Νόμπελ (Αστρο)Φυσικής 2019

Το φετινό Νόμπελ Φυσικής ήταν μια νίκη για τον κόσμο της Αστροφυσικής! Για τις ανακαλύψεις που έδωσαν νέα διάσταση στην ύπαρξη μας, μας ταρακούνησαν από τη θέση υπεροχής που εσφαλμένα νομίζαμε ότι κατέχουμε και μας ταξίδεψαν από την αρχή του σύμπαντος μέχρι τους πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος.

Το Ένα Μισό.

Το Νόμπελ Φυσικής 2019 δόθηκε εν μέρει στον James Peebles (Princeton University), για τη συνολική του συνεισφορά στην κατανόηση του σύμπαντος, από το πώς γεννήθηκε, τη δομή του και τα συστατικά του, μεταξύ άλλων. Είναι ένα βραβείο που τιμά ένα άνθρωπο και επιστήμονα που από τη δεκαετία του 1960 συνεισφέρει ενεργά στην ανάπτυξη του κλάδου της Κοσμολογίας. Μέσω αναλυτικών και μαθηματικών μοντέλων ερεύνησε τις ιδιότητες και τους φυσικούς νόμους που διέπουν το σύμπαν μας, βάζοντας μαζί με άλλους τις θεωρητικές βάσεις για τη ραγδαία εξέλιξη του κλάδου. Πλέον έχουμε ένα κοσμολογικό μοντέλο που μπορεί να περιγράψει το πώς γεννήθηκε και εξελίχθηκε το σύμπαν μας, μέχρι τη σημερινή εποχή, καθώς και να προβλέψει πως θα εξελιχθεί στο μέλλον.

Το κείμενο που εξέδωσε η ακαδημία Νόμπελ μαζί με την ανακοίνωση του βραβείου περιλαμβάνει μια ωραία ιστορική αναφορά σ’ αυτό το θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει τη δημιουργία του σύμπαντος. Αναφέρει ότι ο πρώτος που περιγράφει ότι το σύμπαν άρχισε με μια μεγάλη έκρηξη είναι ο Αμερικανός συγγραφέας Edgar Allan Poe (1847), για να μπορέσει να εξηγήσει γιατί ο νυχτερινός ουρανός είναι σκοτεινός, ενώ περιγράφει πως όλα άρχισαν από ένα πρωταρχικό σωματίδιο.

Η μοντέρνα Κοσμολογία είναι πλέον μια επιστήμη που προσπαθεί να κατανοήσει το σύμπαν και τους φυσικούς νόμους που το διέπουν, χρησιμοποιώντας ως εργαλείο τα μαθηματικά, καθώς και μεγάλης ακρίβειας παρατηρήσεις. Βασίζεται πάνω στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein και θέλει το σύμπαν να ξεκινά από μια κατάσταση πολύ θερμή και με μεγάλη πυκνότητα. Όλα ξεκινούν από ένα σημείο με πολύ μεγάλη πυκνότητα, με μια μεγάλη έκρηξη. Και έχουμε τη δημιουργία του σύμπαντος. Δεν ξέρουμε το γιατί ή τι υπάρχει πιο πριν.

Οι πρώτες στιγμές ύπαρξης του σύμπαντος χαρακτηρίζονται από μια εποχή όπου αυτή η πυκνή κατάσταση που καταλαμβάνει μηδαμινό χώρο το σύμπαν διαστέλλεται απότομα σε πάρα πολύ μικρό χρόνο, γνωστή ως εποχή του πληθωρισμού (inflation). Το σύμπαν είναι πολύ θερμό, μερικά εκατομμύρια βαθμών Κελσίου. Η ύλη με την έννοια που τη γνωρίζουμε, ό,τι μας περιβάλλει, δεν υπάρχει ακόμα. Αρχίζει η δημιουργία των πυρήνων και των ατόμων, η γνωστή ως νουκλεοσύνθεση, ενώ πρωτόνια και ηλεκτρόνια δεν αλληλεπιδρούν ακόμα μεταξύ τους. Και μετά συμβαίνει κάτι πολύ παράξενο, η ύλη αρχίζει να αλληλεπιδρά μεταξύ της και το σύμπαν γίνεται ορατό. Αυτό συμβαίνει περίπου 400.000 χρόνια μετά τη μεγάλη έκρηξη. Αυτό είναι ένα σημείο κλειδί για την κατανόηση της δημιουργίας του σύμπαντος και του κοσμολογικού μοντέλου που το περιγράφει.

