Μια ματιά του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb στη χημεία του αρχέγονου σύμπαντος
Ολόκληρος ο γαλαξίας φαίνεται δεξιά στο πάνω ένθετο. Η κύρια εικόνα είναι η μεγέθυνση της περιοχής σχηματισμού άστρων στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου, που φιλοξενεί το πρωτοάστρο ST6. Εκεί ανιχνεύθηκαν πολύπλοκα οργανικά μόρια.
Οι αστρονόμοι μελετώντας τον πρωτοαστέρα ST6 στο Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου με τα ειδικά όργανα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, ανίχνευσαν την ύπαρξη πολύπλοκων οργανικών μορίων όπως: μεθανόλη (CH3OH), ακεταλδεύδη (CH3CHO), οινόπνευμα ή αιθανόλη (CH3CH2OH), μυρμηκικός μεθυλεστέρας (HCOOCH3), και ξύδι ή οξικό οξύ (CH3COOH). Εκτός από την μεθανόλη, για τις υπόλοιπες οργανικές ενώσεις είναι η πρώτη αναμφισβήτητη ανίχνευσή τους σε μορφή πάγου εκτός του Γαλαξία μας και σε περιβάλλον χαμηλής μεταλλικότητας. Το φάσμα του ST6 είναι επίσης πλούσιο σε απλές χημικές ενώσεις σε μορφή πάγου: νερό (H2O), διοξείδιο του άνθρακα (CO2), μεθάνιο (CH4), διοξείδιο του θείου (SO2), μυρμηκικό οξύ (HCOOH), αμμωνία (NH3) και ιόντα αμμωνίου NH4+.
Το να βρεθούν αυτές οι πολύπλοκες οργανικές ενώσεις στο πιο παρθένο περιβάλλον του γαλαξία του Μεγάλου Νέφους του Μαγγελάνου μας δείχνει ότι η ζωή μπορεί να ξεκίνησε σε άλλους γαλαξίες πολύ νωρίτερα από ό,τι στη Γη.
Το διαστημικό όχημα Perseverance συνεχίζει την συλλογή και διερεύνηση δειγμάτων πυριγενών και ιζηματογενών πετρωμάτων από το εσωτερικό του κρατήρα Jezero για να προσδιορίσει τις αρχέγονες γεωλογικές διεργασίες στον πλανήτη Άρη, την κατοικησιμότητά του και να αναζητήσει πιθανές βιο-υπογραφές. Στο πλαίσιο αυτών των ερευνών, χθες ανακοινώθηκε η ισχυρότερη ένδειξη (μέχρι την επόμενη) ότι ο Άρης φιλοξενούσε ζωή στο παρελθόν.
Κατά την είσοδό του στην Κοιλάδα Neretva, στη δυτική άκρη του κρατήρα Jezero, το Perseverance διερεύνησε διακριτές εμφανίσεις ιλύολιθων (πετρώματα λάσπης) και συσσωματωμάτων στην περιοχή Bright Angel.
Στην εργασία των ερευνητών Hurowitz et al που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature με τίτλο «Redox-driven mineral and organic associations in Jezero Crater, Mars» , αναφέρεται μια λεπτομερής γεωλογική, πετρογραφική και γεωχημική έρευνα αυτών των πετρωμάτων, που δείχνει ότι οι λασπόλιθοι του δείγματος Sapphire Canyon (από τον σχηματισμό Bright Angel) εκτός από ίχνη οργανικών ενώσεων, περιέχουν οζίδια κλίμακας υποχιλιοστού και ζώνες όπου πραγματοποιήθηκαν χημικές αντιδράσεις σε κλίμακα χιλιοστού εμπλουτισμένες με ορυκτά από ένυδρα φωσφορικά άλατα του σιδήρου και θειούχο σίδηρο. Φαίνεται πως μετά την εναπόθεση των ιζημάτων υπήρξαν χημικές αντιδράσεις οξείδοαναγωγής μεταξύ οργανικής ύλης και χημικών στοιχείων (σίδηρος, θείο, φώσφορος). Η ύπαρξη τέτοιων χημικών διεργασιών σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε υδάτινο περιβάλλον, μπορεί να σχετίζονται με την παρουσία μικροβιακής ζωής, οπότε αυτά τα ευρήματα είναι πιθανές βιοϋπογραφές.
H κοιλάδα Neretva Vallis στον Άρη, όπου το Perseverance Mars της NASA συνέλλεξε και διερεύνησε το δείγμα «Sapphire Canyon» από τον βράχο «Cheyava Falls» στην περιοχή «Bright Angel»!
Η ανακάλυψη δείχνει ότι η περιοχή Bright Angel είχε νερό και χημικές συνθήκες κατάλληλες για ζωή. Πρόκειται για την ισχυρότερη ένδειξη μέχρι σήμερα ότι ο Άρης φιλοξενούσε κάποια μορφή μικροβιακής ζωής στο παρελθόν, αλλά προφανώς ΔΕΝ αποδεικνύει ότι υπήρξε ζωή στον Άρη.
