Το μυστήριο της χαμένης λάμψης του Σύμπαντος. Why isn’t the universe as bright as it should be?

O γαλαξίας NGC 1275 στον αστερισμό του Περσέα. Τα κόκκινα νήματα είναι αέριο που συγκρατείται μετέωρο από το γαλαξιακό μαγνητικό πεδίο. This Hubble Space Telescope image of galaxy NGC 1275 reveals the fine, thread-like filamentary structures in the gas surrounding the galaxy. The red filaments are composed of cool gas being suspended by a magnetic field, and are surrounded by the 100-million-degree Fahrenheit gas in the center of the Perseus galaxy cluster. The filaments are dramatic markers of the feedback process through which energy is transferred from the central massive black hole to the surrounding gas. Credit: Courtesy of NASA (edited by Jose-Luis Olivares/MIT)

Πολλοί γαλαξίες παραμένουν γόνιμοι. Ο δικός μας Γαλαξίας, για παράδειγμα, γεννά τουλάχιστον ένα νέο άστρο το χρόνο. Άλλοι γαλαξίες όμως έχουν μείνει στείροι, και τα άστρα τους είναι δεκάδες φορές λιγότερα από ό,τι θα έπρεπε.

Νέα αμερικανική μελέτη δείχνει τώρα να απαντά στο μυστήριο της απούσας λάμψης του Σύμπαντος: σε πολλούς γαλαξίες, τα σύννεφα αέριου υδρογόνου είναι υπερβολικά καυτά για να συμπυκνωθούν και να σχηματίσουν άστρα.

Η μελέτη

Σύμφωνα με νέα μελέτη αυτό το κοσμικό μυστήριο οφείλεται σε αστρική υπογεννητικότητα. A handful of new stars are born each year in the Milky Way, while many more blink on across the universe. But astronomers have observed that galaxies should be churning out millions more stars, based on the amount of interstellar gas available. This study explains why galaxies don't churn out as many stars as they should. This composite of the Phoenix Cluster is broken down into colors representing the various wavelengths at which the image was taken: microwave (orange), optical (red, green, blue) and ultraviolet (blue). Credit: UV — NASA/JPL-Caltech/M.McDonald; Optical — AURA/NOAO/CTIO/MIT/M.McDonald; Microwave — NSF/SPT

Αστρονόμοι του ΜΙΤ και του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν εξέτασαν τις εκπομπές ακτίνων Χ από 200 γαλαξιακά σμήνη: ομάδες αποτελούμενες από 50 έως 1.000 γαλαξίες, οι οποίοι περιβάλλονται από αχανείς ατμόσφαιρες αερίου. Οι ποσότητες αερίου είναι τόσο μεγάλες ώστε θα περίμενε  κανείς ότι όλοι αυτοί οι γαλαξίες θα παρήγαγαν διαρκώς εκατομμύρια νέα άστρα. Περιέργως, όμως, τα γεννητούρια είναι σπάνια.

Και αυτό μπορεί να οφείλεται σε δύο λόγους, δείχνει νέα μελέτη.  Σε πολλές περιπτώσεις, διαπίστωσαν οι ερευνητές, μεγάλες ποσότητες θερμότητας μεταφέρονται από τα κέντρα των γαλαξιών προς το αέριο που τους περιβάλλει, πιθανώς λόγω προηγούμενης σύγκρουσης του γαλαξία με άλλους γαλαξίες.

