότητα του κενού. Της έχουν μάλιστα δώσει κι ένα ιδιαίτερα ευφάνταστο όνομα αποκαλώντας τη «σκοτεινή ενέργεια», η οποία αποτελεί σήμερα το 69% της υλο-ενέργειας που απαιτείται για να γίνει το σύμπαν επίπεδο όπως παρατηρείται ότι είναι.

https://physicsgg.me/2020/10/12/%ce%b7-%ce%b5%cf%80%ce%b9%cf%84%ce%ac%cf%87%cf%85%ce%bd%cf%83%ce%b7-%cf%84%ce%bf%cf%85-%cf%83%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%bf%cf%82/

Το πρώτο μικροδευτερόλεπτο.

Στα έγκατα της Γης, οι ερευνητές του αμερικανικού εργαστηρίου σωματιδιακής φυσικής του Μπρουκχέβεν της Νέας Υόρκης, πριν από μερικά χρόνια πέτυχαν να δημιουργήσουν στιγμιαία την θερμοκρασία που επικρατούσε στη διάρκεια των πρώτων μικροδευτερολέπτων της γέννησης του Σύμπαντος. Η μελέτη των δεδομένων του πειράματος μάς αποκάλυψε ότι κάτι λείπει από τα μοντέλα που έχουμε διαμορφώσει για την εξέλιξη του Σύμπαντος και για τα στοιχειώδη σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους και ότι κάτι πολύ σημαντικό μας διαφεύγει στην προσπάθειά μας να συμπληρώσουμε τα κενά που έχουμε.

Το πείραμα που έγινε τότε αφορούσε την μελέτη της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, μιας από τις τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης, στις οποίες περιλαμβάνονται επίσης η βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη. Η θερμοκρασία που επετεύχθη ήταν δεκάδες χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από την θερμοκρασία που επικρατεί στο εσωτερικό των θερμότερων άστρων στο Σύμπαν. Στην θερμοκρασία αυτή οι ατομικοί πυρήνες διασπώνται σε τέτοιο μεγάλο βαθμό ώστε να δημιουργείται μια «σούπα» των πιο βασικών υποατομικών σωματιδίων που ονομάζεται «πλάσμα κουάρκ-γλοιονίων». Η συμπεριφορά της «σούπας» αυτής μας αποκαλύπτει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρθηκε η ισχυρή πυρηνική δύναμη στην αρχέγονη εκείνη εποχή πριν από σχεδόν 14 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το Σύμπαν γεννήθηκε με μια «Μεγάλη Έκρηξη».

Φυσικά με τον όρο «Μεγάλη Έκρηξη» μην φανταστείτε κάτι σαν την έκρηξη ενός δυνατού βαρελότου! Η «Μεγάλη Έκρηξη» των κοσμολόγων δεν έχει καμιά σχέση με τις εκρήξεις που γνωρίζει ο καθένας από μας, είτε είναι βαρελότα είτε βόμβες υδρογόνου. Με τον όρο αυτό οι σύγχρονοι επιστήμονες εννοούν μια «απείρως» γρήγορη και απότομη διαστολή του Σύμπαντος από ένα μέγεθος «απείρως» μικρό και κάτω από συνθήκες θερμότητας τεραστίων διαστάσεων. Η γέννηση δηλαδή και η μετέπειτα εξέλιξη του Σύμπαντος είναι κατά κάποιον τρόπο το «ξεδίπλωμα» του χρόνου και του χώρου από μια κατάσταση «άπειρης» πυκνότητας και θερμότητας, σε έναν χώρο ο οποίος δημιουργείται καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται.

Δεν πρέπει να ξεχνάτε επίσης ότι όταν μιλάμε σήμερα για τις απόψεις των σύγχρονων φυσικών σχετικά με τη δομή της ύλης και την γέννηση του Σύμπαντος αναφερόμαστε σε μοντέλα που περιέχουν απλουστευμένες μαθηματικές περιγραφές της δομής αυτής και ως εκ τούτου δεν αποτελούν μια τέλεια απεικόνισή του αλλά μια χονδροειδή περιγραφή του. Παρ’ όλα αυτά τα σύγχρονα αυτά μοντέλα έχουν την ικανότητα να προβλέπουν ορισμένες ιδιότητες της ύλης και του Σύμπαντος που μπορούν να επαληθευτούν ή όχι από τις αστρονομικές παρατηρήσεις και τα πειράματά μας.

Γιατί, όσο κι αν φαίνεται παράξενο, οι δυνατότητες που έχουν οι τεράστιοι σύγχρονοι ατομικοί επιταχυντές των πυρηνικών φυσικών και η ευκρίνεια με την οποία μπορούμε να παρατηρήσουμε με τα τηλεσκόπιά μας γεγονότα στο Σύμπαν που απέχουν μεταξύ τους δισεκατομμύρια έτη φωτός, μάς έχουν δώσει τα εφόδια εκείνα με τα οποία μπορούμε να μελετήσουμε και να διευρύνουμε ακόμη πιο πολύ τις γνώσεις μας για και τις λεπτομέρειες των πρώτων στιγμών που ακολούθησαν την «εμφάνιση» του Σύμπαντος.

https://physicsgg.blogspot.com/2020/10/blog-post_66.html

Οι κβαντομηχανικές σήραγγες επιτρέπουν ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός;

Η κβαντική σήραγγα είναι ένα από τα χαρακτηριστικότερα κβαντομηχανικά φαινόμενα που μας δείχνει την βαθύτερη διαφορά σωματιδίων όπως τα ηλεκτρόνια, σε σχέση με τα μεγαλύτερα μακροσκοπικά αντικείμενα. Ρίξτε μια μπάλα στον τοίχο. Θα αναπηδήσει προς τα πίσω. Όμως, ένα κβαντομηχανικό σωματίδιο μπορεί περιστασιακά να διασχίζει τον κλασικά αδιαπέραστο τοίχο.

Αφήστε την μπάλα να κυλήσει σε μια κοιλάδα και θα εγκλωβιστεί για πάντα σ’ αυτή. Αλλά το κβαντομηχανικό σωματίδιο, «μπορεί να διεισδύσει μέσα από το βουνό και να διαφύγει από την κοιλάδα» – όπως χαρακτηριστικά αναφερόταν σε άρθρο πριν από έναν αιώνα στο περιοδικό Nature, σε μια από τις πρώτες περιγραφές του φαινομένου σήραγγας.

Οι φυσικοί είδαν γρήγορα ότι η δυνατότητα των σωματιδίων να διέρχονται μέσα από εμπόδια λύνει πολλά μυστήρια. Για παράδειγμα, εξήγησε διάφορους χημικούς δεσμούς, τις ραδιενεργές διασπάσεις και το πως οι πυρήνες υδρογόνου (τα πρωτόνια) στο εσωτερικό του ήλιου μπορούν να υπερνικήσουν την μεταξύ τους ηλεκτροστατική άπωση και να συντηχθούν (συνενωθούν) αρχικά προς πυρήνες του δευτερίου (2H) και στη συνέχεια προς πυρήνες ηλίου (4He), παράγοντας ηλιακό φως.

Η δυνατότητα των κβαντικών σωματιδίων να διασχίζουν κλασικά απαγορευμένες περιοχές πεπερασμένης έκτασης και να συνεχίζουν την κίνησή τους από την άλλη μεριά του «φράγματος», αναφέρεται συνήθως ως φαινόμενο σήραγγας. Η ονομασία του φαινομένου προέρχεται από την κλασική εικόνα ενός σφαιριδίου που επιχειρεί να ανέβει σε έναν λόφο έχοντας αρχική ταχύτητα που δεν του επιτρέπει να φτάσει ως την κορυφή και να περάσει στην άλλη του πλευρά. Και στην περίπτωση που αυτό συμβεί, δεν έχουμε άλλη εκλογή (στην κλασική φυσική πάντα) παρά να υποθέσουμε ότι ο λόφος είναι εφοδιασμένος με μια … μυστική σήραγγα η οποία άνοιξε όταν το σφαιρίδιο έφτασε στην είσοδό της και του επέτρεψε να περάσει στην άλλη μεριά! (βλέπε σχήμα 1)

Το σφαιρίδιο δεν έχει την απαιτούμενη ενέργεια να περάσει πάνω από τον λόφο. Τα καταφέρνει όμως να βρεθεί στην άλλη του πλευρά χάρις στη «σήραγγα» που υπάρχει στην πλαγιά του. Ο πιθανοκρατικός χαρακτήρας του κβαντικού φαινομένου – το σωματίδιο άλλοτε περνάει και άλλοτε δεν περνάει – αποδίδεται κλασικά με αντίστοιχο τυχαίο άνοιγμα ή κλείσιμο της εισόδου της σήραγγας!

Στον μικρόσκοσμο όμως η δυνατότητα διείσδυσης των σωματιδίων σε τέτοιες απαγορευμένες περιοχές είναι απόλυτα φυσιολογική. Αν η έκταση μιας τέτοιας περιοχής είναι πεπερασμένη , η εκθετική απόσβεση που υφίσταται εκεί η κυματοσυνάρτηση του σωματιδίου δεν είναι αρκετή για να μηδενίσει την πιθανότητα να διασχίσει την … έρημο και να βρεθεί εκ νέου σε μια ενεργειακά επιτρεπόμενη περιοχή.

Στην περιοχή του φράγματος η κυματοσυνάρτηση υφίσταται μια εκθετική μείωση του πλάτους της που αφήνει όμως μια μικρή πιθανότητα στο σωματίδιο να φτάσει ως την άλλη πλευρά και να συνεχίσει την κίνησή του ως ένα κύμα με αισθητά μειωμένο πλάτος. Περισσότερες λεπτομέρειες για το φαινόμενο σήραγγος μπορείτε να διαβάσετε στην Κβαντομηχανική Ι του Στέφανου Τραχανά.

Είναι γνωστό ότι οι φυσικοί καταλαμβάνονται από περιέργεια – χαλαρά στην αρχή, και εντελώς παθολογικά στη συνέχεια. Ωραία λοιπόν, τα σωματίδια περνάνε μέσα από φράγματα. Όμως, πόσο χρόνο χρειάζεται ένα σωματίδιο για να διασχίσει ένα φράγμα; Έχει νόημα ένα τέτοιο ερώτημα;

Ένας πρώτος προκαταρκτικός υπολογισμός του χρόνου διέλευσης σήραγγας έγινε από τον L. A. MacColl το 1932 («Note on the Transmission and Reflection of Wave Packets by Potential Barriers»),

και 30 χρόνια μετά ο Thomas Hartman δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο «Tunneling of a Wave Packet» στην οποία έδειχνε πως όταν ένα σωματίδιο διέρχεται κβαντομηχανικά μέσα από ένα αδιαπέραστο κλασικά φράγμα δυναμικού, η διαδρομή του διαρκεί λιγότερο σε σχέση με τον αντίστοιχο χρόνο όταν δεν υπάρχει το φράγμα!

Ακόμα πιο εκπληκτικό ήταν το συμπέρασμα ό,τι αυξάνοντας το πλάτος του φράγματος ο χρόνος που χρειάζεται για να το διασχίσει κβαντομηχανικά ένα σωματίδιο σχεδόν δεν αυξάνεται. Αυτό σημαίνει ότι με ένα αρκετά πλατύ φράγμα, τα σωματίδια θα μπορούσαν να μεταπηδούν από τη μία πλευρά στην άλλη με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός στο κενό!

Δηλαδή, φαινόταν ότι το φαινόμενο σήραγγος επιτρέπει ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός, κάτι που απαγορεύει η θεωρία της σχετικότητας!

Μετά την δημοσίευση Hartman, οι φυσικοί άρχισαν να προβληματίζονται. Η συζήτηση συνεχίστηκε για δεκαετίες, αφού η ερώτηση για το χρονικό διάστημα διέλευσης της σήραγγας άγγιζε μια από τις πιο αινιγματικές πτυχές της κβαντικής μηχανικής.

Σύμφωνα με τον Eli Pollak, θεωρητικό φυσικό στο Ινστιτούτο Επιστημών Weizmann στο Ισραήλ, το ερώτημα αποτελεί μέρος του γενικότερου προβληματισμού σχετικά με το τι είναι χρόνος, πως μετράμε τον χρόνο στην κβαντική μηχανική και ποια είναι η σημασία του. Οι φυσικοί κατέληξαν σε τουλάχιστον 10 εναλλακτικές μαθηματικές εκφράσεις για τον χρόνο του φαινομένου σήραγγας, καθεμία από τις οποίες αντανακλά μια διαφορετική προσέγγιση του φαινομένου. Κανείς όμως δεν έδωσε οριστική απάντηση.

Όμως ο προβληματισμός επανήλθε εξαιτίας των πειραμάτων που υποστηρίζουν ότι μετρούν με ακρίβεια την διάρκεια του φαινομένου σήραγγος στο εργαστήριο.

Στην εργασία με τίτλο «Measurement of the time spent by a tunnelling atom within the barrier region» που δημοσιεύθηκε τον περασμένο Ιούλιο στο Nature, οι ερευνητές Steinberg et al χρησιμοποίησαν την λεγόμενη μέθοδο του ρολογιού Larmor για να υπολογίσουν πόσος χρόνος απαιτείται ώστε τα άτομα ρουβιδίου να διαπεράσουν το φράγμα δυναμικού ενός λέιζερ.

