Live τώρα    
22°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Σποραδικές νεφώσεις
22 °C
19.8°C24.0°C
4 BF 47%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
24 °C
23.3°C26.5°C
3 BF 39%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
26 °C
24.4°C26.0°C
0 BF 30%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Σποραδικές νεφώσεις
22 °C
21.1°C23.8°C
4 BF 64%
ΛΑΡΙΣΑ
Ελαφρές νεφώσεις
25 °C
22.3°C24.9°C
2 BF 23%
Πολυμηνυματική αστρονομία: Νέα παράθυρα στο Σύμπαν
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Πολυμηνυματική αστρονομία: Νέα παράθυρα στο Σύμπαν

Ζούμε στην αυγή μιας πολλά υποσχόμενης περιόδου για την επιστήμη της Αστροφυσικής, την εποχή της Πολυμηνυματικής Αστρονομίας (Π.Α.). Χιλιάδες επιστήμονες από όλο τον κόσμο ασχολούνται με αστροφυσικά αντικείμενα τα οποία ανιχνεύουμε όχι μόνο μέσω του φωτός αλλά και με άλλους «αγγελιοφόρους», όπως υψηλών ενεργειών νετρίνα, κοσμικές ακτίνες καθώς και με τα γνωστά πλέον βαρυτικά κύματα, που αποτελούν ταλαντώσεις του χωροχρόνου. Οι ανιχνεύσεις αφορούν βίαια και ενεργητικά φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν στο Σύμπαν και αποτελούν αντικείμενο μελέτης της Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών. Η Π.Α. είναι ένας σχετικά καινούργιος κλάδος της έρευνας, ο οποίος εμπλουτίζεται συνεχώς, που ξεκίνησε πριν από περίπου 32 χρόνια, όταν η ανίχνευση φωτονίων από μια έκρηξη υπερκαινοφανούς (βλ. Ένθετο «Πρίσμα» #22: «Ο υπερκαινοφανής SN1987a») συνοδεύτηκε από την ανίχνευση κοσμικών νετρίνων. Δύο πρόσφατες ανακαλύψεις, η ανίχνευση εξαιρετικά υψηλών ενεργειών νετρίνων και η ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων, οι οποίες συνοδεύτηκαν και από την παρατήρηση φωτονίων, σηματοδότησαν την έναρξη της εποχής της Πολυμηνυματικής Αστρονομίας.

Κοσμικοί επιταχυντές: Οι στόχοι της Πολυμηνυματικής Αστρονομίας

Τα αντικείμενα μελέτης της Π.Α. βρίσκονται εντός ή εκτός του Γαλαξία και θα μπορούσαμε να τα χαρακτηρίσουμε ως κοσμικούς επιταχυντές, μια και κύριο χαρακτηριστικό τους είναι η επιτάχυνση σωματιδίων σε σχετικιστικές ταχύτητες (δηλαδή σε ταχύτητες οι οποίες πλησιάζουν αρκετά την ταχύτητα του φωτός). Εντός του Γαλαξία οι πηγές οι οποίες μας ενδιαφέρουν είναι οι αστέρες νετρονίων, οι εκρήξεις υπερκαινοφανών καθώς και τα διπλά συστήματα εκπομπής ακτίνων Χ (συστήματα που αποτελούνται από ένα άστρο κι από ένα συμπαγές αντικείμενο, όπως μια αστρική μαύρη τρύπα, ένας αστέρας νετρονίων ή ένας λευκός νάνος). Εκτός του Γαλαξία αντικείμενα μελέτης αποτελούν τα κέντρα ενεργών γαλαξιών, οι επονομαζόμενοι Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες, αντικείμενα που περιέχουν μια υπερμεγέθη μελανή οπή και χαρακτηρίζονται από τα μεγάλα ποσά ενέργειας που απελευθερώνουν και από την έντονη μεταβολή της λαμπρότητάς τους. Επιπλέον, άλλες πηγές της Π.Α. είναι οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα, οι οποίες είναι εκρήξεις που διαρκούν έως και κάποια δευτερόλεπτα, εκλύουν τεράστια ποσά ενέργειας και μπορεί να δημιουργούνται είτε με συγχωνεύσεις συμπαγών αντικειμένων είτε με κατάρρευση υπερμαζικών αστεριών (αστέρια με μάζα μεγαλύτερη από δέκα ηλιακές μάζες).