Σε αυτές τις περιπτώσεις το αέριο έχει θερμοκρασία δεκάδων εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, και δεν μπορεί να συμπυκνωθεί, να καταρρεύσει υπό το ίδιο του το βάρος και να σχηματίσει άστρα.  Ακόμα κι αν το νέφος κρυώσει τοπικά, η θερμότητα του περιβάλλοντος καταδικάζει κάθε απόπειρα. Είναι «σαν να πετάει κανείς ένα παγάκι μέσα σε νερό που βράζει» σχολιάζει ο Μάικλ ΜακΝτόναλντ του MIT, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Οι μαύρες τρύπες

Υπάρχει όμως και μια δεύτερη κατηγορία γαλαξιακών σμηνών, των οποίων το αέριο έχει πολύ μικρότερη θερμοκρασία, της τάξης των μερικών εκατομμυρίων βαθμών. Ακόμα κι έτσι, όμως, τα νέα άστρα φαίνονται λίγα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι ένοχοι πρέπει να είναι οι μαύρες τρύπες που κρύβονται στα κέντρα των γαλαξιών. Το υλικό που πέφτει στην παγίδα περιδινίζεται βίαια πριν χαθεί για πάντα στη μαύρη τρύπα. Ένα μέρος του όμως επιζεί και εκτινάσσεται στο Διάστημα με αστρονομικές ταχύτητες, θερμαίνοντας απότομα τυχόν μάζες ψυχρού αερίου.

«Ορισμένα άστρα θα προλάβουν να σχηματιστούν. Πριν προλάβει όμως η διαδικασία να πάρει μπροστά, η μαύρη τρύπα θα ξαναζεστάνει τα πάντα. Λειτουργεί σαν θερμοστάτης του σμήνους» εξηγεί ο ΜακΝτόναλντ. Σε συνδυασμό, καταλήγουν οι ερευνητές, η απευθείας διάχυση της θερμότητας στα γαλαξιακά σμήνη, και η θέρμανση του αερίου λόγω των μελανών οπών, προσφέρουν μια ικανοποιητική εξήγηση για το γεγονός ότι τα άστρα του Σύμπαντος είναι περίπου δέκα φορές λιγότερα από το αναμενόμενο. Το μυστήριο της χαμένης λάμψης του Σύμπαντος, επομένως, μπορεί και να έχει λυθεί.

Ο Αρκτικός Ωκεανός του Άρη. Nasa Research Suggests Mars Once Had More Water than Earth’s Arctic Ocean

Ο Άρης πιθανώς διέθετε στο παρελθόν έναν μεγάλο ωκεανό που κάλυπτε ολόκληρο το βόρειο ημισφαίριό του. NASA scientists have determined that a primitive ocean on Mars held more water than Earth's Arctic Ocean and that the Red Planet has lost 87 percent of that water to space. Image Credit: NASA's Goddard Space Flight Center

Σειρά ευρημάτων τα τελευταία χρόνια έχουν αποδείξει την παρουσία νερού σε υγρή μορφή στην επιφάνεια του Άρη. Έχει διαπιστωθεί η ύπαρξη λιμνών και ποταμών στο πιο κοντινό αλλά και στο μακρινό παρελθόν του Κόκκινου Πλανήτη. Κάποιες μελέτες μάλιστα έχουν υποδείξει την ύπαρξη ενός ωκεανού που βρισκόταν στο βόρειο ημισφαίριο του Άρη. Μια νέα μελέτη στηρίζει την ύπαρξη αυτού του ωκεανού παρουσιάζοντας μάλιστα εντυπωσιακά στοιχεία για αυτόν.

Τεράστιος

This still from a NASA video offers a glimpse of what ancient Mars may have looked like from space when a substantial ocean of water covered a fifth of the planet. Credit: NASA/Villanueva/Mumma/Gallagher/Feimer et al.

Τη νέα μελέτη πραγματοποίησαν επιστήμονες της NASA οι οποίοι υποστηρίζουν ότι διαθέτουν πειστικές ενδείξεις πως κάποτε ένας τεράστιος ωκεανός σκέπαζε περίπου το ένα πέμπτο του Άρη. Όπως αναφέρουν, αυτός ο ωκεανός υπήρχε πριν από μερικά δισ. έτη, είχε τόσο όγκο νερού όσο ο Αρκτικός ωκεανός στη Γη, ενώ κάλυπτε μια έκταση στον Άρη μεγαλύτερη από που καλύπτει ο Ατλαντικός στη Γη.

