Oι αρχέγονες μαύρες τρύπες και η αναζήτηση σκοτεινής ύλης από το πολυσύμπαν. Primordial black holes and the search for dark matter from the multiverse

Σύμπαντα-μωρά που δημιουργήθηκαν μετά την Μεγάλη Έκρηξη και διαχωρίστηκαν από το  σύμπαν μας θα μπορούσαν να εντοπιστούν από οπτικά τηλεσκόπια ως αρχέγονες μαύρες τρύπες. Baby universes branching off of our universe shortly after the Big Bang appear to us as black holes. Credit:Kavli IPMU

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες προς το παρόν βρίσκονται στο μυαλό των θεωρητικών φυσικών. Υποτίθεται πως σχηματίστηκαν στο αρχέγονο σύμπαν πριν από τον σχηματισμό των άστρων και των γαλαξιών και μπορεί να ευθύνονται για μερικά από τα παρατηρούμενα βαρυτικά κύματα, αλλά και για τις τεράστιες μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών (και στον δικό μας). Θα μπορούσαν επίσης να παίζουν ρόλο στην σύνθεση βαρέων στοιχείων όταν συγκρούονται και καταστρέφουν αστέρες νετρονίων, όπου εξαιτίας της μεγάλης πυκνότητας νετρονίων, παράγονται βαρείς πυρήνες διαμέσου της λεγόμενης γρήγορης διαδικασίας (r-process). Επιπλέον, υπάρχει και η συναρπαστική πιθανότητα η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη, η οποία αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, να συνίσταται από αρχέγονες μαύρες τρύπες.

Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2020 απονεμήθηκε στον θεωρητικό φυσικό Roger Penrose, και τους δύο αστρονόμους, Reinhard Genzel και Andrea Ghez, για τις ανακαλύψεις τους που επιβεβαιώνουν την ύπαρξη μαύρων τρυπών. Δεδομένου ότι οι μαύρες τρύπες είναι γνωστό ότι υπάρχουν στη φύση, αποτελούν έναν ελκυστικό υποψήφιο για την σκοτεινή ύλη.

Μια ομάδα από φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων, κοσμολόγους και αστρονόμους, για να μάθει περισσότερα σχετικά με τις αρχέγονες μαύρες τρύπες έψαξε στο αρχέγονο σύμπαν για σχετικά στοιχεία.  Το αρχέγονο σύμπαν ήταν τόσο πυκνό που κάθε θετική διακύμανση πυκνότητας πάνω από 50% θα δημιουργούσε μια μαύρη τρύπα. Ωστόσο, οι κοσμολογικές διαταραχές που δημιούργησαν τους γαλαξίες είναι γνωστό πως είναι πολύ μικρότερες. Παρ’ όλα αυτά, ένας ορισμένος αριθμός διαδικασιών στο αρχέγονο σύμπαν θα μπορούσε να δημιουργήσει τις κατάλληλες συνθήκες για τον σχηματισμό μαύρων τρυπών.

Ένα ενδιαφέρον ενδεχόμενο είναι ότι οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σχηματιστούν από «σύμπαντα-μωρά» που δημιουργήθηκαν κατά τη διάρκεια του πληθωρισμού, την κοσμολογική περίοδο ταχύτατης διαστολής του σύμπαντος η οποία πιστεύεται πως ευθύνεται για τον σχηματισμό των δομών που παρατηρούμε σήμερα, όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη των γαλαξιών. Κατά την διάρκεια της πληθωριστικής διαστολής, τα σύμπαντα-μωρά μπορούν να διαχωριστούν από το αρχικό σύμπαν. Ένα μικρό θυγατρικό σύμπαν θα μπορούσε τελικά να καταρρεύσει, αλλά η μεγάλη ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται στον μικρό του όγκο προκαλεί τον σχηματισμό μιας μαύρης τρύπας.

Ακόμα πιο περίεργη είναι η μοίρα ενός μεγαλύτερου σύμπαντος-μωρού. Αν λοιπόν είναι μεγαλύτερο από κάποιο κρίσιμο μέγεθος, η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν επιτρέπει το εν λόγω σύμπαν να υπάρχει σε μια κατάσταση που φαίνεται διαφορετική σε έναν παρατηρητή στο εσωτερικό του, σε σχέση με έναν παρατηρητή στο εξωτερικό του. Ένας εσωτερικός παρατηρητής το βλέπει ως διαστελλόμενο σύμπαν, ενώ ένας εξωτερικός παρατηρητής (όπως εμείς) το βλέπει σαν μια μαύρη τρύπα. Και στις δυο περιπτώσεις, τα μεγάλα και τα μικρά θυγατρικά σύμπαντα φαίνονται σε μας ως αρχέγονες μαύρες τρύπες, οι οποίες κρύβουν πίσω από τους «ορίζοντες των γεγονότων τους» ολόκληρα σύμπαντα. Ο ορίζοντας των γεγονότων είναι ένα όριο πέρα από το οποίο οτιδήποτε το διασχίζει, ακόμη και το φως, εγκλωβίζεται δια παντός και δεν μπορεί να διαφύγει από την μαύρη τρύπα.

Hyper Suprime-Cam (HSC): μια γιγαντιαία ψηφιακή κάμερα στο τηλεσκόπιο Subaru. Hyper Suprime-Cam (HSC) is a gigantic digital camera on the Subaru Telescope Credit：HSC project / NAOJ

Στην εργασία τους με τίτλο ‘Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes’, οι Kusenko et al περιγράφουν ένα νέο σενάριο για τον σχηματισμό των αρχέγονων μαύρων τρυπών και δείχνουν ότι οι μαύρες τρύπες από το σενάριο του ‘πολυσύμπαντος’ μπορούν να βρεθούν χρησιμοποιώντας μια γιγαντιαία κάμερα (Hyper Suprime-Cam ή συντομογραφικά HSC) του τηλεσκοπίου Subaru στην Χαβάη.