Το 1978 οι Arnold Penzias και Robert Wilson θα λάβουν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψη (1965) μέσω παρατηρήσεων της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (cosmic microwave background CMB). Και αυτό έγινε εφικτό χάρη στις θεωρητικές βάσεις, για το πως δημιουργήθηκε το σύμπαν που έβαλαν θεωρητικοί αστροφυσικοί στο Πανεπιστήμιο Princeton. Ο Peebles μαζί με τους Dicke, Roll και Wilkinson, βοήθησαν τους Penzias και Wilson να κατανοήσουν το βάρος της ανακάλυψής τους. Οι παρατηρήσεις αυτές έδειχναν την εποχή που το σύμπαν έγινε ορατό σε εμάς, περίπου 400.000 μετά την μεγάλη έκρηξη, καθώς και μας έδωσαν την παρατηρησιακή απόδειξη για τις θεωρίες που περιγράφουν το αποδεκτό κοσμολογικό μοντέλο.

Οι παρατηρήσεις αυτές, καθώς και μεταγενέστερες με τα COBE, WMAP και Planck, μας βοήθησαν να μετρήσουμε την ηλικία του Σύμπαντος στα 13,8 δισεκατομμύρια έτη με ακρίβεια 1%, το πως γεννήθηκε και εξελίσσεται και τι θα γίνει στο μέλλον. Επίσης, μας έδωσαν τη δυνατότητα να γράψουμε τη συνταγή των συστατικών του σύμπαντος. Ξέρουμε πλέον πως ό,τι μας περιβάλλει αποτελείται από βαρυονική ή ορατή ύλη, καθώς και από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, τα οποία δεν γνωρίζουμε ακόμα τι ακριβώς είναι.

Τη δεκαετία του 1980 η κοσμολογία περνούσε μια κρίση σχετικά με την παρατήρηση δεδομένων που θα μας δώσουν την ακριβή αυτή συνταγή. Δεν τα είχε! Η συμβολή του Peebles στο θεωρητικό κομμάτι ήταν καθοριστική. Επέμενε πως υπάρχει η σκοτεινή ύλη και ότι είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία δομών στο σύμπαν που σήμερα ξέρουμε ως γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, καθώς και ό,τι περιέχουν.

Η σκοτεινή ύλη είναι ο αόρατος σκελετός του Σύμπαντος. Πάνω σε αυτό το σκελετό θα κτιστεί όλο το οικοδόμημα που μας περιβάλλει. Και το μόνο που ξέρουμε γι’ αυτήν είναι τα αποτελέσματα που προκαλεί λόγω βαρύτητας. Όσον αφορά τη σκοτεινή ενέργεια, είναι αυτή που ευθύνεται για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος. Ξέρουμε από παρατηρήσεις σουπερνόβα ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Αυτό γίνεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, σαν ένα οδηγό που πατάει το γκάζι, μόνο που αυτός ο οδηγός στο σύμπαν είναι η σκοτεινή ενέργεια. Και ο Peebles ήταν αυτός που κατάλαβε πόσο σημαντικός ήταν ο ρόλος της σκοτεινής ενέργειας στην κοσμική συνταγή για την εξέλιξη του σύμπαντος.

Αυτό που μου άρεσε περισσότερο στην ανακοίνωση των φετινών Νόμπελ Φυσικής ήταν η επεξήγηση από τα μέλη της επιτροπής των συστατικών του σύμπαντος. Ο Professor Ulf Danielsson χρησιμοποίησε ως παράδειγμα ένα ποτήρι καφέ και το παρομοίασε με το σύμπαν μας. Ο καφές είναι η σκοτεινή ενέργεια, το 69% του Σύμπαντος, το γάλα είναι η σκοτεινή ύλη, το περίπου 26%, και πρόσθεσε λίγο γάλα στον καφέ, ενώ στο τέλος έβαλε μερικούς κόκκους ζάχαρης στο ποτήρι, την βαρυονική ή ορατή ύλη, περίπου 5% του Σύμπαντος.

Το Άλλο Μισό.

Επίσης, Νόμπελ Φυσικής το 2019 έλαβαν και οι Michel Mayor (University of Geneva) και Didier Queloz (University of Geneva και University of Cambridge) για την ανακάλυψη το 1995 του πρώτου πλανήτη που περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι σαν τον Ήλιο μας. Ενός εξωπλανήτη. Μας έδειξαν δηλαδή ότι υπάρχουν και άλλοι πλανήτες γύρω από αστέρια σαν αυτό που μας ζεσταίνει κάθε μέρα και ότι δεν είμαστε κάτι το ιδιαίτερο στο Σύμπαν. Μας προσγείωσαν λίγο στην πραγματικότητα, αλλά ταυτόχρονα άνοιξαν την πόρτα για την ανακάλυψη νέων κόσμων, μακριά από εμάς.

Με τις τεχνικές παρατήρησης και μεθόδους που δημιούργησαν συνέβαλλαν στην εκτόξευση των ανακαλύψεων εξωπλανητών, με σήμερα να μετράμε πάνω από 4.000 καταγεγραμμένους εξωπλανήτες σε αστρικά συστήματα που βρίσκονται μέσα στο Γαλαξία μας. Για την ακρίβεια, γνωρίζουμε πλέον 4.111 πλανήτες σε 3.063 αστρικά συστήματα (δεδομένα μέχρι 1 Οκτωβρίου 2019).

Η ιδέα ότι υπάρχουν πλανήτες γύρω από αστέρια εκτός του δικού μας εμφανίστηκε το 1952 από τον Otto Struve. Τη δεκαετία του 1980 άρχισαν οι πρώτες παρατηρήσεις για “υποαστρικούς συντρόφους” ή “συντρόφους μικρής μάζας”. Βλέπετε, ακόμα δε μπορούσε η επιστημονική κοινότητα να αποδείξει την ύπαρξη εξωπλανητών και υπήρχε ένας σκεπτικισμός όσον αφορά το πόσο σημαντικές ήταν αυτές οι παρατηρήσεις ή αν έπρεπε να επενδύσουν σε κάποιο άλλο πιο εδραιωμένο τομέα της αστροφυσικής.

Η τεχνική που χρησιμοποιούσαν για τις παρατηρήσεις βασίζεται στη φασματοσκοπία, που μας δίνει τον τρόπο με τον οποίο κατανέμεται η ενέργεια που εκπέμπει ένα σώμα, καθώς και στο φαινόμενο Ντόπλερ. Το πιο απλό παράδειγμα για να εξηγήσουμε το φαινόμενο Ντόπλερ είναι η σειρήνα ενός ασθενοφόρου. Όταν μας πλησιάζει στο δρόμο ακούμε τον ήχο της να είναι πιο οξύς ενώ όταν απομακρύνεται ο ήχος είναι πιο βαρύς. Αλλάζει δηλαδή η συχνότητα/μήκος κύματος ανάλογα με την κίνηση προς (μεγάλη συχνότητα) ή μακριά (μικρή συχνότητα) από εμάς.

Το ίδιο συμβαίνει και με το φως. Μόνο που συνηθίζουμε στο οπτικό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να αναφερόμαστε σε μήκη κύματος αντί για συχνότητες. Όταν ένα αντικείμενο, ένα αστέρι στην περίπτωση αυτή, πλησιάζει προς εμάς το φάσμα που παρατηρούμε, το οποίο μπορεί να περιέχει κάποιες γραμμές εκπομπής συγκεκριμένων χημικών στοιχείων, είναι μετατοπισμένο προς τα μικρά μήκη κύματος (προς το μπλε), ενώ αν το αντικείμενο απομακρύνεται από εμάς το φάσμα είναι μετατοπισμένο προς μεγάλα μήκη κύματος (προς το κόκκινο). Βασισμένοι πάνω σε αυτό το φαινόμενο οι πρώτοι κυνηγοί εξωπλανητών προσπαθούσαν να εντοπίσουν πλανήτες γύρω από άλλα αστέρια, εκτός του Ήλιου μας.

Θα προσπαθήσω να σας εξηγήσω την τεχνική με απλό τρόπο. Θέλετε να παρατηρήσετε ένα πλανήτη που περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι σαν τον Ήλιο μας, για παράδειγμα. Η τεχνική αυτή βασίζεται στο ότι το αστέρι δεν παραμένει εντελώς σταθερό όταν περιφέρεται ένας πλανήτης γύρω του. Περιφέρεται και αυτό γύρω από το κοινό κέντρο βάρους τους και αλλάζει η θέση ελαφρώς λόγω της μικρής έλξης που δέχεται από τον πλανήτη του.

Όταν παρατηρούμε το αστέρι από απόσταση, αυτές οι κινήσεις αλλάζουν το φάσμα που εκπέμπει το αστέρι. Να το δούμε λίγο γραφικά. Φανταστείτε ένα δίσκο LP, που είναι και τρέντυ τα τελευταία χρόνια. Το κέντρο του, εκεί που έχει την τρύπα για να μπει στο πικ-απ, είναι το κέντρο μάζας του συστήματος αστέρι-πλανήτης. Το αστέρι βρίσκεται κοντά στην τρύπα, εκεί που είναι η στρογγυλή ετικέτα (βάλτε ένα αστέρι επάνω στο δίσκο), ενώ ο πλανήτης βρίσκεται πιο έξω εκεί που ακουμπάτε τη βελόνα (βάλτε και ένα πλανήτη). Και πατάτε το play και απομακρύνεστε λίγο να βλέπετε το δίσκο υπό γωνία και όχι από πάνω. Όταν το αστέρι πλησιάζει προς εσάς καθώς περιφέρεται, το φάσμα που εκπέμπει μετατοπίζεται προς το μπλε, ενώ όταν απομακρύνεται προς το ερυθρό, λόγω του φαινομένου Ντόπλερ.

Συγκρίνοντας αυτές τις μεταβολές με γραμμές εκπομπής στοιχείων από εργαστηριακές μελέτες και υπολογίζοντας την ακτινική ταχύτητα (radial velocity) του αστέρα μπορούν οι επιστήμονες να βρουν την τροχιά του πλανήτη γύρω από το άστρο του καθώς και την ελάχιστη μάζα του. Σημείωση: στο παράδειγμά μας, κανονικά ο Ήλιος θα κινείται πάνω στο δικό του δίσκο με άλλη περίοδο περιφοράς απ’ότι ο πλανήτης.

Ο πλανήτης 51 Pegasi b που παρατήρησαν οι Mayor και Queloz στον αστερισμό του Πήγασου έχει περίοδο περιφοράς περίπου 4 ημέρες (δηλαδή ένας χρόνος σε εκείνο τον πλανήτη διαρκεί 4 μέρες), ενώ θεωρείται ότι είναι πλανήτης με μάζα παρόμοια με του πλανήτη Δία. Το ερώτημα λοιπόν που προέκυψε ήταν πως ένας πλανήτης με τόσο μεγάλη μάζα βρίσκεται τόσο κοντά στο αστέρι του, στο 1/100 της απόστασης Ηλίου-Δία.

Οι μέχρι τότε θεωρίες δε μπορούσαν να το εξηγήσουν. Και δεν έμοιαζε καθόλου με το δικό μας ηλιακό σύστημα. Αλλά δε θα πρέπει να μας ξαφνιάζει. Πλέον ξέρουμε ότι το δικό μας σύστημα είναι διαφορετικό και ότι οι μέχρι σήμερα δυνατότητες μας στην ανίχνευση εξωπλανητών μας επιτρέπουν να δούμε πλανήτες που βρίσκονται πιο κοντά στα αστέρια τους.

Αυτό που ακολούθησε μετά το 1995 ήταν η ραγδαία εξέλιξη του κλάδου, με νέα διαστημικά τηλεσκόπια (CoRoT, Kepler, TESS) να εκτοξεύουν τον αριθμό ανακαλύψεων στους 4000 εξωπλανήτες. Εκτός αυτού έδωσαν τη δυνατότητα να κατανοήσουμε πως δημιουργούνται οι πλανήτες. Αυτοί δημιουργούνται από το υλικό που περιβάλει ένα αστέρι: αέριο, κυρίως υδρογόνο και ήλιο, καθώς και κόκκους σκόνης, στο μεγαλύτερο μέρος τους άμορφο πυρίτιο, άνθρακας και πάγος.

Οι κόκκοι αυτοί έλκονται μεταξύ τους λόγω ηλεκτροστατικών δυνάμεων και δημιουργούν μεγαλύτερες μάζες που συγκρούονται μεταξύ τους και σχηματίζουν όλο και μεγαλύτερους όγκους, οι οποίοι λόγω βαρύτητας έλκουν μικρότερους όγκους και σιγά σιγά σχηματίζουν πρωτοπλανήτες και τελικά πλανήτες. Αναλόγως με τις συνθήκες δημιουργίας και τις ιδιότητες του δίσκου που περιβάλλει το αστέρι, οι μάζες αυτές που θα καταλήξουν να γίνουν πλανήτες μπορεί να μετατοπιστούν προς το αστέρι τους. Αυτό πιστεύουμε ότι έγινε και με τον 51 Pigasi b.