This artist’s impression shows how Mars may have looked about 4 billion years ago. Image credit: M. Kornmesser / ESO.

Το γεγονός αυτό αυξάνει και την πιθανότητα να υπήρχε κάποτε ζωή στον γειτονικό πλανήτη. Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Τζερόνιμο Βιλανουέβα του Κέντρου Διαστημικών Πτήσεων Goddard εκτιμούν ότι η μεγαλύτερη ποσότητα (γύρω στο 87%) από αυτό το αρειανό νερό χάθηκε στο Διάστημα, ενώ το υπόλοιπο 13% βρίσκεται σήμερα με μορφή πάγου στους αρειανούς πόλους.

H ανάλυση

This NASA artist's illustration shows a view of how Mars looks today (left) and how the same region may have looked in ancient times, when an ocean covered 20 percent of the Martian surface. Credit: NASA/Villanueva/Mumma/Gallagher/Feimer et al.

Οι νέες εκτιμήσεις, βασίζονται στην εξαετή ανάλυση της χημικής «υπογραφής» του νερού στην αραιή ατμόσφαιρα του γειτονικού πλανήτη, με τη βοήθεια των ισχυρότερων τηλεσκοπίων της Γης, όπως το Keck στη Χαβάη και το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του Ευρωπαϊκού Νοτίου Αστεροσκοπείου στη Χιλή.

The young Mars would have had enough water to cover its entire surface in a liquid layer about 140 m deep, but it is more likely that the liquid would have pooled to form an ocean occupying almost half of Mars’s northern hemisphere, and in some regions reaching depths greater than 1.6 km. Image credit: M. Kornmesser / ESO / N. Risinger, skysurvey.org.

Εκτιμάται ότι στα «νιάτα» του ο Άρης είχε αρκετό νερό για να καλύψει όλη την επιφάνειά του με ένα στρώμα βάθους 137 μέτρων. Πρόκειται για τη μεγαλύτερη εκτίμηση ποσότητας νερού στον Άρη, που έχει γίνει μέχρι σήμερα. Το πιθανότερο είναι πως αυτός ο υδάτινος όγκος (τουλάχιστον 20 εκατομμύρια κυβικά χιλιόμετρα) σχημάτιζε έναν τεράστιο ωκεανό, ο οποίος καταλάμβανε σχεδόν το ήμισυ του βορείου ημισφαιρίου του πλανήτη, φθάνοντας σε μερικά σημεία να έχει βάθος έως 1,6 χιλιομέτρων.

Η ζεστή και υγρή περίοδος εκτιμάται ότι έλαβε πρόωρο τέλος πριν από περίπου 3,7 δισεκατομμύρια χρόνια (ο πλανήτης δημιουργήθηκε πριν από 4,5 δισ. χρόνια). Παραμένει ασαφές πόσο νερό μπορεί να έχει απομείνει σήμερα κάτω από την επιφάνεια του Άρη. Ερωτηματικό αποτελεί επίσης αν, όσο υπήρχε νερό στον πλανήτη, αναπτύχθηκαν κάποιες μορφές ζωής σε αυτόν έστω και σε μικροβιακή μορφή. Η νέα μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».

Άλλοι πάντως επιστήμονες, εμφανίστηκαν πιο επιφυλακτικοί και ανέφεραν πως, προς το παρόν, μπορεί κανείς να μιλήσει μόνο για υπόθεση και όχι για βεβαιότητα, όσον αφορά την ύπαρξη ενός τόσο μεγάλου ωκεανού.

Άστρο… Γιουσέιν Μπολτ εγκαταλείπει τον Γαλαξία. Thermonuclear Supernova Ejects Galaxy’s Fastest Star

Καλλιτεχνική απεικόνιση του άστρου US 708 που εγκαταλείπει τον γαλαξίας μας με μεγάλη ταχύτητα. An artist impression of the mass-transfer phase followed by a double-detonation supernova that leads to the ejection of US 708. While this illustration shows the supernova (bottom center) and the ejected star (left) at the same time, in reality the supernova would have been faded away long before the star reached that position. Credit: ESA/HUBBLE, NASA, S. Geier

Τα τελευταία χρόνια έχουν εντοπιστεί ορισμένα άστρα που διάφορα κοσμικά φαινόμενα τα… ξεριζώνουν από τη θέση στην οποία βρίσκονται και τα υποχρεώνουν να εγκαταλείψουν με ταχύτητα τον γαλαξία μας. Ομάδα αστρονόμων ανακάλυψε ένα ακόμη τέτοιο άστρο το οποίο, όπως φαίνεται, είναι και το πιο γρήγορο αυτής της κατηγορίας των άστρων.

Η έκρηξη

An astrophysicist-artist's conception of a hypervelocity star speeding away from the visible part of a spiral galaxy like our Milky Way. Hypervelocity star 708 is now the fastest-recorded star on its way out of the galaxy, and its origin story is highly unique. Credit: Ben Bromley, University of Utah

Ερευνητές, με επικεφαλής τον Στέφαν Γκάιερ του Ευρωπαϊκού Νοτίου Αστεροσκοπείου (ESO) χρησιμοποίησαν τόσο τα τηλεσκόπια του ESO όσο και τα τηλεσκόπια στο Αστεροσκοπείο Keck στη Χαβάη για να παρατηρήσουν το μικρό άστρο US 708. Το άστρο που έχει μάζα 50% μικρότερη από εκείνη του Ηλιου εντοπίστηκε το 2005 αλλά μέχρι τώρα δεν είχε μελετηθεί επαρκώς.

Οι νέες παρατηρήσεις οδήγησαν τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι το άστρο δέχτηκε το ωστικό κύμα μιας έκρηξης υπερκαινοφούς αστέρα η οποία μετέβαλε την ταχύτητα και την τροχιά του.

Σύμφωνα με τη νέα μελέτη, το άστρο «τρέχει» πλέον με ταχύτητα 1.200 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο κινούμενο έξω από τον γαλαξία μας. Με αυτή την ταχύτητα, θα μπορούσε να διασχίσει την απόσταση Γης - Σελήνης σε μόλις πέντε λεπτά. Συγκριτικά, το άστρο του ηλιακού μας συστήματος, ο Ήλιος, κινείται με ταχύτητα μόνο 78 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Το άστρο αναμένεται να ξεφύγει από τα βαρυτικά δεσμά του γαλαξία μας και να «δραπετεύσει» στο διαγαλαξιακό χώρο σε περίπου 25 εκατομμύρια χρόνια.

Οι μαύρες τρύπες

Image of a hypervelocity star found in data from the Sloan Digital Sky Survey. Image via Vanderbilt University.

Όλα τα γρήγορα άστρα που είχαν ανακαλυφθεί μέχρι τώρα, είχαν επιταχυνθεί, επειδή πλησίασαν πολύ τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας. Αλλά το άστρο US 708 είναι το πρώτο που έχει διαφορετική ιστορία, καθώς απέκτησε την μεγάλη ταχύτητά του εξαιτίας μιας θερμοπυρηνικής έκρηξης σούπερ νόβα, που συνέβη στο γειτονικό άστρο του, με το οποίο έως τότε σχημάτιζε «δίδυμο». Η έκρηξη λειτούργησε σαν σφεντόνα για να εκσφενδονίσει μακριά το US 708.

«Πιθανότατα πρόκειται για μια από τις πιο δραματικές ιστορίες ζωής για άστρο. Πρέπει να πέρασε πολλά», αναφέρει χαρακτηριστικά ο Γκάιερ. Το άστρο ήταν κάποτε ένας ερυθρός γίγαντας, που απέβαλε το υδρογόνο του και σήμερα είναι πια μια μικρή πυκνή σφαίρα από ήλιο, που όχι μόνο κινείται αστραπιαία, αλλά επίσης περιστρέφεται πολύ γρήγορα, με ταχύτητα πάνω από 100 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».