Ίθαν Σίγκελ, Η αναζήτηση εξωγήινης ζωής πρέπει να λάβει υπόψη αυτό το μάθημα του Στίβεν Κινγκ. Ethan Siegel, The search for alien life must heed this lesson from Stephen King

Αυτή η εικόνα της Γης τη νύχτα υπογραμμίζει τη δύναμη του πώς τα διαφορετικά χαρακτηριστικά είναι ορατά καθώς ο πλανήτης περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του από μακριά. Παρόλο που ο νυχτερινός φωτισμός δεν θα ήταν ανιχνεύσιμος με την προβλεπόμενη τεχνολογία εάν η Γη ήταν εξωπλανήτης, υπάρχουν φασματικές και φωτομετρικές υπογραφές που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό πολλών από τις ιδιότητες του πλανήτη μας από μακριά. This image of Earth at night highlights the power of how different features are visible as the planet rotates about its axis from afar. Even though night lighting would not be detectable with foreseeable technology were Earth an exoplanet, there are spectral and photometric signatures that could be used to determine many of our planet’s properties from afar. Credit: NASA’s Earth Observatory/NOAA/DOD

Εδώ στη Γη, τουλάχιστον πριν από 3,8 δισεκατομμύρια χρόνια και ίσως ακόμη νωρίτερα στην ιστορία του πλανήτη μας, η ζωή εμφανίστηκε στον κόσμο μας και έκτοτε συνεχίζεται. Έχουμε φωτοσυνθετική ζωή για τουλάχιστον τα τελευταία 2,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Έχουμε ευκαρυωτική ζωή, με διαφοροποιημένα οργανίδια μέσα στα κύτταρά της, για περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Η πολυκύτταρη ζωή και η σεξουαλική αναπαραγωγή υπάρχουν εδώ και πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Και τα φυτά, τα ζώα και οι μύκητες εμφανίστηκαν όλα πριν από περισσότερα από 500 εκατομμύρια χρόνια. Πιο πρόσφατα, το δικό μας είδος εμφανίστηκε στη Γη: όχι μόνο έξυπνο, αλλά και τεχνολογικά προηγμένο, μεταμορφώνοντας τον κόσμο μας και έχοντας κάνει τα πρώτα μας βήματα στο διάστημα ξεκινώντας από τον 20ό αιώνα.

Η αποκάλυψη αυτής της ιστορίας, σε συνδυασμό με την αναγνώριση ότι τα ακατέργαστα συστατικά που οδήγησαν στη ζωή στη Γη βρίσκονται σε δισεκατομμύρια αστρικά συστήματα σε όλο τον γαλαξία μας και σε τρισεκατομμύρια γαλαξίες σε όλο το παρατηρήσιμο Σύμπαν, έχει οδηγήσει σε μερικά τεράστια ερωτήματα και σε μερικές εξίσου τεράστιες εικασίες.

• Σε πόσους άλλους κόσμους στο Ηλιακό μας Σύστημα αναδύθηκε ζωή;
• Πόσοι κατοικημένοι πλανήτες υπάρχουν στον γαλαξία μας αυτή τη στιγμή;
• Πόσοι πλανήτες σφύζουν από ζωή όπως η Γη;
• Πόσα έξυπνα εξωγήινα είδη υπάρχουν εκεί έξω και πόσα είναι πιο προηγμένα τεχνολογικά από εμάς;
• Και, ίσως το πιο ουσιαστικό, είμαστε μόνοι μας στο Σύμπαν;

Αυτά είναι από τα μεγαλύτερα υπαρξιακά ερωτήματα που μπορεί κανείς να θέσει, και ίσως αργότερα αυτόν τον αιώνα επιτέλους, για πρώτη φορά στην ιστορία, να έχουμε απάντηση σε ένα ή περισσότερα από αυτά. Αλλά μέχρι τότε, υπάρχει ένα ζωτικό μάθημα κατά της εξαγωγής πρόωρων συμπερασμάτων από μια απίθανη πηγή: τον μυθιστοριογράφο Στίβεν Κινγκ. Να τι πρέπει να γνωρίζουν όλοι, από επαγγελματίες αστροβιολόγους μέχρι απλούς ανθρώπους.

Η προοπτική ανίχνευσης και χαρακτηρισμού της ατμόσφαιρας ενός πραγματικά παρόμοιου με τη Γη πλανήτη, δηλαδή ενός πλανήτη στο μέγεθος της Γης στην κατοικήσιμη ζώνη του άστρου του, που περιλαμβάνει τόσο κόκκινους νάνους όσο και περισσότερα αστέρια σαν τον Ήλιο, είναι εφικτή. Με έναν κορωνογράφο επόμενης γενιάς, μια μεγάλη αποστολή υπεριώδους-οπτικής-υπέρυθρης ακτινοβολίας θα μπορούσε να βρει δεκάδες, ή και εκατοντάδες, πλανήτες στο μέγεθος της Γης για μέτρηση. The prospect of detecting and characterizing the atmosphere of a true Earth-like planet, i.e., an Earth-sized planet in the habitable zone of its star, including both red dwarf and more Sun-like stars, is within our reach. With a next-generation coronagraph, a large ultraviolet-optical-infrared mission could find dozens, or even hundreds, of Earth-sized worlds to measure. Credit: National Academies/Astro2020 decadal survey

Στην επική ιστορία του Stephen King, The Stand, ένας ιός που μετατρέπεται σε όπλο απελευθερώνεται κατά λάθος από ένα στρατιωτικό εργαστήριο και προκαλεί μια καταστροφική παγκόσμια πανδημία. Αυτό το βιολογικό όπλο ενός ιού - γνωστό τόσο ως υπεργρίπη όσο και με την κωδική του ονομασία Captain Trips - είναι εξαιρετικά μολυσματικό και σε σύντομο χρονικό διάστημα, το αρχικό ξέσπασμα στο Arnette του Τέξας έχει πλέον εξαπλωθεί σε κάθε χώρα της Γης. Η υπεργρίπη, σε διάστημα μόλις λίγων εβδομάδων, αποδεικνύεται μοιραία για σχεδόν όλους: σκοτώνοντας πάνω από το 99% του παγκόσμιου πληθυσμού. Μετά από περίπου ένα μήνα, σχεδόν όλοι οι άνθρωποι που κάποτε υπήρχαν στη Γη έχουν πεθάνει.

Ωστόσο, ένα από τα άτομα που βρίσκονται στο σημείο του «σημείου μηδέν» της αρχικής επιδημίας στην Αρνέτ του Τέξας αποδεικνύεται ότι είναι ο Στιούαρτ Ρέντμαν: ένα αξιοσημείωτο άτομο για έναν μόνο λόγο, το γεγονός ότι φαίνεται να έχει ανοσία στον ιό. Κρατείται βίαια καθώς ερευνητές και κυβερνητικοί αξιωματούχοι ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν τις φαινομενικά μοναδικές ιδιότητες του σώματός του για να βρουν μια θεραπεία, αλλά καθώς όλο και περισσότεροι άνθρωποι υποκύπτουν στον ιό, αυτός δραπετεύει. Τελικά συναντά αρκετούς άλλους επιζώντες, όπου πολλοί από αυτούς ενώνονται για να προσπαθήσουν να δημιουργήσουν μια νέα κοινωνία από τα απομεινάρια του παλιού και να κάνουν την ανθρωπότητα να «αντισταθεί» σε μια σειρά από σκοτεινές δυνάμεις με επικεφαλής τον ανταγωνιστή της ιστορίας: τον υπερφυσικό Ράνταλ Φλαγκ.

Στο μυθιστόρημα του Stephen King «The Stand», όλοι οι άνθρωποι εκτίθενται σε έναν νέο ιό υπεργρίπης, γνωστό ως Captain Trips, και πάνω από το 99% αυτών πεθαίνουν από αυτόν. Ο σπάνιος άνθρωπος που επέζησε από τον ιό, σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστος από αυτόν, θα έπρεπε ενδεχομένως να περάσει πολύς καιρός μέχρι να βρει έναν δεύτερο επιζώντα. Μέχρι να το κάνουν, θα ανησυχούσαν δικαιολογημένα για το αν ήταν πράγματι ο μόνος εναπομείνας ζωντανός άνθρωπος στη Γη. In Stephen King’s novel “The Stand,” all humans become exposed to, and more than 99% of them die from, a new superflu virus known as Captain Trips. The rare human who survived the virus, largely unaffected by it at all, would potentially have to go a very long while before finding a second survivor. Until they do, they would legitimately worry about whether they were, indeed, the only remaining living human on Earth. Credit: Nicolas Asfouri / AFP

Αυτό που κάνει αυτή την ιστορία τόσο σημαντική όταν σκεφτόμαστε την αναζήτηση εξωγήινης ζωής, όπως περιγράφει με τέχνη ο Κινγκ σε διάφορες ιστορίες, είναι αυτό που πρέπει να αναρωτιόταν ο καθένας από τους (σπάνιους, αλλά όχι μοναδικούς) επιζώντες της πανδημίας: είμαι μόνος; Είμαι ο τελευταίος, και ίσως ο μόνος, επιζών άνθρωπος στη Γη;

Έχει έναν χαρακτήρα — κάποιον που ζούσε σε μια απομονωμένη, αγροτική περιοχή και όχι σε αστικά ή προαστιακά κέντρα πληθυσμού όπου συχνά υπήρχαν πολλοί επιζώντες — που εξερευνούν την πιθανότητα μόνοι τους. «Είμαι μόνος; Τι θα χρειαζόταν για να με πείσει ότι δεν είμαι μόνος;»

Ο χαρακτήρας (σωστά!) εκτιμά ότι δεν έχει κανέναν τρόπο να μάθει πόσοι άνθρωποι επέζησαν ή αν ήταν οι μόνοι που είχαν απομείνει στη Γη ή όχι. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει τρόπος να μάθει κανείς αν είναι μόνος ή όχι μέχρι να βρει ένα δεύτερο παράδειγμα ενός ζωντανού ατόμου: χωρίς ένα δεύτερο παράδειγμα, οι πιθανότητες θα μπορούσαν να κυμαίνονται από:

• Λοιπόν, οι λίγοι άνθρωποι που ήξερα να ψάχνω στην περιοχή μου είναι όλοι νεκροί, και είμαι ο μόνος επιζών από το πολύ μικρό δείγμα που έχω συλλέξει,
• Υπάρχει κάτι πολύ, πολύ ιδιαίτερο και σπάνιο στα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες που έχω, και ακόμα κι αν η Γη ήταν προηγουμένως γεμάτη με τρισεκατομμύρια ή ακόμα και τετράκις εκατομμύρια ανθρώπους, θα ήμουν ο μόνος που θα επιβίωνε.