Φως: Ο πρώτος αγγελιοφόρος

Ο βασικότερος ανιχνευτής φωτονίων είναι το ανθρώπινο μάτι. Παρ’ όλα αυτά, αυτό δεν είναι αρκετό για ν’ ανακαλύψουμε τα «μυστικά» του Σύμπαντος, όπου το αόρατο στα μάτια μας φως κυριαρχεί. Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα εκτείνεται από την περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων έως και τις ακτίνες γάμμα, ενώ το οπτικό τμήμα καλύπτει ένα εξαιρετικά μικρό εύρος αυτού. Η γήινη ατμόσφαιρα λειτουργεί ως απορροφητής της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, επιτρέποντας μόνο στα ραδιοκύματα και τα οπτικά φωτόνια να φτάσουν στην επιφάνεια του πλανήτη. Οι υπόλοιπες συχνότητες απορροφούνται από τα στοιχεία της ατμόσφαιρας, ενώ εμμέσως, μπορούμε να ανιχνεύσουμε φωτόνια ακτίνων γάμμα μέσω της αλληλεπίδρασής τους στην ατμόσφαιρα και την παραγωγή ακτινοβολίας Cherenkov (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η οποία παράγεται όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο κινείται σε ένα μέσο με ταχύτητα μεγαλύτερη της ταχύτητας του φωτός σ’ αυτό).

Τα πρώτα οπτικά τηλεσκόπια κατασκευάστηκαν στην Ολλανδία το 1608, ενώ ο Γαλιλαίος ήταν εκείνος που τα χρησιμοποίησε για πρώτη φορά σε αστρονομικές παρατηρήσεις. Ακολουθούν παρατηρήσεις φωτονίων στο υπέρυθρο από τον Χέρσελ το 1800, ενώ το 1801 ο Ρίτερ πραγματοποιεί την πρώτη του παρατήρηση στο υπεριώδες. Η πρώτη παρατήρηση ραδιοκυμάτων πραγματοποιείται από τον Τζάνσκι το 1932 και αφορά σήματα του Γαλαξία μέσω ακτινοβολίας σύγχροτρον (πρόκειται για την εκπομπή φωτονίων που παράγεται από κίνηση σχετικιστικών σωματιδίων μέσα σε μαγνητικά πεδία). Στις ακτίνες Χ η πρώτη ανίχνευση πραγματοποιείται το 1948. Η συστηματική καταγραφή όμως αστρονομικών παρατηρήσεων στις ακτίνες Χ ξεκινάει από το 1958, με τη χρήση πυραύλων. Τέλος, η πρώτη ανίχνευση ακτίνων γάμμα πραγματοποιήθηκε το 1961 από το διαστημόπλοιο Explorer 11. Στις περισσότερες περιπτώσεις αρχικά το αντικείμενο που προσφερόταν για μελέτη ήταν το πιο κοντινό άστρο στη Γη, δηλαδή ο Ήλιος. Σημαντικό είναι να αναφέρουμε ότι παρατηρώντας κάποια αστροφυσική πηγή σε διαφορετικές συχνότητες, μπορούμε να πάρουμε διαφορετική πληροφορία γι’ αυτήν καθώς «αποκαλύπτονται» διαφορετικοί φυσικοί μηχανισμοί.