Ένα άστρο στον γαλαξία της Ανδρομέδας προσωρινά γίνεται λαμπρότερο αν μια αρχέγονη μαύρη τρύπα περάσει μπροστά από το άστρο, διότι το φως του εστιάζεται σύμφωνα με την γενική θεωρία της σχετικότητας. A star in the Andromeda galaxy temporarily becomes brighter if a primordial black hole passes in front of the star, focusing its light in accordance with the theory of gravity. Credit: Kavli IPMU/HSC Collaboration

Η εν λόγω κάμερα έχει την μοναδική ικανότητα να απεικονίζει ολόκληρο τον γαλαξία της Ανδρομέδας κάθε λίγα λεπτά. Αν μια μαύρη τρύπα διασχίσει την γραμμή παρατήρησης του τηλεσκοπίου, μπροστά από ένα άστρο, η βαρύτητα της μαύρης τρύπας καμπυλώνει το φως του κάνοντάς το να φαίνεται λαμπρότερο για ένα μικρό χρονικό διάστημα. Από την διάρκεια αυτής της λαμπρότητας οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν την μάζα της διερχόμενης μαύρης τρύπας. Με την κάμερα HSC είναι δυνατή η ταυτόχρονη παρατήρηση εκατό εκατομμυρίων άστρων, κάτι που ισοδυναμεί με ένα μεγάλο ‘δίχτυ’ για τις αρχέγονες μαύρες τρύπες που πιθανόν να διασχίσουν το οπτικό πεδίο του τηλεσκοπίου.

Οι πρώτες παρατηρήσεις της HSC έχουν αναφέρει ήδη μια πολύ ενδιαφέρουσα παρατήρηση, που θα μπορούσε να είναι μια αρχέγονη μαύρη τρύπα από το ‘πολυσύμπαν’, με μια μάζα συγκρίσιμη με την μάζα της Σελήνης. Μετά από αυτό το ενθαρρυντικό πρώτο εύρημα, ένας νέος γύρος παρατηρήσεων θα ξεκινήσει για να δοθεί μια οριστική απάντηση για το αν οι – βγαλμένες από το σενάριο του πολυσύμπαντος – αρχέγονες μαύρες τρύπες θα είναι η λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης.

Πηγές: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.181304 - https://www.ipmu.jp/en/20201224-PBH-multiverse - https://physicsgg.me/2021/01/02/

 

 

 

 

Στίβεν Γουάινμπεργκ, Τέσσερα πολύτιμα μαθήματα. Steven Weinberg, Four golden lessons

Οι ομιλίες που πραγματοποιούνται στο πλαίσιο της αποφοίτησης είθισται να περιλαμβάνουν την παροχή συμβουλών με επίκεντρο τη ζωή και την εργασία προς τους αποφοιτήσαντες φοιτητές. Όποτε κλήθηκα να μιλήσω σε τελετές αποφοίτησης, κατάφερα σε γενικές γραμμές να αποφύγω τη συγκεκριμένη πρακτική, καθότι δεν γνωρίζω πως μπορώ να συμβουλεύσω φοιτητές που πρόκειται να ακολουθήσουν πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις – στις επιχειρήσεις, τον στρατό, τη νομική, την ακαδημαϊκή ζωή, την πολιτική ή οτιδήποτε άλλο. Ωστόσο, η πρόσκληση να μιλήσω στους νέους αποφοίτους κατά την τελετή αποφοίτησης του τομέα των Επιστημών στο Πανεπιστήμιο ΜακΓκίλ τον Ιούνιο του 2003 ήταν μια εντελώς διαφορετική υπόθεση. Μπορούσα να υποθέσω ότι τουλάχιστον οι περισσότεροι από αυτούς εξέταζαν το ενδεχόμενο μιας σταδιοδρομίας στο πεδίο της επιστημονικής έρευνας και δεν μπορούσα να αντισταθώ στην ευκαιρία που μου δινόταν να επιβαρύνω ένα κοινό μελλοντικών επιστημόνων με τις σκέψεις μου. Θεώρησα ότι η ομιλία υπήρξε αρκετά επιτυχημένη, γι’ αυτό και πρόσθεσα έναν μεγαλεπήβολο τίτλο και την υπέβαλα στο αξιοσέβαστο περιοδικό Nature, το οποίο και την δημοσίευσε τον Νοέμβριο του 2003.  (Steven Weinberg)

«Όταν απέκτησα το πρώτο μου πτυχίο – πριν από περίπου μισό αιώνα – η βιβλιογραφία της φυσικής μου φαινόταν ένας απέραντος, ανεξερεύνητος ωκεανός, τα νερά του οποίου έπρεπε να χαρτογραφήσω με ακρίβεια πριν ξεκινήσω οποιαδήποτε προσωπική έρευνα. Πώς ήταν δυνατό να πετύχω οτιδήποτε χωρίς να γνωρίζω όλα όσα είχαν ήδη γίνει; Ευτυχώς, στη διάρκεια του πρώτου έτους του μεταπτυχιακού μου προγράμματος, είχα την τύχη να πέσω στα χέρια πιο έμπειρων φυσικών (επρόκειτο για τους David Frish και Gunnar Kallen στο Ινστιτούτο Μπορ στην Κοπεγχάγη) οι οποίοι επέμειναν, παρά τις αγωνιώδεις αντιρρήσεις μου, ότι έπρεπε να αρχίσω να κάνω έρευνα και να μάθω ό,τι ήταν απαραίτητο στην πορεία. Ή κολυμπάς ή βουλιάζεις. Προς μεγάλη μου έκπληξη, ανακάλυψα ότι η συγκεκριμένη πρακτική είναι αποτελεσματική. Κατάφερα να αποκτήσω γρήγορα ένα διδακτορικό δίπλωμα – παρόλο που όταν το απόκτησα δεν γνώριζα σχεδόν τίποτα για τη φυσική. Εντούτοις, έμαθα ένα σημαντικό πράγμα: ότι κανένας δεν γνωρίζει τα πάντα, ούτε είναι απαραίτητο να τα γνωρίζει.

Peter Paul Rubens (1577–1640), Hero and Leander (c 1604), oil on canvas, 95.9 × 128 cm, Yale University Art Gallery, New Haven, CT. Wikimedia Commons.

Ένα ακόμα μάθημα που πρέπει να μάθει κανείς, για να συνεχίσω να χρησιμοποιώ την ωκεανογραφική μεταφορά μου, είναι ότι ενώ κολυμπά πρέπει να κατευθύνεται προς ταραγμένα νερά. Όταν δίδασκα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) στα τέλη της δεκαετίας του 1960, ένας φοιτητής μου είπε ότι ήθελε να ασχοληθεί με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας αντί για το πεδίο με το οποίο ασχολούμουν, τη σωματιδιακή φυσική, επειδή οι αρχές της πρώτης θεωρίας ήταν ευρέως, ενώ η δεύτερη θεωρία του φαινόταν χαώδης. Συνειδητοποίησα ότι μόλις είχε δώσει έναν απολύτως καλό λόγο για να πράξει κανείς το αντίθετο.

A strange attractor helps researchers predict what will happen in a chaotic system. davidope for Quanta Magazine

Η σωματιδιακή φυσική ήταν ένα πεδίο όπου υπήρχε περιθώριο να συντελεστεί δημιουργικό έργο. Αποτελούσε πράγματι ένα χαοτικό πεδίο τη δεκαετία του 1960, αλλά από την εποχή εκείνη το έργο πολλών θεωρητικών και πειραματικών φυσικών είχε ως αποτέλεσμα να μπει μια τάξη και να συνενωθούν τα πάντα (βασικά, σχεδόν τα πάντα) σε μια όμορφη θεωρία που είναι γνωστή ως Καθιερωμένο Πρότυπο. Η συμβουλή μου είναι να επιδιώκετε το χάος – εκεί βρίσκεται όλη δράση.

Nicolas Poussin (1594–1665), Helios and Phaeton with Saturn and the Four Seasons (c 1635), oil on canvas, 122 x 153 cm, Staatliche Museen, Berlin. Wikimedia Commons.

Η τρίτη συμβουλή είναι μάλλον η πιο δύσκολη να ακολουθήσει κανείς. Αφορά το να συγχωρέσετε τον εαυτό σας για τον χαμένο χρόνο. Οι φοιτητές στα τμήματα φυσικής καλούνται μόνο να λύνουν τα προβλήματα που οι καθηγητές τους (εκτός κι αν είναι ασυνήθιστα σκληροί) γνωρίζουν ότι είναι επιλύσιμα. Επιπλέον, δεν έχει σημασία αν τα προβλήματα είναι σημαντικά από επιστημονική σκοπιά – πρέπει να τα επιλύσει κανείς για να περάσει το μάθημα. Στον πραγματικό κόσμο, όμως, είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζει κανείς ποια προβλήματα είναι σημαντικά και δεν θα γνωρίζετε ποτέ εάν σε μια συγκεκριμένη στιγμή της ιστορίας ένα πρόβλημα είναι επιλύσιμο.

Στις αρχές του 20ου αιώνα, αρκετοί κορυφαίοι φυσικοί, συμπεριλαμβανομένων των Lorentz και Abraham προσπαθούσαν να επινοήσουν μια θεωρία του ηλεκτρονίου. Στόχος τους εν μέρει ήταν να κατανοήσουν τον λόγο για τον οποίο είχε αποτύχει κάθε απόπειρα να εντοπιστούν οι επιπτώσεις της κίνησης της Γης μέσα στον αιθέρα. Γνωρίζουμε πλέον ότι το πρόβλημα με το οποίο ασχολούνταν ήταν λανθασμένο. Εκείνη την εποχή, κανένας δεν θα ήταν σε θέση να αναπτύξει μια επιτυχημένη θεωρία του ηλεκτρονίου καθώς δεν είχε ανακαλυφθεί ακόμα η κβαντική μηχανική. Ήταν απαραίτητη η ιδιοφυία του Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος συνειδητοποίησε το 1905 ότι το σωστό πρόβλημα με το οποίο έπρεπε να ασχοληθεί κανείς ήταν η επίδραση της κίνησης στις μετρήσεις του χώρου και του χρόνου. Με αυτό τον τρόπο οδηγήθηκε στην ειδική θεωρία της σχετικότητας.

Επειδή δεν θα είστε ποτέ βέβαιοι ποια είναι τα σωστά προβλήματα με τα οποία πρέπει να ασχοληθείτε, ο περισσότερος χρόνος που θα περνάτε στο εργαστήριο ή στο γραφείο σας θα είναι χαμένος. Αν θέλετε να είστε δημιουργικοί, τότε θα πρέπει να συνηθίσετε το γεγονός ότι θα περνάτε τον περισσότερο χρόνο σας χωρίς να είστε δημιουργικοί, παραμένοντας ακίνητοι εν μέσω του ωκεανού των επιστημονικών γνώσεων.

Τέλος, σας προτρέπω να μάθετε κάτι σχετικά με την ιστορία του δικού σας επιστημονικού κλάδου. Ο λιγότερο σημαντικός λόγος για κάτι τέτοιο είναι το γεγονός ότι η ιστορία ενδέχεται να σας φανεί αρκετά χρήσιμη στο πλαίσιο της δικής σας επιστημονικής εργασίας. Για παράδειγμα, συμβαίνει ενίοτε η πίστη των επιστημόνων σε ένα από τα υπεραπλουστευμένα μοντέλα της επιστήμης που έχουν προταθεί από φιλοσόφους, λ.χ. από τον Φράνσις Μπέικον μέχρι τους Τόμας Κουν και Καρλ Πόπερ, να στέκεται εμπόδιο στην εργασία τους. Το καλύτερο αντίδοτο απέναντι στη φιλοσοφία της επιστήμης είναι η γνώση της ιστορίας της επιστήμης.