Από επιστημονική αλλά και από μαθηματική άποψη, αυτός είναι ένας απίστευτα υπεύθυνος τρόπος προσέγγισης του παζλ.

Αν περπατούσατε στον δρόμο και βλέπατε μεγάλο αριθμό σωμάτων να ξαπλώνουν, ακίνητα και άψυχα, θα αρχίζατε να αναρωτιέστε αν υπάρχουν άλλοι άνθρωποι εκτός από εσάς που είναι ζωντανοί. Μόνο όταν εντοπίσετε έναν άλλο ζωντανό άνθρωπο, θα έχετε δίκιο να πειστείτε ότι δεν είστε ο μόνος ζωντανός άνθρωπος που έχει απομείνει στη Γη. If you were to walk down the street and find large numbers of bodies laying down, still and unliving, you would begin to wonder whether any humans other than you were alive at all. It wouldn’t be until you spotted another living human that you would be correct to be convinced you weren’t the only living human remaining on Earth. Credit: 350.org/flickr

Φανταστείτε τον εαυτό σας στο ακόλουθο σενάριο: ξυπνάτε ένα πρωί, μόνο και μόνο για να ανακαλύψετε, προς μεγάλη σας φρίκη, ότι κανείς άλλος γύρω σας δεν έχει ξυπνήσει σήμερα το πρωί. Οι άνθρωποι με τους οποίους ζείτε συνήθως στο σπίτι σας είναι όλοι στα κρεβάτια τους, αλλά τα σώματά τους είναι κρύα και ακίνητα. Πηγαίνετε στο σπίτι του γείτονά σας, αλλά δεν υπάρχει απάντηση εκεί. Καλείτε τους ανθρώπους στο τηλέφωνό σας, τον έναν μετά τον άλλον, κατεβαίνοντας την γραμμή, αλλά κανείς δεν απαντά. Μπείτε στο αυτοκίνητό σας και αρχίσετε να οδηγείτε, αλλά δεν βλέπετε κανένα άλλο αυτοκίνητο στο δρόμο. Είναι όλα παρκαρισμένα, όλα άδεια και κανένα κατάστημα δεν είναι ανοιχτό. Ανοίγετε τις εφαρμογές κοινωνικής δικτύωσης και αρχίζετε να στέλνετε μηνύματα σε όλους, ψάχνοντας για μια απάντηση ή ακόμα και μια κατάσταση "εθεάθη", όλα μάταια. Αρχίζετε να ψάχνετε για νέες αναρτήσεις, αλλά δεν βλέπετε καμία, εκτός από αυτό που μοιάζει με αυτοματοποιημένες αναρτήσεις ή τις φλυαρίες των bots.

Από μαθηματική άποψη, αυτό που κάνετε καθώς ρίχνετε το δίχτυ σας όλο και πιο πλατύ, ψάχνοντας πιο πλατιά για τυχόν σημάδια ζωής έξω από τον εαυτό σας, είναι να αυξάνετε το μέγεθος του δείγματος των «πιθανών ανθρώπων» που θα μπορούσαν να δείχνουν ότι είναι ζωντανοί: ότι δεν είστε μόνο εσείς.

• Όταν ερωτηθείτε για τα πρώτα 10 άτομα και διαπιστώσετε ότι είστε ο μόνος επιζών, θα μπορούσατε εύλογα να συμπεράνετε ότι το ποσοστό επιβίωσης είναι χαμηλό: πιθανότατα δεν θα υπερβαίνει το 1 στα 10.
• Μετά τα πρώτα 100 άτομα, αν εξακολουθείτε να είστε ο μόνος επιζών, είναι πιθανό να συμπεράνετε ότι το ποσοστό επιβίωσης είναι ακόμη χαμηλότερο: όχι περισσότερο από 1 στα 100.
• Μετά από 1000 άτομα, ένα εκατομμύριο άτομα ή ένα δισεκατομμύριο άτομα, αν εξακολουθείτε να είστε ο μόνος επιζών, θα συμπεραίνατε ότι το ποσοστό επιβίωσης είναι πιθανό να είναι 1 στα 1000, 1 στο εκατομμύριο ή 1 στο δισεκατομμύριο, το πολύ.

Αυτά τα τέσσερα γραφήματα δείχνουν τον αναμενόμενο αριθμό επιτυχιών που είναι πιθανό να επιτύχει κάποιος σε 18 δοκιμές ενός δίκαιου δείγματος, για πιθανότητες επιτυχίας ανά δοκιμή 10% (πάνω αριστερά), 25% (πάνω δεξιά), 50% (κάτω αριστερά) και 75% (κάτω δεξιά). Σημειώστε ότι η παρατήρηση ακριβώς 1 επιτυχίας δεν αποκλείει καμία από αυτές τις τέσσερις πιθανότητες και επίσης δεν σημαίνει απαραίτητα ότι το πραγματικό ποσοστό επιτυχίας θα ήταν 1/18. These four graphs show the expected number of successes one would be likely to achieve in 18 trials of a fair sample, for success probabilities per trial of 10% (upper left), 25% (upper right), 50% (lower left), and 75% (lower right). Note that observing exactly 1 success does not rule out any of these four possibilities, and also does not necessarily imply that the true success rate would be 1/18. Credit: Binomial Distribution/StatsRef

Ωστόσο, αυτή δεν είναι μια μαθηματικά αυστηρή δήλωση. Μαθηματικά, όταν κάνετε έρευνα σε 10 άτομα και βρίσκετε μόνο ένα παράδειγμα επιτυχίας, αυτό δεν σημαίνει ότι η πιθανότητα επιτυχίας είναι 1 στις 10. Στην πραγματικότητα, αν οι «πιθανότητες επιτυχίας» σας είναι στην πραγματικότητα 1 στις 10 και εκτελέσετε 10 ανεξάρτητες δοκιμές, θα καταλήξετε με ακριβώς μία επιτυχία περίπου στο 39% των περιπτώσεων. Στο 34% των περιπτώσεων, δεν θα έχετε καμία επιτυχία, στο 17% των περιπτώσεων θα έχετε δύο επιτυχίες και περίπου στο 10% των περιπτώσεων θα έχετε τρεις ή περισσότερες επιτυχίες.

Το γεγονός ότι διεξήγαγες 10 δοκιμές και παρατήρησες 1 επιτυχία δεν σημαίνει ότι οι πιθανότητες επιτυχίας είναι 1 στις 10 με γενική έννοια.

• Καταρχάς, αν γνωρίζατε την «πραγματική πιθανότητα» επιτυχίας και παίρνατε ένα ικανοποιητικό δείγμα από οποιονδήποτε αριθμό δοκιμών, δεν θα είχατε απαραίτητα έναν αριθμό επιτυχιών που να ισούται με την πραγματική πιθανότητα πολλαπλασιασμένη με τον αριθμό των δοκιμών. (Θα περιμένατε μια διωνυμική κατανομή επιτυχιών .)
• Δεύτερον, η «μία» παρατηρούμενη επιτυχία είναι απαραίτητη προϋπόθεση αυτής της δοκιμής. Εάν δεν υπήρχαν επιτυχίες, το πείραμα δεν θα μπορούσε ποτέ να είχε πραγματοποιηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να εξαγάγετε συμπεράσματα με βάση τη χρήση της Bayesian στατιστικής , η οποία έχει περιορισμένη χρησιμότητα σε καταστάσεις όπως αυτή.
• Και τρίτον, δεν έχετε κανέναν τρόπο να γνωρίζετε ποια είναι η μεροληψία δειγματοληψίας σας : αν οι δοκιμές που έχετε διεξάγει αντιπροσωπεύουν ένα δίκαιο δείγμα του συνολικού πληθυσμού ή αν αντιπροσωπεύουν ένα μεροληπτικό δείγμα, όπου το δείγμα θα μπορούσε να είναι μεροληπτικό είτε υψηλότερα είτε χαμηλότερα από την πραγματική κατανομή.

Στην κορυφή, οι προβλέψεις πωλήσεων εισιτηρίων Powerball εξαρτώνται από το μέγεθος του Τζάκποτ. Αναμένονται πάνω από μισό δισεκατομμύριο εισιτήρια για κάθε Τζάκποτ άνω του 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων. Στο κάτω μέρος, η αναμενόμενη αξία ενός εισιτηρίου Powerball των 2 δολαρίων, η οποία, λαμβάνοντας υπόψη τους φόρους και τα μοιρασμένα Τζάκποτ, κορυφώνεται σε τιμές Τζάκποτ περίπου μισού δισεκατομμυρίου δολαρίων και μειώνεται στη συνέχεια. At top, the Powerball ticket sales projections dependent on the size of the Jackpot; over half a billion tickets are expected for each Jackpot over $1 billion. At bottom, the expected value of a $2 Powerball ticket, which, when accounting for taxes and split Jackpots, peaks at Jackpot values of around half a billion dollars and decreases thereafter. Credit: Jeremy Elson

Ερευνώντας ένα ολοένα και μεγαλύτερο δείγμα, για όσο διάστημα εσείς οι ίδιοι αντιπροσωπεύετε τη μόνη γνωστή επιτυχία μέχρι στιγμής, το μόνο που μπορείτε να κάνετε είναι να θέσετε ολοένα και πιο αυστηρούς περιορισμούς στη μέγιστη πιθανοφάνεια οποιασδήποτε επιτυχίας. Ωστόσο, αν θέλετε να αποκτήσετε μια καλύτερη εκτίμηση της πραγματικής πιθανότητας επιτυχίας, υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να φτάσετε εκεί: βρίσκοντας στην πραγματικότητα ένα δεύτερο παράδειγμα επιτυχίας.

Ο Κινγκ το σημείωσε κι αυτό, καθώς ο επιζών στην ιστορία του αναγνώριζε ότι εφόσον ήταν ο μόνος ζωντανός άνθρωπος που γνώριζε, δεν είχε κανέναν τρόπο να μάθει αν ήταν μόνος ή αν υπήρχαν άλλοι. Ωστόσο, μόλις ανακαλυπτόταν ένα δεύτερο ζωντανό άτομο, ο επιζών μπορούσε τότε δικαιολογημένα να συμπεράνει ότι υπήρχαν περισσότεροι από δύο συνολικά επιζώντες: πιθανότατα υπήρχε ένας πληθυσμός πολλών άλλων που είχαν επίσης επιβιώσει.

Και πάλι, τα στατιστικά στοιχεία υποστηρίζουν τον King σε αυτό. Εάν έχετε μεγάλο αριθμό δειγμάτων αλλά μόνο μία επιτυχία — ειδικά εάν βρίσκεστε σε μια κατάσταση όπου αυτή η μία επιτυχία (δηλαδή, η δική σας) είναι απαραίτητη για να ξεκινήσει καν η μελέτη — δεν γνωρίζετε ποιες είναι οι πιθανότητες επιτυχίας. Ωστόσο, εάν βρείτε μια δεύτερη επιτυχία ενώ η συντριπτική πλειοψηφία όλων των πιθανών δειγμάτων παραμένει αδιερεύνητη, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι θα υπάρξουν πολλές άλλες περιπτώσεις επιτυχούς έκβασης. Εάν έχετε ένα νικητήριο λαχείο και αφού ελέγξετε 10.000 άλλα λαχεία βρείτε έναν δεύτερο νικητή, τότε εάν γνωρίζετε ότι υπάρχουν συνολικά ένα δισεκατομμύριο λαχεία για να διαλέξετε, πιθανότατα υπάρχουν και πολλά άλλα (πιθανώς αρκετές χιλιάδες ακόμη) νικητήρια λαχεία.

Αν και η Γη περιέχει το πιο υγρό νερό στην επιφάνειά της από οποιονδήποτε από τους 8 πλανήτες, το περισσότερο νερό σε οποιαδήποτε μορφή βρίσκεται στο φεγγάρι του Δία, Γανυμήδη. Στη συνέχεια κατά σειρά είναι ο Τιτάνας του Κρόνου, η Καλλιστώ του Δία και η Ευρώπη του Δία. Ο πλανήτης Γη έχει μόνο την 5η θέση σε νερό, τοποθετώντας τον μπροστά από τον Πλούτωνα, τη Διώνη, τον Τρίτωνα και τον Εγκέλαδο, οι οποίοι καταλαμβάνουν την 6η έως την 9η θέση στο Ηλιακό Σύστημα, αντίστοιχα. Άλλα, λιγότερο εξερευνημένα αντικείμενα της ζώνης Κάιπερ, όπως η Έριδα, ίσως αξίζουν μια θέση σε αυτήν τη λίστα. Although Earth contains the most liquid water on its surface of any of the 8 planets, the most water in any form is found on Jupiter’s moon Ganymede. Next in order is Saturn’s Titan, Jupiter’s Callisto, and Jupiter’s Europa. Planet Earth has only the 5th most water, placing it ahead of Pluto, Dione, Triton, and Enceladus, which land in 6th through 9th place in the Solar System, respectively. Other, more poorly explored Kuiper belt objects, such as Eris, may yet deserve a place on this list. Credit: NASA

Στην αναζήτηση εξωγήινης ζωής, βρισκόμαστε ακόμη σε αυτό το πολύ πρώιμο στάδιο που αναρωτιόμαστε αν είμαστε μόνοι ή όχι. Εδώ, στο δικό μας Ηλιακό Σύστημα, γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχουν εξωγήινοι που να μεταμορφώνουν κόσμους σε κανένα από τα μέρη που έχουμε αναζητήσει και που θα μπορούσαν ενδεχομένως να τους φιλοξενήσουν, συμπεριλαμβανομένων του Άρη, της Αφροδίτης, του Τιτάνα, της Ευρώπης, της Γανυμήδης, της Καλλιστούς, του Τρίτωνα, του Εγκέλαδου ή του Πλούτωνα. Δεν έχουμε βρει καμία αδιάσειστη απόδειξη για την ύπαρξη ζωής στο παρόν σε κανέναν από αυτούς τους κόσμους, και ακόμη και τα στοιχεία για την ύπαρξη ζωής στο παρελθόν είναι τόσο ελάχιστα όσο και αμφίβολα . Αλλά επίσης δεν έχουμε ψάξει πολύ προσεκτικά ή πολύ καλά. Θα μπορούσαν ακόμη να υπάρχουν μικροβιακές μορφές ζωής που ευδοκιμούν σε, πάνω ή μέσα σε αρκετούς από αυτούς τους κόσμους.

Δεν έχουμε βρει καμία υπογραφή νοήμονων εξωγήινων, μέσω άμεσων αναζητήσεων και των προσπαθειών του SETI, αν και πάλι, η δύναμή μας να αναζητήσουμε την παρουσία τους περιορίζεται σε λίγες μόνο μεθόδους ανίχνευσης και σε μια σχετικά μικρή ακτίνα αναζήτησης εντός του γαλαξία μας.

Και παρά το γεγονός ότι πρόσφατα ξεπέρασαν το όριο των 6.000 ανακαλυφθέντων εξωπλανητών , σχεδόν όλοι αυτοί οι γνωστοί κόσμοι είναι εξαιρετικά εχθρικοί στη ζωή, όπως η πλειοψηφία των κόσμων:

• είναι πολύ μεγαλύτερα από τη Γη, με πυκνή ατμόσφαιρα υδρογόνου και ηλίου,
• είναι πολύ θερμότερα και πιο κοντά στα άστρα τους από τη Γη, και πολύ θερμά για να φιλοξενήσουν υγρό νερό στις επιφάνειές τους,
• ή, για τους μικρότερους, στο μέγεθος της Γης, είναι πιθανό να περιστρέφονται γύρω από μικρούς, αμυδρούς, ακόμη ενεργά εκλάμπτοντες κόκκινους νάνους αστέρες.

Παρόλο που είναι πλέον γνωστοί περισσότεροι από 6.000 επιβεβαιωμένοι εξωπλανήτες, με περισσότερους από τους μισούς από αυτούς να έχουν αποκαλυφθεί από το Kepler, δεν υπάρχουν πραγματικά ανάλογα των πλανητών που βρίσκονται στο Ηλιακό μας Σύστημα. Ανάλογα με τον Δία, τη Γη και τον Ερμή παραμένουν όλα ασαφή με την τρέχουσα τεχνολογία. Η συντριπτική πλειοψηφία των πλανητών που βρίσκονται μέσω της μεθόδου της διάβασης βρίσκονται κοντά στο μητρικό τους άστρο, έχουν ~10% την ακτίνα (ή, ισοδύναμα, ~1% της επιφάνειας) του μητρικού τους άστρου ή περισσότερο και βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άστρα μικρής μάζας και μικρού μεγέθους. Although more than 6,000 confirmed exoplanets are now known, with more than half of them uncovered by Kepler, there are no true analogues of the planets found in our Solar System. Jupiter-analogues, Earth-analogues, and Mercury-analogues all remain elusive with current technology. The overwhelming majority of planets found via the transit method are close to their parent star, are ~10% the radius (or, equivalently, ~1% the surface area) of their parent star or more, and are orbiting low-mass, small-sized stars. Credit: NASA/Ames/Jessie Dotson and Wendy Stenzel; annotated by E. Siegel

Στην πραγματικότητα, παρά όλους τους κόσμους που γνωρίζουμε, δεν υπάρχουν γνωστοί υποψήφιοι για «δίδυμους πλανήτες της Γης»: ένας κόσμος στο μέγεθος της Γης σε αποστάσεις παρόμοιες με τη Γη από αστέρια σαν τον Ήλιο.

Κι όμως, παρά την έλλειψη οποιωνδήποτε σημαδιών ζωής εκεί έξω, παρά τις όποιες προσεγγίσεις έχουμε κάνει μέχρι τώρα, υπάρχουν βάσιμοι λόγοι να πιστεύουμε ότι ο γαλαξίας είναι στην πραγματικότητα ένα πολύ φιλικό προς τη ζωή μέρος. Τα ακατέργαστα συστατικά για τη ζωή - τα βαρέα στοιχεία που οδηγούν στο σχηματισμό βραχωδών πλανητών, οργανικών μορίων και ζωντανών πλασμάτων - είναι πανταχού παρόντα σε όλο το επίπεδο του Γαλαξία: εκεί όπου βρίσκονται τα περισσότερα από τα άστρα του. Τα περισσότερα από τα γνωστά άστρα έχουν συγκρίσιμα κλάσματα βαρέων στοιχείων με αυτά που βρίσκονται στον Ήλιο, και όταν εξετάσαμε τα νεοσχηματιζόμενα αστρικά συστήματα, τείνουν να παράγουν δίσκους που σχηματίζουν πλανήτες.

Πάνω από το 80% των αστεριών, με βάση τις έρευνές μας, υποψιάζεται ότι έχουν πλανήτες. Πλανήτες στο μέγεθος της Γης είναι συνηθισμένοι γύρω από αστέρια σε όλες τις αποστάσεις, και πλανήτες στο μέγεθος της Γης σε σωστές αποστάσεις από τα γονικά τους αστέρια για να υποστηρίζουν υγρό νερό στις επιφάνειές τους (υποθέτοντας ότι έχουν ατμόσφαιρα σαν τη Γη) αναμένεται να είναι συνηθισμένοι: υπάρχουν σε ποσοστό μεταξύ 1-10% όλων των αστρικών συστημάτων. Αστέρες σαν τον Ήλιο, επίσης, είναι συνηθισμένοι, αντιπροσωπεύοντας μεταξύ 1-10% όλων των αστεριών. Γνωρίζουμε πολλά τέτοια αστέρια, μερικά από τα οποία είναι έντονα υποψιασμένα ότι έχουν πλανήτες, ακριβώς στην αυλή μας, όπως το Ταύ Κήτους , το Άλφα Κενταύρου Α , το Έψιλον Ηριδανού , το 61 Κύκνου και το Έψιλον Ινδού . Αν και υπάρχουν πολλά άλλα, αυτά τα πέντε αστέρια βρίσκονται όλα σε απόσταση μόλις 12 ετών φωτός από τη Γη.

Στις αρχές του 21ου αιώνα, έχουμε χαρτογραφήσει με επιτυχία σχεδόν όλα τα αστέρια στη γειτονιά μας σε τρισδιάστατο χώρο. Τα πιο κοντινά σε εμάς αστέρια δεν ευθυγραμμίζονται πάντα με τα αστέρια που μπορούμε να δούμε, καθώς αυτό που είναι ορατό καθορίζεται από έναν συνδυασμό απόστασης και εγγενούς φωτεινότητας, αλλά όλα τα αστέρια πέρα ​​από τον Ήλιο βρίσκονται σε πολύ, πολύ μεγαλύτερη απόσταση από οτιδήποτε μέσα στο Ηλιακό μας Σύστημα. Το σύστημα Άλφα/Εγγύτατου του Κενταύρου είναι τριαδικό και έχει τα τρία πιο κοντινά στον Ήλιο μας αστέρια αυτή τη στιγμή. Το αστέρι του Μπάρναρντ είναι το τέταρτο πιο κοντινό και είναι το πλησιέστερο σύστημα απλών αστέρων στο δικό μας. In the early 21st-century, we’ve successfully mapped out practically all the stars in our neighborhood in three-dimensional space. The closest stars to us don’t always align with the stars we can see, as what’s visible is determined by a combination of distance and intrinsic brightness, but all stars beyond the Sun are at a much, much greater distance than anything within our Solar System. The Alpha/Proxima Centauri system is a trinary, and has the three closest stars to our Sun at present; Barnard’s star is the fourth closest, and is the nearest singlet star system to our own. Credit: Andrew Z. Colvin

Ο λόγος που άστρα σαν κι αυτά είναι σημαντικά, ωστόσο, είναι επειδή η ανθρωπότητα βρίσκεται στο χείλος του σχεδιασμού, της κατασκευής και της λειτουργίας των πρώτων τηλεσκοπίων μας, τα οποία θα είναι ικανά να μετρούν το φως από κόσμους στο μέγεθος της Γης σε αποστάσεις παρόμοιες με τη Γη γύρω από (περίπου) άστρα παρόμοια με τον Ήλιο.

• Αν αυτοί οι κόσμοι έχουν ατμόσφαιρες, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την επιστήμη της φασματοσκοπίας για να διασπάσουμε αυτό το φως στα μήκη κύματος που το αποτελούν, αποκαλύπτοντας τους τύπους αερίων, ομίχλης, νεφών και χημικών ενώσεων που υπάρχουν.
• Αν αυτός ο κόσμος έχει εποχιακές διακυμάνσεις στο ατμοσφαιρικό του περιεχόμενο, όπως τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα της Γης κυμαίνονται εποχιακά, θα μπορέσουμε να το ανιχνεύσουμε.
• Αν ο κόσμος αλλάξει χρώμα ή φωτεινότητα με την πάροδο του χρόνου, ακόμη και από ένα μόνο εικονοστοιχείο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις αλλαγές για να συμπεράνουμε πράγματα όπως η περίοδος περιστροφής του πλανήτη, η παρουσία νεφών, η ύπαρξη ηπείρων και ωκεανών, η υποχώρηση ή η προώθηση των πάγων και το αν οι χερσαίες μάζες αλλάζουν χρώμα με τις εποχές. (Το τελευταίο από αυτά θα ήταν μια αναλογία με τις ηπείρους της Γης που πρασινίζουν και καφετίζουν περιοδικά.)

Αυτά τα αστεροσκοπεία περιλαμβάνουν το επίγειο Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο και το Γιγαντιαίο Τηλεσκόπιο Μαγγελάνου , τα οποία βρίσκονται ήδη υπό κατασκευή, καθώς και το σχεδιαζόμενο Τηλεσκόπιο Τριάντα Μέτρων . Περιλαμβάνουν την ιδέα του ExoLife Finder , το οποίο βρίσκεται υπό ανάπτυξη, και την προγραμματισμένη ναυαρχίδα αποστολή της NASA για τη δεκαετία του 2030: το Παρατηρητήριο Κατοικήσιμων Κόσμων . Εάν υπάρχει ζωή σε πλανήτες που περιβάλλουν οποιοδήποτε από τα πλησιέστερα στη Γη άστρα σαν τον Ήλιο, η επόμενη γενιά επίγειων και διαστημικών τηλεσκοπίων θα έχει μια εξαιρετική ευκαιρία να την εντοπίσει.

Αριστερά, μια εικόνα της Γης από την κάμερα DSCOVR-EPIC. Δεξιά, η ίδια εικόνα υποβαθμίστηκε σε ανάλυση 3 x 3 pixel, παρόμοια με αυτήν που θα δουν οι ερευνητές σε μελλοντικές παρατηρήσεις εξωπλανητών (υποθέτοντας ότι το φως από το κεντρικό pixel διαχέεται σε γειτονικά). Αν κατασκευάσουμε ένα τηλεσκόπιο ικανό να επιτύχει ανάλυση ~60–70 μικροδευτερολέπτων τόξου, θα μπορούσαμε να απεικονίσουμε έναν πλανήτη σαν τη Γη σε αυτό το επίπεδο στην απόσταση του Άλφα Κενταύρου. Το Παρατηρητήριο Κατοικήσιμων Κόσμων, με έναν νέο κορωνογράφο, καθώς και το επίγειο ExoLife Finder, θα μπορούσε να απεικονίσει κόσμους στο μέγεθος της Γης σε αποστάσεις παρόμοιες με τη Γη από αστέρια σαν τον Ήλιο, αν και μόνο ως ένα μόνο pixel. Left, an image of Earth from the DSCOVR-EPIC camera. Right, the same image degraded to a resolution of 3 x 3 pixels, similar to what researchers will see in future exoplanet observations (assuming the light from the central pixel bleeds into adjacent ones). If we were to build a telescope capable of obtaining ~60–70 micro-arc-second resolution, we’d be able to image an Earth-like planet at this level at the distance of Alpha Centauri. Habitable Worlds Observatory, with a novel coronagraph, as well as the ground-based ExoLife Finder, could image Earth-sized worlds at Earth-like distances from Sun-like stars, albeit only as a single pixel. Credit: NOAA/NASA/Stephen Kane

Αλλά το να μην το βρούμε, κάτι που είναι επίσης μια επιλογή, δεν σημαίνει απαραίτητα ότι είμαστε μόνοι. Δεν σημαίνει καν απαραίτητα ότι η ζωή ή οι κατοικημένοι πλανήτες ή ακόμα και οι νοήμονες εξωγήινοι είναι σπάνιοι. Σημαίνει ότι δεν έχουμε ακόμη ψάξει με αρκετή ακρίβεια για να βρούμε το βασικό στοιχείο που θα μας διδάξει ότι δεν είμαστε μόνοι: ένα δεύτερο παράδειγμα επιτυχίας, κάπου αλλού πέρα ​​από τη Γη σε αυτό το Σύμπαν. Καθώς ψάχνουμε με όλο και μεγαλύτερη ακρίβεια, ρίχνοντας όχι μόνο ένα ευρύτερο δίχτυ για το πού θα μπορούσε να βρίσκεται η ζωή, αλλά εξετάζοντας πιο βαθιά και ολοκληρωμένα τις πιθανές τοποθεσίες όπου θα μπορούσε να κρύβεται ζωή του παρελθόντος ή του παρόντος, μπορούμε να περιμένουμε δύο περιόδους:

• μια περίοδο όπου δεν έχουμε ανιχνεύσει οριστική ζωή πέρα ​​από τη Γη, όπου οι περιορισμοί μας γίνονται όλο και καλύτεροι, επιτρέποντάς μας να θέσουμε αυστηρότερα ανώτατα όρια στη συχνότητα και την αφθονία της ζωής στο Σύμπαν,
• ακολουθούμενη από μια ανακάλυψη που θα αλλάξει για πάντα τον τρόπο που βλέπουμε τη θέση μας στο Σύμπαν: την ανακάλυψη μιας δεύτερης περίπτωσης ζωής κάπου στο Σύμπαν.

Μέχρι να έχουμε αυτή τη δεύτερη περίπτωση ζωής, δεν έχουμε κανέναν τρόπο να αποκλείσουμε την πιο τρομακτική πιθανότητα από όλες: ότι είμαστε πραγματικά μόνοι σε όλο το Σύμπαν. Αλλά όταν έρθει αυτή η κρίσιμη στιγμή - και όπως πολλοί επιστήμονες, είμαι πεπεισμένος ότι κάποια μέρα θα έρθει - και βρούμε την πρώτη ισχυρή περίπτωση ζωής πέρα ​​από τη Γη, όχι μόνο θα γνωρίζουμε ότι δεν είμαστε μόνοι στο Σύμπαν, αλλά θα μπορούμε να συμπεράνουμε ότι υπάρχουν πολλά παραδείγματα εκεί έξω. Μέχρι τότε, θα πρέπει όλοι να θυμόμαστε το μάθημα του Stephen King: ότι ένα παράδειγμα μπορεί να σημαίνει ότι υπάρχει μόνο ένα σε όλη την ύπαρξη, αλλά αν μπορέσουμε να βρούμε δύο, μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι υπάρχουν πολλά άλλα.

Πηγή: https://startswithabang.substack.com/p/the-search-for-alien-life-must-heed

Ίθαν Σίγκελ, Ακόμα και πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, το διάστημα δεν ήταν πραγματικά άδειο. Ethan Siegel, Even before the Big Bang, space wasn’t truly empty

Όλη η ύλη που μετράμε σήμερα προήλθε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Αλλά ακόμη και πριν από αυτό, και στο μακρινό μέλλον, δεν θα είναι ποτέ άδεια. Οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονται από διαφορετικά υλικά θα πρέπει να έχουν διαφορετικές πληροφορίες κωδικοποιημένες στους ορίζοντες γεγονότων τους και δεν είναι κατανοητό εάν ή πώς αυτές οι πληροφορίες κωδικοποιούνται στη συνέχεια στην εξερχόμενη ακτινοβολία Hawking. Πρόσφατη εργασία έχει υποδείξει ότι ακόμη και αντικείμενα χωρίς ορίζοντα μπορούν επίσης να εκπέμπουν ακτινοβολία Hawking, αλλά αυτό το αποτέλεσμα εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο συζήτησης. All of the matter that we measure today originated in the hot Big Bang. But even before that, and far into the future, it’ll never be empty. Black holes formed of different materials should have different information encoded on their event horizons, and it is not understood if or how that information is then encoded in the outgoing Hawking radiation. Recent work has suggested that even horizonless objects may emit Hawking radiation as well, but that result is still debated. Credit: The EU’s Communicate Science

Όσον αφορά το φυσικό Σύμπαν, η έννοια του «τίποτα» μπορεί πραγματικά να είναι δυνατή μόνο στη θεωρία, όχι στην πράξη. Όπως βλέπουμε το Σύμπαν σήμερα, φαίνεται γεμάτο από πράγματα: ύλη, ακτινοβολία, αντιύλη, νετρίνα, ακόμη και σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, παρά το γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε πραγματικά την απόλυτη, θεμελιώδη φύση των δύο τελευταίων. Ωστόσο, ακόμα κι αν αφαιρέσετε κάθε κβάντο ενέργειας, αφαιρώντας την με κάποιο τρόπο εντελώς από το Σύμπαν, δεν θα μείνει ένα άδειο Σύμπαν. Ανεξάρτητα από το πόσο αφαιρείτε από αυτό, το Σύμπαν θα παράγει πάντα νέες μορφές ενέργειας.

Πώς είναι δυνατόν αυτό; Είναι σαν το ίδιο το Σύμπαν να μην κατανοεί την ιδέα μας για το «τίποτα». Αν αφαιρούσαμε όλα τα κβάντα ενέργειας από το Σύμπαν μας, αφήνοντας πίσω μόνο κενό χώρο, θα περιμέναμε αμέσως ότι το Σύμπαν θα βρισκόταν στο απόλυτο μηδέν: χωρίς ενεργειακά σωματίδια πουθενά. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει καθόλου. Όσο «άδειο» κι αν κάνουμε τεχνητά το διαστελλόμενο Σύμπαν, το γεγονός ότι διαστέλλεται θα παρήγαγε αυθόρμητα και αναπόφευκτα ακτινοβολία. Ακόμα και αυθαίρετα πολύ στο μέλλον, ή πολύ πίσω πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν δεν θα ήταν ποτέ πραγματικά άδειο. Ιδού η επιστήμη που εξηγεί γιατί.

Αν κοιτάξετε όλο και πιο μακριά, κοιτάτε επίσης όλο και πιο μακριά στο παρελθόν. Αν ο αριθμός των γαλαξιών, οι πυκνότητες και οι ιδιότητες αυτών των γαλαξιών, καθώς και άλλες κοσμικές ιδιότητες όπως η θερμοκρασία και ο ρυθμός διαστολής του Σύμπαντος δεν φαινόταν να αλλάζουν, θα είχατε στοιχεία για ένα Σύμπαν που ήταν σταθερό στο χρόνο. Αυτό δεν είναι αυτό που βλέπουμε. If you look farther and farther away, you also look farther and farther into the past. If the number of galaxies, the densities and properties of those galaxies, and other cosmic properties like the temperature and expansion rate of the Universe didn’t appear to change, you’d have evidence of a Universe that was constant in time; that is not what we see. Credit: NASA/ESA/STScI/A. Feild

Εδώ στο Σύμπαν μας σήμερα, είναι πολύ σαφές ότι ο χώρος είναι οτιδήποτε άλλο εκτός από άδειος. Σε κάθε κατεύθυνση που κοιτάμε, βλέπουμε:

• αστέρια,
• αέριο,
• σκόνη,
• άλλους γαλαξίες,
• σμήνη γαλαξιών,
• κβάζαρ,
• κοσμικά σωματίδια υψηλής ενέργειας (γνωστά ως κοσμικές ακτίνες),
• και ακτινοβολία, τόσο από το φως των άστρων όσο και από τα υπολείμματα της ίδιας της Μεγάλης Έκρηξης.

Αν είχαμε καλύτερα «μάτια», δηλαδή, ανώτερα εργαλεία στη διάθεσή μας, θα μπορούσαμε επίσης να ανιχνεύσουμε τα σήματα που γνωρίζουμε ότι θα έπρεπε να υπάρχουν εκεί έξω, αλλά τα οποία δεν μπορούν να ανιχνευθούν με την τρέχουσα τεχνολογία. Θα βλέπαμε βαρυτικά κύματα από κάθε μάζα που επιταχύνεται μέσα σε ένα μεταβαλλόμενο βαρυτικό πεδίο. Θα «βλέπαμε» ό,τι είναι υπεύθυνο για τη σκοτεινή ύλη, αντί απλώς για τις βαρυτικές της επιδράσεις. Και θα βλέπαμε μαύρες τρύπες, τόσο ενεργές όσο και αδρανή, αντί απλώς αυτές που εκπέμπουν τις μεγαλύτερες ποσότητες ακτινοβολίας.

Η πλειονότητα των υπογραφών σκόνης που παρατηρούνται στον γαλαξία μας προέρχονται από τον ίδιο τον γαλαξία μας, όπως δείχνει αυτός ο χάρτης πλήρους ουρανού από τον δορυφόρο Planck. Ωστόσο, όσον αφορά ολόκληρο το Σύμπαν πέρα ​​από τον Γαλαξία μας, είναι άγνωστο εάν η πηγή του άγνωστου οπτικού φωτός προέρχεται από αόρατους γαλαξίες ή από κάποια άλλη, όπως πιθανώς σκόνη, πηγή. The majority of the dust signatures seen in our galaxy arise from our galaxy itself, as this full-sky map from the Planck satellite shows. However, when it comes to the entire Universe beyond the Milky Way, it is unknown whether the source of the unidentified optical light is from unseen galaxies or some other, possibly dust-like source. Credit: Planck Collaboration/ESA, HFI and LFI Consortium

Όλα όσα βλέπουμε δεν συμβαίνουν απλώς σε ένα στατικό Σύμπαν, αλλά μάλλον σε ένα Σύμπαν που εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον από φυσικής άποψης είναι το πώς εξελίσσεται το Σύμπαν μας. Σε παγκόσμια κλίμακα, ο ιστός του Σύμπαντός μας - ο χωροχρόνος - βρίσκεται σε διαδικασία επέκτασης, δηλαδή αν τοποθετήσετε δύο οποιαδήποτε καλά διαχωρισμένα «σημεία» στον χωροχρόνο σας, θα διαπιστώσετε ότι:

• σωστή απόσταση (όπως μετράται από έναν παρατηρητή σε ένα από τα σημεία) μεταξύ αυτών των σημείων,
• ο χρόνος ταξιδιού του φωτός μεταξύ αυτών των σημείων,
• και το μήκος κύματος του φωτός που ταξιδεύει από το ένα σημείο στο άλλο,

όλα θα αυξηθούν με την πάροδο του χρόνου. Το Σύμπαν όχι μόνο διαστέλλεται, αλλά ψύχεται ταυτόχρονα ως αποτέλεσμα της διαστολής. Καθώς το φως μετατοπίζεται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, μετατοπίζεται επίσης προς χαμηλότερες ενέργειες και ψυχρότερες θερμοκρασίες. Το Σύμπαν ήταν θερμότερο στο παρελθόν και θα είναι ακόμη ψυχρότερο στο μέλλον. Και, μέσα από όλα αυτά, τα αντικείμενα με μάζα ή/και ενέργεια στο Σύμπαν έλκονται, συσσωρεύονται και συσσωρεύονται μαζί για να σχηματίσουν έναν μεγάλο κοσμικό ιστό.

Στη σύγχρονη κοσμολογία, ένα μεγάλης κλίμακας πλέγμα σκοτεινής και κανονικής ύλης διαπερνά το Σύμπαν. Στην κλίμακα μεμονωμένων γαλαξιών και μικρότερων, οι δομές που σχηματίζονται από την ύλη είναι εξαιρετικά μη γραμμικές, με πυκνότητες που αποκλίνουν από τη μέση πυκνότητα κατά τεράστιες ποσότητες. Σε πολύ μεγάλες κλίμακες, ωστόσο, η πυκνότητα οποιασδήποτε περιοχής του χώρου είναι πολύ κοντά στη μέση πυκνότητα: με ακρίβεια περίπου 99,99%. Σε κλίμακες μεγαλύτερες από μερικά δισεκατομμύρια έτη φωτός, δεν θα σχηματιστούν ποτέ δομές, λόγω της παρουσίας και της κυριαρχίας της σκοτεινής ενέργειας σε μεταγενέστερο χρόνο. In modern cosmology, a large-scale web of dark matter and normal matter permeates the Universe. On the scales of individual galaxies and smaller, the structures formed by matter are highly non-linear, with densities that depart from the average density by enormous amounts. On very large scales, however, the density of any region of space is very close to the average density: to about 99.99% accuracy. On scales larger than a few billion light-years, no structures will ever form, owing to the presence and late-time domination of dark energy. Credit: The Millennium Simulation, V. Springel et al.

Αν μπορούσατε με κάποιο τρόπο να τα εξαλείψετε όλα — όλη την ύλη, όλη την ακτινοβολία, κάθε κβάντα ενέργειας — τι θα έμενε;

Κατά μία έννοια, θα είχατε απλώς τον ίδιο τον κενό χώρο: να εξακολουθεί να διαστέλλεται, να διατηρεί τους νόμους της φυσικής άθικτους και να μην μπορεί να ξεφύγει από τα κβαντικά πεδία που διαπερνούν το Σύμπαν. Αυτό είναι το πιο κοντινό σημείο που μπορείτε να φτάσετε, φυσικά, σε μια πραγματική κατάσταση «μηδενικότητας», κι όμως εξακολουθεί να έχει φυσικούς κανόνες που πρέπει να υπακούει. Για έναν φυσικό σε αυτό το Σύμπαν, η αφαίρεση οποιουδήποτε άλλου χώρου θα δημιουργήσει μια μη φυσική κατάσταση που δεν περιγράφει πλέον τον κόσμο στον οποίο κατοικούμε.

Αυτό σημαίνει, ειδικότερα, ότι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως «σκοτεινή ενέργεια» σήμερα θα εξακολουθούσε να υπάρχει σε αυτό το «Σύμπαν του τίποτα» που φανταζόμαστε. Θεωρητικά, μπορείτε να πάρετε κάθε κβαντικό πεδίο στο Σύμπαν και να το βάλετε στη διαμόρφωση χαμηλότερης ενέργειας. Αν το κάνετε αυτό, θα φτάσετε σε αυτό που ονομάζουμε «ενέργεια μηδενικού σημείου» του χώρου, που σημαίνει ότι δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί περισσότερη ενέργεια από αυτό και να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση κάποιου είδους μηχανικού έργου. Σε ένα Σύμπαν με σκοτεινή ενέργεια, μια κοσμολογική σταθερά ή την ενέργεια μηδενικού σημείου των κβαντικών πεδίων, δεν υπάρχει λόγος να συμπεράνουμε ότι η ενέργεια μηδενικού σημείου θα ήταν στην πραγματικότητα μηδέν.

Ενώ η ύλη και η ακτινοβολία γίνονται λιγότερο πυκνές καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται λόγω του αυξανόμενου όγκου του, η σκοτεινή ενέργεια είναι μια μορφή ενέργειας εγγενής στο ίδιο το διάστημα. Καθώς δημιουργείται νέος χώρος στο διαστελλόμενο Σύμπαν, η πυκνότητα της σκοτεινής ενέργειας παραμένει σταθερή. While matter and radiation become less dense as the Universe expands owing to its increasing volume, dark energy is a form of energy inherent to space itself. As new space gets created in the expanding Universe, the dark energy density remains constant. Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

Στο Σύμπαν μας, μάλιστα, έχει παρατηρηθεί ότι έχει μια πεπερασμένη αλλά θετική τιμή: μια τιμή που αντιστοιχεί σε μια ενεργειακή πυκνότητα περίπου ~1 GeV (περίπου η ενέργεια μάζας ηρεμίας ενός πρωτονίου) ανά κυβικό μέτρο χώρου. Αυτή είναι μια εξαιρετικά μικρή ποσότητα ενέργειας, φυσικά. Αν παίρνατε την ενέργεια που είναι εγγενής σε ένα μόνο ανθρώπινο σώμα - κυρίως από τη μάζα των ατόμων σας - και την απλώνατε ώστε να έχετε την ίδια ενεργειακή πυκνότητα με την ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου, θα διαπιστώνατε ότι καταλαμβάνετε τόσο χώρο όσο μια σφαίρα που έχει περίπου τον όγκο του Ήλιου!

Στο πολύ μακρινό μέλλον, σε λίγα χρόνια από τώρα, το Σύμπαν θα συμπεριφέρεται σαν αυτή η ενέργεια μηδενικού σημείου να είναι το μόνο πράγμα που έχει απομείνει μέσα του. Όλα τα αστέρια θα καούν. Τα πτώματα αυτών των αστεριών θα ακτινοβολήσουν όλη τους τη θερμότητα μακριά και θα ψυχθούν στο απόλυτο μηδέν. Τα αστρικά υπολείμματα θα αλληλεπιδράσουν βαρυτικά, εκτοξεύοντας την πλειονότητα των αντικειμένων στον διαγαλαξιακό χώρο, ενώ οι λίγες εναπομείνασες μαύρες τρύπες θα μεγαλώσουν σε τεράστια μεγέθη. Τελικά, ακόμη και αυτές θα διασπαστούν μέσω της ακτινοβολίας Hawking, και εκεί είναι που η ιστορία γίνεται πραγματικά ενδιαφέρουσα.

Όταν τοποθετείτε έστω και μία σημειακή μάζα στον χωροχρόνο, καμπυλώνετε την ύφανση του χωροχρόνου παντού ως αποτέλεσμα. Οι εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν σάς επιτρέπουν να συσχετίσετε την καμπυλότητα του χωροχρόνου με την ύλη και την ενέργεια, κατ' αρχήν, για οποιαδήποτε κατανομή επιλέγετε. Στην περίπτωση μιας άπειρα πυκνής σημειακής μάζας, προκύπτει μια μαύρη τρύπα, με έναν ορίζοντα γεγονότων που σχηματίζεται σε απόσταση που εξαρτάται από τη συνολική μάζα της μαύρης τρύπας. Οι μαύρες τρύπες με τη χαμηλότερη μάζα έχουν τους μικρότερους ορίζοντες γεγονότων, αλλά τη μεγαλύτερη χωρική καμπυλότητα σε αυτούς τους ορίζοντες. When you put down even a single point mass in spacetime, you curve the fabric of spacetime everywhere as a result. The Einstein field equations allow you to relate spacetime curvature to matter and energy, in principle, for any distribution you choose. In the case of an infinitely dense point mass, a black hole results, with an event horizon forming at a distance dependent on the total mass of the black hole. The lowest-mass black holes have the smallest event horizons, but the greatest amount of spatial curvature at those horizons. Credit: JohnsonMartin/Pixabay

Η ιδέα ότι οι μαύρες τρύπες διασπώνται μπορεί δικαιολογημένα να μείνει στην ιστορία ως η σημαντικότερη συμβολή του Stephen Hawking στην επιστήμη, αλλά κρύβει μερικά σημαντικά μαθήματα που ξεπερνούν κατά πολύ τις μαύρες τρύπες. Οι μαύρες τρύπες έχουν αυτό που ονομάζεται ορίζοντας γεγονότων: μια περιοχή όπου μόλις οτιδήποτε από το Σύμπαν μας διασχίσει αυτή τη φανταστική επιφάνεια, δεν μπορούμε πλέον να λαμβάνουμε σήματα από αυτήν. Συνήθως, σκεφτόμαστε τις μαύρες τρύπες ως τον όγκο μέσα στον ορίζοντα γεγονότων: την περιοχή από την οποία τίποτα, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει. Αλλά αν του δώσουμε αρκετό χρόνο, αυτές οι μαύρες τρύπες θα εξατμιστούν εντελώς.

Γιατί εξατμίζονται αυτές οι μαύρες τρύπες; Επειδή ακτινοβολούν ενέργεια, και αυτή η ενέργεια αντλείται από τη μάζα της μαύρης τρύπας, μετατρέποντας τη μάζα σε ενέργεια μέσω της εξίσωσης  E = mc² του Αϊνστάιν . Κοντά στον ορίζοντα γεγονότων, ο χώρος είναι πιο έντονα καμπυλωμένος. Μακρύτερα από τον ορίζοντα γεγονότων, είναι λιγότερο καμπυλωμένος. Αυτή η διαφορά στην καμπυλότητα αντιστοιχεί σε μια διαφωνία ως προς το ποια είναι η ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου. Κάποιος κοντά στον ορίζοντα γεγονότων θα δει ότι ο «κενός χώρος» του είναι διαφορετικός από τον «κενό χώρο» κάποιου που βρίσκεται πιο μακριά, και αυτό είναι ένα πρόβλημα επειδή τα κβαντικά πεδία, τουλάχιστον όπως τα κατανοούμε εμείς, είναι συνεχή και καταλαμβάνουν όλο τον χώρο.

Οπτικοποίηση ενός υπολογισμού κβαντικής θεωρίας πεδίου που δείχνει εικονικά σωματίδια στο κβαντικό κενό. (Συγκεκριμένα, για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις.) Ακόμα και στον κενό χώρο, αυτή η ενέργεια κενού είναι μη μηδενική. Εάν υπάρχουν επιπλέον σωματίδια ή πεδία πέρα ​​από αυτά που προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο, θα επηρεάσουν το κβαντικό κενό και θα αλλάξουν τις ιδιότητες πολλών μεγεθών μακριά από τις προβλέψεις τους στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Ωστόσο, η συνεισφορά της κβαντικής πολυμεράσης δεν μπορεί να υπολογιστεί διαταραγμένα, όπως μπορεί ο ηλεκτρομαγνητισμός. Visualization of a quantum field theory calculation showing virtual particles in the quantum vacuum. (Specifically, for the strong interactions.) Even in empty space, this vacuum energy is non-zero. If there are additional particles or fields beyond what the Standard Model predicts, they will affect the quantum vacuum and will change the properties of many quantities away from their Standard Model predictions. However, the QCD contribution cannot be calculated perturbatively, the way electromagnetism can. Credit: Derek Leinweber

Το βασικό πράγμα που πρέπει να συνειδητοποιήσουμε είναι ότι αν βρίσκεστε σε οποιαδήποτε τοποθεσία εκτός του ορίζοντα γεγονότων, υπάρχει τουλάχιστον μία πιθανή διαδρομή που θα μπορούσε να ακολουθήσει το φως για να ταξιδέψει σε οποιαδήποτε άλλη τοποθεσία που βρίσκεται επίσης εκτός του ορίζοντα γεγονότων. Η διαφορά στην ενέργεια μηδενικού σημείου του χώρου μεταξύ αυτών των δύο τοποθεσιών μας λέει, όπως προέκυψε για πρώτη φορά στην  εργασία του Hawking το 1974 , ότι η ακτινοβολία θα εκπέμπεται από την περιοχή γύρω από τη μαύρη τρύπα, όπου ο χώρος καμπυλώνεται πιο έντονα.

Η παρουσία του  ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας  είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό, καθώς σημαίνει ότι η ενέργεια που απαιτείται για την παραγωγή της ακτινοβολίας γύρω από αυτήν τη μαύρη τρύπα πρέπει να προέρχεται από τη μάζα, μέσω της εξίσωσης E = mc² του Αϊνστάιν , της ίδιας της μαύρης τρύπας. (Αν και ορισμένοι έχουν υποστηρίξει, πειστικά, ότι μπορεί να είναι δυνατή η παραγωγή αυτής της ακτινοβολίας χωρίς ορίζοντα γεγονότων.) Επιπλέον, το φάσμα της ακτινοβολίας είναι ένα τέλειο μέλαν σώμα με τη θερμοκρασία του να καθορίζεται από τη μάζα της μαύρης τρύπας: οι χαμηλότερες μάζες είναι θερμότερες και οι βαρύτερες μάζες είναι ψυχρότερες.

Το διαστελλόμενο Σύμπαν, φυσικά, δεν έχει ορίζοντα γεγονότων, επειδή δεν είναι μαύρη τρύπα. Ωστόσο, έχει κάτι ανάλογο: έναν κοσμικό ορίζοντα. Αν βρίσκεστε οπουδήποτε στον χωροχρόνο και λάβετε υπόψη έναν παρατηρητή σε άλλη τοποθεσία στον χωροχρόνο, θα σκεφτείτε αμέσως: «Ω, πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μία πιθανή διαδρομή που θα μπορούσε να ακολουθήσει το φως που να με συνδέει με αυτόν τον άλλο παρατηρητή». Αλλά σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν, αυτό δεν είναι απαραίτητα αλήθεια. Πρέπει να βρίσκεστε αρκετά κοντά ο ένας στον άλλον, ώστε η διαστολή του χωροχρόνου μεταξύ αυτών των δύο σημείων να μην εμποδίζει ποτέ την άφιξη του εκπεμπόμενου φωτός.

Σε ένα Σύμπαν που κυριαρχείται από τη σκοτεινή ενέργεια, υπάρχουν τέσσερις περιοχές: μία όπου όλα μέσα σε αυτό είναι προσβάσιμα, μεταδοτικά και παρατηρήσιμα, μία όπου όλα είναι παρατηρήσιμα αλλά μη προσβάσιμα και μη μεταδοτικά, μία όπου τα πράγματα κάποια μέρα θα είναι παρατηρήσιμα αλλά δεν είναι σήμερα, και μία όπου τα πράγματα δεν θα είναι ποτέ παρατηρήσιμα. Οι αριθμοί με την ετικέτα αντιστοιχούν στην κοσμολογία μας που έχει τεθεί ως κοινή πεποίθηση από το 2024, με όρια 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, 46 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και 61 δισεκατομμυρίων ετών φωτός που χωρίζουν τις τέσσερις περιοχές. Σε κλίμακες ~10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός και μεγαλύτερες, το Σύμπαν είναι σχεδόν τέλεια ομοιόμορφο. In a Universe that comes to be dominated by dark energy, there are four regions: one where everything within it is reachable, communicable and observable, one where everything is observable but unreachable and incommunicable, one where things will someday be observable but aren’t today, and one where things will never be observable. The labeled numbers correspond to our consensus cosmology as of 2024, with boundaries of 18 billion light-years, 46 billion light-years, and 61 billion light-years separating the four regions. On scales of ~10 billion light-years and larger, the Universe is almost perfectly uniform. Credit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons; annotations: E. Siegel

Στο σημερινό μας Σύμπαν, αυτό αντιστοιχεί σε μια απόσταση περίπου 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός μακριά. Αν εκπέμπαμε φως αυτή τη στιγμή, οποιοσδήποτε παρατηρητής σε απόσταση 18 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από εμάς θα μπορούσε τελικά να το λάβει. Οποιοσδήποτε πιο μακριά δεν θα μπορούσε ποτέ, λόγω της συνεχιζόμενης διαστολής του Σύμπαντος. Μπορούμε να δούμε πιο μακριά από αυτό επειδή πολλές πηγές φωτός εκπεμπόντουσαν πολύ καιρό πριν. Το πρώτο φως που φτάνει αυτή τη στιγμή, 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, προέρχεται από ένα σημείο που βρίσκεται σήμερα περίπου 46 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Αν ήμασταν πρόθυμοι να περιμένουμε μια αιωνιότητα, τελικά θα λαμβάναμε φως από αντικείμενα που βρίσκονται σήμερα σε απόσταση ~61 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Αυτό είναι το απόλυτο όριο.

Από την οπτική γωνία οποιουδήποτε παρατηρητή, υπάρχει αυτός ο  κοσμολογικός ορίζοντας : ένα σημείο πέρα ​​από το οποίο η επικοινωνία είναι αδύνατη, καθώς η διαστολή του χώρου θα εμποδίσει τους παρατηρητές σε αυτές τις τοποθεσίες να ανταλλάσσουν σήματα πέρα ​​από ένα συγκεκριμένο χρονικό σημείο.

Και όπως ακριβώς η ύπαρξη ενός ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας οδηγεί στη δημιουργία της ακτινοβολίας Hawking, έτσι και η ύπαρξη ενός κοσμολογικού ορίζοντα πρέπει — αν πρόκειται να τηρηθούν οι ίδιοι νόμοι της φυσικής — να δημιουργήσει ακτινοβολία. Σε αυτήν την περίπτωση, η πρόβλεψη είναι ότι το Σύμπαν θα γεμίσει με ακτινοβολία εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας, της οποίας το μήκος κύματος είναι, κατά μέσο όρο, συγκρίσιμο με τον κοσμικό ορίζοντα. Αυτό μεταφράζεται σε θερμοκρασία ~10-30 K : τριάντα τάξεις μεγέθους ασθενέστερη από το τρέχον κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο.

Οι κβαντικές διακυμάνσεις που είναι εγγενείς στο διάστημα, οι οποίες εκτείνονταν σε όλο το Σύμπαν κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού, οδήγησαν στις διακυμάνσεις πυκνότητας που αποτυπώνονται στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, το οποίο με τη σειρά του οδήγησε στη δημιουργία των αστέρων, των γαλαξιών και άλλων μεγάλης κλίμακας δομών στο Σύμπαν σήμερα. Αυτή είναι η καλύτερη εικόνα που έχουμε για το πώς συμπεριφέρεται ολόκληρο το Σύμπαν, όπου ο πληθωρισμός προηγείται και προετοιμάζει τη Μεγάλη Έκρηξη. Δυστυχώς, μπορούμε να έχουμε πρόσβαση μόνο στις πληροφορίες που περιέχονται στον κοσμικό μας ορίζοντα, ο οποίος αποτελεί μέρος του ίδιου κλάσματος μιας περιοχής όπου ο πληθωρισμός έληξε πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. The quantum fluctuations inherent to space, stretched across the Universe during cosmic inflation, gave rise to the density fluctuations imprinted in the cosmic microwave background, which in turn gave rise to the stars, galaxies, and other large-scale structures in the Universe today. This is the best picture we have of how the entire Universe behaves, where inflation precedes and sets up the Big Bang. Unfortunately, we can only access the information contained inside our cosmic horizon, which is all part of the same fraction of one region where inflation ended some 13.8 billion years ago. Credit: E. Siegel; ESA/Planck and the DOE/NASA/NSF Interagency Task Force on CMB research

Καθώς το Σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται και να ψύχεται, θα έρθει μια στιγμή στο μακρινό μέλλον όπου αυτή η ακτινοβολία θα κυριαρχήσει έναντι όλων των άλλων μορφών ύλης και ακτινοβολίας μέσα στο Σύμπαν. Μόνο η σκοτεινή ενέργεια θα παραμείνει ένα πιο κυρίαρχο συστατικό.

Υπάρχει όμως και μια άλλη εποχή στο Σύμπαν — όχι στο μέλλον αλλά στο μακρινό παρελθόν — όταν το Σύμπαν κυριαρχούνταν επίσης από κάτι άλλο εκτός από την ύλη και την ακτινοβολία: κατά τη διάρκεια του κοσμικού πληθωρισμού. Πριν συμβεί η καυτή Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν μας διαστελλόταν με τεράστιο και αμείλικτο ρυθμό. Αντί να κυριαρχείται από την ύλη και την ακτινοβολία, το σύμπαν μας κυριαρχούνταν από την ενέργεια πεδίου του πληθωρισμού: ακριβώς όπως η σημερινή σκοτεινή ενέργεια, αλλά πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη σε ισχύ και ταχύτητα διαστολής.

Αν και ο πληθωρισμός επιμηκύνει το Σύμπαν και διαστέλλει τυχόν προϋπάρχοντα σωματίδια μακριά το ένα από το άλλο, αυτό δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η θερμοκρασία πλησιάζει και ασυμπτώνεται στο απόλυτο μηδέν σε σύντομο χρονικό διάστημα. Αντίθετα, αυτή η ακτινοβολία που προκαλείται από τη διαστολή, ως συνέπεια του κοσμολογικού ορίζοντα, θα πρέπει στην πραγματικότητα να κορυφώνεται στα υπέρυθρα μήκη κύματος, που αντιστοιχούν σε θερμοκρασία περίπου ~100 K, ή αρκετά υψηλή για να βράσει υγρό άζωτο.

Από το εξωτερικό μιας μαύρης τρύπας, όλη η ύλη που εισέρχεται θα εκπέμπει φως και θα είναι πάντα ορατή, ενώ τίποτα από πίσω από τον ορίζοντα γεγονότων δεν μπορεί να βγει. Αλλά αν ήσασταν εσείς αυτός που έπεσε σε μια μαύρη τρύπα, η ενέργειά σας θα μπορούσε ενδεχομένως να επανεμφανιστεί ως μέρος μιας καυτής Μεγάλης Έκρηξης σε ένα νεογέννητο Σύμπαν. From outside a black hole, all the infalling matter will emit light and is always visible, while nothing from behind the event horizon can get out. But if you were the one who fell into a black hole, your energy could conceivably re-emerge as part of a hot Big Bang in a newborn Universe. Credit: Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado

Αυτό σημαίνει ότι αν ποτέ θέλατε να ψύξετε το Σύμπαν στο απόλυτο μηδέν, θα έπρεπε να σταματήσετε εντελώς την επέκτασή του. Εφόσον το ίδιο το ύφασμα του διαστήματος έχει μια μη μηδενική ποσότητα ενέργειας εγγενή σε αυτό, θα διαστέλλεται. Εφόσον το Σύμπαν διαστέλλεται αδιάκοπα, θα υπάρχουν περιοχές που χωρίζονται από μια απόσταση τόσο μεγάλη που το φως, όσο κι αν περιμένουμε, δεν θα μπορεί να φτάσει τη μία τέτοια περιοχή από την άλλη. Και όσο ορισμένες περιοχές είναι απρόσιτες, θα έχουμε έναν κοσμολογικό ορίζοντα στο Σύμπαν μας και ένα λουτρό θερμικής, χαμηλής ενέργειας ακτινοβολίας που δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί. Αυτό που δεν έχει ακόμη καθοριστεί είναι αν, όπως ακριβώς η ακτινοβολία Hawking σημαίνει ότι οι μαύρες τρύπες τελικά θα εξατμιστούν, έτσι και αυτή η μορφή κοσμικής ακτινοβολίας θα προκαλέσει ουσιαστικά την αποσύνθεση της σκοτεινής ενέργειας του Σύμπαντός μας.

Όσο καθαρά κι αν είστε σε θέση να φανταστείτε ένα άδειο Σύμπαν χωρίς τίποτα μέσα του, αυτή η εικόνα απλά δεν συμβαδίζει με την πραγματικότητα. Η επιμονή ότι οι νόμοι της φυσικής παραμένουν έγκυροι είναι αρκετή για να καταργήσει την ιδέα ενός πραγματικά άδειου Σύμπαντος. Όσο υπάρχει ενέργεια μέσα σε αυτό - ακόμη και η ενέργεια μηδενικού σημείου του κβαντικού κενού είναι επαρκής - θα υπάρχει πάντα κάποια μορφή ακτινοβολίας που δεν μπορεί ποτέ να αφαιρεθεί. Το Σύμπαν δεν ήταν ποτέ εντελώς άδειο, και όσο η σκοτεινή ενέργεια δεν διασπάται εντελώς, ούτε θα είναι ποτέ.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά τον Ιούλιο του 2023. Ενημερώθηκε τον Σεπτέμβριο του 2025.

Πηγή: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-wasnt-empty-before-big-bang/?utm_source=substack&utm_medium=email&utm_campaign=swab

 

H εκτόξευση της ευρωπαϊκής διαστημικής αποστολής «JUICE». JUICE: A complete guide to Jupiter's icy moon exploring mission

Η πρωτοποριακή διαστημική αποστολή JUICE του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) είναι έτοιμη να αναχωρήσει στις 13 Απριλίου για να εξερευνήσει τον μεγαλύτερο πλανήτη του ηλιακού μας συστήματος, τον Δία, καθώς και τα παγωμένα φεγγάρια του, Γανυμήδη, Καλλιστώ και Ευρώπη. Europe's JUICE spacecraft will be the first satellite to orbit a moon other than Earth's own, Jupiter's Ganymede. Image credit: ESA/ATG MediaLab

Στην επιστημονική ομάδα που σχεδίασε και υλοποιεί την αποστολή συμμετέχουν η Ακαδημία Αθηνών με επικεφαλής τον αντιπρόεδρό της, Σταμάτη Κριμιζή, και το Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή του, Θεόδωρο Σαρρή.

Η αποστολή φέρει την ονομασία «Jupiter Icy Moon Explorer» («Εξερευνητής των παγωμένων φεγγαριών του Δία») και συγκεντρώνει πολλές πρωτιές.

Scientists don't know for sure whether Ganymede has a subsurface ocean. Juice will likely find the answer. Image credit: ESA/ ATG MediaLab

 Πρόκειται για το πρώτο διαστημόπλοιο που θα βρεθεί ποτέ σε τροχιά γύρω από ένα άλλο φεγγάρι, πέρα από το δικό μας, τον Γανυμήδη, που είναι το μεγαλύτερο φεγγάρι του Δία. Επίσης, θα είναι το πρώτο διαστημικό σκάφος που θα χρησιμοποιήσει τη βαρυτική υποβοήθηση Σελήνης – Γης για να εξοικονομήσει καύσιμα και το πρώτο που θα αλλάξει τροχιά από έναν άλλο πλανήτη σε ένα από τα φεγγάρια του (από τον Δία στο Γανυμήδη).

ESA’s Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) is scheduled to launch atop an Ariane 5 rocket in April 2023. It will take about 8 years to arrive at the jovian system after several gravity assists. See its journey from the pad to Jupiter and its moons in these animated views. Credit: Space.com | animation courtesy: ESA / ATG medialab | edited by [Steve Spaleta]. Music: Concentrate by Brendon Moeller / courtesy of http://www.epidemicsound.com

Η εκτόξευση θα γίνει στις 13 Απριλίου από τη Γαλλική Γουιάνα και θα είναι η τελευταία αποστολή της ESA που θα ξεκινήσει με πύραυλο Ariane 5, πριν αναλάβει το Ariane 6.  Την ίδια ώρα επιστήμονες θα βρίσκονται στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Διαστημικών Επιχειρήσεων της Γερμανίας για να παρακολουθούν την εκτόξευση.

Η αποστολή είναι η πρώτη μεγάλης κλίμακας του προγράμματος «Cosmic Vision 2015-2025» της ESA, που έχει ως στόχο να απαντήσει σε δύο θεμελιώδη ερωτήματα: ποιες είναι οι συνθήκες για τον σχηματισμό των πλανητών και την εμφάνιση της ζωής και πώς εξελίχθηκε το Ηλιακό μας Σύστημα. Στην αποστολή συνεισφέρουν, επίσης, η NASA, ο Ιαπωνικός Οργανισμός Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης και η Ισραηλινή Διαστημική Υπηρεσία.

Το JUICE αναμένεται να φτάσει στον αέριο γίγαντα Δία σε οκτώ χρόνια για να κάνει λεπτομερείς παρατηρήσεις του. Έπειτα θα κάνει για τρία χρόνια 35 κοντινές διελεύσεις στους τρεις δορυφόρους, πριν τελικά αφιχθεί στον Γανυμήδη, το μεγαλύτερο φεγγάρι στο ηλιακό μας σύστημα, γύρω από τον οποίο θα μπει σε τροχιά, σύμφωνα με τον προγραμματισμό τον Δεκέμβριο του 2034. 

Although NASA's Europa Clipper will already be studying the potentially life-bearing Europa by the time when Juice arrives, the European mission also hopes to contribute to our understanding of the mysterious body.  Image credit: ESA/ATG MediaLab

Η αποστολή θα εξερευνήσει σε βάθος το πολύπλοκο περιβάλλον του Δία, του μεγαλύτερου πλανήτη του Ηλιακού μας Συστήματος, θα μελετήσει την εξέλιξη και την προέλευσή του και θα εκτιμήσει τις συνθήκες στο εσωτερικό των παγωμένων φεγγαριών του, όπου πιθανότατα υπάρχουν απέραντοι ωκεανοί νερού. Θα αναζητήσει, επίσης, απάντηση στο ερώτημα εάν υπήρξαν ή υπάρχουν ίχνη πρωτόγονης ζωής στα φεγγάρια του Δία.  Ειδικά η Ευρώπη και ο Γανυμήδης πιστεύεται ότι περιέχουν υπόγειους ωκεανούς κάτω από την παγωμένη επιφάνειά τους, που θα μπορούσαν να περιέχουν περισσότερο νερό από ό,τι οι ωκεανοί της Γης και η αποστολή JUICE θα τους μελετήσει για να εντοπίσει εάν οποιαδήποτε μορφή ζωής θα μπορούσε να προκύψει σε διαφορετικά περιβάλλοντα.

Η ελληνική επιστημονική ομάδα

Το διαστημικό σκάφος περιέχει δέκα όργανα τελευταίας τεχνολογίας, τα οποία αναπτύχθηκαν από επιστημονικές ομάδες από 23 χώρες, καθώς και μεγάλους ηλιακούς συλλέκτες που θα το τροφοδοτούν με ενέργεια. Στην πορεία του θα αντιμετωπίσει πολλούς κινδύνους: σωματιδιακή ακτινοβολία που μπορεί να καταστρέψει τον ηλεκτρονικό εγκέφαλο ή άλλα κρίσιμα υποσυστήματα και όργανα του διαστημικού σκάφους, ακραίες θερμοκρασίες και το εξαιρετικά δυναμικό και αφιλόξενο περιβάλλον του Δία.

Στην αποστολή JUICE συμμετέχει και ελληνική επιστημονική ομάδα, η οποία έλαβε μέρος στον σχεδιασμό ενός από τα όργανα του JUICE, του Particle Environment Package (PEP). 

Ο Σταμάτης Κριμιζής ερευνητής της αποστολής Juice στα φεγγάρια του Δία.

Στην ομάδα συμμετέχουν η Ακαδημία Αθηνών, με επικεφαλής τον αντιπρόεδρό της και πρόεδρο της Διεθνούς Ακαδημίας Αστροναυτικής, ακαδημαϊκό Σταμάτη Κριμιζή, ο οποίος είχε λάβει μέρος και στην ιστορική αποστολή Galileo, την πρώτη που μελέτησε από κοντά το γιγάντιο σύστημα του Δία, και το Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Θεόδωρο Σαρρή. 

The crater-riddled Callisto is the least explore of the three Jovian moons that JUICE will study.  Image credit: ESA/ATG MediaLab

Στόχος του PEP είναι να διερευνήσει την τρισδιάστατη δομή του δίσκου πλάσματος του Δία και να χαρτογραφήσει πώς η έντονη ροή του πλάσματος βομβαρδίζει τις επιφάνειες των φεγγαριών του. Επίσης, για πρώτη φορά θα λάβει δείγματα των αδύναμων ατμοσφαιρών των φεγγαριών με σκοπό την κατανόηση του τρόπου που τα υλικά απελευθερώνονται επάνω και ακριβώς κάτω από την επιφάνεια. 

Σαρρής Θεόδωρος | ΔΠΘ | Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών.

Στόχος των πειραμάτων που θα διεξάγει η ελληνική ομάδα με το PEP μετά την άφιξη του JUICE, επισημαίνει ο κ. Σαρρής, «είναι να μελετήσουμε τα ενεργητικά σωματίδια στο περιβάλλον του Δία και των φεγγαριών του, ώστε να δούμε από πού προέρχονται, πώς κατανέμονται και πώς παγιδεύονται μέσα στο μαγνητικό πεδίο του Δία. Επίσης, έχει πολύ ενδιαφέρον να δούμε τις ομοιότητες και τις διαφορές ανάμεσα στον Δία και τη Γη σε σχέση με τους μηχανισμούς επιτάχυνσης σωματιδίων. Οι συγκριτικές μελέτες διαφορετικών συστημάτων είναι από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα στη φυσική του Διαστήματος».

Surface changes on Io. Credit: NASA/JPL/University of Arizona

Ένα από τα ερωτήματα που φιλοδοξεί να απαντήσει η αποστολή είναι εάν οι συνθήκες στον Δία και τα φεγγάρια του είναι τέτοιες που να ευνοούν την ύπαρξη οποιασδήποτε μορφής ζωής και ο κ. Σαρρής υπενθυμίζει στο ΑΠΕ-ΜΠΕ ότι το μαγνητικό πεδίο λειτουργεί στους πλανήτες «σαν ασπίδα προστασίας», που τους προστατεύει από τα πολύ μεγάλης ενέργειας σωματίδια και στην περίπτωση της Γης αποτελεί ένα από τα ιδιαίτερα στοιχεία της «που επέτρεψαν να υπάρχει ζωή».

Το Εργαστήριο Ηλεκτρομαγνητικής Θεωρίας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου έχει μακρά εμπειρία στη μελέτη των σωματιδίων μεγάλης ενέργειας, με ανάλυση μετρήσεων και συμμετοχή σε διάφορες αποστολές (Ulysses, Interball, ACE, Cluster και άλλες) και στη διαστημική τεχνολογία με την κατασκευή ηλεκτρονικών συνιστωσών και πειραμάτων για το διάστημα. Επίσης, είχε κατασκευάσει τον δορυφόρο DUTHSat GR-01, ο οποίος το 2017 είχε εκτοξευθεί μαζί με 27 άλλους μικροδορυφόρους στο Διάστημα για να μελετήσουν τη θερμόσφαιρα, το ανώτατο στρώμα της γήινης ατμόσφαιρας.  

Πηγές: https://www.amna.gr/home/article/720163/Stis-13-Apriliou-i-ektoxeusi-tis-europaikis-diastimikis-apostolis-JUICE–tha-taxidepsei-ston-Dia-kai-ta-feggaria-tou–O-an-kathigitis-ThSarris-sto-APE-MPErnrn - https://www.space.com/35692-esa-juice-facts.html - https://sci.esa.int/web/juice/-/59908-juice-s-secondary-target-the-jupiter-system