Κοσμικές ακτίνες: Σωματίδια «χαμένα» στο Διάστημα

Οι κοσμικές ακτίνες, σε αντίθεση μ’ αυτό που υποδηλώνει το όνομά τους (το οποίο παραπέμπει σε φως και διατηρείται για ιστορικούς λόγους), αφορούν κυρίως πρωτόνια και πυρήνες βαρύτερων στοιχείων. Ανιχνεύτηκαν για πρώτη φορά το 1912 από τον Χες, ο οποίος πραγματοποίησε πτήση με αερόστατο προκειμένου να ανακαλύψει αν προέρχονται από το Διάστημα ή από τη Γη. Αν τα μάτια μας μπορούσαν να δουν φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων από το οπτικό, τότε θα μπορούσαν να παρατηρήσουν τα πυροτεχνήματα που προκαλεί η κοσμική ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα, τους λεγόμενους καταιονισμούς. Ένα σωματίδιο υψηλών ενεργειών εισέρχεται στην ατμόσφαιρα, αλληλεπιδρά με τα μόριά της, δημιουργώντας δευτερογενή σωματίδια τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρούν παράγοντας επιπλέον σωματίδια κ.ο.κ. Το πρόβλημα της κοσμικής ακτινοβολίας είναι ότι δεν μπορούμε να γνωρίζουμε από ποια πηγή ξεκίνησε το ταξίδι της. Ο λόγος είναι απλός: πρόκειται για φορτισμένα σωματίδια τα οποία ταξιδεύουν στον ενδογαλαξιακό χώρο, ο οποίος περιέχει μαγνητικά πεδία, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να διαχέονται και να χάνουν την όποια κατευθυντικότητα είχαν αρχικά. Παρατηρητήρια όπως το Pierre Auger στην Αργεντινή, το οποίο καλύπτει μια έκταση περίπου ίση με την επιφάνεια της Ρόδου, ανιχνεύουν σωματίδια κοσμικής ακτινοβολίας υψηλών ενεργειών σε καθημερινή βάση. Τα δεδομένα τα οποία καταγράφονται σχετίζονται με θεωρητικά μοντέλα προκειμένου να ανακαλυφθούν οι πηγές οι οποίες παράγουν κοσμικές ακτίνες καθώς και ο πληθυσμός αυτών.

Νετρίνο: Ένας αόρατος επισκέπτης

Η ιστορία των νετρίνων είναι πολύ ενδιαφέρουσα από μόνη της. Πρακτικά ξεκινάει το 1930, όταν επιστήμονες παρατηρούν κάποιες ραδιενεργές διασπάσεις, στις οποίες φαίνεται να μην ικανοποιείται η διατήρηση της ενέργειας. Μάλιστα, ο Μπορ, ένας από τους πρωτεργάτες της Κβαντομηχανικής, θα είναι από τους πρώτους που θα υποστηρίξουν ότι ο νόμος αυτός μπορεί να μην ισχύει σε μικροσκοπικό επίπεδο και ίσως να χρειάζεται να εγκαταλειφθεί. Από την άλλη, ο Πάουλι προτείνει την όχι και τόσο συνηθισμένη για την εποχή λύση, που θέλει τη «χαμένη» ενέργεια να μεταφέρεται από ένα νέο σωματίδιο που δεν είχε παρατηρηθεί μέχρι τότε και θα ονομαστεί «νετρίνο» (αντι-νετρίνο για την ακρίβεια). Θα χρειαστούν τουλάχιστον είκοσι χρόνια για την πρώτη πειραματική επιβεβαίωση των «μυστηριωδών» αυτών σωματιδίων, τα οποία αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με την ύλη. Ας αναλογιστούμε ότι αυτή τη στιγμή μας διαπερνάει ένας πολύ μεγάλος αριθμός νετρίνων χωρίς να αλληλεπιδρούν καθόλου μαζί μας. Η πρώτη παρατήρηση νετρίνων γίνεται το 1956 σε πειράματα Πυρηνικής Φυσικής, ενώ η παρατήρηση νετρίνων αστρονομικής προέλευσης, από τον Ήλιο, γίνεται το 1968 (πείραμα Homestake στις ΗΠΑ). Πέρα από τα ηλιακά νετρίνα, το 1987 έγινε η πρώτη η ανίχνευση κοσμικών νετρίνων από έκρηξη υπερκαινοφανούς, η οποία τα συσχετίζει με το τέλος της ζωής των αστεριών. Οι πρόσφατες ανακαλύψεις νετρίνων υψηλών ενεργειών τα συνδέουν και με τους υπόλοιπους κοσμικούς επιταχυντές που αναφέραμε προηγουμένως.