Joseph Wright of Derby (1734–1797), A Philosopher Giving that Lecture on the Orrery, in which a Lamp is Put in Place of the Sun (1766), oil on canvas, 147.3 x 203.2 cm, Derby Museum and Art Gallery, Derby, England. Wikimedia Commons.

Και το σημαντικότερο: η ιστορία της επιστήμης μπορεί να σας βοηθήσει να θεωρήσετε ότι η εργασία σας είναι αξιόλογη. Ως επιστήμονες, το πιθανότερο είναι ότι δεν θα γίνετε πλούσιοι. Οι φίλοι και οι συγγενείς σας πιθανόν δεν πρόκειται να καταλάβουν με τι ασχολείστε. Και αν εργάζεστε σε ένα πεδίο όπως η φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων δεν θα αντλήσετε καν την ικανοποίηση ότι ασχολείστε με κάτι που είναι άμεσα χρήσιμο. Ωστόσο, μπορείτε να αντλήσετε μεγάλη ικανοποίηση αναγνωρίζοντας ότι η εργασία σας στο πεδίο της επιστήμης αποτελεί μέρος της ιστορίας.

Ernest Rutherford at McGill University in 1905

Ας γυρίσουμε πίσω στον χρόνο το 1903. Πόση σημασία έχει ποιος ήταν ο πρωθυπουργός της Μεγάλη Βρετανίας ή του Καναδά το 1903. Αυτό που ξεχωρίζει ως πραγματικά σημαντικό είναι ότι στο Πανεπιστήμιο ΜακΓκίλ, ο Έρνεστ Ράδερφοντ και ο Φρέντερικ Σόντι μελετούσαν τη φύση της ραδιενέργειας. Η συγκεκριμένη εργασία είχε βεβαίως πρακτικές εφαρμογές, αλλά πιο σημαντικές υπήρξαν οι πολιτισμικές προεκτάσεις της. Η κατανόηση της ραδιενέργειας επέτρεψε τους φυσικούς να εξηγήσουν ότι οι πυρήνες του Ήλιου και της Γης ήταν δυνατό να εξακολουθούν να είναι θερμοί μετά από εκατομμύρια χρόνια. Με αυτόν τον τρόπο, αναιρέθηκε η τελευταία επιστημονική ένσταση απέναντι στις απόψεις πολλών γεωλόγων και παλαιοντολόγων σχετικά με την ηλικία της Γης και του Ήλιου. Στη συνέχεια, οι χριστιανοί και οι εβραίοι έπρεπε είτε να εγκαταλείψουν την πίστη τους στην κυριολεκτική αλήθεια της Βίβλου είτε να αποδεχτούν την πνευματική τους ασημαντότητα. Επρόκειτο για ένα μόνο βήμα σε μια σειρά βημάτων που πραγματοποιήθηκαν από τον Γαλιλαίο μέχρι τον Νεύτωνα και τον Δαρβίνο και φτάνουν έως και σήμερα, τα οποία έχουν καταφέρει κατ’ επανάληψη να αποδυναμώσουν την επιρροή του θρησκευτικού δογματισμού. Αρκεί να διαβάσει κανείς οποιαδήποτε εφημερίδα σήμερα για να διαπιστώσει ότι το συγκεκριμένο έργο δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμα. Εντούτοις, πρόκειται για εκπολιτιστικό έργο, για το οποίο οι επιστήμονες μπορούν να αισθάνονται υπερήφανοι.»

Απόσπασμα από το βιβλίο «Σκέψεις με θέα τη λίμνη: Ο κόσμος μας και το Σύμπαν» του Στίβεν Γουάινμπεργκ (Νομπέλ Φυσικής). Μετάφραση: Αιμιλία – Αλεξάνδρα Κρητικού. Εκδόσεις ΡΟΠΗ.

Πηγές: https://www.nature.com/articles/426389a - https://physicsgg.me/2020/12/30/

 

 

 

Ανακάλυψη εκατοντάδων άστρων με υψηλές ταχύτητες. Almost Six Hundred New High-Velocity Stars Spotted in Milky Way

Οι θέσεις των 591 άστρων υψηλής ταχύτητας. Using data from the Large Sky Area Multi-object Fiber Spectroscopic Telescope (LAMOST) and ESA’s star-mapping satellite Gaia, astronomers have discovered 591 new high-velocity stars in the halo of our Milky Way Galaxy. The positions and orbits of the newly-discovered high-velocity stars. Image credit: Xiao Kong, China’s National Astronomical Observatories.

Μια ομάδα αστρονόμων βασιζόμενη στα δεδομένα των τηλεσκοπίων LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) and Gaia (Global astrometric interferometer for astrophysics), ανακάλυψε 591 άστρα με ταχύτητες μεγαλύτερες από 445 km/sec, ως προς το σύστημα αναφοράς του Γαλαξία μας. Τα 43 από αυτά θα μπορούσαν  και να διαφύγουν από την βαρύτητα του Γαλαξία. (Υπενθυμίζεται ότι ο ήλιος μας έχει γραμμική ταχύτητα 227 km/sec καθώς περιφέρεται γύρω από το Γαλαξιακό Κέντρο).

Η μελέτη τους δημοσιεύθηκε με τίτλο «591 High-velocity Stars in the Galactic Halo Selected from LAMOST DR7 and Gaia DR2» στις 17 Δεκεμβρίου.

