Δύο κοντινοί εξωπλανήτες φαβορί της… ζωής. First atmospheric study of Earth-sized exoplanets points to possible habitability

Είναι βραχώδεις και βρίσκονται στην κατοικήσιμη ζώνη του συστήματος τους. Καλλιτεχνική απεικόνιση των δύο εξωπλανητών που είναι οι πλέον επικρατέστεροι υποψήφιοι για να διαθέτουν ζωή από όσους εξωπλανήτες έχουν εντοπιστεί μέχρι σήμερα. Using NASA's Hubble Space Telescope, astronomers have conducted the first search for atmospheres around temperate, Earth-sized planets beyond our solar system and found indications that increase the chances of habitability on two exoplanets. This artist's illustration shows two Earth-sized planets, TRAPPIST-1b and TRAPPIST-1c, passing in front of their parent red dwarf star, which is much smaller and cooler than our sun. NASA's Hubble Space Telescope looked for signs of atmospheres around these planets. Credit: NASA/ESA/STScI/J. de Wit (MIT)

Σε απόσταση περίπου 40 ετών φωτός από εμάς βρίσκεται ένας ερυθρός νάνος με αρκετά χαμηλή θερμοκρασία. Το άστρο έλαβε την ονομασία Trappist-1 και πριν από δύο μήνες εντοπίστηκαν δύο πλανήτες να βρίσκονται σε τροχιά γύρω από αυτό. Ερευνητές του ΜΙΤ παρατήρησαν το σύστημα και διαπίστωσαν ότι πρόκειται για δύο βραχώδεις πλανήτες που βρίσκονται στην λεγόμενη κατοικήσιμη ζώνη, την περιοχή όπου οι συνθήκες είναι ευνοϊκές για την εμφάνιση των παραγόντων που υποστηρίζουν την παρουσία της ζωής όπως η ύπαρξη νερού σε υγρή μορφή. Οι ερευνητές ανακοίνωσαν ότι θα συνεχίσουν τη μελέτη των δύο πλανητών με στόχο να εντοπίσουν στοιχεία (ατμοσφαιρικά και άλλα δεδομένα) που να δείχνουν αν πράγματι διαθέτουν συνθήκες φιλικές στη ζωή. Ευελπιστούν μάλιστα ότι ίσως εντοπίσουν ίχνη αερίων που συνδέονται άμεσα με την ύπαρξη ζωντανών οργανισμών.

Είναι «πολύτιμοι»

«Πρόκειται για τους πρώτους πλανήτες που γνωρίζουμε οι οποίοι διαθέτουν και τους τρεις παράγοντες που αναζητούμε στο κυνήγι πλανητών φιλόξενων στη ζωή. Διαθέτουν μέγεθος παρόμοιο με αυτό της Γης, έχουν θερμοκρασία που να επιτρέπει την παρουσία νερού σε υγρή μορφή και ο συνδυασμός του τύπου του άστρου και της θέσης στην οποία βρίσκονται μας επιτρέπει να τα μελετήσουμε πιο αναλυτικά. Για αυτό αυτοί οι δύο πλανήτες είναι πραγματικά πολύτιμοι και ευελπιστούμε ότι θα μάθουμε σύντομα πολλά για αυτούς» δήλωσε ο Ζυλιέν ντ Βιτ, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. Ο Βιτ ανέφερε επίσης ότι μεγάλη βοήθεια στην παρατήρηση των δύο πλανητών θα προσφέρει το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb που αναμένεται να εκτοξευτεί το 2018 και θα μπορεί ανάμεσα στα άλλα να εντοπίζει ατμοσφαιρικά και άλλα στοιχεία εξωπλανητών.

Πηγή: Julien de Wit, Hannah R. Wakeford, Michaël Gillon, Nikole K. Lewis, Jeff A. Valenti, Brice-Olivier Demory, Adam J. Burgasser, Artem Burdanov, Laetitia Delrez, Emmanuël Jehin, Susan M. Lederer, Didier Queloz, Amaury H. M. J. Triaud, Valérie Van Grootel. A combined transmission spectrum of the Earth-sized exoplanets TRAPPIST-1 b and c. Nature, 2016; DOI: 10.1038/nature18641

Η ανθρώπινη όραση «αντιλαμβάνεται μεμονωμένα φωτόνια». The Human Eye Can Detect a Single Photon, Study Finds

Salvador Dali, L'Angélus de Gala, detail, 1935. Συναγωνίζεται τους καλύτερους οπτικούς ανιχνευτές και δεν αποκλείεται να αντιλαμβάνεται κβαντικά οπτικά φαινόμενα. Despite investigations for over 70 years, the absolute limits of human vision have remained unclear. Rod cells respond to individual photons, yet whether a single-photon incident on the eye can be perceived by a human subject has remained a fundamental open question. Here we report that humans can detect a single-photon incident on the cornea with a probability significantly above chance. This was achieved by implementing a combination of a psychophysics procedure with a quantum light source that can generate single-photon states of light. We further discover that the probability of reporting a single photon is modulated by the presence of an earlier photon, suggesting a priming process that temporarily enhances the effective gain of the visual system on the timescale of seconds.

