Νέα σελίδα στο «κυνήγι» των βαρυτικών κυμάτων. Race to Detect Gravitational Waves Advances with New NSF-funded NANOGrav Physics Frontiers Center

Τα βαρυτικά κύματα που έχουν στο «στόχαστρο» οι επιστήμονες χαρακτηρίζονται από τόσο μεγάλα μήκη κύματος –μεγαλύτερα από τις διαστάσεις του ηλιακού μας συστήματος- που δεν θα μπορούσαν να καταγραφούν από κανέναν επίγειο ανιχνευτή. A network of pulsars being used to search for gravitational waves, or ripples in space-time predicted by general relativity. These waves cause changes in the arrival times of pulsar radio signals that are correlated between pulsars in a way that depends on their separation on the sky. They are detectable from Earth with sensitive radio timing observations. Credit: David Champion

Ένα αιώνα μετά τη διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, Αμερικανοί επιστήμονες ελπίζουν πως η τεχνική που έχουν στα σκαριά θα τους δώσει τη δυνατότητα να ανιχνεύσουν για πρώτη φορά βαρυτικά κύματα, κι έτσι να επιβεβαιώσουν τη μοναδική πρόβλεψη του Άλμπερτ Αϊνστάιν που δεν έχει επαληθευτεί πειραματικά μέχρι σήμερα. Γι’ αυτό τον σκοπό οι επιστήμονες, οι οποίοι ανήκουν στην κοινοπραξία North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav), εξασφάλισαν χρηματοδότηση 14,5 εκατ. δολαρίων από το Εθνικό Ίδρυµα Επιστήµης (NSF) στις ΗΠΑ, ώστε να δημιουργήσουν και να λειτουργήσουν για μία πενταετία ένα εξειδικευμένο ερευνητικό κέντρο.

Το κέντρο ονομάζεται NANOGrav Physics Frontiers Center (PFC) και στόχος του είναι να εντοπίσει βαρυτικά κύματα χαμηλής συχνότητας, δηλαδή διαταραχές στο χωροχρονικό συνεχές που, όπως προβλέπει η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, προκαλούνται από βίαια συμπαντικά φαινόμενα στα οποία παίρνουν μέρος ουράνια σώματα με εξαιρετικά μεγάλη μάζα. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν πως θα ανιχνεύσουν τέτοιες διαταραχές από τα «αποτυπώματα» που αυτές αφήνουν σε ραδιοπαλμούς οι οποίοι φθάνουν στη Γη προερχόμενοι από πάλσαρ.

«Πλέον έχουμε όλοι συνηθίσει να βλέπουμε εντυπωσιακές εικόνες του σύμπαντος από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble», λέει ο καθηγητής αστρονομίας του πανεπιστημίου Κορνέλ Τζέιμς Κορντ στο σάιτ του ιδρύματος, το οποίο συμμετέχει στην κοινοπραξία. «Τέτοιες εικόνες είναι η αποκορύφωση τεσσάρων αιώνων αστρονομικών παρατηρήσεων, που ξεκίνησαν από τον Γαλιλαίο και το τηλεσκόπιό του, με το οποίο είδε για πρώτη φορά ουράνια αντικείμενα αόρατα στο γυμνό μάτι».

An animation demonstrating interacting supermassive black holes in merging galaxies and how this generates low frequency gravitational waves. As these waves propagate through space, they cause coordinated changes in the arrival times of radio signals from pulsars, the universe’s most stable natural clocks, as seen from Earth. These telltale variations can be detected by powerful radio telescopes, like the Arecibo Observatory in Puerto Rico and the Green Bank Telescope in West Virginia.

Τα βαρυτικά κύματα που έχουν στο «στόχαστρο» οι επιστήμονες χαρακτηρίζονται από τόσο μεγάλα μήκη κύματος –μεγαλύτερα από τις διαστάσεις του ηλιακού μας συστήματος- που δεν θα μπορούσαν να καταγραφούν από κανέναν επίγειο ανιχνευτή. Ευτυχώς για τους επιστήμονες, η φύση έχει προνοήσει, παρέχοντάς τους ως ανιχνευτικό εργαλείο τους πάλσαρ – αστέρες νετρονίων που περιστρέφονται με μεγάλη ταχύτητα και έχουν βαφτισθεί «φάροι του διαστήματος», καθώς εκπέμπουν ραδιοσήματα με τη μορφή παλμών εντυπωσιακά σταθερής συχνότητας.