Μετά την ανακάλυψη του πρώτου άστρου υψηλής ταχύτητας το 2005, ανακαλύφθηκαν πάνω 550 παρόμοια άστρα τα επόμενα χρόνια. Με τα 591 άστρα υψηλής ταχύτητας που ανακαλύφθηκαν αυτή τη φορά, διπλασιάστηκε ο συνολικός αριθμός τους έτσι ώστε τώρα να ξεπερνούν τα 1.000.

Παρότι τα άστρα με μεγάλες ταχύτητες είναι σπάνια στον Γαλαξία μας, η χαρακτηριστική κινηματική τους μπορεί να συνεισφέρει στην ευρύτερη μελέτη του Γαλαξία μας, από την τεράστια μαύρη τρύπα που βρίσκεται στο κέντρο του έως την γαλαξιακή άλω.

Το LAMOST, το μεγαλύτερο οπτικό τηλεσκόπιο στην Κίνα, μπορεί να παρατηρήσει περίπου 4.000 ουράνιους στόχους με μία μόνο έκθεση. Ξεκίνησε συστηματικές έρευνες το 2012 και δημιούργησε την μεγαλύτερη βάση φασματικών δεδομένων στον κόσμο.

Η Gaia, μια διαστημική αποστολή της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) που ξεκίνησε το 2013, έδωσε, αστρομετρικές παραμέτρους για περισσότερες από 1,3 δισεκατομμύρια πηγές – πρόκειται για την μεγαλύτερη βάση δεδομένων αστρομετρικών παραμέτρων.

«Οι δύο τεράστιες βάσεις δεδομένων μας προσφέρουν μια άνευ προηγουμένου ευκαιρία να βρούμε περισσότερα άστρα με υψηλές ταχύτητες», δήλωσε ο A-Li Luo συν-συγγραφέας της παραπάνω έρευνας. Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι τα 591 άστρα υψηλής ταχύτητας ήταν άστρα της εσωτερικής άλω. Η χαμηλή περιεκτικότητά τους σε μεταλλικά στοιχεία δείχνουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της αστρικής άλω σχηματίστηκε ως συνέπεια της προσαύξησης και της παλιρροιακής διαταραχής των νάνων γαλαξιών.

Η μελέτη και η ανακάλυψη στο μέλλον όλο και περισσότερων άστρων με μεγάλες ταχύτητες, θα συνεισφέρει στην επίλυση πολλών αναπάντητων μέχρι στιγμής ερωτημάτων σχετικά με τον Γαλαξία μας.

Πηγές: https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202012/t20201228_260875.shtml - http://www.sci-news.com/astronomy/milky-way-high-velocity-stars-09202.html - https://physicsgg.me/2020/12/29/

 

 

To μικρότερο χριστουγεννιάτικο δέντρο του κόσμου δεν διακρίνεται με το μάτι. Physics student makes world's smallest Christmas tree

Χωρίς το στολίδι της κορυφής το δέντρο έχει ύψος 4 νανόμετρα. Willems came up with the idea of making a Christmas tree by removing 51 atoms from a perfect crystal lattice. The tree is exactly 4 nanometers tall, or 4 millionths of a millimeter. Credit: TU Delft

Οι περισσότεροι θέλουν το χριστουγεννιάτικο δέντρο τους όσο πιο ψηλό και εντυπωσιακό γίνεται. Η Μάουρα Βίλεμς, φοιτήτρια Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ντελφτ στην Ολλανδία, προτίμησε το ακριβώς αντίθετο.

Η Βίλεμς δημιούργησε το «μικρότερο χριστουγεννιάτικο δέντρο του κόσμου», όπως ανακοίνωσε το πανεπιστήμιο. Το εορταστικό σχήμα είναι ουσιαστικά ένα ανάγλυφο που δημιουργήθηκε αφαιρώντας 51 άτομα από την επιφάνεια ενός τέλειου κρυστάλλου.

Tο δέντρο έχει ύψος 4 νανόμετρα, ή εκατομμυριοστά του χιλιοστού, χωρίς όμως να προσμετράται το στολίδι στην κορυφή.

Ο μόνος τρόπος να δημιουργήσει κανείς κάτι τόσο μικρό είναι το «μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας», ένα όργανο που μπορεί να απεικονίζει και να μετακινεί μεμονωμένα άτομα. Αναπτύχθηκε το 1981 από τους ερευνητές της ΙΒΜ Γκερντ Μπίνιγκ και Χάινριχ Ρόρερ, οι οποίοι τιμήθηκαν το 1986 με Νόμπελ Φυσικής.

Τρία χρόνια αργότερα, το 1989, η IBM παρουσίασε μια διάσημη πλέον εικόνα που δείχνει το όνομα της εταιρείας γραμμένο με άτομα του αερίου ξένου.

Maura Willems. Credit: TU Delft

Το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, γνωστό και ως STM, εξετάζει επιφάνειες υλικών χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά αιχμηρή ακίδα που πλησιάζει το δείγμα σε απόσταση περίπου ενός νανομέτρου. Κβαντικά φαινόμενα που εκδηλώνονται από ατομικές αλληλεπιδράσεις σε αυτή την κλίμακα επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ του άκρου της ακίδας και του δείγματος, και η καταγραφή αυτού του ρεύματος επιτρέπει τελικά την απεικόνιση του ατόμου που βρίσκεται πλησιέστερα στην ακίδα.

Με κατάλληλους χειρισμούς, η ακίδα μπορεί να σχηματίζει δεσμό με το πλησιέστερο άτομο και να το μετακινεί σε άλλη θέση. Αυτή ήταν η μέθοδος που χρησιμοποίησε η Βίλεμς για να απομακρύνει άτομα από την κρυσταλλική επιφάνεια και να σχηματίσει το ανάγλυφο του δέντρου.

Το δέντρο, πιο μικρό από τους περισσότερους ιούς, είναι περίπου 18 δισεκατομμύρια φορές πιο κοντό από το μεγαλύτερο τεχνητό χριστουγεννιάτικο δέντρο του κόσμου σύμφωνα με τα Ρεκόρ Guinness. To δέντρο αυτό στήθηκε το 2016 στη Σρι Λάνκα και είχε ύψος 72,1 μέτρα.

Πηγές: https://www.tudelft.nl/en/2020/tnw/tu-delft-physics-student-makes-worlds-smallest-christmas-tree/ - https://www.in.gr/2020/12/23/b-science/technology/mikrotero-xristougenniatiko-dentro-tou-kosmou-den-diakrinetai-gymno-mati/

 

 

Επιστήμονες πέτυχαν κβαντική τηλεμεταφορά μεγάλης απόστασης ανοίγοντας τον δρόμο για το κβαντικό Διαδίκτυο. Sustained, High-Fidelity Quantum Teleportation Achieved for the First Time

Ερευνητές παρουσίασαν για πρώτη φορά κβαντική τηλεμεταφορά, δηλαδή αποστολή qubits φωτονίων μέσω καλωδίου, σε μεγάλη απόσταση. A viable quantum internet — a network in which information stored in qubits is shared over long distances through entanglement — would transform the fields of data storage, precision sensing and computing, ushering in a new era of communication. Quantum Teleportation Concept.

Πρόκειται για ένα θεμελιώδες βήμα για το κβαντικό Διαδίκτυο, το οποίο θα φέρει την επανάσταση σε πολλούς τομείς (π.χ. επικοινωνία, προγραμματισμός, αποθήκευση δεδομένων).

In a demonstration of high-fidelity quantum teleportation at the Fermilab Quantum Network, fiber-optic cables connect off-the-shelf devices (shown above), as well as state-of-the-art R&D devices. Credit: Fermilab

Επιστήμονες από το Fermilab, την AT&T, το Caltech, το Πανεπιστήμιο Harvard, το Jet Propulsion Laboratory (NASA) και το Πανεπιστήμιο του Κάλγκαρι, έστειλαν δεδομένα μέσω δικτύου οπτικών ινών σε απόσταση 44 χιλιομέτρων, με ακρίβεια μεγαλύτερη του 90%. Το δίκτυο αυτό κατασκευάστηκε με εξοπλισμό που είναι συμβατός με την υπάρχουσα υποδομή διαδικτύου.

Το qubit είναι το κβαντικό ανάλογο του bit, δηλαδή η βασική μονάδα της κβαντικής πληροφορίας. Το μεγάλο πλεονέκτημά του είναι ότι σε αντίθεση με τα κλασσικά ψηφιακά συστήματα, δεν είναι διακριτό, δηλαδή μπορεί να βρίσκεται ταυτόχρονα και στις δύο καταστάσεις λειτουργίας του (0 και 1). Ουσιαστικά, η κβαντική τηλεμεταφορά είναι μια μεταφορά κβαντικών καταστάσεων από τη μία τοποθεσία στην άλλη. Αυτό το επίτευγμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας την «κβαντική εμπλοκή», κατά την οποία δύο κβαντικά αντικείμενα είναι συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να μοιράζονται την ίδια πληροφορία ταυτόχρονα.

Panagiotis Spentzouris (Fermilab Quantum Institute)

«Θέλαμε να ωθήσουμε την έρευνα και να κάνουμε σημαντικά βήματα προς την υλοποίηση πραγματικών εφαρμογών στις κβαντικές επικοινωνίες και τα δίκτυα αλλά και να δοκιμάσουμε θεμελιώδεις έννοιες της φυσικής», δήλωσε ο Παναγιώτης Σπεντζούρης, επικεφαλής του τμήματος Κβαντικών Επιστημών του Fermilab Quantum Institute.

Instruments of high-fidelity quantum teleportation at CQNET Labs (Downs-Lauritsen Laboratory)

Οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να εκτελέσουν υπολογισμούς σχεδόν 100 τρισεκατομμύρια φορές γρηγορότερα από τον πιο ισχυρό υπερυπολογιστή στον κόσμο. Ομάδες από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας και από τη Google, έχουν πετύχει τέτοια επιτεύγματα χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές μεθόδους. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ παρουσίασε πρόσφατα ένα σχέδιο για το εθνικό κβαντικό Διαδίκτυο στο Σικάγο και το νέο επίτευγμα θα μπορούσε «να θέσει τα θεμέλια για την κατασκευή ενός κβαντικού δικτύου της περιοχής του Σικάγο», δήλωσε ο Σπεντζούρης.

Maria Spiropulu. Professor of Physics, Physics Department, California Institute of Technology.

«Είμαστε πολύ υπερήφανοι για το επίτευγμα μας στη δημιουργία υψηλής απόδοσης κβαντικών συστημάτων τηλεμεταφοράς που είναι βιώσιμα και κλιμακούμενα», δήλωσε η Μαρία Σπυροπούλου, καθηγήτρια Φυσικής στο Caltech και επικεφαλής του ερευνητικού προγράμματος IN–Q–NET. «Οι αναβαθμίσεις αναμένεται ότι θα έχουν ολοκληρωθεί μέσα στο δεύτερο τρίμηνο του 2021 για ακόμη καλύτερα αποτελέσματα».

Πηγές: “Teleportation Systems Toward a Quantum Internet” by Raju Valivarthi, Samantha I. Davis, Cristián Peña, Si Xie, Nikolai Lauk, Lautaro Narváez, Jason P. Allmaras, Andrew D. Beyer, Yewon Gim, Meraj Hussein, George Iskander, Hyunseong Linus Kim, Boris Korzh, Andrew Mueller, Mandy Rominsky, Matthew Shaw, Dawn Tang, Emma E. Wollman, Christoph Simon, Panagiotis Spentzouris, Daniel Oblak, Neil Sinclair and Maria Spiropulu, 4 December 2020, PRX Quantum. DOI: 10.1103/PRXQuantum.1.020317 - https://scitechdaily.com/sustained-high-fidelity-quantum-teleportation-achieved-for-the-first-time/ - https://www.ert.gr/eidiseis/epistimi/epistimones-petychan-kvantiki-tilemetafora-megalis-apostasis-anoigontas-ton-dromo-gia-to-kvantiko-diadiktyo/

 

O γαλαξίας μας είναι γεμάτος με ‘νεκρούς’ εξωγήινους πολιτισμούς που μάλλον αυτοκαταστράφηκαν. An updated way to calculate the likelihood of the existence of extraterrestrial civilizations

Οι περισσότεροι από τους εξωγήινους πολιτισμούς που ενδεχομένως να υπήρξαν στον γαλαξία μας μάλλον είναι ήδη «νεκροί»- ίσως έχοντας αυτοκαταστραφεί, σύμφωνα με νέα έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο arXiv. A small team of researchers from California Institute of Technology, NASA's Jet Propulsion Laboratory and Santiago High School has developed an updated version of an old equation to calculate the likely existence of extraterrestrial civilizations.  Image: Unsplash

Όπως αναφέρει το Live Science, η έρευνα αυτή χρησιμοποίησε σύγχρονα αστρονομικά και στατιστικά μοντέλα για να απεικονίσει την εμφάνιση και τον θάνατο της νοήμονος ζωής στον χώρο και στον χρόνο ανά τον γαλαξία μας.

A long-exposure photograph of the Milky Way overlaid by the Drake equation: an equation developed by Frank Drake in 1961 for estimating the number of extraterrestrial civilizations in the galaxy. Image via Medium.com.

Τα αποτελέσματά της αντιστοιχούν σε ένα ακριβέστερο update της διάσημης Εξίσωσης του Ντρέικ, δημιούργημα του Φρανκ Ντρέικ- ενός εκ των ιδρυτών του SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence)- το 1961. Η εξίσωση αυτή, που έγινε ιδιαίτερα γνωστή, χάρη στη μίνι σειρά «Cosmos» του Καρλ Σέιγκαν, βασίζεται σε μια σειρά μεταβλητών για να υπολογίσει τον αριθμό των πιθανών εξωγήινων πολιτισμών στον γαλαξία μας.

Το νέο αυτό επιστημονικό άρθρο, που συντάχθηκε από τρεις φυσικούς του Caltech και ένα παιδί λυκείου, από το Santiago High School, έχει πιο πρακτικό χαρακτήρα, καθώς λέει πού και πού είναι πιθανότερο να εμφανιστεί ζωή στον γαλαξία και υποδεικνύει τον παράγοντα που θεωρείται σημαντικότερος: Την τάση των νοήμονων όντων προς την αυτοκαταστροφή.

«Από την εποχή του Σέιγκαν, έχουν γίνει πολλές έρευνες» είπε ο Τζόναθαν Τζιάνγκ, ένας εκ των ερευνητών, αστροφυσικός στο JPL της NASA στο Caltech. «Ειδικά από τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και Kepler έχουμε πολλές γνώσεις για τις πυκνότητες (αερίων και άστρων) στον γαλαξία, τους ρυθμούς σχηματισμού άστρων και τον σχηματισμό εξωπλανητών…και τη συχνότητα εκρήξεων σουπερνόβα. Ξέρουμε τώρα κάποιους από τους αριθμούς (που ήταν μυστήρια κατά το διάσημο επεισόδιο του “Cosmos”)».

Οι ερευνητές εξέτασαν μια σειρά από παράγοντες που θεωρείται ότι επηρεάζουν την ανάπτυξη νοήμονος ζωής, όπως τη συχνότητα της εμφάνισης άστρων σαν τον ήλιο με πλανήτες σαν τη Γη, τη συχνότητα θανατηφόρων σουπερνόβα, την πιθανότητα και τον απαιτούμενο χρόνο που απαιτούνται για την εξέλιξη νοήμονος ζωής υπό σωστές συνθήκες και την πιθανή τάση των προηγμένων πολιτισμών να αυτοκαταστρέφονται. Προσομοιώνοντας την εξέλιξη του γαλαξία στο πέρασμα του χρόνου έχοντας κατά νου αυτούς τους παράγοντες, διαπίστωσαν ότι η πιθανότητα της εμφάνισης ζωής με βάση παράγοντες που είναι γνωστοί κορυφώθηκε σε απόσταση περίπου 13.000 ετών φωτός από το κέντρο του γαλαξία, και ο ανθρώπινος πολιτισμός εμφανίστηκε στην επιφάνεια του πλανήτη μας περίπου 13,5 δισ. χρόνια μετά τον σχηματισμό του γαλαξία (αν και απλές μορφές ζωής εμφανίστηκα σχετικά σύντομα). Όπως γράφει το Live Science, με άλλα λόγια είμαστε ένας πολιτισμός των «συνόρων» από άποψης γαλαξιακής γεωγραφίας και θα ήμασταν σχετικά καθυστερημένοι στη «σκηνή» των πολιτισμών του γαλαξία. Ωστόσο, θεωρώντας πως η ζωή εμφανίζεται σχετικά συχνά και κάποιες φορές οδηγεί σε νοήμονες μορφές, υπάρχουν πιθανώς άλλοι πολιτισμοί εκεί έξω, κυρίως γύρω από την εν λόγω «μπάντα» των 13.000 ετών φωτών, λόγω της συχνότητας των άστρων σαν τον ήλιο εκεί.