Η μέθοδος με το ρολόι Larmor φαίνεται να είναι η καλύτερη για την μέτρηση του χρόνου σήραγγας. Και το πείραμα που την χρησιμοποίησε πρώτο τον προσδιόρισε με ακρίβεια, λέει ο Igor Litvinyuk, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Griffith της Αυστραλίας, ο οποίος δημοσίευσε πέρυσι μια διαφορετική μέτρηση του χρόνου σήραγγας στο Nature [Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen]. Ο Luiz Manzoni, θεωρητικός φυσικός στο Concordia College στη Μινεσότα, συμφωνεί επίσης ότι η μέτρηση του ρολογιού Larmor είναι αξιόπιστη: «Αυτό που μετρά είναι πραγματικά ο χρόνος διέλευσης της σήραγγας».

Τα πρόσφατα πειράματα στρέφουν ξανά την προσοχή σε ένα άλυτο ζήτημα του παρελθόντος. Έξι δεκαετίες μετά την δημοσίευση του Hartman, ανεξάρτητα του πόσο σχολαστικά οι φυσικοί έχουν επαναπροσδιορίσει τι σημαίνει χρονικό διάστημα διέλευσης σήραγγας ή με πόση ακρίβεια το έχουν μετρήσει στο εργαστήριο, διαπιστώνεται ότι η κβαντική σήραγγα εμφανίζει πάντα το φαινόμενο Hartman. Φαίνεται να επιτρέπει τα σωματίδια να κινούνται με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός.

Ποιος χρόνος;

Ο χρόνος διέλευσης μιας σήραγγας είναι εκ των πραγμάτων δύσκολο να υπολογιστεί. Στην μακροσκοπική κλίμακα, ο χρόνος που χρειάζεται ένα αντικείμενο για να πάει από το Α στο Β είναι απλώς η απόσταση διαιρεμένη με την ταχύτητα του αντικειμένου. Αλλά η κβαντική θεωρία μας διδάσκει ότι απαγορεύεται η ακριβής γνώση τόσο της απόστασης όσο και της ταχύτητας. Στην κβαντική θεωρία ένα σωματίδιο έχει ένα εύρος πιθανών θέσεων και ταχυτήτων. Μια από αυτές τις πιθανές επιλογές αποκρυσταλλώνεται κατά τη στιγμή της μέτρησης. Πώς συμβαίνει αυτό, αποτελεί ένα από τα βαθύτερα ερωτήματα.

Έως ότου το σωματίδιο χτυπήσει έναν ανιχνευτή, είναι παντού και πουθενά συγκεκριμένα. Γι αυτό μας είναι πολύ δύσκολο να πούμε πόσο χρόνο έκανε το σωματίδιο να διασχίσει ένα φράγμα. «Δεν μπορείτε να πείτε», λέει ο Litvinyuk, «γιατί μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα.»

Για να κατανοήσετε το πρόβλημα στο πλαίσιο της σήραγγας, φανταστείτε ότι οι πιθανές θέσεις ενός σωματιδίου εκφράζονται από μια καμπύλη σαν καμπάνα. Έστω ότι το κέντρο αυτής της καμπανοειδούς καμπύλης, που ονομάζεται κυματο-πακέτο, βρίσκεται στο σημείο Α. Τώρα φανταστείτε το κυματοπακέτο να κινείται, σαν τσουνάμι, προς ένα φράγμα. Οι εξισώσεις της κβαντικής μηχανικής περιγράφουν πως το πακέτο κυμάτων χωρίζεται στα δύο όταν χτυπήσει το εμπόδιο. Το μεγαλύτερο μέρος ανακλάται, επιστρέφοντας προς το Α. Όμως ένα τμήμα του γλιστρά μέσα από το φράγμα (κάτι που απαγορεύεται στην κλασική φυσική) και συνεχίζει προς το Β. Έτσι το σωματίδιο έχει την πιθανότητα να καταγραφεί σε έναν ανιχνευτή εκεί.

Αλλά όταν ένα σωματίδιο φτάνει στο σημείο Β, τι μπορεί να ειπωθεί για το ταξίδι του ή για το χρόνο διέλευσης από το φράγμα; Πριν εμφανιστεί ξαφνικά, το σωματίδιο ήταν ένα διπλό κύμα πιθανότητας, ένα ανακλώμενο και ένα διαθλώμενο. Το σωματίδιο και εισήλθε στο φράγμα και δεν εισήλθε σ΄ αυτό. Και η έννοια του «χρόνου σήραγγας» γίνεται ασαφής.

Κι όμως οποιοδήποτε σωματίδιο που ξεκινά από το Α και φτάνει στο Β αλληλεπιδρά σίγουρα με το φράγμα, και αυτή η αλληλεπίδραση «έχει κάποια χρονική διάρκεια», σύμφωνα με τον Pollak. Το ερώτημα είναι, πως μπορεί να οριστεί αυτή η διάρκεια;

Ο Steinberg, ο οποίος προβληματιζόταν με την ερώτηση σχετικά με «τον χρόνο σήραγγας» από τότε που ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής την δεκαετία του 1990, υποστηρίζει ότι το πρόβλημα πηγάζει από την περίεργη φύση του χρόνου. Τα αντικείμενα έχουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως μάζα ή θέση. Αλλά δεν έχουν έναν εγγενή «χρόνο» που θα μπορούσαμε να μετρήσουμε άμεσα. «Μπορώ να σας ρωτήσω, ποια είναι η θέση της μπάλας;», αλλά δεν έχει νόημα να ρωτήσετε,«Ποιός είναι ο χρόνος της μπάλας; Ο χρόνος δεν είναι ιδιοκτησία κανενός σωματιδίου».

Από την άλλη, παρακολουθούμε τις διάφορες αλλαγές στον κόσμο, όπως τα τικ-τακ των ρολογιών (που στην ουσία είναι μεταβολές θέσης), και τις ονομάζουμε χρονικά διαστήματα. Αλλά στο σενάριο σήραγγας, δεν υπάρχει ρολόι μέσα στο ίδιο το σωματίδιο. Επομένως, ποιες αλλαγές πρέπει να παρακολουθούν οι φυσικοί για να υπολογίσουν την διάρκεια του φαινομένου;

Χρόνοι Διέλευσης Σήραγγας

Ο Hartman (και οι LeRoy Archibald MacColl πριν από αυτόν) θεώρησε την απλούστερη προσέγγιση για να υπολογίσει πόσο διαρκεί η σήραγγα. Ο Hartman υπολόγισε τη διαφορά στην πιο πιθανή ώρα άφιξης ενός σωματιδίου που ταξιδεύει από το Α στο Β στον ελεύθερο χώρο σε σχέση με ένα σωματίδιο που πρέπει να διασχίσει ένα φράγμα. Το έκανε αυτό εξετάζοντας πως το φράγμα μετατοπίζει τη θέση της κορυφής του κυματοπακέτου.

Αλλά αυτή η προσέγγιση έχει ένα πρόβλημα, εκτός από το περίεργο συμπέρασμά της ότι ‘τα εμπόδια επιταχύνουν τα σωματίδια’. Δεν μπορείτε απλά να συγκρίνετε τις αρχικές και τις τελικές κορυφές ενός κυματοπακέτου σωματιδίου. Χρονομετρώντας την διαφορά μεταξύ της πιο πιθανής χρονικής στιγμής αναχώρησης ενός σωματιδίου (όταν η κορυφή της καμπανοειδούς καμπύλης βρίσκεται στο Α) και της πιο πιθανής χρονικής στιγμής άφιξής του (όταν η κορυφή φτάσει στο Β) δεν βρίσκουμε το χρονικό διάστημα πτήσης μεμονωμένων σωματιδίων, γιατί το σωματίδιο που ανιχνεύτηκε στο Β δεν ξεκίνησε απαραίτητα από το σημείο Α. Ήταν οπουδήποτε και παντού στην αρχική κατανομή πιθανότητας, συμπεριλαμβανομένης και της μπροστινής ουράς της, που βρίσκονταν πολύ πιο κοντά στο φράγμα. Κι αυτό του έδωσε την ευκαιρία να φτάσει στο B γρηγορότερα.

Δεδομένου ότι οι ακριβείς τροχιές των σωματιδίων είναι άγνωστες, οι ερευνητές αναζήτησαν μια πιο πιθανοκρατική προσέγγιση. Θεώρησαν το γεγονός ότι αφού ένα κυματοπακέτο χτυπήσει ένα φράγμα, σε κάθε χρονική στιγμή υπάρχει κάποια πιθανότητα το σωματίδιο να είναι μέσα στο φράγμα (και κάποια πιθανότητα να μην είναι). Οι φυσικοί στη συνέχεια αθροίζουν τις πιθανότητες σε κάθε χρονική στιγμή για να υπολογίσουν το μέσο χρονικό διάστημα σήραγγας.

Όσον αφορά τον τρόπο μέτρησης των πιθανοτήτων, σχεδιάστηκαν διάφορα πειράματα σκέψης ξεκινώντας από τα τέλη της δεκαετίας του 1960, όπου τα «ρολόγια» μπορούσαν να συνδεθούν με τα ίδια τα σωματίδια. Εάν το ρολόι κάθε σωματιδίου χτυπά μόνο όταν βρίσκεται μέσα στο φράγμα και διαβάζετε τα ρολόγια πολλών διαδιδόμενων σωματιδίων, θα εμφανίζεται μια σειρά διαφορετικών χρόνων. Αλλά ο μέσος όρος θα δίνει τον χρόνο διέλευσης της σήραγγας.

Εννοείται ότι όλα αυτά ήταν πιο εύκολο να ειπωθούν θεωρητικά παρά να υλοποιηθούν πειραματικά. «Απλά διατύπωσαν τρελές ιδέες για το πως να μετρήσουν το εν λόγω χρονικό διάστημα, νονίζοντας ότι αυτό δεν πρόκειται να πραγματοποιηθεί ποτέ», δήλωσε ο Ramón Ramos, συν-συγγραφέας της πρόσφατης δημοσίευσης στο Nature. «Όμως η επιστήμη και η τεχνολογία εξελίχθηκε και βρεθήκαμε στην ευχάριστη θέση να πραγματοποιήσουμε αυτό το αυτό το πείραμα».

Ενσωματωμένα ρολόγια

Παρότι οι φυσικοί πραγματοποιούσαν μετρήσεις χρονικών διαστημάτων διέλευσης σήραγγας από την δεκαετία του 1980 Οι μετρήσεις υπερ-ακριβείας ξεκίνησαν το 2014 από το εργαστήριο της Ursula Keller στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης. Η ερευνητική της ομάδα μέτρησε τον χρόνο σήραγγας χρησιμοποιώντας αυτό που ονομάζεται αττο-ρολόϊ [ultrafast resolution of tunneling delay time].

Στο αττο-ρολόι της Keller, τα ηλεκτρόνια από άτομα ηλίου συναντούν ένα φράγμα, το οποίο περιστρέφεται στη θέση του όπως οι δείκτες ενός ρολογιού. Τα ηλεκτρόνια σήραγγας είναι πιο συχνά όταν το φράγμα έχει συγκεκριμένο προσανατολισμό – ας πούμε 12 το μεσημέρι στο αττο-ρολόϊ. Στη συνέχεια, όταν τα ηλεκτρόνια εξέρχονται από το φράγμα, εκτινάσσονται σε μια κατεύθυνση που εξαρτάται από την ευθυγράμμιση του φράγματος εκείνη τη στιγμή.

Για να υπολογίσει τον χρόνο σήραγγας, η ομάδα της Keller μέτρησε την διαφορά μεταξύ 12 το μεσημέρι, όταν ξεκίνησαν τα περισσότερα γεγονότα σήραγγας και της γωνίας των περισσότερων εξερχόμενων ηλεκτρονίων. Έτσι, υπολόγισαν μια διαφορά 50 αττο-δευτερολέπτων, ή 50 δισεκατομμυριοστών του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Αργότερα, στην εργασία που δημοσιεύθηκε το 2019 [Attosecond angular streaking and tunnelling time in atomic hydrogen], η ομάδα του Litvinyuk βελτίωσε το πείραμα του αττο-ρολογιού Keller, αλλάζοντας το ήλιο με τα απλούστερα άτομα υδρογόνου. Μέτρησαν έναν ακόμη μικρότερο χρόνο το πολύ δύο αττο-δευτερολέπτων, που στην ουσία δείχνει ότι η διέλευση της σήραγγας πραγματοποιήθηκε σχεδόν ακαριαία.

Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί υποστηρίζουν ότι οι μετρήσεις του αττορολογιού δεν δίνουν σωστά αποτελέσματα. Ο Manzoni, ο οποίος δημοσίευσε μια ανάλυση της μέτρησης πέρυσι, δήλωσε ότι η προσέγγιση είναι λανθασμένη, όπως επίσης και ο ορισμός του χρόνου σήραγγος από τον Hartman: ηλεκτρόνια που εξέρχονται από το φράγμα σχεδόν αμέσως, θεωρούνται εκ των υστέρων, ότι είχαν ήδη ξεκινήσει.

Εν τω μεταξύ, οι Steinberg, Ramos και οι συνάδελφοί τους στο Τορόντο, David Spierings και Isabelle Racicot, πραγματοποίησαν ένα πείραμα που ήταν πιο πειστικό. Αυτή η εναλλακτική προσέγγιση χρησιμοποιεί το γεγονός ότι πολλά σωματίδια διαθέτουν μια εσωτερική (μαγνητική) ιδιότητα που ονομάζεται σπιν.

