Πιο κοντά στο συνθετικό πετρέλαιο. Fattened, Genetically Engineered Algae Might Fuel the Future

Η Exxon Mobil και ο Κρεγκ Βέντερ ανακοίνωσαν ότι αύξησαν θεαματικά την παραγωγή λιπιδίων από μονοκύτταρα φύκη στο εργαστήριο. Algae being trained at the San Diego. Credit: SYNTHETIC GENOMICS

Πώς μπορούμε να προκαλέσουμε παχυσαρκία σε μονοκύτταρα φύκια χωρίς να εμποδίσουμε την ανάπτυξή τους; Ο Κρεγκ Βέντερ, ο επιστήμονας που επιτάχυνε τη χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος, βοήθησε τον γίγαντα της πετρελαιοβιομηχανίας Exxon Mobil να πλησιάσει στην απάντηση.

Πιο κοντά στην εμπορική αξιοποίηση 

Tunable algae? In this diagram, we see the difference between wild type algae and SGI’s new and improved strain with doubled oil content.

Η Exxon και η εταιρεία Synthetic Genomics ανακοίνωσαν ότι κατάφεραν να αυξήσουν θεαματικά την παραγωγή λιπιδίων από εργαστηριακές καλλιέργειες μονοκύτταρων φυκών, φέρνοντας πιο κοντά στην εμπορική αξιοποίηση μια υποψήφια εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα.

Η ιδέα είναι ότι τα λιπίδια του καλλιεργούμενου φυτοπλαγκτού θα διυλίζονται μια μέρα σε συμβατικές εγκαταστάσεις της πετρελαιοβιομηχανίας για να δίνουν μια ποικιλία βιοκαυσίμων. Δεδομένου ότι τα φύκη χρησιμοποιούν ως πρώτη ύλη το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα, η προσέγγιση αυτή θα μείωνε δραστικά τις καθαρές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου.

Η Exxon τόνισε πάντως ότι απέχουμε πολλά χρόνια από την αξιοποίηση της τεχνολογίας συνθετικών καυσίμων σε μεγάλη κλίμακα.

Το επίτευγμα έχει γίνει δεκτό για δημοσίευση στο τεύχος Ιουλίου της επιθεώρησης Nature Biotechnology.

Τα σημερινά βιοκαύσιμα προέρχονται από την επεξεργασία φυτικού υλικού, και η παραγωγή τους απαιτεί μεγάλες εκτάσεις γης αλλά και νερό, που συχνά σπανίζει. Η βιοαιθανόλη και το βιοντίζελ έχουν κατηγορηθεί μάλιστα για αυξήσεις στις τιμές τροφίμων όπως το καλαμπόκι.

Η λύση στα φύκη

Wild type algae on the left, starved of nitrogen on the right, and SGI’s breakthrough in the center; the grey blob marked LD represents the lipids. Image: SGI

Τα φύκη θα μπορούσαν να δώσουν τη λύση, αφού καλλιεργούνται εύκολα ακόμα και σε υφάλμυρα νερά, αρκεί να εκτίθενται σε αρκετή λιακάδα.

Οι οργανισμοί αυτοί παράγουν υδρογονάνθρακες στη μορφή λιπιδίων. Με χρηματοδότηση της Exxon, η οποία υπέγραψε συμφωνία 600 εκατ. δολαρίων με την Synthetic Genomics το 2009, η εταιρεία του Βέντερ κατάφερε να αυξήσει την περιεκτικότητα των κυττάρων σε λιπίδια από το 15 στο 40 τοις εκατό.

Όπως ανέφερε τη Δευτέρα ο Βέντερ σε συνέδριο στο Σαν Φρανσίσκο, χρειάστηκαν χρόνια προσπαθειών για να αυξηθεί η παραγωγή λιπιδίων χωρίς να επηρεαστεί η ικανότητα αναπαραγωγής του φυτοπλαγκτού.

«Δεν υπάρχουν οδηγίες»

Nannochloropsis gaditana strain CCMP527. Photo: Provasoli-Guillard National Center for Marine Algae and Microbiota

Κλειδί αποδείχτηκαν ρυθμιστικές αλληλουχίες του DNA που αυξομειώνουν την έκφραση (δραστηριότητα) συγκεκριμένων μεταβολικών λιπιδίων. «Κανείς δεν έχει κάνει κάτι παρόμοιο στο παρελθόν. Δεν υπάρχουν οδηγίες» είπε στο συνέδριο ο Βέντερ, ο οποίος έγινε διάσημος όταν η εταιρεία του Celera κατάφερε να διαβάσει το ανθρώπινο γονιδίωμα νωρίτερα από τη διεθνή κοινοπραξία του Προγράμματος Ανθρώπινου Γονιδιώματος. Το 2010, η ομάδα του παρουσίασε τον πρώτο ζωντανό οργανισμό με συνθετικό γονιδίωμα.

Την τελευταία δεκαετία, η Exxon έχει αυξήσει τις επενδύσεις σε εναλλακτικές μορφές ενέργειας όπως οι κυψέλες καυσίμου και το βιοντίζελ.

Κατηγορείται όμως από περιβαλλοντικές οργανώσεις ότι παραπλανούσε για χρόνια τους μετόχους και το κοινό για τους κινδύνους της κλιματικής αλλαγής από την καύση ορυκτών καυσίμων.