Το μέλλον για το κινήγι εξωπλανητών είναι λαμπρό, με νέα τηλεσκόπια (CHEOPS, JWST, PLUTO, ELT) και τεχνικές ώστε να ανακαλύψουμε πλανήτες παρόμοιους με τη Γη και να μελετήσουμε τις ατμόσφαιρες, τα χημικά συστατικά τους και το κλίμα τους. Η ανακάλυψη αυτή του πρώτου πλανήτη γύρω από αστέρι σαν τον Ήλιο μας από τους Mayor και Queloz ήταν τόσο σημαντική για τον κλάδο των εξωπλανητών όσο και η ανακάλυψη της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από τους Penzias και Wilson για την κοσμολογία. Δημιούργησε ένα καινούριο κλάδο αστροφυσικής και συνέβαλε στην κατανόηση του πως δημιουργήθηκε το μέρος στο Σύμπαν που ονομάζουμε σπίτι μας.

Βραβεία Ανισότητας;

Τα Νόμπελ είναι ένας θεσμός που βραβεύει την επιμονή, την προσπάθεια και τη διάνοια, μεταξύ άλλων, των ανθρώπων. Και ενώ είμαστε πολύ περήφανοι γι’ αυτούς που λαμβάνουν το βραβείο, τα στατιστικά όσoν αφορά την ισότητα φύλλων (gender balance) μας αφήνουν μια πικρόγλυκη γεύση. Όντας επιστήμονας και γυναίκα με λυπεί να βλέπω τόσο χαμηλά ποσοστά γυναικών που έχουν λάβει το βραβείο.

Από τους 935 Laureates, όπως ονομάζονται, από τo λατινικό laurus/laurel wreath ή το γνωστό στην αρχαιότητα δάφνινο στεφάνι, μόνο οι 52 είναι γυναίκες, περίπου το 5%. Δηλαδή περίπου όση η ορατή ύλη στο Σύμπαν μας. Αναλυτικά τα Νόμπελ σε γυναίκες: 3 Φυσικής, 5 Χημείας, 12 Ιατρικής, 15 Λογοτεχνίας, 17 Ειρήνης και 1 Οικονομικών (δεδομένα από 1901 μέχρι 2018). Η συζήτηση για τα αίτια και το αποτέλεσμα είναι μεγάλη, όπως μεγάλος είναι και ο δρόμος για να γεφυρωθεί το χάσμα. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να φέρουμε την αλλαγή με πράξεις, γι’ αυτό θα αφήσω τα λόγια και εύχομαι να το κάνουμε πράξη.

————

Πηγές:

ΑΡΘΡΟΓΡΑΦΟΣ
Rogue Astrophysics
Rogue Astrophysics

Γεννήθηκε το 1980 στην Αθήνα. Την κέρδισε ο μαγευτικός χώρος της επιστήμης από μικρή ηλικία. Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων με κατεύθυνση την Αστροφυσική. Είναι κάτοχος διδακτορικού από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και συνέχισε την ακαδημαϊκή της πορεία ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια στην Αστροφυσική σε Πόρτο (Πορτογαλία), Κρήτη και Βόννη (Γερμανία), όπου και βρίσκεται από το 2015. Είναι μέλος διεθνών συνεργασιών (COSMOS, EMU) σε Ευρώπη, Αμερική και Αυστραλία. Η έρευνα της επικεντρώνεται στη μελέτη ενεργών γαλαξιακών πυρήνων, το πως γεννιούνται και εξελίσσονται οι γαλαξίες και τα αστέρια που τους αποτελούν, καθώς και την αλληλεπίδραση γαλαξιών και περιβάλλοντος, με χρήση δεδομένων από το ευρύ φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η αστροφυσική είναι μια από τις μεγάλες της αγάπες και προσπαθεί να τη μεταδώσει σε όλο τον κόσμο. Είναι πολύ ενεργή στην επικοινωνία της επιστήμης στο ευρύ κοινό, όπου μέσω εκλαϊκευμένων βίντεο και άρθρων προσπαθεί να φτιάξει μια γέφυρα μεταξύ έρευνας και καθημερινότητας. Εκτός των βίντεο στο κανάλι της στο ΥouΤube, Rogue Astrophysics, προσφέρει ένα καθημερινό astroquiz στο Instagram. Τέλος είναι η ιδρύτρια του "Astronomy on Tap Bonn", μιας μηνιαίας εκδήλωσης με σκηνικό μια παμπ, όπου επαγγελματίες αστροφυσικοί μιλούν με απλά λόγια στο ευρύ κοινό για την επιστήμη τους. <p><a href="https://www.youtube.com/c/RogueAstrophysics" target="_blank">YouTube Channel</a> // <a href="https://www.facebook.com/aotbonn" target="_blank">Astronomy on Tap Bonn</a></p>

ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ

Τα σημαντικότερα νέα της ημέρας, στο inbox σου κάθε μεσημέρι!

ΕΓΓPΑΦΕΙΤΕ ΣΤΟ NEWSLETTER