Το σπιν θεωρείται ως ένα βέλος που μετράται μόνο είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω. Αλλά πριν από μια μέτρηση, μπορεί να δείχνει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όπως ανακάλυψε ο Ιρλανδός φυσικός Joseph Larmor το 1897, η γωνία του σπιν περιστρέφεται, ή «μεταπίπτει», όταν το σωματίδιο βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο. Η ομάδα του Τορόντο χρησιμοποίησε αυτή την μετάπτωση να λειτουργήσει όπως οι δείκτες ενός ρολογιού – αυτό που ονομάζεται ρολόι Larmor.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια δέσμη λέιζερ ως φράγμα δυναμικού και ενεργοποίησαν ένα μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό. Προετοίμασαν άτομα ρουβιδίου με τα σπιν προσανατολισμένα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και τα οδήγησαν προς το φράγμα. Στη συνέχεια, μέτρησαν το σπιν των ατόμων που έφτασαν στην άλλη πλευρά περνώντας μέσα από το φράγμα.

Η μέτρηση του σπιν κάθε ατόμου δίνει πάντα μια μη διαφωτιστική απάντηση: «σπιν πάνω» ή «σπιν κάτω». Αλλά επαναλαμβάνοντας τις μετρήσεις ξανά και ξανά, και οι συλλεγόμενες μετρήσεις θα αποκαλύψουν πόσο μεταβλήθηκε η γωνία των σπιν, κατά μέσο όρο, καθώς τα άτομα βρίσκονταν μέσα στο φράγμα – και επομένως πόσο χρονικό διάστημα διαρκεί το πέρασμά τους από αυτό.

Οι ερευνητές ανέφεραν ότι τα άτομα του ρουβιδίου καθυστέρησαν, κατά μέσο όρο, 0,61 χιλιοστά του δευτερολέπτου μέσα στο φράγμα, σύμφωνα με τα χρονικά διαστήματα του ρολογιού Larmor που είχαν προβλεφθεί θεωρητικά τη δεκαετία του 1980.

Αυτός ο χρόνος είναι μικρότερος από τον χρόνο που θα χρειάζονταν τα άτομα να διανύσουν τον αντίστοιχο κενό χώρο. Και σύμφωνα με τους υπολογισμούς αν το φράγμα γίνει πλατύτερο τα άτομα θα φθάνουν από τη μία πλευρά στην άλλη γρηγορότερα από το φως.

Ένα μυστήριο, όχι παράδοξο

Το 1907, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν συνειδητοποίησε ότι η θεωρία της σχετικότητας απαγορεύει την επικοινωνία με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός. Φανταστείτε δύο άτομα, την Αλίκη και τον Μπομπ, να απομακρύνονται μεταξύ τους με μεγάλη ταχύτητα. Λόγω της σχετικότητας, τα ρολόγια τους αναφέρουν διαφορετικούς χρόνους. Αν η Αλίκη στείλει ένα σήμα που ταξιδεύει με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός στον Μπομπ, και ο Μπομπ μόλις το λάβει στείλει αμέσως μια επίσης «υπερ-φωτεινή» απάντηση στην Αλίκη, τότε η απάντηση του Μπομπ θα μπορούσε να φτάσει στην Αλίκη προτού αυτή στείλει το αρχικό της μήνυμα! «Το αποτέλεσμα θα προηγούνταν του αιτίου», έγραψε ο Αϊνστάιν.

Οι φυσικοί είναι βέβαιοι ότι η σήραγγα δεν καταργεί στην πραγματικότητα την αιτιότητα, αλλά δεν υπάρχει συναίνεση για τους ακριβείς λόγους που συμβαίνει αυτό. Σύμφωνα με τον Steinberg: «υπάρχει ένα μυστήριο εκεί, όχι παράδοξο».

Μερικές καλές εικασίες είναι λάθος. Ο Manzoni, όταν άκουσε σχετικά με το θέμα της διέλευσης σήραγγας με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός στις αρχές της δεκαετίας του 2000, συνεργάστηκε με έναν συνάδελφό του για να επαναλάβει τους υπολογισμούς. Σκέφτηκαν ότι θα μπορούσαν να καταλήξουν σε ταχύτητες μικρότερες του φωτός στην σήραγγα εάν υπολόγιζαν τα σχετικιστικά φαινόμενα (όπου ο χρόνος επιβραδύνεται για τα ταχέως κινούμενα σωματίδια). «Προς έκπληξή μας, ήταν δυνατόν και τότε να υπάρξουν ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός στη σήραγγα», λεέι ο Manzoni. «Στην πραγματικότητα, το πρόβλημα ήταν ακόμη πιο έντονο στην σχετικιστική κβαντική μηχανική.»

Οι ερευνητές τονίζουν ότι οι υπερ-φωτεινές ταχύτητες στην σήραγγα δεν είναι πρόβλημα, αρκεί να μην επιτρέπει την επικοινωνία με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός. Είναι το ίδιο πράγμα με την «αλλόκοτη δράση από απόσταση» που ενοχλούσε τόσο πολύ τον Αϊνστάιν. Η δράση από απόσταση αναφέρεται στην ικανότητα των πολύ απομακρυσμένων σωματιδίων που συμπλέκονται μεταξύ τους κβαντικά, και μια μέτρηση του ενός να καθορίζει αμέσως τις ιδιότητες και των δύο. Αυτή η άμεση σύνδεση μεταξύ απομακρυσμένων σωματιδίων δεν προκαλεί παράδοξα, επειδή δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επικοινωνία με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός.

Σε σχέση με το μελάνι που χύθηκε για τις διαφωνίες σχετικά για την αλλόκοτη δράση από απόσταση, πολύ μικρότερη είναι η φασαρία σχετικά με την ‘υπερ-φωτεινή σήραγγα’. «Με τη σήραγγα, δεν ασχολείστε με δύο χωριστά συστήματα, των οποίων οι καταστάσεις συν-πλέκονται με αυτόν τον αλλόκοτο τρόπο», δήλωσε ο Grace Field, ο οποίος μελετά το ζήτημα της σήραγγας στο Πανεπιστήμιο του Cambridge. «Αντιμετωπίζουμε ένα μόνο σύστημα που κινείται στο χώρο. Με αυτόν τον τρόπο φαίνεται σχεδόν πιο παράξενο από την κβαντική σύμπλεξη»»

Σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό New Journal of Physics τον Σεπτέμβριο, [The relativistic tunneling flight time may be superluminal, but it does not imply superluminal signaling] ο Pollak και δύο συνάδελφοί του υποστήριξαν ότι η υπερ-φωτεινή σήραγγα δεν επιτρέπει την υπερ-φωτεινή επικοινωνία για έναν στατιστικό λόγο: Παρόλο που δίοδος μέσω ενός πολύ χοντρού φράγματος συμβαίνει πολύ γρήγορα, η πιθανότητα ενός γεγονότος σήραγγας μέσα από ένα τέτοιο εμπόδιο είναι εξαιρετικά μικρή. Είναι προτιμότερη η αποστολή σήματος διαμέσου του ελεύθερου χώρου.

Όμως, δεν θα μπορούσαμε να εκτοξεύουμε τεράστιο αριθμό σωματιδίων στο εξαιρετικά παχύ φράγμα με την ελπίδα ότι κάποιο θα καταφέρει να το διαπεράσει με ταχύτητα του φωτός; Δεν θα ήταν αρκετό μόνο ένα σωματίδιο να μεταδώσει το μήνυμά μας και να καταρρίψει τη φυσική; Ο Steinberg, ο οποίος συμφωνεί με τη στατιστική οπτική της κατάστασης, υποστηρίζει ότι ένα σωματίδιο διαμέσου της σήραγγας δεν μπορεί να μεταφέρει πληροφορίες. Ένα σήμα απαιτεί λεπτομέρεια και δομή και κάθε προσπάθεια αποστολής λεπτομερούς σήματος θα αποστέλλεται πάντα πιο γρήγορα μέσω του αέρα παρά διαμέσου ενός αναξιόπιστου φράγματος.

Ο Pollak είπε ότι αυτές οι ερωτήσεις αποτελούν αντικείμενο μελλοντικής μελέτης. «Πιστεύω ότι τα πειράματα του Steinberg θα αποτελέσουν ώθηση για περισσότερη θεωρία. Που θα οδηγήσει, δεν ξέρω».

Ο προβληματισμός και η έρευνα θα συνεχιστεί παράλληλα με επιπλέον πειράματα, συμπεριλαμβανομένου του επόμενου στη λίστα του Steinberg. Εστιάζοντας το μαγνητικό πεδίο σε διαφορετικές περιοχές του φράγματος, αυτός και η ομάδα του σχεδιάζουν να διερευνήσουν «όχι μόνο πόσο χρόνο χρειάζεται το σωματίδιο για να περάσει από το φράγμα, αλλά και σε ποιες περιοχές του φράγματος κινείται γρηγορότερα. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί προβλέπουν ότι τα άτομα του ρουβιδίου περνούν το μεγαλύτερο μέρος του χρονικού διαστήματος διέλευσης του φράγματος κοντά στην είσοδο και την έξοδο του, αλλά πολύ μικρότερο χρόνο στο μέσον του. «Ένα αποτέλεσμα που ήταν έκπληξη και πέραν της φυσικής μας διαίσθησης», είπε ο Ράμος.

Μελετώντας τον μέσο χρόνο διέλευσης πολλών σωματιδίων σήραγγας, οι ερευνητές σχηματίζουν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα του τι συμβαίνει «μέσα στο βουνό» από ό, τι οι πρωτοπόροι της κβαντικής μηχανικής πριν από έναν αιώνα. Σύμφωνα με τον Steinberg, οι εξελίξεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι παρά την παράξενη φήμη της κβαντικής μηχανικής, «όταν βλέπετε που καταλήγει ένα σωματίδιο, αυτό σας δίνει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με το τι έκανε πριν».

https://physicsgg.me/2020/10/28/%ce%bf%ce%b9-%ce%ba%ce%b2%ce%b1%ce%bd%cf%84%ce%bf%ce%bc%ce%b7%cf%87%ce%b1%ce%bd%ce%b9%ce%ba%ce%ad%cf%82-%cf%83%ce%ae%cf%81%ce%b1%ce%b3%ce%b3%ce%b5%cf%82-%ce%b5%cf%80%ce%b9%cf%84%cf%81%ce%ad%cf%80/

Ανακαλύφθηκαν αστραπιαίες εκρήξεις ραδιοκυμάτων στον Γαλαξία μας.

Για πρώτη φορά στον γαλαξία μας εντοπίστηκαν αστραπιαίες ισχυρές εκρήξεις ραδιοκυμάτων (Fast Radio Burst-FRB).

Πρόκειται πιθανότατα για ένα μάγναστρο (magnetar), δηλαδή ένα ταχέως περιστρεφόμενο άστρο νετρονίων που διαθέτει ένα τρομερά ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Οι έντονα φωτεινές και υψηλής ενέργειας αναλαμπές («εκρήξεις») FRB είναι από τα πιο ισχυρά αλλά και μυστηριώδη έως τώρα φαινόμενα στο σύμπαν, καθώς οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει να βρουν μια απόλυτα ικανοποιητική εξήγηση για τη δημιουργία και την προέλευση τους. Σε χρόνο πολύ μικρότερο του ενός δευτερολέπτου, απελευθερώνεται ενέργεια πάνω από 100 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου.

Οι FRBs ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά το 2007 και έκτοτε έχουν εντοπισθεί στο σύμπαν περισσότερες από 20, οι οποίες έχουν διαρκέσει συνήθως μόνο κλάσματα του δευτερολέπτου, κάτι που έχει δυσκολεύσει πολύ τον εντοπισμό της πηγής τους, σε συνδυασμό με το ότι οι περισσότερες προέρχονται από πολύ μακριά, πέρα από το γαλαξία μας. Ως πιθανότερη προέλευση τους έχουν θεωρηθεί τα άστρα νετρονίων (πάλσαρ), πολύ πυκνά απομεινάρια γιγάντιων άστρων, που αποτελούν ό,τι απέμεινε μετά από μια έκρηξη σούπερ-νόβα.

Αυτή τη φορά, τρεις ανεξάρτητες ομάδες από τον Καναδά, την Κίνα, τις ΗΠΑ και άλλες χώρες, οι οποίες συνδύασαν παρατηρήσεις από πολλά επίγεια και διαστημικά τηλεσκόπια (με κυριότερο το καναδικό ραδιοτηλεσκόπιο CHIME), εντόπισαν την κοντινότερη μέχρι σήμερα πηγή αστραπιαίων φωτεινών παλμών, συγκεκριμένα των ραδιοκυμάτων της εκπομπής FRB 200428, προερχόμενη κατά πάσα πιθανότητα από το μάγναστρο SGR 1935+2154. Είναι η πρώτη φορά που οι επιστήμονες έχουν στα χέρια τους δεδομένα παρατηρήσεων που να δείχνουν ότι τα μάγναστρα -μια ειδική περίπτωση των πάλσαρ- όντως μπορούν να προκαλέσουν FRBs.

Οι ερευνητές, οι οποίοι έκαναν τέσσερις σχετικές δημοσιεύσεις στο περιοδικό “Nature”, ενώ παρεχώρησαν και σχετική συνέντευξη Τύπου λόγω της σημασίας της ανακάλυψης τους, ανέφεραν ότι, όπως εκτιμούν πλέον, τα μάγναστρα μπορούν να παράγουν μερικές, αν όχι όλες, τις FRBs, χωρίς πάντως να μπορούν να αποκλείσουν και άλλες πηγές προέλευσης, τουλάχιστον προς το παρόν.

«Υπάρχει ένα μεγάλο μυστήριο, όσον αφορά το τι παράγει αυτές τις μεγάλες εκρήξεις ενέργειας, τις οποίες έως τώρα έχουμε δει να έρχονται από το μισό σύμπαν. Αυτή είναι η πρώτη φορά που μπορέσαμε να συσχετίσουμε μια από αυτές τις εξωτικές FRBs με ένα μοναδικό αστροφυσικό αντικείμενο», δήλωσε ο επίκουρος καθηγητής φυσικής Κιγιόσι Μασούι του Πανεπιστημίου ΜΙΤ των ΗΠΑ. «Αυτή η συγκεκριμένη FRB, που συνέβη στο δικό μας γαλαξία, είναι χιλιάδες φορές φωτεινότερη από οποιαδήποτε άλλη λάμψη μάγναστρου έχουμε ποτέ δει», πρόσθεσε.

Οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη απαντήσει στο ερώτημα πώς τα μάγναστρα παράγουν FRBs. Οι περισσότερες ισχυρές εκπομπές ραδιοκυμάτων στο σύμπαν παράγονται μέσω της λεγόμενης ακτινοβολίας συγχρότρου, κατά την οποία ένα αέριο που περιέχει ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας, αλληλεπιδρά με μαγνητικά πεδία, με τρόπο που εκπέμπεται ενέργεια στις ραδιοσυχνότητες. Με αυτό το μηχανισμό, παράγονται συχνά ραδιοκύματα από τεράστιες μαύρες τρύπες, όταν αυτές περιβάλλονται από καυτά αέρια. Όμως οι αστροφυσικοί υποψιάζονται ότι τα μάγναστρα παράγουν ραδιοκύματα μέσω μιας τελείως διαφορετικής διαδικασίας.

https://physicsgg.me/2020/11/05/%ce%b1%ce%bd%ce%b1%ce%ba%ce%b1%ce%bb%cf%8d%cf%86%ce%b8%ce%b7%ce%ba%ce%b1%ce%bd-%ce%b1%cf%83%cf%84%cf%81%ce%b1%cf%80%ce%b9%ce%b1%ce%af%ce%b5%cf%82-%ce%b5%ce%ba%cf%81%ce%ae%ce%be%ce%b5%ce%b9%cf%82/

Το σύμπαν γίνεται όλο και θερμότερο.

To σύμπαν γίνεται θερμότερο, σύμφωνα με νέα έρευνα: Στο πλαίσιο της σχετικής μελέτης, που δημοσιεύτηκε στις 13 Οκτωβρίου στο Astrophysical Journal,

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ...902...56C/abstract

εξετάστηκε η θερμική ιστορία του σύμπαντός μας τα τελευταία 10 δισ. χρόνια. Όπως διαπιστώθηκε, η μέση θερμοκρασία του αερίου ανά το σύμπαν αυξήθηκε πάνω από 10 φορές μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα, φτάνοντας σήμερα περίπου στα 20 εκατ. βαθμούς Κελσίου.

«Καθώς το σύμπαν εξελίσσεται, η βαρύτητα τραβά σκοτεινή ύλη και αέρια στο διάστημα μαζί, σε γαλαξίες και συμπλέγματα γαλαξιών» είπε ο Γι-Κουάν Τσιάνγκ, επικεφαλής συντάκτης της έρευνας και ερευνητής στο Center for Cosmology and AstroParticle Physics του Ohio State University. «Η έλξη αυτή είναι τόσο ισχυρή που όλο και περισσότερο αέριο υφίσταται σοκ και θερμαίνεται».

Τα ευρήματα αυτά, είπε ο Τσιάνγκ, δείχνουν στους επιστήμονες πώς να εξετάζουν την πρόοδο του σχηματισμού κοσμικών δομών «ελέγχοντας τη θερμοκρασία» του σύμπαντος.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια νέα μέθοδο η οποία τους επέτρεψε να υπολογίσουν τη θερμοκρασία του αερίου μακρύτερα από τη Γη- κάτι που σημαίνει ακόμα πιο πίσω στον χρόνο- και να τη συγκρίνουν με αέρια πιο κοντά στη Γη και στο παρόν. Τώρα, όπως είπε, οι ερευνητές έχουν επιβεβαιώσει πως το σύμπαν θερμαίνεται στο πέρασμα του χρόνου εξαιτίας της βαρυτικής κατάρρευσης της κοσμικής δομής, και η θέρμανση μάλλον θα συνεχιστεί.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν δεδομένα για το φως ανά το διάστημα που είχαν συλλεγεί από τα προγράμματα Planck και Sloan Digital Sky Survey. Συνδυάζοντας δεδομένα από τις δύο αποστολές εκτίμησαν τις αποστάσεις των θερμών αερίων κοντά και μακριά μετρώντας το «redshift» (μετατόπιση προς το ερυθρό) - μια έννοια που οι αστροφυσικοί χρησιμοποιούν για να υπολογίζουν την κοσμική ηλικία στην οποία παρατηρούνται τα μακρινά αντικείμενα. Η έννοια του redshift λειτουργεί επειδή το φως που βλέπουμε από αντικείμενα μακριά από τη Γη είναι παλαιότερο από το φως που βλέπουμε από αντικείμενα πιο κοντά στη Γη- το φως από μακρινά αντικείμενα έχει ταξιδέψει πολύ για να φτάσει σε εμάς. Αυτό, μαζί με μια μέθοδο για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας από το φως, επέτρεψε στους ερευνητές να μετρήσουν τη μέση θερμοκρασία των αερίων στο πρώιμο σύμπαν (αέρια γύρω από πολύ μακρινά αντικείμενα) και να τη συγκρίνουν με αυτήν των αερίων πιο κοντά στη Γη, σήμερα. Όπως διαπιστώθηκε, τα αέρια στο σύμπαν σήμερα φτάνουν σε θερμοκρασίες περίπου 2 εκατ. βαθμών Κελσίου, γύρω από αντικείμενα πιο κοντά στη Γη. Αυτή είναι περίπου 10 φορές η θερμοκρασία των αερίων γύρω από αντικείμενα πιο μακριά και πιο «πίσω στον χρόνο».

Το σύμπαν, όπως υπογράμμισε ο Τσιάνγκ, θερμαίνεται λόγω της φυσικής διαδικασίας του σχηματισμού δομών και γαλαξιών, και δε σχετίζεται με την αύξηση της θερμοκρασίας στη Γη.

https://physicsgg.blogspot.com/2020/11/blog-post_76.html

Ενδείξεις νέας φυσικής στο πολωμένο φως από το αρχέγονο σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck, οι φυσικοί Yuto Minami και Eiichiro Komatsu υποστηρίζουν ότι ανακάλυψαν ενδείξεις νέας φυσικής. Ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την μέτρηση της γωνίας στροφής του επιπέδου πόλωσης της αρχέγονης μικροκυματικής ακτινοβολίας. Αν και το σήμα δεν ανιχνεύεται με αρκετή ακρίβεια ώστε να εξαχθούν οριστικά συμπεράσματα, φαίνεται πως εξαιτίας της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας προκύπτει παραβίαση της λεγόμενης «συμμετρίας ομοτιμίας»

Για τον ηλεκτρομαγνητισμό και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ισχύει η διατήρηση της ομοτιμίας: το αναλλοίωτο σε μετασχηματισμούς αναστροφής χώρου ή πιο απλά, η συμμετρία αριστερού-δεξιού. Δηλαδή, οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις λειτουργούν το ίδιο ανεξάρτητα από το αν βρίσκεστε στο αρχικό σύστημα ή σε σύστημα κατοπτρισμού στο οποίο έχουν αναστραφεί όλες οι χωρικές συντεταγμένες. Εάν παραβιαστεί αυτή η συμμετρία που ονομάζεται «ομοτιμία» (όπως συμβαίνει με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις), τότε ίσως ανοίξει ο δρόμος για την κατανόηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, οι οποίες αποτελούν το 25% και 70% του ενεργειακού περιεχομένου του σύμπαντος, αντίστοιχα. Τα δύο σκοτεινά συστατικά έχουν αντίθετη επίδραση στην εξέλιξη του σύμπαντος: ενώ η σκοτεινή ενέργεια κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα, η σκοτεινή ύλη αντιτίθεται μάταια σ’ αυτή τη διαδικασία.

Στην δημοσίευση των Minami και Komatsu στο περιοδικό Physical Review Letters στις 23 Νοεμβρίου 2020, υποστηρίζεται μια ελκυστική υπόδειξη νέας φυσικής, σύμφωνα με την οποία παραβιάζεται η συμμετρία ομοτιμίας

[New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data].

Τα στοιχεία για παραβίαση της συμμετρίας της ομοτιμίας βρέθηκαν στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, τα απομεινάρια του φωτός της Μεγάλης Έκρηξης. Το κλειδί είναι το πολωμένο φως της μικροκυματικής ακτινοβολίας υπoβάθρου.

Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Στο γραμμικά πολωμένο φως, η ταλάντωση του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται σε ένα επίπεδο και διαγράφει μια ημιτονοειδή καμπύλη κατά μήκος της κατεύθυνσης κίνησης του κύματος. Όταν το φως σκεδάζεται τότε προκύπτει πολωμένο φως. Το φως του Ήλιου, για παράδειγμα, αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα των οποίων η ταλάντωση του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται σε όλες τις πιθανές κατευθύνσεις. Επομένως, δεν είναι πολωμένο. Όμως, το φως από το ουράνιο τόξο είναι πολωμένο γιατί το φως του Ήλιου διασκεδάζεται από τα σταγονίδια νερού στην ατμόσφαιρα.

Παρομοίως, το φως της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου πολώθηκε όταν σκεδάστηκε από ηλεκτρόνια 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Καθώς αυτό το φως ταξίδευε μέσα στο σύμπαν για 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, η αλληλεπίδρασή του με την σκοτεινή ύλη ή τη σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να προκαλέσει την περιστροφή του επιπέδου πόλωσης κατά μια γωνία β.

Εάν η σκοτεινή ύλη ή η σκοτεινή ενέργεια αλληλεπιδρούν με το φως της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου με τρόπο ώστε να παραβιάζεται η συμμετρία ομοτιμίας, τότε μπορούμε να βρούμε την υπογραφή τους στα δεδομένα πόλωσης.

Για να μετρήσουν τη γωνία περιστροφής β, οι επιστήμονες χρειάζονταν ανιχνευτές ευαίσθητους στην πόλωση, σαν αυτούς που βρίσκονται στον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA). Και έπρεπε να γνωρίζουν πως προσανατολίζονται οι ευαίσθητοι στην πόλωση ανιχνευτές σε σχέση με τον ουρανό. Εάν αυτές οι πληροφορίες δεν ήταν γνωστές με αρκετή ακρίβεια, το μετρούμενο επίπεδο πόλωσης φαίνεται να περιστρέφεται ψευδώς, δημιουργώντας ένα λάθος σήμα. Στο παρελθόν, οι αβεβαιότητες σχετικά με την ψευδή περιστροφή που εισήγαγαν οι ίδιοι οι ανιχνευτές περιόρισαν την ακρίβεια μέτρησης της κοσμικής γωνίας πόλωσης β. Οι Minami και Komatsu ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τον ακριβέστερο προσδιορισμό της γωνίας αυτής, βρίσκοντας έτσι ενδείξεις παραβίασης της συμμετρίας της ομοτιμίας με ακρίβεια 99,2%.

Αν και για να αναγνωριστεί μια ανακάλυψη νέας φυσικής, απαιτείται πολύ μεγαλύτερη στατιστική ακρίβεια (99,99995%), το εντυπωσιακό με την εν λόγω εργασία είναι πως βρέθηκε ένας τρόπος για να μετρηθεί κάτι που παλαιότερα φάνταζε αδιανόητο.

Στην φωτογραφία Ενδείξεις νέας φυσικής στην πολωμένη ακτινοβολία από το αρχέγονο σύμπαν: Η περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος (πορτοκαλί γραμμή) μπορεί να οφείλεται στην σκοτεινή ύλη ή την σκοτεινή ενέργεια. Αυτό φαίνεται ως μεταβολή των μοτίβων της πόλωσης (μαύρες γραμμές). Οι κόκκινες και μπλε περιοχές δείχνουν τις θερμές και ψυχρές περιοχές του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων, αντίστοιχα.

https://physicsgg.me/2020/11/26/%ce%b5%ce%bd%ce%b4%ce%b5%ce%af%ce%be%ce%b5%ce%b9%cf%82-%ce%bd%ce%ad%ce%b1%cf%82-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%ae%cf%82-%cf%83%cf%84%ce%bf-%cf%86%cf%89%cf%82-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%b1%cf%81%cf%87/

Οι φυσικοί μέτρησαν τον «μαγικό αριθμό» που καθορίζει το σύμπαν.

Μια ομάδα φυσικών στο Παρίσι πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής, ‘σκοτώνοντας’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη κάποιου νέου είδους δύναμης στη φύση.

Η σταθερά αυτή είναι αδιάστατος αριθμός – δεν έχει μονάδες μέτρησης

Η σταθερά λεπτής υφής συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα α και εκφράζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Είναι αδιάστατη σταθερά και ισούται περίπου με 1/137 (παρά την «πίστη» του Arthrur Eddington, ότι η τιμή της ισούται ακριβώς με 1/137). Η τιμή αυτή φαίνεται μικρή όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ισχυρών (πυρηνικών) δυνάμεων, αλλά πολύ μεγαλύτερη όταν συγκρίνεται με την ισχύ των ασθενών (πυρηνικών) δυνάμεων, και τεράστια αν συγκριθεί με την ισχύ των βαρυτικών δυνάμεων.

Από τις θεμελιώδεις παγκόσμιες σταθερές η ταχύτητα του φωτός c, απολαμβάνει την μεγαλύτερη δόξα. Όμως, η αριθμητική τιμή της ταχύτητας του φωτός δεν μας λέει τίποτα για την φύση. Η τιμή της διαφέρει ανάλογα με το αν μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ή σε χιλιόμετρα ανά ώρα. Η σταθερά λεπτής υφής, αντίθετα, δεν έχει διαστάσεις ή μονάδες. Είναι ένας καθαρός αριθμός – «ένας ακατανόητος μαγικός αριθμός», σύμφωνα με τον Richard Feynman, ενώ ο Paul Dirac θεωρούσε την προέλευση του αριθμού αυτού ως «το πιο θεμελιώδες άλυτο πρόβλημα της φυσικής». Η σταθερά της λεπτής υφής είναι παντού, δεδομένου ότι χαρακτηρίζει την ισχύ της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την οποία αλληλεπιδρούν όλα τα φορτισμένα σωματίδια όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια. Στον καθημερινό μας κόσμο, όλα είναι είτε βαρύτητα είτε ηλεκτρομαγνητισμός. Και γι‘ αυτό η σταθερά α είναι τόσο σημαντική.

Οι φυσικοί θέλουν να μετρήσουν τη σταθερά λεπτής υφής όσο το δυνατόν ακριβέστερα. H ακριβής μέτρησή της επιτρέπει τον έλεγχο της θεωρίας που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων – το πολύπλοκο σύνολο εξισώσεων που είναι γνωστό ως Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Σε χτεσινή δημοσίευση στο περιοδικό Nature με τίτλο «Determination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion»

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2964-7

, μια ομάδα τεσσάρων φυσικών με επικεφαλής την Saïda Guellati-Khélifa στο Εργαστήριο Kastler Brossel στο Παρίσι ανέφερε την ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της σταθεράς λεπτής υφής. Η ομάδα μέτρησε την τιμή της σταθεράς μέχρι το 11ο δεκαδικό ψηφίο, βρίσκοντας την τιμή (στην εργασία αναφέρεται η τιμή του 1/α):

1/α=137.035999206(11)

με τα δύο τελευταία ψηφία να είναι αβέβαια. Το σφάλμα είναι ελάχιστο, μόλις 81 μέρη ανά τρισεκατομμύριο και η μέτρηση είναι περίπου τρεις φορές ακριβέστερη από την προηγούμενη καλύτερη μέτρηση του 2018 από την ομάδα Müller στο Berkeley. Η Guellati-Khélifa κατείχε το ρεκόρ ακριβέστερης μέτρησης πριν από τον Müller το 2011!

Η Guellati-Khélifa βελτιώνει το πείραμά της συνεχώς τα τελευταία 22 χρόνια(!). Προσδιορίζει την σταθερά λεπτής υφής, μελετώντας τις ανακρούσεις των ατόμων ρουβιδίου όταν απορροφούν ένα φωτόνιο. Ο Müller κάνει το ίδιο με τα άτομα καισίου. Ο Müller παραδέχθηκε τους ανταγωνιστές του, δηλώνοντας πως «μια μέτρηση τρεις φορές ακριβέστερη είναι πολύ μεγάλη υπόθεση. Ας μην ντρεπόμαστε λοιπόν να το ονομάσουμε ένα μεγάλο επίτευγμα.»

Η παλαιότερη μέτρηση του Müller to 2018 είχε χαιρετιστεί ως η θριαμβευτική επιβεβαίωση του Καθιερωμένου Προτύπου. Mε το νέο αποτέλεσμα της Guellati-Khélifa ο θρίαμβος γίνεται ακόμη μεγαλύτερος. Πρόκειται για την ακριβέστερη συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειράματος μέχρι σήμερα. Βέβαια, από μια άλλη οπτική γωνία, αυτή η εκπληκτική συμφωνία ‘σκοτώνει’ τις ελπίδες για την ανακάλυψη νέας φυσικής μέσα από τέτοιου είδους μετρήσεις.

https://physicsgg.me/2020/12/04/%ce%bf%ce%b9-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%ce%b1%cf%80%ce%bf%ce%ba%ce%b1%ce%bb%cf%8d%cf%80%cf%84%ce%bf%cf%85%ce%bd-%cf%84%ce%bf%ce%bd-%ce%bc%ce%b1%ce%b3%ce%b9%ce%ba%cf%8c-%ce%b1/

Μήπως είδατε την SUSY;

Αναζητώντας την υπερσυμμετρία

H θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις και την συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων, το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, είναι μεν πολύ επιτυχημένο αλλά και εμφανώς ατελές.

Οι προβλέψεις του έχουν συνδέσει μεταξύ τους πολλά από τα γνωστά χαρακτηριστικά του σύμπαντος και καθοδήγησαν τους φυσικούς σε νέες ανακαλύψεις, όπως το σωματίδιο Higgs. Όμως, δεν μπορεί να μπορεί να εξηγήσει την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης – την μυστηριώδη ουσία που αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος – ή να εξηγήσει την μάζα του σωματιδίου Higgs.

Πως μπορούν οι φυσικοί να συμπληρώσουν τα κενά του; Εδώ και δεκαετίες, ένα σύνολο θεωριών που ήταν γνωστά ως υπερσυμμετρία φάνηκε να δίνει μια κομψή λύση.

Η υπερσυμμετρία υπερδιπλασιάζει τον αριθμό των σωματιδίων στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Τα σωματίδια που γνωρίζουμε μπορούν να χωριστούν σε δυο κατηγορίες: τα φερμιόνια και τα μποζόνια. Στις υπερσυμμετρικές θεωρίες κάθε σωματίδιο έχει έναν ακόμα ‘υπερ-σύντροφο’ με πολλές παρόμοιες ιδιότητες – που όμως δεν έχουν ανακαλυφθεί. Τα φερμιόνια συνδυάζονται με τα μποζόνια και αντιστρόφως.

Η ιδέα μιας συμμετρίας μεταξύ φερμιονίων και μποζονίων ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1970 για να επιλυθεί ένα μαθηματικό ζήτημα στην θεωρία των χορδών. Το 1974, οι Julius Wess και Bruno Zumino ανακάλυψαν ότι μια ευρεία τάξη κβαντικών θεωριών πεδίων που θα μπορούσε να γίνει υπερσυμμετρική μέσω μιας γενίκευσης των συμμετριών της σχετικότητας. Σύντομα οι ερευνητές επινόησαν θεωρίες στις οποίες ένα σωματίδιο και ο σύντροφός του θα μπορούσαν να έχουν διαφορετικές μάζες.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 οι θεωρητικοί συνειδητοποίησαν ότι το ίδιο το Καθιερωμένο Πρότυπο θα μπορούσε να γίνει υπερσυμμετρικό και ότι αυτή η επέκταση θα επιλύσει ορισμένα ενοχλητικά θεωρητικά προβλήματα. Για παράδειγμα, η μικρή μάζα του μποζονίου Higgs είναι εξαιρετικά δύσκολο να εξηγηθεί – ο υπολογισμός του απαιτεί αφαίρεση δυο πολύ μεγάλων αριθμών που είναι ελαφρώς διαφορετικοί μεταξύ τους. Αλλά σύμφωνα με την Elodie Resseguie, postdoc στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, «αν προστεθεί η υπερσυμμετρία, τότε τακτοποιούνται όλες αυτές οι ακυρώσεις έτσι ώστε να πάρουμε μια μικρή μάζα για το Higgs».

Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι για κάθε γνωστό στοιχειώδες σωματίδιο (επάνω) υπάρχει ο αντίστοιχος υπερσυμμετρικός συντρόφός του (κάτω). Τα υπερσυμμετρικά σωματίδια έχουν μεγαλύτερες μάζες από τα αντίστοιχα γνωστά μας σωματίδια (όπως υποδεικνύεται από το μέγεθος των σφαιρών).

Εκτός όμως από μια ερμηνεία για την μάζα του Higgs, η υπερσυμμετρία προσέφερε κι άλλα θεωρητικά πλεονεκτήματα. Το ελαφρότερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο θα ήταν ένας από τους καλύτερους υποψήφιους για την σκοτεινή ύλη. Και οι ισχείς (ή μήπως οι ισχύες της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρούς αλληλεπίδρασης γίνονται ίσες σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες, υποδεικνύοντας ότι οι θεμελιώδεις δυνάμεις που παρατηρούμε σήμερα, στο αρχέγονο σύμπαν ήταν ενοποιημένες.

Οι απλούστερες υπερσυμμετρικές θεωρίες – αυτές που εξηγούν καλύτερα το μποζόνιο Higgs – προβλέπουν έναν ζωολογικό κήπο νέων σωματιδίων με μάζες συγκρίσιμες με αυτές των μποζονίων W και Ζ. Όταν το 2009 ενεργοποιήθηκε ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) στο CERN, πολλοί φυσικοί σωματιδίων πίστευαν ότι η ανακάλυψη των υπερ-συντρόφων ήταν θέμα χρόνου. Όμως, μετά την θριαμβευτική ανακάλυψη του μποζονίου Higgs … δεν εμφανίστηκε κανένα άλλο σωματίδιο. Σοκαρίστηκα με την μη ανακάλυψη υπερσυμμετρικών σωματιδίων στις πρώτες μέρες του LHC, λέει ο Michael Peskin, ένας θεωρητικός φυσικός από το SLAC.

Όμως δεν εξεπλάγησαν όλοι οι θεωρητικοί. «Υπήρχαν πολλοί φυσικοί που έλεγαν δυνατά ότι υπήρχε κάτι λάθος με τη βασική εικόνα της υπερσυμμετρίας πολύ πριν από την λειτουργία του LHC», λέει ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϋ. Αν όλα αυτά τα σωματίδια με τις προβλεπόμενες μάζες βρίσκονταν γύρω μας θα είχαν μια κάποια έμμεση επίδραση στις φυσικές διαδικασίες χαμηλών ενεργειών.

Σύμφωνα με τον Arkani-Hamed, τα πειράματα στον Large Electron-Positron Collider (LEP), που πραγματοποιήθηκαν από το 1989 έως το 2000, είχαν ήδη δημιουργήσει αμφιβολίες για τα πιο απλά υπερσυμμετρικά μοντέλα.

Ο Jim Gates, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Μπράουν και εκλεγμένος πρόεδρος της Ένωσης Αμερικανών Φυσικών, λέει ότι δεν περίμενε να εμφανιστεί ποτέ υπερσυμμετρία στον LHC. Εδώ και δεκαετίες, οι πιο εύλογες υπερσυμμετρικές θεωρίες προβλέπουν ότι οι υπερσυμμετρικοί σύντροφοι έχουν πολύ μεγάλες μάζες για να ανακαλυφθούν με τους τρέχοντες επιταχυντές.

Καθώς τα δεδομένα από τον LHC συνεχίζουν να συσσωρεύονται, αποκλείστηκαν σε μεγάλο βαθμό τα μοντέλα της υπερσυμμετρίας που προτιμήθηκαν αρχικά από την επιστημονική κοινότητα. Για παράδειγμα, οι υπερσυμμετρικοί σύντροφοι των γλοιονίων, τα gluinos (γλοιίνια, έχουν αποκλειστεί για μάζες έως 2 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ (2GeV)- μια τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από ότι περίμεναν πολλοί θεωρητικοί. Φαίνεται μάλλον απίθανο ότι η υπερσυμμετρία θα μπορούσε να περιλαμβάνει και τα τρία χαρακτηριστικά που θεωρούσαν τα μοντέλα πριν τον LHC – μια εξήγηση για την μάζα του σωματιδίου Higgs, ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης και ενοποίηση δυνάμεων.

Η έλλειψη πειραματικών αποδεικτικών στοιχείων για την υπερσυμμετρία στον LHC δεν σημαίνει και τον θάνατο αυτής της ιδέας. «Τώρα οι φυσικοί στρέφονται σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις» , λέει ο Peskin. «Είμαστε όλοι πολύ μπερδεμένοι αυτή τη στιγμή.»

Επαναξιολόγηση υποθέσεων

Εάν η υπερσυμμετρία ισχύει, υπάρχουν δύο κύριες δυνατότητες: Είτε όλα τα υπερσυμμετρικά σωματίδια είναι πολύ βαριά για να παραχθούν στις ενέργειες που επιτυγχάνουν οι σημερινοί επιταχυντές σωματιδίων, όπως υποπτεύεται ο Gates – ή τα υπερσυμμετρικά σωματίδια δημιουργούνται σε συγκρούσεις στον LHC, αλλά για κάποιο λόγο δεν καταγράφονται από τους ανιχνευτές.

Στη δεύτερη περίπτωση, «οι φυσικοί ψάχνουν για νέα μοντέλα που παράγουν εξωτικές υπογραφές που δεν έχουμε ψάξει στο παρελθόν, ή ψάχνουν για μοντέλα των οποίων οι υπογραφές είναι δύσκολο να εντοπιστούν πειραματικά», λέει ο Resseguie, μέλος της συνεργασίας ATLAS.

Για παράδειγμα, οι περισσότερες αναζητήσεις για νέα σωματίδια στον LHC υποθέτουν πως διασπώνται σχεδόν αμέσως μετά τη δημιουργία τους, ώστε να μην προλαβαίνουν να απομακρυνθούν από το σημείο αλληλεπίδρασης. Ωστόσο, πολλές μη συμβατικές υπερσυμμετρικές θεωρίες προβλέπουν σωματίδια με μεγάλο χρόνο ζωής. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να διανύσουν από μερικά μικρόμετρα μέχρι εκατοντάδες χιλιόμετρα πριν διασπαστούν. Έρευνες που πραγματοποιούνται τόσο στα πειράματα ATLAS όσο και στο CMS επιδιώκουν να εντοπίσουν τα ίχνη τέτοιων υπερσυμμετρικών σωματιδίων με μεγάλο χρόνο ζωής.

Οι ερευνητές του ATLAS και του CMS αναζητούν επίσης υπερσυμμετρικά σωματίδια που όταν διασπώνται δίνουν τα γνωστά σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου χαμηλής ενέργειας. «Είναι μια πολύ δύσκολη αναζήτηση, επειδή δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις κλασικές τεχνικές που χρησιμοποιούμε για τις περισσότερες από τις άλλες υπερσυμμετρικές αναζητήσεις», λέει ο Christian Herwig, postdoc στο Fermi National Accelerator Laboratory που εργάζεται στο πείραμα CMS.

Ακόμα και χωρίς υπερσυμμετρία, τα σωματίδια χαμηλής ενέργειας είναι άφθονα στους ανιχνευτές, οπότε οι ερευνητές πρέπει να επινοήσουν έξυπνους τρόπους διαχωρισμού αυτού του άσχετου υποβάθρου από τις αλληλεπιδράσεις που αποδεικνύουν την υπερσυμμετρία.

Ένα πλαίσιο που καθοδηγεί τις τρέχουσες αναζητήσεις υπερ-συντρόφων είναι η split (διαχωρισμένη υπερσυμμετρία , την οποία πρότειναν ο Σάβας Δημόπουλος με τον Nima Arkani-Hamed το 2004. Η υπερσυμμετρία split αντιστοιχεί ελαφρούς υπερ-συντρόφους στα μισά από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου και βαρείς υπερ-συντρόφους στα υπόλοιπα.

Η split υπερσυμμετρία φαίνεται ως η πιο ελπιδοφόρα θεωρία παίρνοντας υπόψιν τα μέχρι στιγμής δεδομένα. Σύμφωνα με τον Arkan-Hamed, «οι θεωρητικοί δεν είναι παντρεμένοι με τις θεωρίες τους. Προσπαθούμε να ανακαλύψουμε την αλήθεια. Έτσι συλλέγουμε ιδέες και τις εξερευνούμε για να δούμε τι συνεπάγονται και αφήνουμε το πείραμα να αποφασίσει.»

Παρόλο που η split υπερσυμμετρία προσφέρει έναν υποψήφιο σκοτεινής ύλης και ενοποιεί τις θεμελιώδεις δυνάμεις σε υψηλές ενέργειες, δεν αντιμετωπίζει την σταθερότητα του μποζονίου Higgs, αφήνοντας ορισμένους θεωρητικούς με αμφιβολίες. «Η πρώτη μου προτεραιότητα είναι η επίλυση του προβλήματος του Higgs και δεν βλέπω την split υπερσυμμετρία να λύνει το πρόβλημα», λέει ο Peskin. Αντιμέτωπος με την έλλειψη πειραματικών στοιχείων για την υπερσυμμετρία, διερευνά τώρα εναλλακτικές ερμηνείες για τις ιδιότητες του μποζονιού Higgs. Ακριβώς όπως τα πρωτόνια αποτελούνται από κουάρκ και γλουόνια, ο Peskin υποψιάζεται ότι το μποζόνιο Higgs μπορεί να έχει μια κρυφή υπο-δομή.

Το έπος της υπερσυμμετρίας «πρέπει να ληφθεί ως προειδοποίηση», λέει ο Gates. «Δυστυχώς, αυτό είναι ένα παράδειγμα όπου η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής ξεπέρασε τα όριά της. Πρέπει να είμαστε πάντα εξαιρετικά προσεκτικοί και να αντλούμε τα στοιχεία μας από την φύση. »

Η αναζήτηση συνεχίζεται

Καθώς αρκετοί σωματιδιακοί φυσικοί έχουν απομακρυνθεί από την υπερσυμμετρία, πολλοί πειραματιστές παραμένουν αισιόδοξοι. «Τώρα κάνουμε έρευνες με τον ανιχνευτή μας που ποτέ δεν είχαμε σκεφτεί ότι θα ήταν δυνατές όταν τον κατασκευάζαμε», λέει ο Herwig. «Κάνοντας αυτά τα πράγματα ανοίγονται εντελώς νέες δυνατότητες και στρατηγικές ανάλυσης που προσπαθούμε να εφαρμόσουμε για τα επόμενα χρόνια της συλλογής δεδομένων».

Η αναβάθμιση που έγινε στον LHC, γνωστή ως High Luminosity LHC, θα επιτρέψει στους πειραματικούς να εξερευνήσουν περιοχές του υπερσυμμετρικού τοπίου που δεν έχουν απορριφθεί. Σε μελλοντικούς επιταχυντές που θα επιτυγχάνουν ακόμη υψηλότερες ενέργειες θα μπορούσαν να εμφανιστούν και τα υπερσυμμετρικά σωματίδια. Αλλά αντί να εμπνέονται από την αναζήτηση υπερσυμμετρίας, «ένας λόγος για την κατασκευή των επόμενων επιταχυντών είναι η μελέτη του μποζονίου Higgs μέχρι θανάτου», λέει ο Arkani-Hamed.

Ο Peskin συμφωνεί ότι το ‘ξεψάχνισμα’ του Higgs είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της φυσικής πέρα από το καθιερωμένο Πρότυπο. «Σχεδόν κάθε θεωρία του μποζονίου Higgs είναι συνεπής με τα τρέχοντα δεδομένα», και έτσι κανένα από αυτά δεν μπορεί να αποκλειστεί. Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε τίποτα γι ‘αυτό.»

Σύμφωνα με τον Gates, θα μπορούσαν να περάσουν δεκαετίες μέχρι οι φυσικοί να μάθουν την αλήθεια για την υπερσυμμετρία. Εάν υπάρχουν υπερσυμμετρικά σωματίδια, ο Gates λέει ότι θα μπορούσε να περάσει ένας αιώνα πριν από την ανακάλυψή τους. Αλλά «ξέρουμε πώς να είμαστε υπομονετικοί ως κοινότητα», λέει ο Herwig.

Για τα νετρίνα, η πορεία από τη θεωρητική πρόβλεψη μέχρι την πειραματική τους ανίχνευση χρειάστηκαν 25 χρόνια. Για το μποζόνιο Higgs χρειάστηκε μισός αιώνας. Και για τα βαρυτικά κύματα, χρειάστηκαν 100 ολόκληρα χρόνια.

Η υπερσυμμετρία παρότι δεν λύνει όλα τα προβλήματα που ήλπιζαν οι φυσικοί, ίσως μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα την φύση. Είτε η υπερσυμμετρία είναι η απάντηση είτε όχι, ο μόνος τρόπος για να το ανακαλύψουμε είναι να συνεχίσουμε την πειραματική κυρίως διερεύνηση.

https://physicsgg.me/2021/01/17/%ce%bc%ce%ae%cf%80%cf%89%cf%82-%ce%b5%ce%af%ce%b4%ce%b1%cf%84%ce%b5-%cf%84%ce%b7%ce%bd-susy/

Στα 14 δισ. σχεδόν χρόνια η ηλικία του σύμπαντος, σύμφωνα με επιστήμονες.

Αστρονόμοι εξέτασαν εκ νέου το παλαιότερο φως στο σύμπαν, αξιοποιώντας ένα αστεροσκοπείο ψηλά πάνω από την έρημο Ατακάμα της Χιλής, και κατέληξαν στο συμπέρασμα πως η ηλικία του σύμπαντός μας φτάνει τα 13,77 δισ. χρόνια- με περιθώριο απόκλισης 40 εκατ. ετών.[ή (13,77 ± 0,04)∙

Η νέα αυτή εκτίμηση έγινε χρησιμοποιώντας δεδομένα που συγκεντρώθηκαν στο Atacama Cosmology Telescope (ACT) του National Science Foundation στη Χιλή και συνάδει με αυτήν που παρέχει το καθιερωμένο μοντέλο του σύμπαντος, καθώς με μετρήσεις πάνω στο ίδιο φως που έγιναν από τον δορυφόρο Planck του ΕΟΔ (Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος), ο οποίος μέτρησε απομεινάρια από το Big Bang στο διάστημα 2009-2013.

Η εν λόγω έρευνα δημοσιεύτηκε στις 30 Δεκεμβρίου στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Lead author του «The Atacama Cosmology Telescope: A Measurement of the Cosmic Microwave Background Power Spectra at 98 and 150 GHz» είναι o Στιβ Τσόι, μεταδιδακτορικός Αστρονομίας και Αστροφυσικής του NSF στο Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science.

To 2019 μια ομάδα ερευνητών που μετρούσε τις κινήσεις των γαλαξιών υπολόγισε πως το σύμπαν είναι εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια νεαρότερο από ό,τι είχε υπολογίσει η ομάδα του Planck. H αντίφαση αυτή υπέδειξε ότι ίσως χρειαζόταν ένα νέο μοντέλο του σύμπαντος, προκαλώντας ανησυχίες πως το ένα από τα δύο σετ υπολογισμών μπορεί να ήταν λάθος.

«Τώρα καταλήξαμε σε μια απάντηση όπου συμφωνούν το Planck και το ACT» είπε η Σιμόν Αϊόλα, ερευνήτρια στο Center for Computational Astrophysics του Flatiron Institute. «Δείχνει πως αυτοί οι δύσκολοι υπολογισμοί είναι αξιόπιστοι» πρόσθεσε.

Η ηλικία του σύμπαντος υποδεικνύει επίσης πόσο γρήγορα αυτό διαστέλλεται, έναν αριθμό που ποσοτικοποιείται με τη σταθερά του Hubble. Οι μετρήσεις του ACT δείχνουν σταθερά του Hubble της τάξης των 67,6 χλμ ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ. Αυτό σημαίνει πως ένα αντικείμενο σε απόσταση ενός μεγαπαρσέκ (3,26 εκατ. έτη φωτός) από τη Γη απομακρύνεται από εμάς με ταχύτητα 67,6 χλμ ανά δευτερόλεπτο, λόγω της διαστολής του σύμπαντος. Το αποτέλεσμα αυτό συμφωνεί σχεδόν πλήρως με την προηγούμενη εκτίμηση των 67,4 χλμ/ δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ της ομάδας του Planck.

https://www.naftemporiki.gr/story/1677391/sta-14-dis-sxedon-xronia-i-ilikia-tou-sumpantos-sumfona-me-epistimones

Δέκα νέα πράγματα που μάθαμε για το διάστημα.

Τι περιμένουμε το 2021

Mπορεί η πανδημία του κορονοϊού να τράβηξε την προσοχή πολλών επιστημόνων και των περισσότερων ανθρώπων σε όλο τον κόσμο φέτος, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι η εξαναγκαστική αυτή προσγείωση έβαλε τέλος στον ενδιαφέρον για τα κοσμικά μυστήρια και τις ανακαλύψεις στο διάστημα. Για μια ακόμη χρονιά υπήρξαν πρόοδοι στα διαστημικά επιτεύγματα – ενώ και οι «φίλοι» των εξωγήινων δεν έμειναν παραπονεμένοι.

Ακολουθεί μια επιλογή αυτών των ανακαλύψεων που ξεχώρισαν στη διάρκεια του χρόνου που φεύγει.

* Οι πιο κοντινές και καυτές φωτογραφίες του Ήλιου:

Εδώ και χρόνια, οι επιστήμονες πασχίζουν να λύσουν τα μυστήρια του μητρικού μας άστρου, όπως γιατί η ατμόσφαιρά του είναι πιο καυτή από την επιφάνεια του ή τι ακριβώς πυροδοτεί τις πανίσχυρες και δυνητικά καταστροφικές εκτινάξεις στεμματικής μάζας. Φέτος δύο διαστημικά παρατηρητήρια, το Solar Orbiter (των NASA και ESA) και το Hi-C (NASA) τράβηξαν τις πιο λεπτομερείς και πιο κοντινές μέχρι σήμερα φωτογραφίες του Ήλιου, που θα βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα την ηλιακή ατμόσφαιρα και, κατά συνέπεια, τις μεταβολές του διαστημικού καιρού που μπορούν να επηρεάσουν και τη Γη.

* Aνίχνευση σεισμών στον Άρη:

Το σεισμόμετρο του αμερικανικού ρομποτικού εργαστηρίου InSight που έφθασε στον γειτονικό πλανήτη το 2018, κατέγραψε εκατοντάδες σεισμούς μικρομεσαίας ισχύος, προερχόμενους κυρίως από την ηφαιστειακά ενεργή περιοχή Cerberus Fossae.

* Κινεζικά δείγματα από τη Σελήνη:

Το 2019 η Κίνα έγινε η πρώτη χώρα στον κόσμο που «πάτησε» στη σκοτεινή (μη ορατή) πλευρά του φεγγαριού και το 2020 έγινε η πρώτη χώρα μετά από δεκαετίες που συνέλλεξε σεληνιακά δείγματα (τα πρώτα είχαν φέρει οι αποστολές «Απόλλων» της NASA). Τα δείγματα, που πήρε το κινεζικό σκάφος Chang’e-5 από την ηφαιστειακή πεδιάδα Oceanus Procellarum (Ωκεανός των Καταιγίδων), έπεσαν με επιτυχία στην κινεζική Εσωτερική Μογγολία.

* Ουκ ολίγο νερό στη Σελήνη:

Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι, με βάση την ανάλυση νεότερων επιστημονικών δεδομένων, το φεγγάρι διαθέτει σημαντικές ποσότητες νερού, που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στο μέλλον για τη δημιουργία της πρώτης σεληνιακής βάσης.

* Ιαπωνία και ΗΠΑ συνέλλεξαν δείγματα από αστεροειδείς:

Η Ιαπωνία, πρωτοπόρος στο «κυνήγι» αστεροειδών, συνέλλεξε δείγματα από τον αστεροειδή Ριούγκου, τα οποία κατέληξαν με επιτυχία φέτος στα χέρια των Ιαπώνων επιστημόνων. Παράλληλα, οι ΗΠΑ έγιναν η δεύτερη χώρα μετά την Ιαπωνία που συνέλλεξε δείγματα από ένα αστεροειδή, τον Μπενού, χάρη στο σκάφος Osiris-Rex της NASA.

Τα δείγματα αναμένεται να φθάσουν στη Γη το 2023.

* Δύο επέτειοι και ένα Νόμπελ:

Φέτος το αμερικανικό διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble γιόρτασε τα 30ά γενέθλια τoυ και ο Διεθνής Διαστημικός Σταθμός (ISS) τα 20 χρόνια αδιάλειπτης διαβίωσης αστροναυτών σε αυτόν. Παράλληλα, το Νόμπελ Φυσικής 2020 αφορούσε τις μαύρες τρύπες στο σύμπαν, ενώ οι αστρονόμοι ανακάλυψαν την κοντινότερη στη Γη μαύρη τρύπα σε απόσταση 1.000 ετών φωτός και την πρώτη ενδιάμεσου μεγέθους μαύρη τρύπα.

* Πρώτη εξιχνίαση μιας FRB:

Για πρώτη φορά οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι ανακάλυψαν σε ένα περιστρεφόμενο άστρο νετρονίων με ισχυρό μαγνητικό πεδίο (μάγναστρο) την πηγή της προέλευσης ενός μυστηριώδους φαινομένου στο σύμπαν, των γρήγορων εκπομπών ραδιοκυμάτων υψηλής ενέργειας (Fast Radio Bursts-FRBs).

* Εξωγήινο ραδιοσήμα από τον Εγγύτατο του Κενταύρου;

Οι αστρονόμοι που «σαρώνουν» τον ουρανό για ίχνη νοήμονος εξωγήινης ζωής, ανακοίνωσαν την ανακάλυψη ενός μυστηριώδους ραδιοσήματος στη συχνότητα των 980 megahertz, το οποίο προερχόταν από το κοντινότερο άστρο στη Γη, τον Εγγύτατο του Κενταύρου σε απόσταση 4,2 ετών φωτός. Σε αυτό το αστρικό σύστημα πριν μερικά χρόνια είχαν ανακαλυφθεί εξωπλανήτες, ο ένας μάλιστα φαίνεται να έχει ομοιότητες με τη Γη. Το σήμα θα μελετηθεί περαιτέρω για να εκτιμηθεί κατά πόσο έχει φυσική ή όχι προέλευση.

* Εξωγήινα βακτήρια στα σύννεφα της Αφροδίτης;

Επιστήμονες ανακοίνωσαν την πιθανή ανακάλυψη βακτηρίων στα πυκνά νέφη της καυτής και πνιγηρής Αφροδίτης. Μία είδηση που ενθουσίασε τους αστροβιολόγους, αλλά πολλοί επιστήμονες εμφανίζονται άκρως σκεπτικιστές κατά πόσο είναι ορθή η εκτίμηση, η οποία βασίζεται στην ανίχνευση φωσφίνης, ενός σπάνιου τοξικού αερίου, που στη Γη παράγεται συχνά από μικροοργανισμούς.

Το 2021

Το νέο έτος (στις 18 Φεβρουαρίου, με βάση τον προγραμματισμό) αναμένεται να φθάσει στον ‘Αρη και στον κρατήρα Jezero, το ρομποτικό ρόβερ Perseverance της αποστολής Mars 2020 των ΗΠΑ, δίνοντας έτσι νέα ώθηση στις ανακαλύψεις στο γειτονικό πλανήτη. Η ίδια αποστολή θα περιλαμβάνει και το πρώτο ελικόπτερο drone που θα πετάξει σε άλλο ουράνιο σώμα.

Παράλληλα, στον Άρη θα φθάσουν η κινεζική αποστολή Tianwen-1 που θα τεθεί σε τροχιά γύρω του και στη συνέχεια θα στείλει επίσης ρομποτικό ρόβερ στην επιφάνεια του (η προσεδάφιση του αναμένεται τον Απρίλιο),καθώς και η ιστορική αποστολή Hope των Ηνωμένων Αραβικών Εμιράτων, η πρώτη από αραβική χώρα, που αναμένεται να τεθεί σε τροχιά γύρω από τον Άρη στις 9 Φεβρουαρίου (χωρίς να «κατεβάσει» ρόβερ στην επιφάνεια του).

Επίσης μπορεί να γίνουν -μετά από καθυστερήσεις ετών- οι πρώτες παρατηρήσεις από το μεγάλο (και ισχυρότερο από κάθε άλλο που έχει ποτέ υπάρξει) οπτικό αμερικανικό διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, τον διάδοχο του Hubble.

Παράλληλα, θα προχωρήσει η υλοποίηση του προγράμματος «Άρτεμις» της NASA, που έχει θέσει ως στόχο την επιστροφή των Αμερικανών αστροναυτών (και της πρώτης γυναίκας) στη Σελήνη το 2024. Σε αυτό το πλαίσιο, αναμένονται το 2021 αποστολές μη επανδρωμένων σκαφών στο φεγγάρι τόσο από τη NASA όσο και από συνεργαζόμενες με αυτήν ιδιωτικές αμερικανικές εταιρείες, αλλά και από άλλες χώρες (Ρωσία, Ινδία, Ιαπωνία).

Τον Ιούλιο θα γίνει η εκτόξευση της αμερικανικής αποστολής DART στους αστεροειδείς Δίδυμο και Δίμορφο, που είναι μια πρώτη πρόβα εκτροπής από την τροχιά τους, αν στο μέλλον βρεθεί κάποιος αστεροειδής απειλητικός για τη Γη.

Τον Οκτώβριο προγραμματίζεται και η εκτόξευση της αμερικανικής αποστολής Lucy, μιας 12ετούς «οδύσσειας» που θα περάσει κοντά από οκτώ αστεροειδείς Tρώες.

https://physicsgg.me/2020/12/31/%ce%b4%ce%ad%ce%ba%ce%b1-%ce%bd%ce%ad%ce%b1-%cf%80%cf%81%ce%ac%ce%b3%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%b1-%cf%80%ce%bf%cf%85-%ce%bc%ce%ac%ce%b8%ce%b1%ce%bc%ce%b5-%ce%b3%ce%b9%ce%b1-%cf%84%ce%bf-%ce%b4%ce%b9%ce%ac/

Ραδιενεργά μόρια και θεμελιώδεις συμμετρίες του σύμπαντος.

Αν οι νόμοι της φυσικής ήταν απόλυτα συμμετρικοί, η ύλη και η αντιύλη θα είχαν δημιουργηθεί σε ίσες ποσότητες μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Όμως, το ορατό σύμπαν αποτελείται από ύλη, με την αντιύλη να αποτελεί πολύ μικρό κλάσμα, η αναλογία ύλης-αντιύλης ισούται με ένα δισεκατομμυριοστό περίπου. Η ερμηνεία αυτής της ανισορροπίας μεταξύ ύλης και αντιύλης αποτελεί ένα από τα ανοιχτά προβλήματα στη φυσική.

Οι φυσικοί έχουν εκτελέσει πολλά πειράματα που έδειξαν μεν παραβιάσεις θεμελιωδών συμμετριών, αλλά ήταν πολύ μικρές για να εξηγήσουν την κοσμική ανισορροπία.

Δυο ανεξάρτητες ομάδες φυσικών αναφέρουν σημαντικά βήματα στην προσέγγιση του ελέγχου της παραβίασης θεμελιωδών συμμετριών διαμέσου των φασμάτων πολικών και ραδιενεργών μορίων. Οι πειραματικοί Fan et al παρουσίασαν μια μέθοδο βασισμένη σε λέιζερ για την δημιουργία και την ταυτοποίηση μορίων που περιέχουν ισότοπα ραδίου. Ταυτόχρονα οι Yu και Hutzler πραγματοποίησαν μια λεπτομερή θεωρητική μελέτη αυτών μορίων, δείχνοντας ότι είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι ‘ανιχνευτές θεμελιωδών συμμετριών’.

Απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης είναι η παραβίαση της συμμετρίας συζυγίας φορτίου C και της συμμετρίας της ομοτιμίας P – πιο σύντομα της συμμετρίας CP). H συμμετρία CP σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι αν ένα σωματίδιο αντικατασταθεί με το αντίστοιχο αντισωματίδιο ενώ οι χωρικές συντεταγμένες αναστρέφονται. Κάποιο επίπεδο παραβίασης CP προβλέπεται από το καθιερωμένο πρότυπο φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων και παρατηρήθηκε πειραματικά σε διασπάσεις μεσονίων Β και D. Τα πειράματα έδειξαν επίσης παραβίαση της CP στις ταλαντώσεις νετρίνων. Όμως απαιτούνται ισχυρότερες παραβιάσεις για να εξηγηθεί η ανισσοροπία υλης-αντιύλης στο σύμπαν, οπότε οι φυσικοί αναζητούν νέες πηγές παραβίασης της CP ή ισοδύναμα της παραβίασης αντιστροφής χρόνου Τ (δεδομένου ότι θεωρούμε ότι η ο συνδυασμός των συμμετριών CPT αποτελεί μια ακριβή συμμετρία του σύμπαντος).

Θεωρητικές μελέτες δείχνουν ότι μόρια που περιέχουν έναν ή περισσότερους ραδιενεργούς πυρήνες μπορούν να προσφέρουν μια άνευ προηγουμένου ευαισθησία σε παραβιάσεις συμμετρίας. Οι δυνάμεις παραβίασης συμμετρίας CP στους πυρήνες των μορίων μπορούν να παράγουν μια συλλογική ηλεκτρική διπολική ροπή που με τη σειρά της προκαλεί μετατόπιση της κατανομής ηλεκτρικού φορτίου στα άτομα και μόρια – την επονομαζόμενη ροπή Schiff [ [φαινόμενο που μελέτησε ο Leonard I. Schiff, γνωστός από το βιβλίο του ‘Κβαντική Μηχανική‘], η οποία με την σειρά της μπορεί να προκαλέσει μετρήσιμες μεταβολές στις ενεργειακές στάθμες του μορίου. Αυτό το φαινόμενο ενισχύεται δραματικά σε πυρήνες με οκταπολική παραμόρφωση όπως το ράδιο-225, το οποίο έχει ατομικό αριθμό Ζ=88 και πυρήνα σε σχήμα αχλαδιού

Τα μόρια που περιέχουν αυτά τα ισότοπα, όπως το RaOH+, είναι πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για τον εντοπισμό των φαινομένων της μετατόπισης Schiff. Όμως, οι πυρήνες όπως το ράδιο-225 έχουν μικρό χρόνο ζωής και μπορούν να παραχθούν μόνο σε μικρές ποσότητες. Και γι αυτό τα πειράματα με μόρια που περιέχουν τέτοιους σπάνιους πυρήνες είναι ελάχιστα.

Ο Fan και οι συνεργάτες του στην εργασία τους με τίτλο «Optical Mass Spectrometry of Cold RaOH+ and RaOCH3+» παρουσίασαν μια νέα μέθοδο για την δημιουργία και ταυτοποίηση ραδιενεργών μορίων. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία παγιδεύουν ιόντα Ra+, που έχουν ψυχθεί με λέιζερ, τα οποία στη συνέχεια αναμιγνύονται με ατμούς μεθανόλης. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται μια χημική αντίδραση που παράγει μόρια RaOH+ ή RaOCH3+. Μερικά από αυτά τα φορτισμένα μόρια, μαζί με ιόντα Ra+ που έχουν ψυχθεί με λέιζερ, σχηματίζουν μια διατεταγμένη δομή που ονομάζεται κρύσταλλος Coulomb. Όμως ο εντοπισμός αυτών των νέων μοριακών ενώσεων δεν είναι εύκολος. Δεδομένου ότι οι ενέργειες μετάβασης είναι άγνωστες και αναμένεται να είναι διαφορετικές από αυτές του απλού ιόντος Ra+, τα μόρια δεν μπορούν ακόμη να αναγνωριστούν άμεσα από τις χαρακτηριστικές φασματικές τους υπογραφές.

Για να ξεπεράσουν αυτήν την πρόκληση ανίχνευσης, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια καθαρά οπτική μέθοδο που δεν καταστρέφει τα μόρια και μετρά τη συχνότητα με την οποία ο κρύσταλλος Coulomb ταλαντώνεται γύρω από τη θέση ισορροπίας του στην παγίδα ιόντων. Στη μέθοδο τους, το φως φθορισμού από τα ιόντα Ra+ συλλέγεται από έναν φωτοανιχνευτή τοποθετημένο σε σταθερή θέση. Έτσι, η κίνηση των ιόντων προκαλεί παροδικές μεταβολές στην παρατηρούμενη ένταση φωτός, με καθορισμένες κορυφές στο φάσμα συχνοτήτων του σήματος. Καθώς η κίνηση των ιόντων επηρεάζεται από την μάζα των παγιδευμένων μορίων, η μάζα των παραχθέντων μορίων μπορεί υπολογιστεί από τις μεταβολές των συχνοτήτων ταλάντωσης. Στην πρώτη επίδειξη της μεθόδου τους οι Fan et al χρησιμοποίησαν το ισότοπο ράδιο-226 που έχει με μεγάλο χρόνο ζωής και μέτρησαν, σε μόλις τρία δευτερόλεπτα, την μάζα του μορίου με μια αβεβαιότητα 0,12%.

Oι Yu και Hutzler στην εργασία τους με τίτλο «Probing Fundamental Symmetries of Deformed Nuclei in Symmetric Top Molecules» περιγράφουν την ab initio θεωρητική μελέτη του μορίου RaOCH3+ που παρατηρήθηκε πρόσφατα, υποθέτοντας ότι το ράδιο του μορίου είναι το ισότοπο με ατομικό αριθμό 225. Υπολόγισαν την ηλεκτρονική δομή του μορίου, εστιάζοντας σ’ αυτές τις υπερ-λεπτές καταστάσεις που θα έπρεπε να είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες σε παραβιάσεις συμμετρίας CP. Οι υπολογισμοί τους έδειξαν ότι το μόριο RaOCH3+ προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα για μετρήσεις ροπής Schif, διότι πολώνεται εύκολα με μικρά εξωτερικά ηλεκτρικά πεδία. Οι Yu και Hutzler έδειξαν ότι η εξαιρετική ευαισθησία σε παραβιάσεις συμμετρίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε παρατηρήσιμες μεταβολές στις μοριακές ενεργειακές στάθμες ακόμα και σε πειράματα με ένα μόνο παγιδευμένο μόριο.

Αυτές οι παράλληλες πειραματικές και θεωρητικές εξελίξεις εκφράζουν την μεγάλη πρόοδο σ’ ένα νέο και ταχύτατα αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας. Όμως πρέπει να ξεπεραστούν αρκετές πειραματικές προκλήσεις ώστε οι Fan et al να εφαρμόσουν την μέθοδό τους στην παραγωγή και ταυτοποίηση μορίων που περιέχουν ράδιο-225. Η μέθοδος αυτή εκτός από την αποκάλυψη των παραβιάσεων συμμετριών του σύμπαντος, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί επίσης στην αναζήτηση νέων βαθμωτών πεδίων και σκοτεινής ύλης, αλλά και στην μελέτη αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων-πυρήνα σε μόρια που περιέχουν πυρήνες με ακραίο αριθμό πρωτονίων ή νετρονίων.

https://physicsgg.me/2021/01/13/%cf%81%ce%b1%ce%b4%ce%b9%ce%b5%ce%bd%ce%b5%cf%81%ce%b3%ce%ac-%ce%bc%cf%8c%cf%81%ce%b9%ce%b1-%ce%ba%ce%b1%ce%b9-%ce%b8%ce%b5%ce%bc%ce%b5%ce%bb%ce%b9%cf%8e%ce%b4%ce%b5%ce%b9%cf%82-%cf%83%cf%85%ce%bc/

Μέσα από τον σπασμένο καθρέφτη της ισοτοπικής συμμετρίας.

Το 1932, και πριν ακόμα στεγνώσει το μελάνι από την δημοσίευση του James Chadwick με την ανακοίνωση της ανακάλυψης του νετρονίου, o Werner Heisenberg δημοσίευσε το διάσημο άρθρο του για τις πυρηνικές δυνάμεις (Über den Bau der Atomkerne. I). Παρότι τα πρωτόνια φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα νετρόνια είναι ουδέτερα, ο Heisenberg αφήνοντας κατά μέρος τις επιπτώσεις αυτής της διαφοράς, θεώρησε νετρόνιο και πρωτόνιο ως διαφορετικές καταστάσεις του ίδιου σωματιδίου, του νουκλεονίου.

Η διαφορά μάζας μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων είναι ελάχιστη και όπως είναι γνωστό σήμερα οι ενεργειακές στάθμες των πυρήνων συνήθως δεν αλλάζουν σημαντικά όταν μερικά πρωτόνια εναλλαχθούν με νετρόνια και αντιστρόφως. Οι πυρήνες αυτοί ονομάζονται κατοπτρικοί -ο αριθμός πρωτονίων του ενός ισούται με τον αριθμό των νετρονίων του άλλου- όπως για παράδειγμα οι 3H και 3He, που όντως έχουν παραπλήσιες ενέργειες σύνδεσης. Η μικρή διαφορά αποδίδεται στην ηλεκτρική απωστική δύναμη μεταξύ των πρωτονίων.

Αυτή τη συμμετρία εναλλαγής πρωτονίων-νετρονίων γενίκευσε ο Heisenberg. Έχοντας στο μυαλό του το σπιν των ηλεκτρονίων, απέδωσε στο νουκλεόνιο έναν νέο κβαντικό αριθμό, το ισοσπίν (ή ισοτοπικό σπιν) που συμβολίζεται με Ι. Πρόκειται για ένα φυσικό μέγεθος που δεν έχει καμία σχέση με τον οικείο μας χωροχρόνο.

Όπως το σπιν, έτσι και το ισοσπίν ορίζεται ως ένα διάνυσμα, όμως όχι στον συνήθη χώρο, αλλά σε έναν άλλο αφηρημένο χώρο. Σε αυτόν τον τρισδιάστατο αφηρημένο χώρο τo πρωτόνιο και το νετρόνιο θεωρούνται ως δυο καταστάσεις του ίδιου σωματιδίου, του νουκλεονίου που έχει ισοσπιν Ι=1/2. Οι καταστάσεις που αντιστοιχούν στις δυο τιμές της τρίτης συνιστώσας είναι αυτές του πρωτονίου με Ιz=+1/2 και του νετρονίου με Ιz=-1/2. Όπως κάνουμε και στην περίπτωση του σπιν του ηλεκτρονίου, μπορούμε να αποφύγουμε να μιλάμε για δυο διαφορετικά σωματίδια αν υποθέσουμε ότι η θεωρία είναι αναλλοίωτη σε στροφές στο νέο αυτό χώρο.

Μια στροφή κατά 180ο γύρω από από τον άξονα x του ισοτοπικού χώρου μετασχηματίζει π.χ. ένα πρωτόνιο σε νετρόνιο. Έχουμε εδώ την αρχετυπική ιδέα μιας εσωτερικής συμμετρίας. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα πρόκειται για μια προσεγγιστική συμμετρία γιατί αγνοούμε τα φαινόμενα που οφείλονται στο φορτίο του πρωτονίου. Eίναι όμως μια καλή προσέγγιση όσον αφορά τις πυρηνικές δυνάμεις. Για πρώτη φορά στη φυσική εφαρμόστηκαν μετασχηματισμοί ενός συστήματος συντεταγμένων διαφορετικού από εκείνο του οικείου μας χωροχρόνου.

Η ανεξαρτησία λοιπόν των πυρηνικών δυνάμεων από το ηλεκτρικό φορτίο αντιστοιχεί στο αναλλοίωτό τους ως προς τις στροφές στον χώρο του ισοσπiν. Όμως, τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα παραβιάζουν την συμμετρία του ισοσπίν. Το γεγονός ότι η σχετική διαφορά της μάζας μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων είναι μόνο 0,0013, αποδεικνύει ότι το σπάσιμο της συμμετρίας ισοσπίν, που οφείλεται στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, είναι πολύ μικρή.

Παρά το γεγονός ότι η ισχυρή αλληλεπίδραση θεωρείται αναλλοίωτη στην εναλλαγή πρωτονίου-νετρονίου, σε πρόσφατη έρευνα παρατηρήθηκε σπάσιμο της ισοτοπικής συμμετρίας στο ζεύγος κατοπτρικών πυρήνων 73Sr και 73Br. Όμως, η απόλυτη κλίμακα αυτής της παραβίασης φαίνεται να είναι πολύ μικρή και συγκρίσιμη με άλλες παρόμοιες περιπτώσεις.

Μεγαλύτερη παραβίαση αναφέρεται στην τελευταία δημοσίευση της Wimmer et al. Η πειραματική μελέτη των κατοπτρικών πυρήνων ^{70}Se_{34}^{36} και ^{70}Kr_{36}^{34}, έδειξε ότι έχουν αρκετά διαφορετικό σχήμα, ένα συμπέρασμα που αψηφά την συμμετρία ισοσπίν.

Σε έναν επιταχυντή ιόντων παρήχθησαν δέσμες πυρήνων με τον ίδιο μαζικό αριθμό: Κρυπτόν (36 πρωτόνια και 34 νετρόνια), Βρώμιο (35 και 35) και Σελήνιο (34 και 36). Προσπίπτοντας οι δέσμες αυτές σε έναν λεπτό στόχο χρυσού, παρήγαγαν ακτίνες γάμα με τις συχνότητες συγκεκριμένων πυρηνικών μεταβάσεων στους εν λόγω πυρήνες. Μετρώντας την ένταση των ακτίνων γάμα σε κάθε συχνότητα, οι ερευνητές εξήγαγαν τις πιθανότητες μετάβασης που σχετίζονται άμεσα με τις πυρηνικές κυματοσυναρτήσεις.

Οι μετρήσεις έδειξαν μια απρόσμενα μεγάλη παραβίαση της συμμετρίας ισοσπίν: οι πιθανότητες των μεταβάσεων στους κατοπτρικούς πυρήνες κρυπτόν και σελήνιο αποκλίνουν σημαντικά από τις θεωρητικές προβλέψεις. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτές οι διαφορές αποδεικνύουν τα διαφορετικά σχήματα των πυρήνων: το σελήνιο είναι πιθανότατα πεπλατυσμένο – όπως η φακή – ενώ το κρυπτόν είναι περισσότερο παραμορφωμένο και πιθανότατα επιμηκυμένο – όπως η μπάλα του αμερικανικού ποδοσφαίρου.

Στην φωτογραφια τα πιθανά σχήματα των κατοπτρικών πυρήνων Κρυπτό, με 36 πρωτόνια και 34 νετρόνια (αριστερά) και Σελήνιο, με 34 πρωτόνια και 36 νετρόνια (δεξιά).

https://physicsgg.me/2021/02/20/%ce%bc%ce%ad%cf%83%ce%b1-%ce%b1%cf%80%cf%8c-%cf%84%ce%bf%ce%bd-%cf%83%cf%80%ce%b1%cf%83%ce%bc%ce%ad%ce%bd%ce%bf-%ce%ba%ce%b1%ce%b8%cf%81%ce%ad%cf%86%cf%84%ce%b7-%cf%84%ce%b7%cf%82-%ce%b9%cf%83%ce%bf/

Το κυνήγι του αποτυπώματος των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος μόλις έγινε πιο περίπλοκο…

Το πολωμένο φως που εκπέμπεται από τη γαλαξιακή διαστρική σκόνη λειτουργεί ως πέπλο που συσκοτίζει τις παρατηρήσεις του πρώιμου Σύμπαντος. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου (cosmic microwave background, CMB), η «στάχτη» της Μεγάλης Έκρηξης, μας έρχεται στις ίδιες συχνότητες όπως η ακτινοβολία της διαστρικής σκόνης, και είναι πολύ δύσκολο να διαχωριστεί από αυτήν. Μια σημαντική ανακάλυψη για την πολυπλοκότητα αυτού του διαχωρισμού επιτεύχθηκε μόλις, από μια διεθνή συνεργασία επιστημόνων από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (IA-ΙΤΕ) και το Πανεπιστήμιο Κρήτης στην Ελλάδα, το Πανεπιστήμιο Princeton, το Ινστιτούτο Προχωρημένων Μελετών και το Caltech στις ΗΠΑ, και το Πανεπιστήμιο του Όσλο στη Νορβηγία.

Η μελέτη, με επικεφαλής τον Δρ. Vincent Pelgrims του ΙΑ-ΙΤΕ, χρησιμοποίησε δεδομένα από την αποστολή Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) και από την ακτινοβολία του ουδέτερου υδρογόνου, για να δείξει ότι η πλούσια τρισδιάστατη δομή του διαστρικού αερίου έχει ισχυρή επίδραση στην πόλωση της ακτινοβολίας που παράγεται από τη διαστρική σκόνη….

διαβάστε τη συνέχεια ΕΔΩ: https://www.ia.forth.gr/el/decorrelation?fbclid=IwAR0lxkrTo5nTCMz0hOKeZh3w97rlqPZI6rIk1kSXp4TDEIyXabdTSkfj99U

https://physicsgg.me/2021/03/04/%cf%84%ce%bf-%ce%ba%cf%85%ce%bd%ce%ae%ce%b3%ce%b9-%cf%84%ce%bf%cf%85-%ce%b1%cf%80%ce%bf%cf%84%cf%85%cf%80%cf%8e%ce%bc%ce%b1%cf%84%ce%bf%cf%82-%cf%84%cf%89%ce%bd-%cf%80%cf%81%cf%8e%cf%84%cf%89%ce%bd/