The NSF's Robert C. Byrd Green Bank Telescope, which will join in the NANOGrav hunt for gravitational waves. Credit: NRAO/AUI/NSF

Καθώς τα βαρυτικά κύματα διαδίδονται στον χωρόχρονο, επηρεάζουν τη χρονική στιγμή άφιξης των ραδιοπαλμών στη Γη. Έτσι, οι ερευνητές φιλοδοξούν να μετρήσουν αυτές τις απειροελάχιστες χρονικές μεταβολές, επιβεβαιώνοντας επομένως για πρώτη φορά την ύπαρξη των βαρυτικών κυμάτων. Αν και οι διακυμάνσεις δεν αναμένεται να ξεπερνούν τα λίγα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, η αμερικανική ομάδα ελπίζει πως θα τα καταφέρει, αφού θα «επιστρατεύσει» γι’ αυτό τον σκοπό τα δύο πιο ευαίσθητα τηλεσκόπια στον κόσμο – το Παρατηρητήριο Arecibo στο Πουέρτο Ρίκο και το Τηλεσκόπιο Green Bank από το Εθνικό Παρατηρητήριο Ραδιοαστρονομίας, στη Δυτική Βιρτζίνια.

Πηγή: https://public.nrao.edu/news/pressreleases/nanograv-pfc

Τεχνολογία που θα προσφέρει στον άνθρωπο υπερδυνάμεις. The implant that could give you superpowers

Η γεωμαγνητική τεχνολογία μπορεί στο μέλλον να προσφέρει υπερδυνάμεις στον άνθρωπο. Scientists have implanted tiny digital compasses into the brains of blind rats to give them 'psychic GPS' abilities. The experiment suggests a similar kind of implant may help blind people walk freely through the world – and could someday even give humans superpowers.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τόκιο για πρώτη φορά μετέτρεψαν τον εγκέφαλο τυφλών πειραματόζωων σε «ζωντανή» πυξίδα, χάρη σε ένα γεωμαγνητικό εμφύτευμα, και με αυτό τον τρόπο επέτρεψαν στους αρουραίους να προσανατολίζονται στον χώρο τους σαν να βλέπουν γύρω τους. Η νευροπροσθετική συσκευή (γεωμαγνητικός ηλεκτρονικός αισθητήρας) θα μπορούσε στο μέλλον να αξιοποιηθεί και από τυφλούς ανθρώπους, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να βρίσκουν το δρόμο τους. Σε πρώτη φάση, τέτοιοι αισθητήρες θα μπορούσαν να τοποθετηθούν στα ειδικά μπαστούνια των τυφλών.

Γεωμαγνητικό εμφύτευμα προσέδωσε εντυπωσιακές ικανότητες σε ποντίκια. Pictured is the scientists' impression of a rat wearing the geomagnetic device. The device was made up of a geomagnetic compass – similar to the microchip found in smartphones. Alongside this were two electrodes fitted into the animals' visual cortices. These are areas of the brain that process visual data.

Σε κάθε περίπτωση, το επίτευγμα αποκαλύπτει την εκπληκτική πλαστικότητα και τις κρυμμένες δυνατότητες του εγκεφάλου των θηλαστικών, ο οποίος μπορεί να αναπληρώσει το κενό μιας χαμένης αίσθησης (εν προκειμένω της όρασης), με άλλες αισθητηριακές πληροφορίες (γεωμαγνητικές). Γι' αυτό, ορισμένοι επιστήμονες δεν αποκλείουν ότι κάποια στιγμή οι άνθρωποι θα μπορέσουν να διευρύνουν κυριολεκτικά τους ορίζοντές τους, αποκτώντας -με τη βοήθεια της τεχνολογίας- νέες αισθήσεις, όπως γεωμαγνητικές, υπέρυθρης όρασης, υπερηχητικής ακοής κ.α.

Ο πόλεμος της μαύρης τρύπας συνεχίζεται. Black holes don’t erase information, scientists say

Καλλιτεχνική απεικόνιση του περιβάλλοντος μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στην καρδιά του ενεργού γαλαξία NGC 3783 στον αστερισμό του Κενταύρου Α. Μια νέα μελέτη ενισχύει την άποψη ότι οι πληροφορίες που εισέρχονται σε μια μαύρη τρύπα δεν χάνονται. An artist's impression shows the surroundings of a supermassive black hole at the heart of the active galaxy NGC 3783 in the southern constellation of Centaurus. A new University at Buffalo study finds that -- contrary to what some physicists have argued for the years -- information is not lost once it has entered a black hole. The research presents explicit calculations showing how information is, in fact, preserved. Credit: ESO/M. Kornmesser

Τι συμβαίνει όταν κάτι πέφτει μέσα σε μια μαύρη τρύπα; Εξαφανίζεται; Πριν από τρεις δεκαετίες, ένας νεαρός άγγλος φυσικός ονόματι Stephen Hawking ισχυρίστηκε ότι συμβαίνει αυτό ακριβώς. Οι περισσότεροι επιστήμονες δεν αντιλήφθηκαν τις επιπτώσεις του ισχυρισμού του, αλλά ο αμερικανός φυσικός Leonard Susskind και ο ολλανδός φυσικός Gerard ’t Hooft συνειδητοποίησαν ότι, αν ο Hawking είχε δίκιο, τότε όλα όσα γνωρίζουμε σχετικά με τους θεμελιώδεις νόμους του Σύμπαντος θα έπρεπε να απορριφθούν.

Τη συνεισφορά τους σε ένα «μυστήριο» 40 ετών, το οποίο φέρνει σε αντίθεση θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής φυσικής με τις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, δημοσιεύουν επιστήμονες από το πανεπιστήμιο του Μπάφαλο στις ΗΠΑ. Πιο συγκεκριμένα, οι Αμερικανοί επιστήμονες ανέπτυξαν μια νέα θεωρία που απαντά στο Παράδοξο της Χαμένης Πληροφορίας, έναν γρίφο που προσπαθούν να λύσουν οι φυσικοί εδώ και τέσσερις δεκαετίες, με σκοπό να αποδείξουν πως οι μαύρες τρύπες δεν παραβιάζουν την κβαντομηχανική.

Το Παράδοξο συνδέεται με το γεγονός ότι μια μαύρη τρύπα έχει τόσο ισχυρό βαρυτικό πεδίο ώστε να «καταπίνει» την ύλη και το φως που θα βρεθούν στην εμβέλειά του. Τότε, μαζί με τα φωτόνια και τα σωματίδια που «καταβροχθίζονται», φαίνεται πως εξαφανίζονται για πάντα και οι πληροφορίες που αυτά κωδικοποιούν. Κάτι που όμως αντιβαίνει σε έναν από τους θεμελιώδεις «πυλώνες» της κβαντικής φυσικής, σύμφωνα με τον οποίο η πληροφορία δεν μπορεί ποτέ να χαθεί, αλλά πάντοτε διατηρείται.

For nearly 40 years, physicists have argued that black holes suck in information and then evaporate without leaving behind any clues as to what they once contained. Now, one scientist says this may not be true.

Η νέα θεωρία αίρει το Παράδοξο, και έτσι «συμφιλιώνει» την κβαντική φυσική με τις ιδιότητες των μαύρων τρυπών, δείχνοντας πως η πληροφορία δεν χάνεται. «Η μελέτη μας έδειξε πως οι πληροφορίες δεν εξαφανίζονται όταν εισέλθουν σε μια μαύρη τρύπα», λέει χαρακτηριστικά στο σάιτ του πανεπιστημίου ο Ντέγιαν Στόικοβιτς, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και ένας από τους επιστήμονες που τη διατύπωσαν, συμπληρώνοντας ότι οι πληροφορίες είναι δυνατόν να ανακτηθούν από την ακτινοβολία που εκπέμπει η μαύρη τρύπα.

Η θεωρία περιγράφεται σε άρθρο των Αμερικανών φυσικών στο περιοδικό Physical Review Letters [Radiation from a collapsing object is manifestly unitary, Anshul Saini, Dejan Stojkovic]. Σε αυτό, οι συγγραφείς του δείχνουν με ποιον τρόπο από τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα μπορούν να αποκαλυφθούν όχι μόνο τα χαρακτηριστικά της ύλης και της ενέργειας που έχει «καταπιεί», αλλά και οι ιδιότητες του άστρου από το οποίο αυτή προέκυψε.

Σύμφωνα τον Στόικοβιτς, πρόκειται για μία σημαντική ανακάλυψη, αφού ακόμη και οι φυσικοί που θεωρούσαν ότι η πληροφορία δεν χάνεται σε μία μαύρη τρύπα δεν είχαν καταφέρει μέχρι σήμερα να περιγράψουν με μαθηματικά τον μηχανισμό που τη διατηρεί. Αντίθετα, στο άρθρο στο Physical Review Letters, παρατίθενται εξισώσεις που δείχνουν πώς διατηρείται η πληροφορία.

Last year, Hawking revised his theory by declaring that black holes were in fact 'grey'. The grey hole theory would allow matter and energy to be held for a period of time before being released back into space.

Το Παράδοξο πρωτοδιατυπώθηκε πριν από 40 χρόνια, όταν ο Βρετανός φυσικό Στίβεν Χόκινγκ έδειξε πως οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ακτινοβολία, με συνέπεια να «εξαερώνονται» με την πάροδο του χρόνου. Μία άμεση συνέπεια αυτής της ανακάλυψης ήταν πως οι πληροφορίες στο εσωτερικό της θα χαθούν για πάντα όταν αυτή εξαφανισθεί, παραβιάζοντας έτσι την κβαντική φυσική.

Αν και ο Χόκινγκ ήταν τόσο βέβαιος για το Παράδοξο που έβαλε στοίχημα με συναδέλφους του, λίγα χρόνια αργότερα έκανε στροφή 180 μοιρών, παρουσιάζοντας ένα θεωρητικό μοντέλο που επιτρέπει τη διατήρηση της πληροφορίας. Ωστόσο, η λύση του δεν έπεισε όλη την επιστημονική κοινότητα, με συνέπεια μέχρι σήμερα να μην έχει βρεθεί κοινά αποδεκτή εξήγηση.

Με βάση τους ερευνητές από το Μπάφαλο, αυτή η εξήγηση «κρύβεται» τόσο στα σωματίδια που εκπέμπει μία μαύρη τρύπα, όσο και στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις τους. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη αυτά τα δεδομένα, δείχνουν ότι ένας εξωτερικός παρατηρητής έχει τη δυνατότητα να ανακτήσει τα χαρακτηριστικά της ύλης και της ενέργειας που έχει «καταπιεί» το ισχυρό βαρυτικό πεδίο.

Οι αλληλεπιδράσεις αυτές περιλαμβάνουν από τη βαρυτική έλξη μεταξύ των σωματιδίων μέχρι την ανταλλαγή φωτονίων. Παρόλο που αυτές οι «συσχετίσεις» δεν ήταν άγνωστες, οι περισσότεροι επιστήμονες τις θεωρούσαν ασήμαντες μέχρι τώρα. Ωστόσο, σύμφωνα με τον Στόικοβιτς, είναι το «κλειδί» που αίρει το Παράδοξο.

Εκπαιδευτικό εργαλείο τα «μαγικά». Oh, baby: study shows how surprises help infants learn

René Magritte, The magician (Self-portrait with four arms), 1952. Ένα «μαγικό» κόλπο ωθεί το παιδί στο να θέλει να μάθει περισσότερα. Researchers reported a series of experiments that demonstrated that babies actively sought to learn when they witnessed something surprising and were less inclined to learn when they saw something predictable.

Ξάφνιασε ένα παιδί με κάτι «μαγικό» και το παιδί θα μάθει καλύτερα κάτι καινούριο. Αυτό είναι το συμπέρασμα μιας νέας σημαντικής αμερικανικής επιστημονικής έρευνας, η οποία για πρώτη φορά δείχνει ότι τα μωρά έχουν ένα είδος έμφυτης γνώσης για τον κόσμο και τους φυσικούς νόμους, οπότε, όταν οι ενδόμυχες προσδοκίες τους διαψεύδονται από κάτι απρόσμενο και αναπάντεχο, τότε όχι μόνο δίνουν μεγαλύτερη προσοχή (κάτι που είχαν δείξει και προηγούμενες μελέτες), αλλά επίσης αφομοιώνουν καλύτερα νέα πράγματα.

Η μελέτη

Cognitive psychologists have demonstrated for the first time that babies learn new things by leveraging the core information they are born with. When something surprises a baby, like an object not behaving the way a baby expects it to, the baby not only focuses on that object, but ultimately learns more about it than from a similar yet predictable object. Surprise! Infants seek out more information about objects that defy expectations. Credit: © Nomad_Soul / Fotolia

Ερευνητές, με επικεφαλής τις γνωσιακές ψυχολόγους Έιμι Σταλ και Λάιζα Φέιγκενσον του Πανεπιστημίου Τζον Χόπκινς, πραγματοποίησαν πειράματα με 110 κοριτσάκια και αγοράκια 11 μηνών, που δεν μιλούσαν ακόμη. Οι ψυχολόγοι έδειξαν στα μωρά μια σειρά από καταστάσεις, τόσο αναμενόμενες (πχ. μια μπάλα που κατρακυλά στην κατηφόρα και σταματά σε ένα τοίχο), όσο και απρόσμενες (πχ. μια μπάλα που περνά μέσα από τον τοίχο ή αιωρείται στον αέρα), προκειμένου να συγκρίνουν σε ποια περίπτωση ένα παιδί ενδιαφέρεται να αποκτήσει περισσότερες πληροφορίες και έτσι μαθαίνει με πιο αποτελεσματικό τρόπο. Το συμπέρασμα ήταν ότι αυτό συμβαίνει, όταν βλέπει γύρω του κάτι που δεν θα έπρεπε να συμβαίνει.

Ανακύπτει, βεβαίως, το ερώτημα: και πώς ξέρει ένα μωρό τι «πρέπει» και τι «επιτρέπεται» να συμβαίνει στον φυσικό κόσμο και τι όχι; Η απάντηση των ερευνητών είναι ότι κάθε παιδί φαίνεται πως γεννιέται με μια θεμελιώδη γνώση και αίσθηση του τι είναι εκ φύσεως αναμενόμενο και τι όχι. Έτσι, ό,τι παραβιάζει -ως δια μαγείας- αυτή την εκ γενετής αίσθηση, γίνεται αυτομάτως πιο ενδιαφέρον και άρα αποτελεί καταλληλότερο ερέθισμα για κατανόηση και για μάθηση.

Συνεπώς, όταν ένα αντικείμενο συμπεριφέρεται αφύσικα (πχ περνά μέσα από τοίχους), τότε το παιδί εστιάζεται περισσότερο σε αυτό το «μαγικό» αντικείμενο και τελικά θέλει να μάθει περισσότερα γι’ αυτό, από ό,τι όταν το αντικείμενο συμπεριφέρεται προβλέψιμα (όπως μια «βαρετή» μπάλα που είναι αναμενόμενο να κυλά σε μια κατηφόρα).

Jérôme Bosch, L'Escamoteur, 1460-1516, 53x65 cm. Saint Germain en Laye, Musée municipal. Τα παιδιά αφομοιώνουν καλύτερα τα πράγματα όταν εντυπωσιάζονται από αυτό που βλέπουν

«Τα νήπια χρησιμοποιούν ό,τι ήδη γνωρίζουν για τον κόσμο, προκειμένου να σχηματίσουν προβλέψεις. Όταν αυτές οι προβλέψεις φαίνονται λανθασμένες, τότε τα νήπια χρησιμοποιούν κάτι τέτοιο ως μια ξεχωριστή ευκαιρία για μάθηση. Όταν τα μωρά ξαφνιάζονται, μαθαίνουν πολύ καλύτερα», δήλωσε η Λάιζα Φέιγκενσον.

Μάλιστα τα πειράματα έδειξαν πως τα μωρά προτιμούν ένα «μαγικό» αντικείμενο ακόμη και από ένα ολοκαίνουργιο παιγνίδι, το οποίο όμως κάνει προβλέψιμα πράγματα. Ας το έχουν αυτό υπόψη τους οι γονείς. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Science».

Στέλνουν καμικάζι σε αστεροειδή! ESA's planetary defence test set for 2020

Η αποστολή θα ταξιδέψει στο δυαδικό σύστημα και το ένα από τα δύο σκάφη θα πέσει πάνω στον ένα από αυτό σε μια προσπάθεια να τον εκτρέψει από την πορεία του. ESA’s Asteroid Impact Mission will provide before-and-after data on the ‘Didymoon’ asteroid, set to be struck by NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART) probe in late 2022. A plume is expected to be triggered by the highly energetic collision. Credit: ESA–Science Office

Πριν από δύο χρόνια έγινε γνωστό ότι ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) και η NASA μελετούν το ενδεχόμενο να οργανώσουν μια νέα φιλόδοξη αποστολή. Μια αποστολή αναχαίτισης ενός αστεροειδή. Ανακοινώθηκε ότι η αποστολή… καμικάζι έλαβε έγκριση και ξεκινά η προετοιμασία της.

Το σχέδιο

Launched in October 2020, AIM will travel to a binary asteroid system – the paired Didymos asteroids, which will come a comparatively close 11 million km to Earth in 2022. The 800 m-diameter main body is orbited by a 170 m moon, informally called ‘Didymoon’. This smaller body is AIM’s focus: the spacecraft will perform high-resolution visual, thermal and radar mapping of the moon to build detailed maps of its surface and interior structure, as well as putting down a lander and deploying CubeSats. Then in late 2022 Didymoon will be hit by NASA’s Double Asteroid Redirection Test (DART). AIM will then survey the changes to the asteroid and its orbit from the impact. The two missions together are known as the Asteroid Impact & Deflection Assessment (AIDA) mission. Credit: ESA–Science Office

Η αποστολή ονομάζεται AIDA (Asteroid Impact & Deflection Assessment) και θα αποτελείται από δύο σκάφη το DART που θα κατασκευαστεί στις ΗΠΑ και το AIM που θα κατασκευαστεί στην Ευρώπη. Όπως έγινε γνωστό τον Οκτώβριο του 2020 τα δύο σκάφη θα ξεκινήσουν το ταξίδι τους για να πλησιάσουν τον Δίδυμο, ένα αστεροειδή διαμέτρου 800 μέτρων που διαθέτει και ένα μικρό δορυφόρο διαμέτρου 150 μέτρων. Ο Δίδυμος αναμένεται να περάσει κοντά από τη Γη το 2022. Θα περάσει σε απόσταση 11 εκ. χλμ από τον πλανήτη μας, απόσταση τέτοια που επιτρέπει την διεξαγωγή του πειράματος χωρίς να κρύβεται κάποιος κίνδυνος.

The target for the international Asteroid Impact & Deflection Assessment mission, of which ESA's Asteroid Impact Mission (AIM) is a part. In 2020 AIM will head to the paired Didymos asteroids, which will come a comparatively close 11 million km to Earth in 2022. The 800 m-diameter main body is orbited by a 170 m moon, informally called ‘Didymoon’, which will be surveyed in detail by AIM. In late 2022 the NASA-led Double Asteroid Redirection Test (DART) probe will crash straight into the asteroid moon at about 6 km/s. Credit: ESA–Science Office

Σύμφωνα με το σχέδιο το σκάφος DART θα πέσει πάνω στον μικρότερο αστεροειδή με ταχύτητα 22.500 χλμ/ώρα. Το δεύτερο σκάφος, με την ονομασία AIM, θα παρακολουθήσει τα αποτελέσματα της σύγκρουσης προκειμένου να διαπιστωθεί πόσο άλλαξε η τροχιά του στόχου.

ESA’s Asteroid Impact Mission will use high-capacity laser communications to send its scientific data back to ESA’s Optical Ground Station in Tenerife, demonstrating the potential of optical communications for deep-space missions. Credit: ESA–Science Office

Παράλληλα το ΑΙΜ θα καταγράψει εικόνες και θα συλλέξει διάφορα δεδομένα από τον Δίδυμο.

Όπως είναι ευνόητο οι επιστήμονες θέλουν να διαπιστώσουν αν είναι εφικτή η εκτροπή ενός αστεροειδή από την τροχιά του αν πέσει πάνω του κάποιο αντικείμενο ώστε σε περίπτωση που διαπιστωθεί ότι κάποιος αστεροειδής κινείται απειλητικά προς τη Γη να οργανωθεί με αποστολή αναχαίτισης.

Αγάπη μου, συρρίκνωσα τα... μυρμήγκια. Honey, I shrunk the ants: How environment controls size

Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Μακ Γκιλ ανακάλυψαν μέσα από πειράματα σε μυρμήγκια του είδους Camponotus floridanus ότι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να παίξουν καίριο ρόλο στον προσδιορισμό πολύπλοκων χαρακτηριστικών όπως το μέγεθος. Until now scientists have believed that the variations in traits -- such as our height, skin color, tendency to gain weight or not, intelligence, tendency to develop certain diseases, etc., all of them traits that exist along a continuum -- were a result of both genetic and environmental factors. But they didn't know how exactly these things worked together. By studying ants, researchers have identified a key mechanism by which environmental (or epigenetic) factors influence the expression of all of these traits, along with many more. McGill researchers have discovered that environmental factors play a crucial role in determining complex traits like size. Credit: Mélanie Couture and Dominic Ouellette

Ως σήμερα οι επιστήμονες πίστευαν ότι η ποικιλομορφία σε χαρακτηριστικά όπως το ύψος, το χρώμα του δέρματος, η τάση για λήψη βάρους, η ευφυΐα, η τάση για ανάπτυξη ορισμένων νόσων κ.ά., είναι το αποτέλεσμα ενός συνδυασμού γενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων. Δεν γνώριζαν όμως πώς όλοι αυτοί οι παράγοντες συνδυάζονται μεταξύ τους. Μελετώντας μυρμήγκια, ερευνητές του Πανεπιστημίου Μακ Γκιλ στον Καναδά εντόπισαν έναν μηχανισμό-«κλειδί» με τον οποίο οι περιβαλλοντικοί (ή επιγενετικοί) παράγοντες επηρεάζουν την έκφραση όλων αυτών των χαρακτηριστικών και πολλών περισσότερων.

Πώς μπορούμε να παρέμβουμε στην έκφραση των χαρακτηριστικών

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι εντοπίζοντας ένα γονίδιο με καίριο ρόλο για το κάθε χαρακτηριστικό καθώς και το πώς επηρεάζεται επιγενετικώς (δηλαδή από το περιβάλλον) είναι πιθανό να επηρεάσουμε τον βαθμό της έκφρασής του - και έτσι να παρέμβουμε στο πώς εκφράζονται διαφορετικά χαρακτηριστικά. Η όλη ιστορία μοιάζει λίγο με το πώς ένας καλλιτέχνης προσθέτει περισσότερη ή λιγότερη λευκή μπογιά στο μαύρο ώστε να δημιουργήσει μια παλέτα αποχρώσεων του γκρι. Στην πραγματικότητα, όλη αυτή η ερευνητική δουλειά αφορά την ανακάλυψη του μηχανισμού μέσω του οποίου το περιβάλλον αλληλεπιδρά με συγκεκριμένα γονίδια, αποκαλύπτοντας ότι οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αποτελούν έναν ισότιμο «εταίρο» στον προσδιορισμό πολύπλοκων χαρακτηριστικών.

Η ερευνητική ομάδα από το Μακ Γκιλ με επικεφαλής τους καθηγητές Μοσέ Σιφ και Εχάμπ Αμπουχάιφ από τα Τμήματα Φαρμακολογίας - Θεραπευτικής και Βιολογίας αντιστοίχως, εντόπισε έναν μηχανισμό μέσω του οποίου επιγενετικοί παράγοντες επιδρούν στην ποσοτική διαφοροποίηση πολύπλοκων χαρακτηριστικών.

Για να καταλήξουν στα συμπεράσματά τους οι επιστήμονες διεξήγαγαν επιγενετικά πειράματα σε μυρμήγκια του είδους Camponotus floridanus. Με δεδομένο ότι υπάρχει μικρή γενετική επίδραση στον προσδιορισμό της ποικιλομορφίας του μεγέθους των εργατών σε μια αποικία και με δεδομένο ότι το γονιδίωμά τους έχει ήδη «διαβαστεί», οι ερευνητές ήταν σε θέση να επικεντρωθούν στην επίδραση των επιγενετικών παραγόντων σε ό,τι αφορούσε τις διαφοροποιήσεις στο μέγεθος.

Μυρμήγκια με γκάμα... μεγεθών

Florida carpenter ant workers run the gamut from dainty minors (far left) to hefty majors (far right). Photograph: MELANIE COUTURE AND DOMINIC OUELLETTE

Αυξάνοντας τον βαθμό της μεθυλίωσης του DNA (πρόκειται για μια βιοχημική διαδικασία που ελέγχει την έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων - κάτι σαν τον ροοστάτη που ανεβάζει και κατεβάζει την ένταση του φωτός) ενός γονιδίου που εμπλέκεται στον έλεγχο της ανάπτυξης και ονομάζεται Egfr, οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα φάσμα μεγεθών εργατών. Ανακάλυψαν σε γενικό πλαίσιο ότι όσο πιο μεθυλιωμένο ήταν ένα γονίδιο, τόσο μεγαλύτερο ήταν το μέγεθος των μυρμηγκιών.

«Βασικά ανακαλύψαμε μια διαδοχική επίδραση. Τροποποιώντας τη μεθυλίωση ενός συγκεκριμένου γονιδίου που επιδρά σε άλλα γονίδια - στη συγκεκριμένη περίπτωση επρόκειτο για το γονίδιο Egfr - μπορέσαμε να επιδράσουμε σε όλα τα άλλα γονίδια που εμπλέκονται στην κυτταρική ανάπτυξη» ανέφερε ο Σεμπαστιάν Αλβαράδο, διδακτορικός ερευνητής στο Μακ Γκιλ, που ήταν ένας εκ των δύο κύριων συγγραφέων της σχετικής μελέτης η οποία δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Communications». «Και μπορεί να δουλέψαμε με μυρμήγκια, ήταν όμως σαν να ανακαλύψαμε ότι θα μπορούσαμε να δημιουργήσουμε κοντύτερους ή ψηλότερους ανθρώπους κατά βούληση».

Στην περίπτωση της ανάπτυξης των μυρμηγκιών, ο καθοριστικός παράγοντας φάνηκε ότι ήταν το γονίδιο Εgfr. «Για άλλα όμως πολύπλοκα χαρακτηριστικά, είτε αυτά εμπλέκονται στην ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων στον άνθρωπο είτε των λιποκυττάρων στα κοτόπουλα, αυτό που είδαμε είναι ότι αν βρούμε σε κάθε περίπτωση τη γενετική θέση-κλειδί που επηρεάζεται από επιγενετικούς παράγοντες, τότε μπορούμε να επιδράσουμε στο πόσο πολύ ή λίγο εκφράζεται το εκάστοτε γονίδιο» εξήγησε από την πλευρά του ο Ρατζέντραν Ρατζακουμάρ, ο έτερος κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Προς ανθρώπινα χαρακτηριστικά κατά παραγγελία;

Η νέα ανακάλυψη αλλάζει πλήρως την κατανόηση σχετικά με το πώς λαμβάνει χώρα η ανθρώπινη ποικιλομορφία» είπε ο καθηγητής Αμπουχάιφ. «Τόσο πολλά ανθρώπινα χαρακτηριστικά όπως η ευφυΐα, το ύψος ή η προδιάθεση για νόσους σαν τον καρκίνο πιθανότατα μπορούν να επηρεαστούν από τον επιγενετικό μηχανισμό. Αν βρούμε πώς ο μηχανισμός αυτός επηρεάζει ένα γονίδιο-"κλειδί" σε κάθε πεδίο, η αλλαγή θα είναι τόσο μεγάλη ώστε να μην μπορούμε να φανταστούμε καν αυτή τη στιγμή πώς θα επιδράσει στην έρευνα, είτε αυτή αφορά την υγεία είτε τη γνωστική ανάπτυξη είτε τη γεωργία» κατέληξε ο καθηγητής.

Πόσο θα διαρκούσε μια πτώση μέχρι την άλλη πλευρά της Γης; How Long Would It Take to Fall Through the Earth?

Λίγο λιγότερο από ό,τι είχε εκτιμηθεί ως σήμερα, δείχνουν νέοι υπολογισμοί. Περίπου 38 λεπτά. The original theory goes like this: If a hole was dug from one point on Earth to the other on the opposite side, it would take 42 minutes and 12 seconds to fall through - but the new estimate is four minutes and eleven seconds quicker. Shown is a promotional Red Bull photo of Felix Baumgartner.

Πόση ώρα θα χρειαζόταν κανείς για να φτάσει στον αντίποδα της Γης αν έπεφτε σε μια τρύπα που περνά από το κέντρο του πλανήτη; Λίγο λιγότερο από ό,τι είχε εκτιμηθεί ως σήμερα, δείχνουν νέοι υπολογισμοί. Το ταξίδι θα διαρκούσε 38 λεπτά και έντεκα δευτερόλεπτα, περίπου 4 λεπτά λιγότερο από ό,τι στην παραδοσιακή λύση.

Το πρόβλημα

In the problem, students imagine jumping into a tunnel through the center of Earth—a hole nobody is ever going to dig. Photograph: OLESACHEM AT THE MANHATTAN WELL DIGGER/WIKIMEDIA/CREATIVE COMMONS

Εδώ και δεκαετίες, χιλιάδες φοιτητές Φυσικής καλούνται να λύσουν το πρόβλημα στα πρώτα χρόνια των σπουδών τους. Και η απάντηση που διδάσκονται συνήθως είναι ότι η ελεύθερη πτώση θα διαρκούσε 42 λεπτά και 12 δευτερόλεπτα.

Σύμφωνα με το νόμο του Νεύτωνα, η δύναμη της βαρύτητας που δέχεται ένας άνθρωπος είναι ανάλογη του τετραγώνου της μάζας που βρίσκεται κάτω από τα πόδια του και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης από το κέντρο του πλανήτη. Αυτό σημαίνει ότι η δύναμη της βαρύτητας θα μεταβαλλόταν διαρκώς στη διάρκεια του υποθετικού ταξιδιού: καθώς κανείς κατεβαίνει, η απόστασή του από το κέντρο της Γης μειώνεται. Ταυτόχρονα, όμως, μειώνεται και η μάζα που βρίσκεται κάτω από τα πόδια του, ενώ η μάζα που βρίσκεται πάνω από το κεφάλι του παύει να έχει επίδραση (όπως δείχνει το λεγόμενη θεώρημα του κελύφους).

The density of Earth doesn't increase in a linear way; rather there is a sharp 50 percent rise in density at the boundary between the mantle and the outer core. Credit: Johan Swanepoel | Shutterstock.com

Όταν κανείς φτάσει στον πυρήνα, η βαρύτητα μηδενίζεται. Και όταν ο ταξιδιώτης προπεράσει τον πυρήνα, η κατεύθυνση της βαρύτητας αντιστρέφεται και τον τραβά προς τα πίσω. Η ορμή που έχει συσσωρευτεί κατά την πτώση τού επιτρέπει να συνεχίσει το ταξίδι, με ταχύτητα όμως που όλο και μειώνεται μέχρι να μηδενιστεί στο τέρμα του τούνελ. Το πρόβλημα με την κλασική λύση του προβλήματος είναι ότι βασίζεται στην υπόθεση ότι η Γη είναι ομοιόμορφη και έχει παντού την ίδια πυκνότητα.

Η νέα μελέτη

Ο ταξιδιώτης θα έπρεπε να διανύσει 12.742 χιλιόμετρα πριν δει φως στην άκρη του τούνελ. Alexander Klotz a student at McGill University in Canada has calculated a new answer to the commonly asked physics question, how long would it take a person to fall all the way through the Earth? Instead of the commonly accepted 42 minutes, he claims it is 38. He has published his reasoning, math and conclusions in a paper published in The American Journal of Physics.

Αυτό όμως δεν ισχύει, όπως επισημαίνει ο Αλεξάντερ Κλοτζ, μεταπτυχιακός φοιτητής του Πανεπιστημίου ΜακΓκιλ στο Μόντρεαλ και συντάκτης της μελέτης που δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «American Journal of Physics».

Χρησιμοποιώντας ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο του εσωτερικού της Γης, το οποίο βασίζεται σε σεισμικές μετρήσεις, ο Κλοτζ υπολογίζει ότι το ταξίδι θα διαρκούσε 38 λεπτά και έντεκα δευτερόλεπτα, περίπου 4 λεπτά λιγότερο από ό,τι στην παραδοσιακή λύση.

The Eastern Hemisphere of Earth can be seen in this "blue marble" view captured by NASA's Suomi NPP satellite. Credit: NASA/NOAA

Στο ακριβέστερο αυτό μοντέλο, η πυκνότητα της Γης ποικίλει από το ένα γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό στην επιφάνεια μέχρι τα 13 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό στον πυρήνα. Επιπλέον, η πυκνότητα δεν μεταβάλλεται γραμμικά με τη απόσταση, αλλά αυξάνεται απότομα, κατά περίπου 50%, στο όριο ανάμεσα στον μανδύα και τον πυρήνα. Οι αριθμητικοί υπολογισμοί του Κλοτζ δείχνουν τώρα ότι το ταξίδι θα διαρκούσε κάτι περισσότερο από 38 λεπτά. Όταν όμως ο ταξιδιώτης φτάσει στην άλλη άκρη, θα πρέπει αμέσως να πιαστεί από κάποιο αντικείμενο, αλλιώς θα αρχίσει να πέφτει πίσω προς το κέντρο. Χωρίς κάποιο στήριγμα, το ταξίδι θα συνεχιζόταν επ΄αόριστον πάνω-κάτω σαν εκκρεμές που ταλαντώνεται.

Η αλήθεια πάντως είναι ότι ακόμα και η νέα λύση δεν είναι απόλυτα ακριβής, αφού βασίζεται στην υπόθεση ότι η σήραγγα δεν περιέχει αέρα που θα επιβράδυνε την πτώση. Η βασική δυσκολία βέβαια δεν θα ήταν η απομάκρυνση του αέρα -θα ήταν το σκάψιμο μιας σήραγγας που περνά από τον υπέρθερμο πυρήνα και έχει συνολικό μήκος 12.742 χιλιόμετρα. Το πιθανότερο είναι ότι η πειραματική επιβεβαίωση δεν θα έρθει ποτέ.