In this new study, scientists considered the new factors and added something else not considered in 1961—other extraterrestrial civilizations’ likelihood arising and then unintentionally killing themselves off. Credit: Pixabay/CC0 Public Domain

Οι περισσότεροι από τους πολιτισμούς που ενδεχομένως να υπάρχουν στον γαλαξία σήμερα είναι πιθανότατα νέοι, λόγω της πιθανότητας πως η νοήμων ζωή είναι πολύ πιθανό να αυτοκαταστρέφεται μέσα σε μεγάλα χρονικά διαστήματα. Ακόμα και αν ο γαλαξίας έφτασε στο «ζενίθ» του όσον αφορά στους πολιτισμούς πάνω από 5 δισ. χρόνια πριν, οι περισσότεροι που υπήρχαν τότε έχουν μάλλον αυτοκαταστραφεί, εκτιμούν οι ερευνητές.

Η πιο «αβέβαιη» μεταβλητή στην εν λόγω έρευνα είναι η συχνότητα με την οποία αυτοκαταστρέφονται οι πολιτισμοί- ωστόσο θεωρείται επίσης η σημαντικότερη ως προς το πόσο εξαπλωμένος είναι ο πολιτισμός γενικότερα, εκτιμούν οι ερευνητές. Ακόμα και μια χαμηλή πιθανότητα αυτοκαταστροφής ενός πολιτισμού, ανά οποιαδήποτε χρονική περίοδο, θα σήμαινε πως η συντριπτική πλειονότητα των πολιτισμών του γαλαξία μας έχουν ήδη «πεθάνει», σύμφωνα με την έρευνα- η οποία έχει υποβληθεί σε επιστημονικό περιοδικό για δημοσίευση και αναμένεται να εξεταστεί και από άλλους επιστήμονες.

Όπως σημειώνεται σε σχετικό δημοσίευμα του Phys.org, τόσο οι άνθρωποι όσο και άλλα πλάσματα έχουν την τάση καταστροφής του περιβάλλοντός τους: Εάν σε ένα νησί καταφθάσουν αρουραίοι, θα καταναλώσουν οτιδήποτε μπορεί να φαγωθεί και μετά θα λιμοκτονήσουν- ενώ οι άνθρωποι επιβαρύνουν σημαντικά τον πλανήτη τους, με κίνδυνο να φτάσει σε σημείο να μη μπορεί να υποστηρίξει ζωή. Με βάση αυτά τα δεδομένα, συν όσα έχουμε μάθει από την εποχή του Ντρέικ – πχ νέα στοιχεία για την ηλικία του σύμπαντος, τις συνθήκες μετά το Big Bang, τους εξωπλανήτες κ.α.- οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα πως, αν έχουν εμφανιστεί εξωγήινοι πολιτισμοί, οι περισσότεροι πλέον έχουν εκλείψει, λόγω της αδυναμίας τους να αποτρέψουν την ίδια τους την εξαφάνιση. Ωστόσο, όπως γράφει το Phys.org, τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας δεν αποσκοπούν στην πιθανότητα της ύπαρξης εξωγήινων πολιτισμών, μα σε μια νέα «φόρμουλα» που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να γίνουν υπολογισμοί από άλλους με βάση δεδομένα τα οποία θεωρούν αληθή.

Πηγές: A Statistical Estimation of the Occurrence of Extraterrestrial Intelligence in the Milky Way Galaxy, arXiv:2012.07902 [astro-ph.GA] arxiv.org/abs/2012.07902 - https://phys.org/news/2020-12-likelihood-extraterrestrial-civilizations.html - https://www.naftemporiki.gr/story/1673453/o-galaksias-mas-pithanos-einai-gematos-me-nekrous-eksogiinous-politismous-sumfona-me-nea-ereuna

 

 

 

Πως φαίνεται ο κορωνοϊός από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. A Close-up of COVID-19 in Lung Cells

This colorized scanning electron microscope (SEM) image shows SARS-CoV-2-infected human lung cells (purple) covered in hair-like cilia (blue). Those cilia line the inner surface of the airways and help to clear mucus (yellow-green) containing dust and other debris from the lungs. Emerging from the surface of those infected airway cells are many thousands of coronavirus particles (red). Credit: Ehre Lab, UNC School of Medicine

Η εικόνα είναι από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και χρωματίστηκε εκ των υστέρων. Δείχνει κύτταρα των πνευμόνων (μωβ) καλυμμένα από βλεφαρίδες (μπλε). Οι βλεφαρίδες που μοιάζουν με τριχίδια βοηθούν στον καθαρισμό της βλέννας (κιτρινοπράσινο) που περιέχει σκόνη και άλλα σωματίδια από τους πνεύμονες. Χιλιάδες ιοί SARS-CoV-2 (κόκκινο) αναδύονται από την επιφάνεια αυτών των μολυσμένων πνευμονικών κυττάρων-αεραγωγών.

In a laboratory setting, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) was inoculated into human bronchial epithelial cells. This inoculation, which was performed in a biosafety level 3 facility, had a multiplicity of infection (indicating the ratio of virus particles to targeted airway cells) of 3:1. These cells were then examined 96 hours after infection with the use of scanning electron microscopy. An en face image (Panel A) shows an infected ciliated cell with strands of mucus attached to the cilia tips. At higher magnification, an image (Panel B) shows the structure and density of SARS-CoV-2 virions produced by human airway epithelial cells. Virus production was approximately 3×106 plaque-forming units per culture, a finding that is consistent with a high number of virions produced and released per cell. Credit: Ehre Lab, UNC School of Medicine

Αυτή η εικόνα, δημοσιεύθηκε ασπρόμαυρη πρόσφατα από την Camille Ehre, στο περιοδικό New England Journal of Medicine.

Πηγές: SARS-CoV-2 infection of airway cells - https://directorsblog.nih.gov/2020/12/17/a-close-up-of-covid-19-in-lung-cells/ - https://physicsgg.me/2020/12/21