Σε μια προσπάθεια να προσδιορίσουν το όριο της ανθρώπινης όρασης, φυσικοί στις ΗΠΑ ζήτησαν από εθελοντές να καθίσουν στο απόλυτο σκοτάδι, απέναντι από μια συσκευή που έστελνε στα μάτια τους μεμονωμένα φωτόνια. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η ανθρώπινη όραση συναγωνίζεται τους καλύτερους οπτικούς ανιχνευτές, και δεν αποκλείεται να αντιλαμβάνεται ακόμα και κβαντικά οπτικά φαινόμενα.

Επιστήμονες και φυσικοί προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να βρουν τα όρια του ανθρώπινου ματιού. Μια σημαντική εξέλιξη ήρθε από μελέτη του 2012, η οποία έδειχνε ότι φωτοευαίσθητα κύτταρα στο μάτι του βατράχου αντιδρούν ακόμα και όταν δεχθούν ένα φωτόνιο -μια επίδοση που καθιστά τα κύτταρα αυτά ισάξια με πανάκριβους ανιχνευτές ακριβείας.

Αυτό, όμως, δεν σημαίνει ότι ένα και μόνο φωτόνιο αρκεί για να φτάσει το σήμα στον εγκέφαλο και να γίνει αντιληπτό ως λάμψη -ο αμφιβληστροειδής ουσιαστικά επεξεργάζεται και συμπιέζει τα ερεθίσματα πριν τα διαβιβάσει στον οπτικό φλοιό, οπότε το αρχικό σήμα μπορεί να χάνεται στην πορεία.

Επιπλέον, τουλάχιστον το 90% των φωτονίων που πέφτουν στο μάτι δεν φτάνει ποτέ στον αμφιβληστροειδή, αφού ανακλάται ή απορροφάται από άλλες περιοχές του ματιού όπως ο διαφανής κερατοειδής χιτώνας.

«Στο όριο της φαντασίας»

Salvador Dali, L'Oeil, The Eye, 1945. Μεμονωμένα φωτόνια δημιουργούν λάμψεις «στο όριο της φαντασίας».

Μια νέα ένδειξη ήρθε το 2015 από μελέτη που προσέφερε ενδείξεις ότι οι άνθρωποι μπορούν να αντιλαμβάνονται, έστω και ασυναίσθητα, λάμψεις που αντιστοιχούν σε μόλις τρία φωτόνια.

Η νέα έρευνα, η οποία δημοσιεύεται στην επιθεώρηση Nature Communications, ακολουθεί μια παρόμοια προσέγγιση. Η ομάδα του δρος Αλίπασα Βάζιρι στο Πανεπιστήμιο Ρόκεφελερ της Νέας Υόρκης ζήτησε από τρεις εθελοντές να καθίσουν στο σκοτάδι για 40 λεπτά μέχρι να προσαρμοστούν τα μάτια τους. Στη συνέχεια, κλήθηκαν να κοιτάξουν στην κατεύθυνση μιας πηγής που μπορεί να εκπέμπει μεμονωμένα φωτόνια.

Κάθε φορά που οι εθελοντές πατούσαν ένα κουμπί ακούγονταν δύο ήχοι με διαφορά ενός δευτερολέπτου. Κάποιες φορές δεν συνέβαινε τίποτα, κάποιες άλλες ο ένας από τους δύο ήχους συνοδευόταν από εκπομπή ενός φωτονίου. Σε κάθε περίπτωση, οι εθελοντές έπρεπε να αναφέρουν αν είδαν κάτι, καθώς και πόσο σίγουροι αισθάνονταν για το αν το είδαν.

Οι τρεις εθελοντές υποβλήθηκαν σε συνολικά 2.400 δοκιμές, αριθμός αρκετά μεγάλος για να εξαχθεί ασφαλές στατιστικό αποτέλεσμα, λένε οι ερευνητές.

Η ανάλυση των απαντήσεων έδειξε ότι οι συμμετέχοντες της μελέτης έδιναν τη σωστή απάντηση πιο συχνά από ό,τι θα περίμενε κανείς αν απαντούσαν απλά στην τύχη. Επιπλέον, το επίπεδο σιγουριάς που ανέφεραν ήταν υψηλότερο όταν οι απαντήσεις τους ήταν σωστές.

Αυτό σημαίνει ότι ο εγκέφαλος δέχεται οπτικά ερεθίσματα που αντιστοιχούν ακόμα και σε ένα φωτόνιο. Τα ερεθίσματα αυτά, όμως, δεν γίνονται αντιληπτά από τη συνείδηση.

«Το εντυπωσιακό είναι ότι δεν μοιάζει με το να βλέπεις φως» σχολιάζει στο δικτυακό τόπο του Nature ο δρ Βάζιρι, ο οποίος υποβλήθηκε και ο ίδιος στη δοκιμή.  «Είναι σχεδόν σαν αίσθημα στο όριο της φαντασίας» λέει.

Ο ερευνητής σκοπεύει τώρα να συνεχίσει τα πειράματα για να ερευνήσει το κατά πόσο η ανθρώπινη όραση αντιλαμβάνεται κβαντικά οπτικά φαινόμενα.

Η υπέρθεση

Το βασικότερο τέτοιο φαινόμενο είναι η υπέρθεση, μια αλλόκοτη κατάσταση στην οποία ένα φωτόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο μέρη ταυτόχρονα.

Μια στάνταρτ παραδοχή στα πειράματα κβαντικής φυσικής είναι ότι τα φωτόνια που βρίσκονται σε υπέρθεση δύο καταστάσεων τελικά διαλέγουν μία από τις δύο καταστάσεις τη στιγμή που πέφτουν σε έναν ανιχνευτή.

Αυτό θα σήμαινε ότι το φωτόνιο θα γινόταν αντιληπτό ως ένα μεμονωμένο φωτεινό σημείο, και όχι ως δύο ταυτόχρονες λάμψεις.

Υπάρχουν όμως και φυσικοί που υποψιάζονται ότι η υπέρθεση μπορεί να γίνεται αντιληπτή, οπότε οι λάμψεις θα ήταν δύο.

Περαιτέρω μελέτες ίσως δώσουν απάντηση στο μεγάλο ερώτημα, η οποία θα είχε μεγάλη σημασία για τους βιολόγους, τους φυσικούς, ακόμα και τους φιλοσόφους.

Νέο είδος μνήμης θυμάται σε επίπεδο ατόμου. Smallest hard disk to date writes information atom by atom

Η κατασκευή - η μεγαλύτερη που έχει δημιουργηθεί σε ατομική κλίμακα - ξεπερνά κατά πολύ σε χωρητικότητα τους καλύτερους δίσκους. Άτομα χλωρίου (σκούρες κουκκίδες) διατάσσονται πάνω σε πλέγματα και αποθηκεύουν τις πληροφορίες στις αλληλουχίες τους. STM scan (96 nm wide, 126 nm tall) of the 1 kB memory, written to a section of 'On the Origin of Species' by Charles Darwin (without text markup). Credit: Ottelab/TUDelft

Αν ήταν μεγάλο όσο το κεφάλι μιας πινέζας, θα μπορούσε να αποθηκεύσει τα WikiLeaks και τα Panama Papers και να περισσέψει και χώρος. Είναι μια μνήμη υψηλής πυκνότητας, στην οποία τα δεδομένα εγγράφονται και διαβάζονται άτομο προς άτομο.

«Είναι μακράν η μεγαλύτερη συναρμολογούμενη κατασκευή που έχει δημιουργηθεί ποτέ σε ατομική κλίμακα, και ξεπερνά σε χωρητικότητα τους καλύτερους σκληρούς δίσκους κατά πολλές τάξεις μεγέθους» υπερηφανεύεται στο δικτυακό τόπο του Nature ο Ζάντερ Ότε του Πανεπιστημίου της Ντελφτ στην Ολλανδία, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Με «όπλο» το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης

Explanation of the bit logic and the atomic markers. Credit: Ottelab/TUDelft

Ο Ότε και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια τεχνική που αναπτύχθηκε από την IBM τη δεκαετία του 1990 για τον προσεκτικό χειρισμό ατόμων. Η τεχνική βασίζεται στο λεγόμενο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, το οποίο φέρει στην άκρη του μια ακίδα που αλληλεπιδρά με τα άτομα και μπορεί να τα σπρώχνει στην επιθυμητή θέση.

Σε πρώτη φάση, οι ερευνητές πήραν μια πλάκα χαλκού και τοποθέτησαν πάνω της άτομα χλωρίου έτσι ώστε να σχηματίζουν πίνακες με σειρές και στήλες. Στους πίνακες αυτούς, ορισμένες θέσεις ήταν κατειλημμένες από άτομα χλωρίου, ενώ άλλες έμειναν κενές. Κάθε σειρά σε κάθε πίνακα αντιστοιχεί με ένα byte πληροφορίας, ίσο με οκτώ bit.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν την ακίδα για να μετακινήσουν τα άτομα χλωρίου στους πίνακες και να σχηματίσουν αλληλουχίες από συμπληρωμένες και κενές θέσεις, αντίστοιχες με τις αλληλουχίες των «0» και των «1» στην ψηφιακή πληροφορία. Το ίδιο μικροσκόπιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για να διαβάσει ή να αλλάξει τα δεδομένα.

Η μνήμη, η οποία παρουσιάζεται στο Nature Nanotechnology, έχει πολύ μικρή χωρητικότητα, μόλις 1 kilobyte. 

STM scan (96 nm wide, 126 nm tall) of the 1 kB memory, written to a section of 'There is plenty of room at the bottom' by Richard Feynman (with text markup). Credit: Ottelab/TUDelft

Ακόμα κι έτσι, οι ερευνητές κατάφεραν να στριμώξουν μέσα της διάφορα μικρά κείμενα, συμπεριλαμβανομένων 160 λέξεων από μια διάσημη διάλεξη που έδωσε το 1960 ο αμερικανός φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν, στην οποία προέβλεψε την άνοδο της νανοτεχνολογίας.

Εκατοντάδες terabyte σε έναν κόκκο ρυζιού

An animation explaining the mechanism of storing information in the positions of individual atoms, used by Delft scientists to store one kilobyte of data on an area 100 nm x 100 nm in size. Animation made by Stijlbende.

Αν η συσκευή είχε επιφάνεια ενός τετραγωνικού εκατοστού, θα μπορούσε να αποθηκεύσει 10 terabyte δεδομένων, ενώ αν τα πλέγματα σχεδιάζονταν σε τρεις διαστάσεις θα μπορούσε κανείς να χωρέσει εκατοντάδες terabyte σε έναν κόκκο ρυζιού. Συγκριτικά, τα αχανή αρχεία Panama Papers, τα οποία διέρρευσαν από νομική εταιρεία και περιέχουν πληροφορίες για καταθέσεις σε φορολογικούς παραδείσους, είχαν όγκο 2,6 terabyte.

Αυτό θα ήταν καλή ιδέα αν ήθελε κανείς να αποθηκεύσει όλα τα δεδομένα της ανθρωπότητας ως παρακαταθήκη για το απώτερο μέλλον.

Πρακτικά, όμως, η νέα μνήμη είναι απίθανο να χρησιμοποιηθεί ποτέ ευρέως, τουλάχιστον ως έχει: το σύστημα λειτουργεί με υγρό άζωτο στους -196 βαθμούς Κελσίου, ενώ για την εγγραφή και την ανάγνωση λίγων byte δεδομένων απαιτούνται ολόκληρες ώρες.

Τρία νέα σωματίδια (τετρακουάρκ) ανακαλύφθηκαν στο CERN. LHCb unveils new particles

A view of the LHCb experimental cavern. (Image: Claudia Marcelloni/CERN)

Στις 28 Ιουνίου οι ερευνητές του LHCb ανακοίνωσαν την ανακάλυψη τριών νέων «εξωτικών» σωματιδίων και την επιβεβαίωση της ύπαρξης ενός τέταρτου. Το καθένα από αυτά τα σωματίδια συνίσταται από 4 κουάρκ (τετρακουαρκ) – δυο κουάρκ και δυο αντικουάρκ. Τα τετρακουάρκ αποκαλούνται εξωτικά σωματίδια γιατί η ακριβής θεωρητική τους ερμηνεία δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί.

Τα σωματίδια και τα αντισωματίδια το Καθιερωμένου Προτύπου. Αυτά είναι όλα τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια και αντισωματίδια στο Σύμπαν μας. Τα σωματίδια που «αισθάνονται» την ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι χρωματισμένα. Όλα τα κουάρκ και το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο, το ταυ και το μποζόνιο W είναι ηλεκτρικά φορτισμένα. Τα οκτώ γλοιόνια (g) και το φωτόνιο (γ) είναι άμαζα ενώ όλα τα άλλα (ακόμα και τα νετρίνα) έχουν μάζα. (Image credit: E. Siegel)

Το μοντέλο των κουάρκ, που προτάθηκε από τους Murray Gell-Mann και George Zweig το 1964, αποτελεί την πιο συνεπή θεωρία για την ταξινόμηση των αδρονίων (όλων τα σύνθετων σωματιδίων) που έχει βρεθεί μέχρι σήμερα, και είναι μέρος του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Στο μοντέλο των κουάρκ, τα αδρόνια ταξινομούνται σύμφωνα με τα κουάρκ που περιέχουν. Όμως, το γεγονός ότι όλα τα παρατηρούμενα αδρόνια σχηματίζονται είτε από ζεύγος κουάρκ – αντικουάρκ (στην περίπτωση των μεσονίων) ή από τρία κουάρκ (στην περίπτωση των βαρυονίων) αποτελούσε ένα μυστήριο για πολλά χρόνια.

Την τελευταία δεκαετία, διάφορες ομάδες ερευνητών βρήκαν αποδείξεις για την ύπαρξη σωματιδίων που σχηματίζονταν από περισσότερα των τριών κουάρκ. Για παράδειγμα, το 2009 η συνεργασία CDF ανακάλυψε ένα τέτοιο σωματίδιο, που ονομάστηκε Χ(4140) – ο αριθμός στην παρένθεση είναι η μάζα του σε MeV (μεγαηλεκτρονιοβόλτ) – που αργότερα επιβεβαιώθηκε και από άλλες ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών.

Παρόλα αυτά, οι χαρακτηριστικοί κβαντικοί αριθμοί του Χ(4140) δεν είχαν προσδιοριστεί πλήρως, γεγονός που καθιστούσε την θεωρητική ερμηνεία του σωματιδίου αβέβαιη.

Η ερευνητική ομάδα του LHCb κατάφερε να προσδιορίσει αυτούς τους αριθμούς με μεγάλη ακρίβεια, κάτι που θα βοηθήσει πάρα πολύ τον έλεγχο διαφόρων θεωρητικών προτάσεων για τα τετρακουάρκ.

Ενώ το Χ(4140) είχε παρατηρηθεί στο παρελθόν, αυτή τη φορά ανακαλύφθηκαν άλλα τρία εξωτικά σωματίδια με μεγαλύτερες μάζες, που ονομάστηκαν: Χ(4274), Χ4500) και Χ(4700). Παρότι τα αυτά σωματίδια είναι τετρακουάρκ, το καθένα έχει διαφορετική εσωτερική δομή και μάζα και τους δικούς του κβαντικούς αριθμούς.

Το διάγραμμα δείχνει τα δεδομένα (μαύρες κουκίδες) της κατανομής μάζας των μεσονίων J / ψ και φ. Ο ενδιάμεσος σχηματισμός των τεσσάρων τετρακουάρκ εκφράζεται από τους 4 συντονισμούς στο κάτω μέρος. The image above shows the data (black dots) of the mass distribution resulting from the association of the J/ψ and φ mesons, where the contribution of the four exotic particles is illustrated by the four peaks at the bottom. (πηγή:http://arxiv.org/abs/1606.07895)

Τα παραπάνω αποτελέσματα βασίζονται σε μια λεπτομερή ανάλυση της διάσπασης ενός μεσονίου Β+ προς τα μεσόνια J/ψ, φ και Κ+, όπου τα νέα σωματίδια εμφανίζονται ως οι ενδιάμεσες καταστάσεις πριν διασπαστούν στο ζεύγος μεσονίων J / ψ και φ.

H αποκάλυψη των τριών νέων τετρακουάρκ οφείλεται στο γεγονός ότι στην ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν όλα τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στον LHC από το 2010 έως το 2012.

Η ανακοίνωση αυτή αποτελεί την συνέχεια της περσινής ανακάλυψης των πρώτων δύο πεντακουάρκ από τoυς ερευνητές του LHCb.

Πηγή: LHCb unveils new particles, Stefania Pandolfi 

Εντοπίστηκαν 104 νέοι πλανήτες! NASA’s Kepler Confirms 100+ Exoplanets During Its K2 Mission

Ανάμεσα τους κάποιοι βραχώδεις με χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά της Γης. Καλλιτεχνική απεικόνιση του συστήματος με τους τέσσερις βραχώδεις πλανήτες δύο εκ των οποίων μπορεί να διαθέτουν συνθήκες ευνοϊκές στη ζωή. Artist concept. A crop of more than 100 planets, discovered by NASA’s Kepler Space Telescope, includes four in Earth’s size-range orbiting a single dwarf star. Two of these planets are too hot to support life as we know it, but two are in the star’s “habitable” zone, where liquid water could exist on the surface. These small, rocky worlds are far closer to their star than Mercury is to our sun. But because the star is smaller and cooler than ours, its habitable zone is much closer. One of the two planets in the habitable zone, K2-72c, has a “year” about 15 Earth-days long—the time it takes to complete one orbit. This closer planet is likely about 10% warmer than Earth. On the second, K2-72e, a year lasts 24 Earth days, this slightly more distant planet would be about 6% colder than Earth. Credits: NASA/JPL

Διεθνής ομάδα επιστημόνων μελετώντας τα δεδομένα της αποστολής Kepler και χρησιμοποιώντας διάφορα ισχυρά επίγεια τηλεσκόπια εντόπισαν 104 νέους εξωπλανήτες ανεβάζοντας τον αριθμό τους στους περίπου 3.5 χιλιάδες. Εντοπίστηκε ένα σύστημα στο οποίο βρίσκονται 4 βραχώδεις πλανήτες με μέγεθος παρόμοιο με αυτό της Γης με τους ειδικούς να εκτιμούν ότι κάποιοι εξ αυτών πιθανώς να διαθέτουν συνθήκες φιλικές στη ζωή.

Πλανητικό τζακποτ

The habitable zone around stars is a so-called Goldilocks' zone where conditions are just right for liquid water. Credit: by Karl Tate, Infographics Artist

«Η ποικιλία των πλανητών που εντοπίσαμε είναι εκπληκτική. Εντοπίσαμε πολλούς πλανήτες με μέγεθος και χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά της Γης. Άλλοι είναι κοντά στο μητρικό τους άστρο και αναπτύσσουν πολύ υψηλές θερμοκρασίες αλλά κάποιοι άλλοι φαίνονται πιο φιλικοί στη ζωή» αναφέρει ο Εβαν Σινούκοφ αστρονόμος του Πανεπιστημίου της Χαβάης που ήταν μέλος της ερευνητικής ομάδας. 

Το πιο ενδιαφέρον σύστημα που εντοπίστηκε βρίσκεται σε απόσταση περίπου 181 φωτός από εμάς στην κατεύθυνση του αστερισμού του Υδροχόου. Το σύστημα αποτελείται από το άστρο Κ2-72 που είναι ένας ερυθρός νάνος, δηλαδή ένα άστρο μικρότερης μάζας και θερμότητας από τον Ήλιο. Στο σύστημα αυτό εντοπίστηκαν 4 βραχώδεις πλανήτες με μέγεθος 20%-50% μεγαλύτερο από αυτό της Γης. Οι δύο εξ αυτών είναι πολύ κοντά στο άστρο και αναπτύσσουν πολύ υψηλές θερμοκρασίες απαγορευτικές για την παρουσία της ζωής. Οι άλλοι δύο όμως βρίσκονται λίγο πιο μακριά και εντός της λεγόμενης κατοικήσιμης ζώνης του άστρου. Την περιοχή δηλαδή όπου σε ένα βραχώδη πλανήτη θα μπορούσε να υπάρχει νερό σε υγρή μορφή συνθήκη που θεωρείται ως η πλέον βασική για την παρουσία της ζωής.

Εντοπίστηκαν χιόνια σε ένα… άστρο! Stellar Outburst Brings Water Snow Line Into View

Καλλιτεχνική απεικόνιση του άστρου V883 Orionis και του δίσκου ύλης που έχει σχηματιστεί γύρω από αυτόν. Στο εσωτερικό του δίσκου διακρίνεται η σκοτεινή παγωμένη περιοχή την οποία παρατήρησαν οι ερευνητές του Πρίνστον. Astronomers using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope have taken the first-ever image of a water snow-line within a protoplanetary disc. This artist’s impression of the water snowline around the young star V883 Orionis, as detected with ALMA. Credit: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF)/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Ερευνητική ομάδα στις ΗΠΑ κατάφερε να παρατηρήσει απευθείας μια περιοχή μόνιμης…χιονοκάλυψης σε ένα αστρικό δίσκο. Είναι η πρώτη φορά που επιτυγχάνεται απευθείας παρατήρηση αυτού του κοσμικού φαινομένου το οποίο σύμφωνα με τους ειδικούς παίζει κρίσιμο ρόλο στον σχηματισμό πλανητών.

Τα αστρικά χιόνια

This illustration shows how the outburst of the young star V883 Orionis has displaced the water snowline much further out from the star, and rendered it detectable with ALMA. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza

Είναι γνωστό ότι γύρω από τα νεογέννητα άστρα σχηματίζονται δίσκοι ύλης και οι διεργασίες σε αυτόν τον δίσκο οδηγούν στον σχηματισμό πλανητών και άλλων διαστημικών αντικειμένων και σωμάτων όπως οι κομήτες. Οι επιστήμονες με βάση τις μέχρι σήμερα παρατηρήσεις σε αστρικούς δίσκους είχαν οδηγηθεί εδώ και αρκετά χρόνια στην εκτίμηση ότι οι αστρικοί δίσκοι εμπεριέχουν και μια περιοχή στην οποία επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες και άλλες «εξωτικές» συνθήκες.

Οι ειδικοί μάλιστα έχουν παρομοιάσει αυτή την περιοχή με τα σημεία μόνιμης χιονοκάλυψης που υπάρχουν στα όρη της Γης. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η περιοχή βρίσκεται περίπου στο κέντρο του δίσκου ύλης και σχετικά κοντά στο άστρο. Εκτιμούν ότι στο εσωτερικό αυτής της περιοχής το νερό εξατμίζεται γεγονός που βοηθά στον σχηματισμό μικρών βραχωδών πλανητών σαν τον Άρη και τη Γη. Θεωρούν επίσης ότι στις παρυφές αυτής της περιοχής το νερό μετατρέπεται σε.. χιόνια και πάγους η παρουσία των οποίων επιτρέπει την ταχεία και μαζική δημιουργία χιονόμπαλων, κομητών και διαφόρων άλλων υλικών τα οποία βοηθούν στον σχηματισμό μεγάλων πλανητών αερίων όπως ο Δίας και ο Κρόνος.

Η παρατήρηση

This image of the planet-forming disc around the young star V883 Orionis was obtained by ALMA in long-baseline mode. This star is currently in outburst, which has pushed the water snow line further from the star and allowed it to be detected for the first time. The dark ring midway through the disc is the water snowline, the point from the star where the temperature and pressure dip low enough for water ice to form. The orbits of the planet Neptune and dwarf planet Pluto in our Solar System are shown for scale. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Cieza

Σε απόσταση 1.350 ετών στον αστερισμό του Ορίωνα βρίσκεται το V883 Orionis, ένα νεογέννητο άστρο γύρω από το οποίο έχει σχηματιστεί ένας δίσκος ύλης. Ομάδα ερευνητών του Πανεπιστημίου Πρίνστον κατάφερε να εντοπίσει και να παρατηρήσει την επίμαχη περιοχή στον δίσκο του άστρου κάτι που συμβαίνει για πρώτη φορά. Η ανακάλυψη πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια της συστοιχίας ραδιοτηλεσκοπίων ALMA που βρίσκεται στην έρημο Ατακάμα στη Χιλή. Όπως αναφέρουν στο άρθρο τους στην επιθεώρηση «Nature» η παρατήρηση της περιοχής επετεύχθη χάρις σε μια απρόσμενη εξέλιξη.

Zooming on the young star V883 Orionis. This star is currently in outburst, which has pushed the water snow line further from the star and allowed it to be detected for the first time with ALMA. Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2/N. Risinger (skysurvey.org)/M. Kornmesser. Music: Johan B. Monell

Οι δίσκοι ύλης είναι συνήθως έχουν μεγάλη πυκνότητα και έτσι τα επίγεια αλλά και διαστημικά τηλεσκόπια δεν μπορούν να διεισδύσουν στο εσωτερικό τους για αυτό και δεν γνωρίζουμε πολλά δεδομένα για τις διεργασίες στο εσωτερικό τους και για αυτό μέχρι σήμερα δεν είχαν εντοπιστεί ίχνη της συγκεκριμένης περιοχής. Σύμφωνα με τους ερευνητές στο άστρο εκδηλώθηκε μια ξαφνική και εξαιρετικά έντονη έκλαμψη (έκρηξη). Η έκλαμψη υπερθέρμανε τον δίσκο ύλης εκδιώχνοντας ταυτόχρονα την περιοχή των πάγων η οποία… μετακόμισε στις εξωτερικές περιοχές του δίσκου. Έτσι οι ερευνητές κατάφεραν να την εντοπίσουν και να κάνουν τις πρώτες παρατηρήσεις σε αυτή.

Οι «βαρυτικές δίνες» στη γειτονιά μιας μαύρης τρύπας. Gravitational vortex provides new way to study matter close to a black hole

Καλλιτεχνική απεικόνιση του διαστημικού τηλεσκοπίου XMM-Newton της ESA. Artist's impression of the XMM-Newton observatory. Credit: ESA

Μια ομάδα αστρονόμων (Adam Ingram et al) χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του διαστημικού τηλεσκοπίου ακτίνων Χ, XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA), μέτρησε αυτή την «ταλάντωση» παρατηρώντας την χαρακτηριστική γραμμή εκπομπής Χ του σιδήρου, και την ερμήνευσε ως  απόδειξη του φαινομένου Lense-Thirring στο ισχυρό βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας.

Η ανακάλυψη, στην οποία συνέβαλε και το διαστημικό τηλεσκόπιο NuSTAR της NASA, δίνει τέλος σε έναν γρίφο που έμενε άλυτος εδώ και 30 χρόνια, ενώ θα επιτρέψει στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς συμπεριφέρεται η ύλη που βρίσκεται κοντά σε μία μαύρη τρύπα. Επίσης, θα ανοίξει τον δρόμο για πειραματικό έλεγχο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας στην περίπτωση ισχυρών βαρυτικών πεδίων.

Ακολουθώντας μία σπειροειδή τροχιά που θα την οδηγήσει μέσα στη μαύρη τρύπα, η ύλη θερμαίνεται αποκτώντας θερμοκρασία εκατομμυρίων Κελσίου. Έτσι, αρχίζει να εκπέμπει ακτίνες Χ στο διάστημα.

Τη δεκαετία του 1980, αστρονόμοι παρατήρησαν πως η ένταση των ακτίνων Χ μεταβάλλεται, και μάλιστα με ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Αρχικά, ανάμεσα στο μέγιστο και το ελάχιστο της έντασης μεσολαβούν 10 δευτερόλεπτα, ένας χρόνος που ελαττώνεται με την πάροδο των εβδομάδων και των μηνών, έως ότου μηδενισθεί.

Το φαινόμενο ονομάζεται ημι-περιοδική ταλάντωση (QPO), για το οποίο ήδη από τη δεκαετία του 1990 αρκετοί αστρονόμοι υποπτεύθηκαν ότι οφείλεται σε ένα φαινόμενο που προέβλεψε ο Αϊνστάιν, στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, ένα περιστρεφόμενο σώμα στρέφει μαζί του τον χωρόχρονο, με συνέπεια να δημιουργείται τοπικά μία «βαρυτική δίνη».

«Φανταστείτε ότι περιστρέφεται ένα κουτάλι μέσα σε μέλι. Τότε, οποιοδήποτε μικρό σωματίδιο βρίσκεται μέσα στο μέλι θα συμπαρασυρθεί στην κίνηση του κουταλιού», εξηγεί στην ιστοσελίδα της ESA ο αστρονόμος Άνταμ Ίνγκραμ, από το πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και μέλος της ομάδας. «Κάτι που σημαίνει πως οτιδήποτε κινείται σε τροχιά γύρω από το περιστρεφόμενο σώμα, λόγω αυτού του φαινομένου, θα επηρεασθεί η πορεία του».

Στην παραπάνω εικόνα βλέπουμε την καλλιτεχνική άποψη του δίσκου προσαύξησης μιας μαύρης τρύπας, η εσωτερική περιοχή του οποίου υφίσταται μετάπτωση. H περιστροφή μιας μαύρης τρύπας προκαλεί τον στροβιλισμό του χώρου γύρω της και τα εσωτερικά τμήματα του δίσκου προσαύξησης συγκρατούνται στο ισημερινό επίπεδο της τρύπας. Στα τρία αυτά στιγμιότυπα, ο εσωτερικός δίσκος εκπέμπει υψηλής ενέργειας ακτινοβολία η οποία προσπίπτει στην ύλη της εξωτερικής περιοχής του δίσκου προσαύξησης, προκαλώντας τα άτομα σιδήρου σ’ αυτή την περιοχή να εκπέμπουν ακτίνες Χ. Η εκπομπή αυτών των ακτίνων Χ παριστάνεται ως μια λάμψη που «ταλαντώνεται» στον δίσκο προσαύξησης, δείτε: προς τα δεξιά (εικόνα α), προς τα εμπρός (εικόνα β) και προς τα αριστερά (εικόνα γ).Artist's impression of a black-hole system that exhibits the Lense-Thirring effect. Credit: ESA/ATG medialab

Αν το επίπεδο της τροχιάς του αντικειμένου είναι κεκλιμένο, τότε το αποτέλεσμα θα είναι η τροχιά να αρχίζει να αλλάζει προσανατολισμό με περιοδικό τρόπο, επιστρέφοντας έπειτα από έναν «κύκλο» στην αρχική της κατάσταση. Αυτή η περιοδική αλλαγή προσανατολισμού της τροχιάς ονομάζεται φαινόμενο Lense-Thirring και, στην περίπτωση μίας μαύρης τρύπας, ένας τέτοιος «κύκλος» διαρκεί ελάχιστα δευτερόλεπτα.

Επομένως, η διάρκειά του είναι περίπου ίδια με την περίοδο των QPO. Κάτι που έκανε τους επιστήμονες να υποθέσουν πως τα δύο φαινόμενα συνδέονται.

Ο Ίνγκραμ ξεκίνησε να εργάζεται πάνω στο πρόβλημα περίπου πριν από μία δεκαετία, μελετώντας τη συμπεριφορά του «δίσκου συσσώρευσης», δηλαδή του δίσκου που σχηματίζει η ύλη γύρω από μία μαύρη τρύπα, καθώς κινείται σε σπειροειδή τροχιά για να καταλήξει σε αυτήν. Ήταν ήδη γνωστό ότι το τμήμα του δίσκου που βρίσκεται κοντά στη μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε θερμό πλάσμα, όπου τα άτομα «ξεγυμνώνονται» από τα ηλεκτρόνιά τους, τα οποία κινούνται ελεύθερα σε όλη τη μάζα.

Ήδη από το 2009, μαζί με συναδέλφους του ο Ολλανδός επιστήμονας υποστήριζε σε επιστημονικό άρθρο του πως οι αυξομειώσεις της έντασης των ακτίνων Χ οφείλονται στο φαινόμενο Lense-Thirring, και πιο συγκεκριμένα στους «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού της τροχιάς της ύλης σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου. Ωστόσο, παρόλο που στο άρθρο περιγραφόταν ο μηχανισμός, δεν υπήρχαν παρατηρησιακά δεδομένα που να τον αποδεικνύουν.

Τα παρατηρησιακά δεδομένα προέκυψαν από την ακτινοβολία που εκπέμπουν τα άτομα σιδήρου στον δίσκο, καθώς «βομβαρδίζονται» από την ενέργεια που απελευθερώνει το εσωτερικό τμήμα. Η ακτινοβολία αυτή ανήκει στο φάσμα των ακτίνων Χ και, αν η ύλη σε αυτό το εσωτερικό τμήμα του δίσκου ακολουθεί όντως «κύκλους» αλλαγής προσανατολισμού, τότε θα έπρεπε η συχνότητα των ακτίνων Χ από τα άτομα σιδήρου να μεταβάλλεται με ανάλογο τρόπο.

Έτσι, τώρα ο Ίνγκραμ με συναδέλφους του από το Άμστερνταμ, το Κέιμπριτζ, το Σαουθάμπτον και το Τόκιο, έβαλαν στο «μικροσκόπιο» τη μαύρη τρύπα H 1743-322, συγκεντρώνοντας με το τηλεσκόπιο XMM-Newton δεδομένα διάρκειας 260.000 δευτερόλεπτα και με το NuSTAR 70.000 δευτερολέπτων.

Αναλύοντας τις μετρήσεις, διαπίστωσαν πως η συχνότητα των ακτίνων Χ του σιδήρου συμφωνεί με της προβλέψεις της Γενικής Σχετικότητας. «Ουσιαστικά μετρήσαμε άμεσα την κίνηση της ύλης σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο, κοντά σε μία μαύρη τρύπα», σχολιάζει ο επιστήμονας.

Η ίδια τεχνική μπορεί να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για τον έλεγχο της Γενικής Σχετικότητας, η οποία δεν έχει επιβεβαιωθεί σε τόσο ισχυρά βαρυτικά πεδία. Επομένως, αν οι αστρονόμοι μπορούν να κατανοήσουν τη συμπεριφορά της ύλης που «εξαφανίζεται» μέσα σε μία μαύρη τρύπα, θα μπορούν να την αξιοποιήσουν για να ελέγξουν τις προβλέψεις της θεωρίας του Αϊνστάιν σε έως σήμερα «ανεξερεύνητες περιοχές».

Οποιαδήποτε απόκλιση από τις προβλέψεις της θα αποτελεί ένδειξη πως υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία για την περιγραφή της βαρύτητας, αφού η Γενική Σχετικότητα δεν αποτελεί την «τελευταία λέξη» της φυσικής για την ερμηνεία της.

Πηγή: «Gravitational vortex provides new way to study matter close to a black hole»