Βαρυτικά κύματα: Ένα νέο ζευγάρι αυτιά

Τα βαρυτικά κύματα είναι ταλαντώσεις του χωροχρόνου και η πρώτη ανίχνευσή τους έγινε τον Σεπτέμβριο του 2015 από το παρατηρητήριο LIGO. Αποτελούν μία από τις επιβεβαιώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, συνεισφέροντας στη βαθύτερη κατανόηση θεμελιωδών νόμων της Φυσικής. Οι πληροφορίες που μεταφέρουν είναι διαφορετικές από αυτές που μας δίνει το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα (για παράδειγμα, πληροφορίες για τη γεωμετρία του χωροχρόνου δίπλα σε μαύρες τρύπες, διπλά συστήματα συμπαγών σωμάτων κ.τ.λ.). Το 2017, το Νόμπελ Φυσικής απονεμήθηκε στους Βάις, Θορν και Μπάρις για τον ρόλο τους στην ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. Αυτή τη στιγμή επίσημα έχουμε καταγεγραμμένα έντεκα γεγονότα ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων, με τα περισσότερα να συσχετίζονται με μαύρες τρύπες οι οποίες συγχωνεύονται.

Ο συνδυασμός της πληροφορίας: GW170817 και IC170922

Στις 17 Αυγούστου του 2017 καταγράφηκε ένα βαρυτικό κύμα (GW170817). Τυχαία το τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi, το οποίο βρίσκεται σε τροχιά εκτός της γήινης ατμόσφαιρας, ήταν στραμμένο στην περιοχή του ουρανού απ’ όπου εκπέμφθηκε το βαρυτικό κύμα και κατέγραψε με χρονική υστέρηση 1,7 δευτερολέπτων μια έκλαμψη ακτινών γάμμα. Η ανακάλυψη αυτή ήταν ιδιαιτέρως σημαντική, καθώς ήταν η πρώτη φορά που υπήρχε συνδυασμός ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με ταυτόχρονη ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων που προήλθε από συγχώνευση δύο αστέρων νετρονίων. Αμέσως μετά την ανακοίνωση αυτής της ανίχνευσης δημοσιεύθηκαν περίπου εβδομήντα εργασίες προκειμένου να την ερμηνεύσουν. Δύο χρόνια μετά έχουν συγγραφεί εκατοντάδες εργασίες με αφορμή αυτό το γεγονός.

Σε μια άλλη περίπτωση, στις 22 Σεπτεμβρίου του 2017, ανιχνεύθηκε ένα νετρίνο υψηλών ενεργειών (IC170922) από τους φωτοπολλαπλασιαστές του πειράματος IceCube στον Νότιο Πόλο. Με βάση αυτή την ανίχνευση, το δίκτυο AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network) ενεργοποίησε παρατηρητήρια σε όλο τον κόσμο ώστε να κοιτάξουν στη συγκεκριμένη διεύθυνση στον ουρανό. Το αποτέλεσμα ήταν ότι η ανίχνευση του νετρίνου συνοδευόταν από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που κατέγραψε και το τηλεσκόπιο Fermi. Η ανάλυση των δεδομένων οδήγησε με μεγάλη πιθανότητα στο συμπέρασμα ότι η πηγή η οποία μπορεί να σχετίζεται με την παραπάνω εκπομπή είναι ένας Ενεργός Γαλαξιακός Πυρήνας, ο TXS-0506+056, ο οποίος βρίσκεται στον αστερισμό του Ωρίωνα. Η ανακάλυψη αυτή ήταν πολύ σημαντική για την Αστροφυσική Υψηλών Ενεργειών, καθώς έθεσε τις βάσεις στη συσχέτιση των νετρίνων μ’ αυτές τις πηγές.

The frontiers...

Η αναβάθμιση, η επέκταση των παρατηρητηρίων των κοσμικών αγγελιοφόρων καθώς και η δημιουργία νέων, η εξέλιξη των οργάνων και της ευαισθησίας τους θα συνεισφέρουν στην εγκαθίδρυση της Πολυμηνυματικής Αστρονομίας. Η επιβεβαίωση, η απόρριψη αλλά και η δημιουργία νέων θεωριών της Αστροφυσικής Υψηλών Ενεργειών θα μας φέρει πιο κοντά στην κατανόηση των κοσμικών επιταχυντών αλλά και του Σύμπαντος. Σε αναμονή των σπουδαίων που έρχονται, λοιπόν!

Στέλλα Σ. Μπουλά, υποψήφια διδάκτωρ Αστροφυσικής, Τμήμα Φυσικής, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL