Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Hunting for Big Bang neutrinos that could provide fresh insight on the origin of the universe

O φυσικός του Princeton, Chris Tully είναι ο επικεφαλής του πειράματος PTOLEMY. Princeton physicist Chris Tully in the PTOLEMY laboratory. Behind him are powerful superconducting magnets on either side of the vacuum chamber. (Photo by Elle Starkman/Office of Communications)

Η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης προβλέπει την ύπαρξη της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, η οποία συνίσταται από τα αρχέγονα φωτόνια που αποδεσμεύθηκαν από την ύλη 379.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η ακτινοβολία αυτή ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά τυχαία από τους Penzias και Wilson το 1964, και αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 2,7 Kelvin, αποτελεί ένα από τα ισχυρότερα επιχειρήματα υπέρ της Μεγάλης Έκρηξης.

Η θεωρία προβλέπει επίσης την ύπαρξη του κοσμικού υποβάθρου βαρυτικών κυμάτων από την εποχή της πληθωριστικής διαστολής του σύμπαντος, 10^-35 δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη (δυστυχώς οι αρχικοί ισχυρισμοί της ομάδας BICEP περί έμμεσης ανίχνευσής τους, αποδείχθηκαν λανθασμένοι), αλλά και την ύπαρξη του κοσμικού υποβάθρου νετρίνων, της υπολειπόμενης ακτινοβολίας νετρίνων, τα οποία αποδεσμεύθηκαν από την ύλη περίπου 1 δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη.  Αυτά τα νετρίνα σκοπεύει να ανιχνεύσει για πρώτη φορά το πείραμα PTOLEMY (Princeton Tritium Observatory for Light, Early- Universe, Massive-Neutrino Yield) στο πανεπιστήμιο Princeton στις ΗΠΑ.

Neutrinos and their weird subatomic ways could help us understand high-energy particles, exploding stars and the origins of matter itself. A colorized image shows the tracks of neutrinos as they zoom into a chamber. Illustration based on Fermilab Bubble Chamber image.

Η κοσμική ακτινοβολία των νετρίνων συνίσταται από τα νετρίνα που περίσσεψαν από την Μεγάλη Έκρηξη τα οποία κυκλοφορούν μέχρι σήμερα ανάμεσά μας. Το αρχέγονο σύμπαν περιείχε ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, φωτόνια  και νετρίνα σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.  Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, πραγματοποιήθηκε η αποδέσμευση των νετρίνων από την ύλη καθώς στο σύμπαν βίωνε την λεγόμενη εποχή της ακτινοβολίας, όταν η θερμοκρασία του ήταν 1010Kelvin (που ισοδυναμεί με ενέργεια περίπου 1 MeV). Σήμερα εξαιτίας της διαστολής και της αντίστοιχης ψύξης του σύμπαντος η θερμοκρασία στην οποία αντιστοιχούν τα αρχέγονα νετρίνα είναι 1,95 Kelvin και η μέση πυκνότητά τους είναι 340 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό ή 56 νετρίνα του ηλεκτρονίου ανά κυβικό εκατοστό.

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια σχεδόν χωρίς μάζα και ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων. Νετρίνα, εκτός από τα αρχέγονα της  Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργούνται συνεχώς διαμέσου των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό άστρων όπως ο ήλιος, κατά την έκρηξη των σουπερνόβα, στις αντιδράσεις των πυρηνικών εργοστασίων και κατά τη διάρκεια των φυσικών ραδιενεργών διασπάσεων. Στο εσωτερικό του σώματός μας σε κάθε δευτερόλεπτο απελευθερώνονται περίπου 5000 νετρίνα εξαιτίας των ραδιενεργών διασπάσεων του καλίου. Τα νετρίνα καταλαμβάνουν τη δεύτερη θέση, όσον αφορά τον αριθμό σωματιδίων σε ολόκληρο το σύμπαν, μετά τα σωματίδια του φωτός τα φωτόνια, που καταλαμβάνουν την πρώτη θέση. Αλληλεπιδρούν με την ύλη πολύ σπάνια, μόνο διαμέσου των ασθενών δυνάμεων και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και πλανήτες ολόκληρους. Γι αυτό η ανίχνευσή τους είναι πολύ δύσκολη.

Steven Weinberg: 'If we had the laws of nature tomorrow, we still wouldn't understand consciousness – or even turbulence…' Photograph: Jeff Wilson

Ο Steven Weinberg ήταν ο πρώτος που υπέδειξε μια μέθοδο ανίχνευσης  των νετρίνων του κοσμικού υποβάθρου διαμέσου της αντίδρασης: ν_e +³H –> ³He + e^–

View of the dilution refrigerator that will lower temperature to a small fraction of a degree above absolute zero when connected. (Photo by Elle Starkman/Office of Communications)

Το πείραμα PTOLEMY που θα ξεκινήσει το καλοκαίρι, έχει ως στόχο τον προσδιορισμό του φάσματος των ηλεκτρονίων που παράγονται από την παραπάνω αντίδραση, διαμέσου του οποίου θα αποκαλυφθούν τα αρχέγονα νετρίνα. Οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται στο πείραμα είναι πρωτόγνωρες, είτε όσον αφορά τον στόχο τριτίου (τρίτιο ενσωματωμένο σε γραφένιο), είτε όσον αφορά την ανίχνευση των ηλεκτρονίων που πρέπει να διαχωριστούν από τα ηλεκτρόνια της ακτινοβολίας β του τριτίου.

Η επιτυχία του πειράματος θα έχει τεράστιες κοσμολογικές συνέπειες. Ενώ η κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μας δείχνει πως ήταν το σύμπαν 380.000 χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το κοσμικό  υπόβαθρο των νετρίνων θα μας πάει ακόμα πιο πίσω: ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη!

Πηγή: www.pppl.gov

H ESA παρουσίασε το χωριό που θα φτιάξει στη Σελήνη. ESA Planning To Build An International Village… On The Moon

Θα λειτουργεί ως τόπος επιστημονικής έρευνας, εργασιών αλλά και τουρισμού. The ESA recently elaborated its plan to create a Moon base by the 2030s. Credit: Foster + Partners is part of a consortium set up by the European Space Agency to explore the possibilities of 3D printing to construct lunar habitations. Credit: ESA/Foster + Partners

Εδώ και καιρό ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) είχε διατυπώσει την πρόθεση να δημιουργήσει κάποιες εγκαταστάσεις διαβίωσης ανθρώπων στη Σελήνη. Στην πορεία οι επιτελείς της ESA ανέπτυξαν ένα πιο φιλόδοξο σχέδιο για την δημιουργία όχι απλά μιας μικρής βάσης αστροναυτών αλλά για την κατασκευή του «Χωριού της Σελήνης» όπως το ονόμασαν.

Almost 50 years since man first walked on the lunar surface, the head of the European Space Agency explains his vision for living and working on the Moon. Johann-Dietrich Woerner believes the next giant leap for humankind could be an international collaboration of space faring nations in the form of a Moon village. This village would be a permanent lunar base for science, business, tourism or even mining. Woerner explains how using the Moon’s own natural resources could help build and sustain a base by 3D printing a structure or building element. Robotic rovers could inflate protective domes for astronauts. He also discusses the potential hazards of living on the Moon as well as the possible locations of he lunar base and the advantages of a new global space project. Copyright: ESA

Ο Γιόχαν Ντίτριχ Βέρνερ, επικεφαλής της ESA ανακοίνωσε την Τρίτη ότι στόχος της υπηρεσίας είναι το σεληνιακό χωριό να είναι έτοιμο να κατοικηθεί μέχρι το 2030. Όπως ανέφερε το χωριό θα λειτουργεί και ως τόπος επιστημονικής έρευνας και ως τόπος ανάπτυξης επιχειρηματικών δραστηριοτήτων (π.χ ορυχείων) αλλά και ως τουριστικός προορισμός. Σε πρώτη φάση το χωριό θα αποτελείται από φουσκωτές κατοικίες αλλά σε δεύτερο στάδιο θα κατασκευαστούν μικρά οικήματα μέσω τεχνολογίας τρισδιάστατης εκτύπωσης με υλικά από το έδαφος της Σελήνης. Η ESA έδωσε στη δημοσιότητα και ένα βίντεο για το σεληνιακό χωριό που οραματίζεται.

Που θα γίνει

Οι επιτελείς της ESA έχουν μελετήσει πιθανά σημεία για την κατασκευή του χωριού και έχουν καταλήξει ότι ιδανικότερο είναι το λεκανοπέδιο Aitken στον Νότιο Πόλο της Σελήνης που έχει διάμετρο περίπου 2,5 χιλιάδες χλμ και μεγάλα υψώματα κάποια εκ των οποίων εκτείνονται πολλά χλμ πάνω από το δάπεδο του. Αυτά τα υψώματα τα λούζει μόνιμα το ηλιακό φως άρα αποτελούν ιδανικό τόπο δημιουργίας αποικιών που θα χρησιμοποιούν την άφθονη ηλιακή ενέργεια για να λειτουργούν.

Όμως κάποιοι ειδικοί υποστηρίζουν ότι εγκαταστάσεις κατοικίας ανθρώπων στη Σελήνη είναι προτιμότερο να γίνουν σε περιοχές των πόλων τις οποίες δεν βλέπει ποτέ το ηλιακό φως. Αυτό γιατί σε εκείνες τις περιοχές υπάρχουν αποθέματα νερού σε παγωμένη μορφή. Έτσι οι κάτοικοι αφενός θα επεξεργάζονται το παγωμένο νερό ώστε να γίνει πόσιμο και αφετέρου θα απομονώνουν το οξυγόνο και το υδρογόνο από αυτό για να συντηρούν ατμοσφαιρικά και ενεργειακά τις εγκαταστάσεις. 

Οι 3D κατοικίες

The ESAs plan for establishing a base on the Moon, which would rely on robotic workers and human astronauts. Credit: spaceflight.esa.int

Η ESA ανακοίνωσε πριν από λίγο καιρό ότι θα συνεργαστεί με τη φημισμένη αρχιτεκτονική εταιρεία Foster&Partners για την κατασκευή μικρών οικημάτων στη Σελήνη. Όπως υποστηρίζουν τα στελέχη της ESA η πρόοδος στην τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D printing) θα επιτρέψει τη δημιουργία μικρών οικημάτων που θα είναι φτιαγμένα από το υλικά του εδάφους του φυσικού μας δορυφόρου. Τα πρώτα σχέδια που έδωσε στη δημοσιότητα η αρχιτεκτονική εταιρεία κάνουν λόγο για οικήματα στα οποία θα υπάρχει δυνατότητα παραμονής 4 ατόμων.

Οι σεληνιακές κατοικίες-βάσεις θα κατασκευάζονται από αυτόνομα ρομπότ, θα έχουν σχήμα θόλου και θα προστατεύουν πλήρως τους ανθρώπους από τις τοπικές κλιματικές συνθήκες, τη βλαβερή κοσμική ακτινοβολία αλλά και την πτώση μετεωριτών. Το 90% των οικημάτων θα κατασκευάζεται από σεληνιακά υλικά. Τα υλικά αυτά θα γίνονται πρώτα ένας πολτός ο οποίος στη συνέχεια θα αποτελεί το περιεχόμενο του μηχανήματος που μέσω ψεκασμού θα εκτυπώνει στερεά δομικά υλικά τα οποία και θα χρησιμοποιούνται στη κατασκευή του οικήματος.

Μαύρη τρύπα ανοίγει τον ασκό του Αιόλου. Astrophysicists detect ultra-fast winds near supermassive black hole

Κυκλώνα κατηγορίας 77 σχηματίζει το υπέρθερμο αέριο που εκτοξεύεται από την περιοχή της με ταχύτητα 200 εκατ. χιλιομέτρων την ώρα. Καλλιτεχνική απεικόνιση του δίσκου αερίων γύρω από μια μαύρη τρύπα. Ένα μέρος αυτού του υλικού (άσπρο) εκτινάσσεται προς τα έξω. Researchers have found the fastest winds ever seen at ultraviolet wavelengths near a supermassive black hole. Some are reaching as fast as 200 million kilometers, equivalent to a category 77 hurricane. And there may be even faster quasar winds. As matter spirals toward a black hole, some is blown away. These are the winds that we are detecting, says an astronomer. Artist's illustration of turbulent winds of gas swirling around a black hole. Some of the gas is spiraling inward, but some is being blown away. Credit: NASA, and M. Weiss (Chandra X -ray Center)

Μια μαύρη τρύπα που έχει την τάση να τρώει τσαπατσούλικα συνελήφθη να εκτοξεύει κομμάτια του φαγητού της με ταχύτητα που φτάνει το 20% της ταχύτητας του φωτός - ταχύτητα ανέμου που θα αντιστοιχούσε σε κυκλώνα κατηγορίας 77, ανακοίνωσε διεθνής ομάδα αστρονόμων.

Υπέρθερμο αέριο εκτοξεύεται από την περιοχή της μαύρης τρύπας με ταχύτητα 200 εκατομμυρίων χιλιομέτρων την ώρα, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society». Είναι οι ταχύτεροι άνεμοι που έχουν καταγραφεί ποτέ με παρατηρήσεις στο φάσμα του υπεριώδους, καμαρώνει η ερευνητική ομάδα.

Και στο κέντρο κυκλώνας

Οι μαύρες τρύπες που κρύβονται στα κέντρα των γαλαξιών συχνά περιβάλλονται από έναν πυκνό δίσκο αερίων. Λόγω της επιτάχυνσης που υφίστανται, τα αέρια αυτά είναι πιο καυτά από την επιφάνεια του Ήλιου και εκπέμπουν ακτινοβολία που μπορεί να επισκιάσει ολόκληρους γαλαξίες.

Όταν αυτοί οι δίσκοι ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του 1950, κανείς δεν γνώριζε περί τίνος επρόκειτο. Πήραν έτσι την ονομασία «κβάζαρ» ή «ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες».

Το μεγαλύτερο μέρος του αερίου στον δίσκο θα γίνει τελικά βορά της μαύρης τρύπας. Υπάρχει όμως και ένα μέρος που καταφέρνει να δραπετεύσει: «Καθώς το υλικό κινείται σπειροειδώς γύρω από τη μαύρη τρύπα, ένα μέρος του εξωθείται μακριά λόγω της θερμότητας και της λάμψης του κβάζαρ. Αυτοί είναι οι άνεμοι που ανιχνεύσαμε» εξηγεί ο Τζέσι Ρότζερσον του Πανεπιστημίου της Υόρκης στη Βρετανία, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.

Η νέα μελέτη εξετάζει τη δραστηριότητα 100 ενεργών κβάζαρ που είχαν καταγραφεί στην ουράνια απογραφή Sloan Digital Sky Survey. Η μεγαλύτερη ταχύτητα ανέμων, περίπου 200.000 χιλιόμετρα την ώρα, καταγράφηκε στο κβάζαρ SDSS J023011.28+005913.6.

«Σχεδιάζουμε να συνεχίσουμε να παρακολουθούμε αυτό το κβάζαρ για να δούμε τι θα συμβεί» λέει τώρα ο Ρότζερσον. Οι μελέτες αυτού του είδους, επισημαίνει, θα μπορούσαν να προσφέρουν νέα στοιχεία για τις διαδικασίες γέννησης των γαλαξιών. «Οι άνεμοι των κβάζαρ παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό γαλαξιών» λέει ο ερευνητής.

«Όταν οι γαλαξίες αρχίζουν να σχηματίζονται, οι άνεμοι εκτοξεύουν υλικό προς τα έξω και αποτρέπουν τη δημιουργία άστρων. Αν δεν υπήρχαν αυτοί οι άνεμοι, ή ήταν λιγότερο ισχυροί, θα βλέπαμε πολύ περισσότερα άστρα στους μεγάλους γαλαξίες» εξηγεί. Πιστεύει μάλιστα ότι υπάρχουν κβάζαρ που δημιουργούν ανέμους ακόμα μεγαλύτερης ταχύτητας.

Πηγή: Jesse A. Rogerson, Patrick B. Hall, Paola Rodríguez Hidalgo, Patrik Pirkola, William N. Brandt, Nur Filiz Ak. Multi-epoch observations of extremely high-velocity emergent broad absorption. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2016; 457 (1): 405 DOI:10.1093/mnras/stv3010