Πηγές: Nature Biotechnology - http://www.tovima.gr/science/technology-planet/article/?aid=886942

Πώς οι γάτες κατέκτησαν τον κόσμο πριν από περίπου 9.500 χρόνια. How cats conquered the ancient world

Carl Kahler, 'My Wife's Lovers', 1893. The domestic cat is descended from wild cats that were tamed twice - in the Near East and then Egypt, according to the largest study of its kind.

Η χαδιάρα ψιψίνα του καναπέ προέρχεται από αγριόγατες που εξημερώθηκαν αρχικά στην Εγγύς και Μέση Ανατολή πριν από 9.000 έως 10.000 χρόνια και στη συνέχεια, για δεύτερη φορά, στην Αίγυπτο, ξεκινώντας από εκεί για να κατακτήσουν τα πέρατα της Γης, σύμφωνα με μια νέα διεθνή γενετική έρευνα.

Domestic cats were originally tamed from the wildcat. GETTY IMAGES

Οι πρώτοι αγρότες στην Εγγύς και στη Μέση Ανατολή και ιδίως στη σημερινή Τουρκία ήσαν πιθανότατα οι πρώτοι άνθρωποι που εξημέρωσαν τις αγριόγατες (Felis silvestris lybica). Το 2004 είχε βρεθεί στην Κύπρο μία γάτα ηλικίας 9.500 ετών περίπου, που είχε ταφεί μαζί με έναν άνθρωπο.

Σε ένα δεύτερο ξεχωριστό κύμα εξημέρωσης έπειτα από μερικές χιλιάδες χρόνια, άλλες γάτες -που προέρχονταν από τις συγγενικές αφρικανικές αγριόγατες- έγιναν αναπόσπαστο τμήμα της ζωής της αρχαίας Αιγύπτου. Απεικονίσθηκαν για πρώτη φορά το 2000 π.Χ. σε ένα τάφο 250 χλμ. νοτίως του Καΐρου και στην πορεία έφθασαν να τιμηθούν σε βαθμό που μουμιοποιήθηκαν.

Από την Αίγυπτο ξεκίνησαν στα αμπάρια και στα καταστρώματα των πλοίων για να επεκταθούν στον τότε γνωστό κόσμο μέσω των θαλασσίων εμπορικών οδών της Μεσογείου, ιδίως κατά την ελληνιστική και ρωμαϊκή περίοδο.

Βορειότερα, καθώς οι αγρότες μετανάστευαν από την Ανατολία προς τη Δύση, έφερναν μαζί τους τις γάτες στην Ευρώπη και δια της χερσαίας οδού. Έτσι, έχουν βρεθεί στα Βαλκάνια οστά γατών που χρονολογούνται προ 6.000 ετών. Σήμερα, οι γάτες υπάρχουν σε κάθε ήπειρο πλην της παγωμένης και αφιλόξενης Ανταρκτικής.

Η συμβίωση ανθρώπων-γατών θεωρείται ότι άρχισε όταν οι άνθρωποι συνειδητοποίησαν πόσο χρήσιμες μπορούσαν να είναι για να τους απαλλάξουν από τα ποντίκια και να προστατεύσουν έτσι τα αποθέματά τους σε δημητριακά και άλλα τρόφιμα.

Years before they conquered the Internet, cats colonized our sofas. But they haven’t spent the last ten thousand years just snoozing. A new study reveals that tamed cats swept through Eurasia and Africa carried by early farmers, ancient mariners and even Vikings. The researchers analysed DNA from over 200 cat remains and found that farmers in the Near East were probably the first people to successfully tame wild cats 9,000 years ago, before a second wave of cat domestication a few thousand years later in ancient Egypt. 

Οι γενετιστές, με επικεφαλής την δρα Εύα-Μαρία Γκάιγκλ του Ινστιτούτου Ζαν Μονό και του Πανεπιστημίου Ντενί Ντιντερό του Παρισιού, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό «Nature Ecology & Evolution», σύμφωνα με το BBC και το «Science», ανέλυσαν μιτοχονδριακό DNA από περισσότερες από 200 αρχαίες γάτες, που βρέθηκαν σε τάφους Βίκινγκ, αιγυπτιακές μούμιες, και νεολιθικές τοποθεσίες.

The tabby is prized for its beauty. GETTY IMAGES

Οι σημερινές γάτες φέρουν στο DNA τους ίχνη και από τις δύο βασικές εξελικτικές γραμμές τους: η μία με αφετηρία την Εγγύς Ανατολή και η δεύτερη -και πιο πρόσφατη- την Αίγυπτο. Κατά την πρώτη χιλιετία μ.Χ., οι αφρικανικές-αιγυπτιακές γάτες είχαν πλέον ξεπεράσει σε αριθμό και δημοφιλία τις μεσανατολικές-τουρκικές. Αυτό, κατά τους επιστήμονες, οφείλεται στο ότι οι αρχαίοι Αιγύπτιοι πρώτοι είχαν πειραματισθεί με το ζευγάρωμα των γατών, ώστε να γίνουν πιο δυνατές και πιο όμορφες. Οι σημερινές γάτες είναι πια μια ανάμιξη αυτών των δύο βασικών ειδών γατών.

Σύνδεσμος για την επιστημονική δημοσίευση: https://www.nature.com/articles/s41559-017-0139

Πηγές: www.amna.gr – http://www.bbc.com/news/science-environment-40306897

NASA: Ακόμα δέκα πλανήτες υποψήφιοι για μετακόμιση. Nasa's Kepler telescope finds 10 Earth-like planets: 'We are not alone'

Οι πλανήτες στο μέγεθος της Γης δεν σπανίζουν εκεί έξω (Καλλιτεχνική απεικόνιση). Rocky worlds discovered by Kepler telescope are right distance from their parent stars for water to pool on the surface. This artist rendering shows some of the 219 new planet candidates, 10 of which are near-Earth size and in the habitable zone of their star. Credits: NASA/JPL-Caltech

Ακόμα 219 υποψήφιοι εξωπλανήτες, από τους οποίους οι δέκα έχουν μέγεθος παρόμοιο με της Γης και βρίσκονται σε κατάλληλη απόσταση από το άστρο τους για την παρουσία υγρού νερού, ανακαλύφθηκαν από το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler.

Όπως ανακοίνωσε η NASA σε συνέντευξη Τύπου στο ερευνητικό κέντρο Ames στην Καλιφόρνια, οι νέοι εξωπλανήτες εντοπίστηκαν στην κατεύθυνση του αστερισμού του Κύκνου.

NASA's Kepler space telescope was the first agency mission capable of detecting Earth-size planets using the transit method, a photometric technique that measures the minuscule dimming of starlight as a planet passes in front of its host star. For the first four years of its primary mission, the space telescope observed a set starfield located in the constellation Cygnus (left). New results released from Kepler data June 19, 2017, have implications for understanding the frequency of different types of planets in our galaxy and the way planets are formed. Since 2014, Kepler has been collecting data on its second mission, observing fields on the plane of the ecliptic of our galaxy (right). Credits: NASA/Wendy Stenzel

Πρόκειται για τον όγδοο κατάλογο πιθανών εξωπλανητών που προκύπτει από την ανάλυση των παρατηρήσεων του Kepler από το 2009 έως σήμερα.

This illustration depicts a sample of the many planets discovered by NASA's Kepler space telescope. Credits: NASA/Wendy Stenzel

Παρά τα τεχνικά προβλήματα που παρουσιάστηκαν στην αποστολή, το διαστημικό τηλεσκόπιο έχει εντοπίσει μέχρι σήμερα 4.034 υποψήφιους εξωπλανήτες, από τους οποίους έχει επιβεβαιωθεί με άλλα τηλεσκόπια η ύπαρξη των 2.335. Από τους περίπου 50 «γήινους» εξωπλανήτες του Kepler έχουν επιβεβαιωθεί πάνω από 30.

Οι αστρονόμοι ανέφεραν ότι, με βάση τα έως τώρα στοιχεία, η φύση δημιουργεί συχνά βραχώδεις εξωπλανήτες με μέγεθος έως 75% μεγαλύτερο της Γης (σε αυτές τις περιπτώσεις ο εξωπλανήτης ονομάζεται υπερ-Γαία) καθώς και αέριους πλανήτες με μέγεθος δύο έως 3,5 φορές μεγαλύτερο του δικού μας πλανήτη (μίνι-Ποσειδώνες). Σχεδόν κάθε άστρο του γαλαξία μας διαθέτει έναν εξωπλανήτη που είναι μεγαλύτερος από τη Γη και μικρότερος από τον Ποσειδώνα.

Ο πρώτος πλανήτης που περιφέρεται γύρω από άστρο πέρα από τον Ήλιο είχε ανακαλυφθεί στα μέσα της δεκαετίας του 1990.

Πηγές: https://www.nasa.gov/press-release/nasa-releases-kepler-survey-catalog-with-hundreds-of-new-planet-candidates -  http://www.tovima.gr/science/article/?aid=886900

Γονίδιο χαρίζει 10 επιπλέον χρόνια ζωής μόνο στους άνδρες. Mutation of growth hormone receptor gene in men found to lengthen lifespan

Η συγκεκριμένη γονιδιακή παραλλαγή ρυθμίζει τη λειτουργία των κυτταρικών υποδοχέων της ορμόνης της ανάπτυξης. A team of researchers with member affiliations in the U.S., France and Israel has found that a mutation in a growth hormone receptor gene can make some men live longer. In their paper published on the open access site Science Advances, the group outlines their study of several different groups of men and the differences they found for those with the growth hormone receptor exon 3 deletion. Credit: CC0 Public Domain

Ερευνητές ανακάλυψαν γονιδιακή μετάλλαξη που αυξάνει τη διάρκεια ζωής, κατά περίπου μια δεκαετία στους άνδρες, σύμφωνα με στοιχεία που δημοσίευσαν στο επιστημονικό έντυπο Science Advances.

Η εν λόγω γονιδιακή μετάλλαξη έρχεται να προστεθεί σε ένα σχετικά μικρό κατάλογο γενετικών παραγόντων, που έχει ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα ότι επηρεάζουν την ανθρώπινη μακροζωία.

Οι ερευνητές από τις ΗΠΑ, τη Γαλλία και το Ισραήλ, με επικεφαλής τον αναπληρωτή καθηγητή Ενδοκρινολογίας Τζιλ Άτζμον του Κολεγίου Ιατρικής «Άλμπερτ Αϊνστάιν» της Νέας Υόρκης και του Πανεπιστημίου της Χάϊφα, εντόπισαν αρχικά τη γονιδιακή μετάλλαξη μεταξύ 567 Εβραίων άνω των 60 ετών και των παιδιών τους -το 12% των ανδρών της ομάδας αυτής ξεπερνά τα 100 έτη ζωής. Η αναλογία είναι περίπου τριπλάσια από το ποσοστό που το γονίδιο υπάρχει στους 70χρονους. Στις γυναίκες όμως η συχνότητα του γονιδίου δεν διαφέρει ανάμεσα στις 70χρονες και σε όσες τα έχουν εκατοστήσει. 

Ακολούθησε μια δεύτερη έρευνα μεταξύ 814 υπερηλίκων σε ΗΠΑ και Γαλλία, η οποία επιβεβαίωσε την ύπαρξη του εν λόγω γονιδίου σε περίπου έναν στους δέκα υπερηλίκους (μόνο άνδρες και πάλι). Το γονίδιο ρυθμίζει τη λειτουργία των κυτταρικών υποδοχέων της ορμόνης της ανάπτυξης.

Άλλοι επιστήμονες χαρακτήρισαν ενδιαφέρουσα την ανακάλυψη, αλλά επεσήμαναν την ανάγκη να γίνουν περαιτέρω γενετικές αναλύσεις σε μεγαλύτερο αριθμό ανθρώπων και, επιπλέον, να διευκρινιστεί γιατί το γονίδιο δείχνει «προτίμηση» στους άνδρες και δεν χαρίζει ανάλογη μακροζωία στις γυναίκες.

Διαφορετικά μονοπάτια προς τη μακροζωία

Socializing in the city of Carmaux in the south of France. Researchers recently found that a genetic mutation may add about 10 years to men’s life spans. Credit: Pascal Pavani/Agence France-Presse — Getty Images

Πάντως το 2008 είχε ανακαλυφθεί γενετική μετάλλαξη σε ένα άλλο γονίδιο που ρυθμίζει την ανάπτυξη και η οποία επεκτείνει τη ζωή μόνο στις γυναίκες. Σε συνδυασμό με τη νέα ανακάλυψη, οι επιστήμονες υποθέτουν ότι τα δύο φύλα ακολουθούν διαφορετικά γενετικά «μονοπάτια» προς τη μακροζωία.

Από την άλλη, η νέα μελέτη περιπλέκει τη σχέση μεταξύ ύψους και μακροζωίας. Καθώς οι κοντοί τείνουν να ζουν περισσότερο, οι επιστήμονες περίμεναν ότι η μετάλλαξη στο νέο γονίδιο θα οδηγούσε σε μακρόβιους άνδρες που θα είναι πιο κοντοί. Όμως, διαπίστωσαν ότι το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει, καθώς η νέα μετάλλαξη της μακροζωίας συνδέεται με την αύξηση του ύψους ενός άνδρα κατά περίπου 2,5 εκατοστά.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι, μελετώντας τα γονίδια της μακροζωίας, θα καταφέρουν να αναπτύξουν φάρμακα που θα μιμούνται τη δράση τους και θα έτσι επιβραδύνουν τη γήρανση - μια προσπάθεια που μέχρι στιγμής πάντως προχωρά αργά και εν μέσω ποικίλων εμποδίων.

Τα καθόλου αμελητέα κέρδη στο προσδόκιμο ζωής από τον 19ο αιώνα μέχρι σήμερα οφείλονται κυρίως στις προόδους στην υγιεινή, στην ιατρική, στη διατροφή κ.α.

Από την άλλη, η κληρονομικότητα παίζει πάντα ένα ρόλο στο πόσα χρόνια θα ζήσουν οι άνθρωποι. Έτσι, όπως έχουν δείξει προηγούμενες μελέτες, οι πανομοιότυποι δίδυμοι που έχουν κοινό το 100% των γονιδίων τους, τείνουν να έχουν παρόμοια διάρκεια ζωής. Ενώ άλλη έρευνα έχει δείξει ότι οι στενοί συγγενείς είναι πιθανότερο να πεθάνουν σε παρόμοια ηλικία από ό,τι οι μακρινοί συγγενείς.

Παρόλη, όμως, αυτή τη γενετική συνιστώσα που επηρεάζει το προσδόκιμο ζωής, μέχρι σήμερα οι γενετιστές έχουν ανακαλύψει ελάχιστα γονίδια που ξεκάθαρα επιδρούν στη διάρκεια της ζωής.

Πηγές: Science Advances - http://www.tovima.gr/science/medicine-biology/article/?aid=886606

Ο πλανήτης Δίας έχει τώρα 69 δορυφόρους. Jupiter Now Has 69 Moons

Jupiter has just delivered the news we desperately need right now. In addition to being the biggest, oldest planet in the solar system, it turns out Jupe has been hiding two moons from us all these years. Recently, a group of astronomers spotted the pair of wayward satellites, bringing the number of Jupiter’s known moons to 69. Both the new moons have a high degree of inclination off the orbital plane of Jupiter, which suggests that they were probably captured by Jupiter when they drifted too close to the gravitational pull of the planet.  

Ο πλανήτης Δίας είναι τερατώδης. Η μάζα του είναι 317 φορές μεγαλύτερη από την μάζα της Γης, συνίσταται κυρίως από μεταλλικό υδρογόνο και διαθέτει πάρα πολλούς δορυφόρους. 

Οι 4 δορυφόροι του Γαλιλαίου όπως τους «έβλεπε» το διαστημικό σκάφος της NASA Juno, καθώς πλησίαζε τον πλανήτη Δία στις αρχές του 2016. After nearly five years traveling through space to its destination, NASA's Juno spacecraft will arrive in orbit around Jupiter on July 4, 2016. This video shows a peek of what the spacecraft saw as it closed in on its destination. Jupiter is visible along with the four Galilean moons: Callisto, Ganymede, Europa and Io. The images were taken prior to June 30, 2016, when the JunoCam camera and science instruments were turned off to prepare the spacecraft for the daring orbit insertion maneuver.

Οι μεγαλύτεροι από αυτούς, οι τέσσερις δορυφόροι του Γαλιλαίου (Γανυμήδης, Καλλιστώ, Ιώ και Ευρώπη), ανακαλύφθηκαν το 1610. Ήταν τα πρώτα σώματα που βρέθηκαν να περιστρέφονται γύρω από ένα ουράνιο σώμα που δεν ήταν ούτε η Γη, ούτε ο Ήλιος. Από τον 19ο αιώνα και μετά, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν δεκάδες μικρότερους δορυφόρους, στους οποίους δίνονταν ονόματα σχετικά με τον μυθολογική ζωή του θεού Δία.

Two of the discovery images for Jupiter's tiny moonlet S/2016 J1, acquired on March 3, 2016, with the 6.5-m Magellan-Baade telescope in Chile.

This animation combines two discovery images for the new Jovian satellite S/2017 J 1, taken March 23, 2017, with the 4-m reflector on Cerro Tololo in Chile.

Ενώ οι καταγεγραμμένοι δορυφόροι του Δία ήταν 67, πριν από λίγες μέρες οι αστρονόμοι Scott Sheppard, David Tholen και Chadwick Trujillo επιβεβαίωσαν την ανακάλυψη δυο ακόμα δορυφόρων, τα ονόματα  των οποίων είναι S/2016 J1 και S/2017 J1. Περιφέρονται σε απόσταση περίπου 21 και 24 εκατομμύρια χιλιόμετρα αντίστοιχα από τον Δία.

Έτσι οι δορυφόροι του πλανήτη – γίγαντα έγιναν 69. Αλλά μόνο οι 15 από αυτούς, που περιφέρονται στις εσωτερικές τροχιές με την φορά της ιδιοπεριστροφής του Δία, θα μπορούσαν να θεωρηθούν ως γνήσιοι δορυφόροι του. Οι υπόλοιποι είναι πιθανότατα αντικείμενα του ηλιακού μας συστήματος που αιχμαλωτίστηκαν από την βαρύτητα του Δία. Αυτός ο πληθυσμός των εξωτερικών δορυφόρων έχει μικρό μέγεθος, μερικοί έχουν διάμετρο 20 με 40 χιλιόμετρα, ενώ οι περισσότερου έχουν διάμετρο μόλις 1 με 2 χιλιόμετρα και είναι δύσκολο να εντοπιστούν. Οι περίοδοι περιφοράς των δορυφόρων του Δία κυμαίνεται από 7 ώρες έως 1000 ημέρες!

Ο εντοπισμός των δυο νέων δορυφόρων έγινε τυχαία σε φωτογραφίες που ερευνούσαν τα μακρινά αντικείμενα στην ζώνη Kuiper.

Πηγές: https://blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/jupiter-now-has-69-moons/ - physicsgg

Η σκοτεινή ύλη ως υπερρευστό. Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid

A different kind of dark matter could help to resolve an old celestial conundrum. Credit: Markos Kay for Quanta Magazine

O όρος σκοτεινή ύλη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 80 χρόνια από τον αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνειδητοποίησε πως απαιτείται κάποια αόρατη βαρυτική δύναμη για να μην διαφεύγουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες από τα γιγάντια σμήνη γαλαξιών. Αργότερα, η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν την έννοια της αόρατης σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν πως οι ίδιοι οι γαλαξίες συγκρατούν τα συστατικά τους και δεν διαλύονται εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους.

Παρότι χρησιμοποιούμε κατά κόρον την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουμε διάφορες καταστάσεις που παρατηρούμε, στην ουσία δεν κατανοούμε την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης. Ένα απλό θεωρητικό μοντέλο που επιχειρεί να ερμηνεύσει την φύση της υποστηρίζει πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη και κινούνται αργά υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτή η αποκαλούμενη «ψυχρή» σκοτεινή ύλη περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις δομές μεγάλης κλίμακας όμως τα σμήνη γαλαξιών. Όμως, δυστυχώς μάλλον αποτυγχάνει στην περιγραφή των καμπυλών περιστροφής των μεμονωμένων γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται πως λειτουργεί διαφορετικά στην κλίμακα αυτή.

Justin Khoury, a physicist at the University of Pennsylvania, co-developed the dark matter superfluid model. Credit: Perimeter Institute

Σε μια πρόσφατη προσπάθεια επίλυσης αυτού του αινίγματος, δυο φυσικοί υποστηρίζουν πως η σκοτεινή ύλη έχει την δυνατότητα μετατροπών φάσης σε διαφορετικές κλίμακες. Οι φυσικοί Justin Khoury, στο πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας και ο Lasha Berezhiani, στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον ισχυρίζονται ότι στο ψυχρό και πυκνό περιβάλλον της γαλαξιακής άλω η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται σε ένα υπερρευστό – μια εξωτική κβαντική κατάσταση της ύλης με μηδενικό ιξώδες. Αν η σκοτεινή ύλη μετασχηματίζεται σε υπερρευστό στην γαλαξιακή κλίμακα, τότε υπεισέρχεται μια νέα δυναμική που θα ερμήνευε τις παρατηρήσεις που αδυνατεί να εξηγήσει το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Στην τεράστια κλίμακα των σμηνών γαλαξιών απουσιάζουν οι ειδικές συνθήκες που απαιτούνται για την δημιουργία μιας υπέρρευστης κατάστασης και η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.

«Είναι μια κομψή ιδέα» λέει ο Tim Tait, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων σε πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Υπάρχουν δυο διαφορετικές φάσεις της σκοτεινής ύλης και αυτή η ιδέα θα μπορούσε να ερευνηθεί σύντομα πειραματικά. Μπορεί τελικά ο γαλαξίας μας να πλέει μέσα σε μια θάλασσα υπερρευστού.

Η απίστευτη συμπεριφορά των υπερρευστών

This illustration shows quantum vortices on the surface of a nano-droplet of superfluid helium. In the background is a wheel-shaped superfluid helium drop. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

Tα υπερρευστά δημιουργούνται στα εργαστήρια από το 1938 και απαιτούνται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να εκδηλωθούν μακροσκοπικά οι κβαντικές τους ιδιότητες. Ο πρώτος που παρατήρησε υπερρευστό στο εργαστήριο ήταν ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes. Στα πειράματά του παρατήρησε πως το υγρό ήλιο κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ εμφάνιζε εξωτικές ιδιότητες. Ο βρασμός του ηλίου σταματούσε και το υγρό παρέμενε εντελώς ακίνητο. Οι ιδιότητές του άλλαζαν δραματικά, για παράδειγμα το ιξώδες του μειωνόταν απότομα κατά ένα εκατομμύριο φορές! Το υγρό ήλιο κάτω από την κρίσιμη αυτή θερμοκρασία μπορεί να ανεβαίνει στα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει και να χύνεται από το χείλος του προς τα έξω, και αντιστρόφως.

Κι όμως ο Onnes δεν ανακοίνωσε την μεγάλη αυτή ανακάλυψη, ίσως γιατί δεν πίστευε αυτό που έβλεπε.

Το υπερρευστό ήλιο και η συμπύκνωση Bose

Δείτε την εξωτική συμπεριφορά του υπερρευστού ηλίου. Helium becomes superfluid and displays amazing properties.

Τα μυστηριώδη φαινόμενα που εμφανίζει το υπερρευστό ήλιο έχουν την βάση τους στον διαχωρισμό των βασικών σωματιδίων της ύλης σε φερμιόνια (ημιακέραιο σπιν) και μποζόνια (ακέραιο σπιν). Τα φερμιόνια (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και γενικότερα τα σωματίδια της «ύλης») υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, κάτι που αρνούνται πεισματικά τα μποζόνια ( π.χ. φωτόνια, γλοιόνια και γενικότερα οι φορείς των δυνάμεων). Ο ινδός φυσικός Sateyndra Bose (εξού και το όνομα μποζόνια), σε συνεργασία με τον Albert Einstein το 1924 διατύπωσαν την θεωρία της συμπύκνωσης των μποζονίων στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση: κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα μποζόνια «συμπυκνώνονται» χωρίς την επενέργεια ελκτικών δυνάμεων. Αρχικά το φαινόμενο αυτό θεωρήθηκε πως ήταν εντελώς θεωρητικό, μέχρι το 1938 όταν οι πειραματικοί τόλμησαν να δημοσιεύσουν τις παρατηρήσεις τους σχετικά με το υγρό ήλιο. Το ήλιο περιέχει στον πυρήνα του δυο πρωτόνια και δυο νετρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν.

Συνολικά όμως το σπιν του ⁴He είναι ακέραιος αριθμός, συνεπώς συμπεριφέρεται ως μποζόνιο. Οι ιδιότητες του υγρού ηλίου κάτω από την θερμοκρασία των 2 Κ είναι αποτέλεσμα της «συμπύκωνσης» των ατόμων του ηλίου στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Τότε όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, κι αυτό εμφανίζεται στην συμπεριφορά τους ως μια μορφή «συνεργασίας» προκαλώντας τις εξωτικές ιδιότητές. Δεν είναι τίποτε άλλο παρά άλλη μια εκδήλωση των ιδιομορφιών της κβαντικής στον μακρόκοσμο.

Αξίζει να σημειωθεί και η περίπτωση του ισοτόπου του ηλίου ³He που στον πυρήνα του περιέχει δυο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Διαθέτει λοιπόν ημιακέραιο σπιν και συμπεριφέρεται ως φερμιόνιο. Πράγματι λοιπόν κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ δεν εμφανίζει την υπερρευστότητα του ⁴He. Όμως, στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία των 0,002 Κ εμφανίζεται μια νέα μορφή υπερρευστότητας εξαιτίας της συμπύκνωσης Bose. Πως γίνεται τα φερμιόνια να συμπυκνώνονται σαν μποζόνια; Απλά, στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία οι ασθενέστατες ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων του ηλίου ³He είναι ικανές να δημιουργούν ζεύγη ατόμων ηλίου ³He, τα οποία συνολικά έχουν ακέραιο σπιν, οπότε συμπεριφέρονται ως μποζόνια!

Τα υπερρευστά μπορεί να μην εμφανίζονται στην καθημερινή ζωή, εμφανίζονται όμως στο εσωτερικό των άστρων νετρονίων και κάποιοι φυσικοί υποθέτουν πως ο χωροχρόνος μπορεί να συμπεριφέρεται ως υπερρευστό.

Γιατί λοιπόν και η σκοτεινή ύλη να μην εμφανίζει επίσης μια υπερρευστή φάση;

Ένα διαφορετικό είδος σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λύσει ένα παλιό αστροφυσικό αίνιγμα. Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Για να δημιουργηθεί ένα υπερρευστό από μια συλλογή σωματιδίων απαιτούνται δυο πράγματα: η συσσώρευση των σωματιδίων σε πολύ μεγάλες πυκνότητες και η ψύξη τους σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Στο εργαστήριο οι φυσικοί περιορίζουν τα σωματίδια σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας λέιζερ ελαττώνουν την κινητική ενέργεια των σωματιδίων, μειώνοντας έτσι την θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Μέσα στους γαλαξίες, τον ρόλο της ηλεκτρομαγνητικής παγίδας, θα μπορούσε να παίξει η βαρυτική έλξη του γαλαξία, η οποία θα μπορούσε να συμπυκνώσει την σκοτεινή ύλη τόσο ώστε να ικανοποιεί την συνθήκη πυκνότητας των υπερρευστών. Η απαίτηση για πολύ χαμηλή θερμοκρασία μπορεί ικανοποιείται εύκολα. Ο θερμοκρασία του διαστήματος είναι από μόνη της  πολύ χαμηλή.

Όμως τι το σημαντικό προσφέρει η θεώρηση της σκοτεινής ύλης ως υπερρευστό; Πως μπορεί αυτή η ειδική φάση-κατάσταση να αλλάξει τον τρόπο που η σκοτεινή ύλη φαίνεται να συμπεριφέρεται;

Αυτή η προσέγγιση είναι μοναδική γιατί δείχνει πως το υπερρευστό μπορεί να οδηγήσει σε μια έξτρα δύναμη.

Στη φυσική αν «διαταράξετε» ένα πεδίο είναι πιθανό να δημιουργήσετε ένα κύμα. «Ανακινείστε» μερικά ηλεκτρόνια, π.χ. σε μια κεραία και θα πάρετε ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Διαταράξτε ένα βαρυτικό πεδίο με δυο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και θα δημιουργήσετε βαρυτικά κύματα.

Ο «δεύτερος ήχος» στο υπερρευστό ήλιο. A 1963 film by Alfred Leitner demonstrating the remarkable properties of liquid helium when cooled below the lambda point (the superfluid state). Heat is conducted at 20 M/s in a way which is totally different to convention heat conduction.

Παρομοίως αν διαταράξετε ένα υπερρευστό, θα παραχθούν φωνόνια – ηχητικά κύματα στο ίδιο το υπερρευστό. Στο υπερρευστό ήλιο, για παράδειγμα, έχουν παρατηρηθεί ηχητικά κυματοπακέτα, δηλαδή τοπικές διαταραχές πυκνότητας, ενώ συνολικά η πυκνότητα δεν μεταβάλλεται. Το φαινόμενο ονομάστηκε «δεύτερος ήχος».

Αυτά τα φωνόνια είναι που δημιουργούν μια επιπλέον δύναμη, εκτός από τη βαρύτητα, που είναι ανάλογη με την ηλεκτροστατική δύναμη των φορτισμένων σωματιδίων. Σύμφωνα με τον Khoury, «η εμφάνιση της δύναμης αυτής, εγγενώς συνδεδεμένης με την σκοτεινή ύλη, θα μπορούσε να εξηγήσει την αινιγματική της συμπεριφορά στους γαλαξίες».

Ένα διαφορετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης

The laws of physics work both forward and backward in time. So why does time seem to move in only one direction? One potential answer may also reveal the secrets of the universe’s missing mass. Credit: Matthew DiVito; modified for Quanta Magazine

Οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης προσπαθούν εδώ και χρόνια να ανιχνεύσουν τα υποθετικά σωματίδια σκοτεινής ύλης, τα WIMPs. Πρόκειται για σωματίδια με μάζα που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, η ύπαρξη των οποίων θα μπορούσε να εξηγηθεί με θεωρίες πέραν του καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Όμως, δυστυχώς μέχρι σήμερα, κανείς δεν είδε κανένα WIMP. Καθώς περνάει ο χρόνος, οι ελπίδες ανίχνευσής τους εξανεμίζονται και οι φυσικοί στρέφονται σε άλλες ερμηνείες για την συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που θα έκαναν την ιδέα της υπερρευστότητας της σκοτεινής ύλης να λειτουργήσει σίγουρα δεν είναι τα WIMPs. Τα WIMPs έχουν πολύ μεγάλη μάζα (100 φορές την μάζα του πρωτονίου), ενώ για να δουλέψει το σενάριο του Khoury τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να έχουν ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη μάζα. Οπότε θα πρέπει να υπάρχουν δισεκατομμύρια φορές περισσότερα σωματίδια σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, έτσι ώστε να δημιουργούν τα βαρυτικά φαινόμενα και την συμπύκνωση που απαιτείται για τον σχηματισμό υπερρευστού. Εκτός αυτού τα WIMPs δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ενώ τα σωματίδια της υπερρευστής σκοτεινής ύλης απαιτεί έντονα αλληλεπιδρώντα μεταξύ τους σωματίδια.

Ο καλύτερος υποψήφιος είναι το αξιόνιο, ένα υποθετικό σωματίδιο με μάζα 10.000 τρισ. τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από την μάζα του ηλεκτρονίου. Σύμφωνα με τον Chanda Prescod-Weinstein, θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, τα αξιόνια θα μπορούσαν να δημιουργήσουν συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Όμως το κλασικό αξιόνιο δεν ανταποκρίνεται στις ανάγκες του μοντέλου των Khoury και Berezhiani. Στο μοντέλο τους τα σωματίδια θα πρέπει να αισθάνονται μια ισχυρή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Τα συνηθισμένα μοντέλα αξιονίων περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ασθενείς και ελκτικές. Το ζήτημα αυτό είναι ακόμα υπό διερεύνηση.

Πειραματική επιβεβαίωση της υπερρευστής σκοτεινής ύλης

Κβαντικοί στρόβιλοι στο υπερρευστό ήλιο. Visualization of quantized vortices in superfluid helium using frozen particles done at the University of Maryland. Video by Enrico Fonda

Το επόμενο βήμα για τους Khoury και Berezhiani είναι να βρεθεί ένας τρόπος πειραματικού ελέγχου του μοντέλου τους – να ανιχνευθεί κάποιο σημάδι που θα διέκρινε την ιδέα της υπερρευστής ύλης από την συνήθη ψυχρή σκοτεινή ύλη.

Μια τέτοια δυνατότητα θα μπορούσε να δώσει ο στροβιλισμός της σκοτεινής ύλης. Στο εργαστήριο, τα περιστρεφόμενα υπερρευστά δημιουργούν στροβίλους που συνεχίζουν χωρίς ποτέ να χάνεται ενέργεια. Η υπερρευστή σκοτεινή ύλη στην άλω ενός γαλαξία πρέπει να περιστρέφεται αρκετά γρήγορα παράγοντας συστοιχίες στροβίλων. Αν οι στροβιλισμοί ήταν τεράστιοι και ισχυροί θα μπορούσαμε να τους ανιχνεύσουμε άμεσα.

Δυστυχώς όμως αυτό μάλλον είναι απίθανο. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές δείχνουν ότι οι δίνες της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης είναι πολύ αδύναμες. Ίσως διαμέσου του φαινομένου του βαρυτικού φακού να μπορούσε κανείς να δει κάποια φαινόμενα σκέδασης, παρόμοια με αυτά που προκαλεί ένας κρύσταλλος που σκεδάζει το φως των ακτίνων Χ που διέρχονται μέσα από αυτόν.

Οι αστρονόμοι θα μπορούσαν επίσης να αναζητήσουν έμμεσες ενδείξεις της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης παρατηρώντας συγχωνεύσεις γαλαξιών.

Η ταχύτητα σύγκρουσης των γαλαξιών θα έπρεπε να επηρεάζεται από την επονομαζόμενη δυναμική τριβή. Όταν ένα μεγάλο σώμα διασχίζει μια «θάλασσα» σωματιδίων, τότε τα σωματίδια παρασύρονται και το μεγάλο σώμα επιβραδύνεται λίγο. Αν όμως η σκοτεινή ύλη των γαλαξιών βρίσκεται σε υπερρευστή κατάσταση τότε δεν θα υπάρχει τέτοια τριβή. Η απουσία της δυναμικής τριβής θα άφηνε την «υπογραφή» της στην εξέλιξη της συγχώνευσης των γαλαξιών, αποδεικνύοντας έμμεσα την ύπαρξη της υπερρευστότητας.

Τελικά, ίσως τέτοιου είδους θεωρίες, όπως της υπερρευστής σκοτεινής ύλης, να μας αποπροσανατολίζουν και να μην βλέπουμε κάτι πιο θεμελιώδες, όμως αξίζει να διερευνηθούν μέχρι τέλους. Θα ήταν πράγματι πολύ εντυπωσιακό τα υπερρευστά που δημιουργήθηκαν τεχνητά στο εργαστήριο να υπάρχουν στη φύση σε γαλαξιακή κλίμακα.

Πηγές: «Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid», Jennifer Ouellette - physicsgg