Επτά σημεία αναφοράς, που δείχνουν τα διάφορα στάδια στην αναζήτηση αποδείξεων εξωγήινης ζωής.
Το Perseverance θα συνεχίσει να συλλέγει δείγματα στην κοιλάδα Neretva Vallis καθώς επίσης αναμένεται (;) μια μελλοντική αποστολή της NASA για την επιστροφή των δειγμάτων που συλλέχθηκαν ώστε να μελετηθούν λεπτομερώς στη Γη.
Η απάντηση σε αυτό το φαινομενικά απλό ερώτημα δεν είναι τόσο εύκολη
Τα πρωτόνια και τα νετρόνια που συμμετέχουν στον σχηματισμό των πυρήνων των ατόμων, τα φωτόνια που αντιλαμβανόμαστε ως φως και τα ηλεκτρόνια που δημιουργούν την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, είναι πολύ μικροσκοπικά σωματίδια. Έτσι, παρότι αποτελούν την βάση της καθημερινής μας πραγματικότητας, τείνουν να διαφεύγουν της αντίληψής μας – και της κατανόησής μας.
Στο σχολείο, συνήθως μας διδάσκουν να φανταζόμαστε τα σωματίδια ως μικροσκοπικές, πολύχρωμες σφαίρες, σαν να ήταν στερεά αντικείμενα που με έναν «χάρακα» θα μπορούσαμε να προσδιορίσουμε τις διαστάσεις τους όπως θα κάναμε για οποιοδήποτε άλλο φυσικό αντικείμενο στον κόσμο. Αλλά τα υποατομικά σωματίδια δεν μοιάζουν καθόλου με κάτι τέτοιο. Κι ενώ, για τα μεγαλύτερα σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, υπάρχουν τρόποι για να μετρήσουμε το «μέγεθός» τους με μια πολύ γενική έννοια, για εκείνα που είναι μικρότερα και φαινομενικά πιο «θεμελιώδη», τα επονομαζόμενα στοιχειώδη σωματίδια, η ίδια η έννοια του μεγέθους είναι τόσο ασαφής που καθίσταται σχεδόν άνευ νοήματος.
Τι μπορούμε λοιπόν να απαντήσουμε στην εύλογη ερώτηση «Ποιο είναι το μικρότερο σωματίδιο στο σύμπαν;»
Υπάρχουν πολλές έννοιες για τη λέξη «μικρό». Για παράδειγμα, θα μπορούσαμε να πούμε ότι μια μπάλα από βαμβάκι είναι «μικρή» επειδή είναι πολύ ελαφριά. Ή να πούμε ότι μια μικροσκοπική μεταλλική μπάλα είναι «μικρή» επειδή η ακτίνα της είναι πολύ μικρή, αλλά θα ζύγιζε πολύ περισσότερο από τη μπάλα από βαμβάκι.
Υπάρχει διαφορά μεταξύ ενός σωματιδίου που είναι «μικρότερο» σε μάζα και ενός σωματιδίου που είναι «μικρότερο» σε διάμετρο. Υπάρχει επίσης και μια άλλη σημαντική διαφορά που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Μια λειτουργική διάκριση μεταξύ δύο διαφορετικών κατηγοριών σωματιδίων: φερμιόνια ή σωματίδια «ύλης» όπως τα πρωτόνια ή ηλεκτρόνια που αποτελούν τα πάντα στο σύμπαν και μποζόνια ή σωματίδια «φορείς» δυνάμεων, όπως τα φωτόνια που μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση μεταξύ των φερμιονίων.
Και η πιο βασική διάκριση: υπάρχει η κατηγορία των λεγόμενων στοιχειωδών σωματιδίων, τα οποία «χτίζουν» όλα τα υπόλοιπα σωματίδια. Είτε πρόκειται για φερμιόνιο είτε για μποζόνιο, οι φυσικοί θεωρούν ένα σωματίδιο «στοιχειώδες» εφόσον δεν μπορεί να διασπαστεί περαιτέρω με οποιαδήποτε διαθέσιμη τεχνολογία. Υπό αυτή την έννοια, ορισμένα σχετικά γνωστά σωματίδια, όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια, δεν είναι στοιχειώδη σωματίδια. Αν δώσετε την κατάλληλη «σφαλιάρα» σε ένα πρωτόνιο θα διασπαστεί σε κουάρκ, τα οποία θεωρούνται στοιχειώδη σωματίδια.
Έτσι, όσον αφορά το φυσικό μέγεθος, πιθανότατα θα σκεφτόσασταν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια θα ήταν «μικρότερα» από τα μη στοιχειώδη. Αλλά εκεί είναι που τα πράγματα γίνονται πραγματικά περίπλοκα. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, το οποίο ενσωματώνει όλα τα γνωστά σωματίδια και τις δυνάμεις, εκτός από την βαρύτητα, επιτυγχάνοντας εξωφρενικά ακριβείς φυσικές προβλέψεις, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν έχουν κανένα μέγεθος. Δηλαδή, το να ρωτάμε αν το ένα είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από το άλλο είναι μια ανόητη ερώτηση, παρόμοια με το να αναρωτιόμαστε τι είναι βόρεια του βορείου πόλου ή να προσπαθούμε να διαιρέσουμε με το μηδέν.
Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι Ευκλείδεια σημεία. Δεν είναι ούτε καν μονοδιάστατα. Τα θεωρούμε ως σημεία [μηδενικής διάστασης] που δεν έχουν καθορισμένη θέση. Έτσι, αντί να σκεφτόμαστε τα ηλεκτρόνια ως μικρές μπάλες που περιφέρονται γύρω από έναν ατομικό πυρήνα, στην πραγματικότητα, θα πρέπει να τα σκεφτόμαστε ως ένα νέφος [πιθανοτήτων].
Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια φαίνεται να είναι έτσι, χωρίς να δείχνουν σημάδια βαθύτερης εσωτερικής δομής. Συνεχίζουμε να δοκιμάζουμε για να δούμε αν υπάρχει κάποια χωρική έκταση που να σχετίζεται με αυτά, αλλά δεν βλέπουμε καμία ένδειξη ότι υπάρχει κάτι μέσα σε αυτά τα σωματίδια.
Οι φυσικοί αρέσκονται να παρακάμπτουν αυτήν την αβεβαιότητα κάνοντας κάποιους αντίστροφους υπολογισμούς χρησιμοποιώντας την περίφημη εξίσωση του Albert Einstein E = mc2, η οποία ποσοτικοποιεί την ισοδυναμία μεταξύ ενέργειας και μάζας. Συγκεκριμένα, τέτοιοι υπολογισμοί συνήθως περιλαμβάνουν το ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Χρησιμοποιώντας την εξίσωση του Einstein βρίσκουμε ότι το ηλεκτρόνιο ζυγίζει ουσιαστικά περίπου 0,51 MeV/c2 – δηλαδή, περίπου 9,109×10–31 kg. Σε σύγκριση, το «ελαφρύτερο» κουάρκ, το πάνω κουάρκ, έχει τετραπλάσια και πλέον μάζα, ζυγίζοντας περίπου 2,14 MeV/c2.
Όσο μικρές κι αν είναι αυτές οι τιμές, εξακολουθούν να είναι πολύ μεγαλύτερες από το «μηδέν», που είναι η μάζα κάποιων άλλων σωματιδίων. Αυτά τα λεγόμενα άμαζα σωματίδια είναι αναμφισβήτητα οι καλύτεροι υποψήφιοι και για τα «μικρότερα» σωματίδια.
Μία Ερώτηση, Πολλές Απαντήσεις
Αν μιλάμε για μποζόνια ή τα σωματίδια-φορείς δυνάμεων, ο σαφής νικητής του ανταγωνισμού για το «μικρότερο σωματίδιο του σύμπαντος» θα ήταν το άμαζο φωτόνιο. (Τα γλοιόνια – μποζόνια που συνδέουν τα κουάρκ μεταξύ τους- θεωρούνται επίσης άμαζα, αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθούν επειδή συνήθως παγιδεύονται μέσα σε πρωτόνια και νετρόνια).
Αν μιλάμε για φερμιόνια, τα σωματίδια που είναι τα δομικά στοιχεία της ύλης – μια λογική εικασία για το μικρότερο σωματίδιο του σύμπαντος θα ήταν το νετρίνο. Αυτή είναι μια «εικασία» επειδή δεν γνωρίζουμε ακόμα την ακριβή μάζα του νετρίνο με βεβαιότητα, αν και είμαστε σίγουροι ότι δεν είναι μηδέν. Για να πάρουμε μια ιδέα για την μάζα του νετρίνο, πιθανότατα ζυγίζει περίπου 0,45 eV/c2 – λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου!
Αλλά και πάλι, αυτή είναι μόνο μια προσέγγιση που οι φυσικοί τείνουν να χρησιμοποιούν όταν εξετάζουν το μέγεθος ενός σωματιδίου. Όπως συμβαίνει σε πολλά είδη επιστημονικής έρευνας, η απάντηση που παίρνουμε εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το πώς ακριβώς θέτουμε το ερώτημα.
Το σκοτεινό φορτίο και οι εκρήξεις αρχέγονων μαύρων τρυπών
Σύμφωνα με τη θεωρία οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται εκπέμποντας ακτινοβολία Hawking – φωτόνια και διάφορα υποατομικά σωματίδια – πέρα από τους ορίζοντες γεγονότων τους. Η χαρακτηριστική θερμοκρασία αυτής της εκπομπής, και ο ρυθμός εξάτμισης, είναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα της μαύρης τρύπας. Όταν η μάζα μειώνεται στο μηδέν, ακολουθεί ένα εκρηκτικό φινάλε. Η διαδικασία είναι τόσο αργή που οι ελαφριές μαύρες τρύπες που δημιουργήθηκαν στο αρχέγονο σύμπαν θα μπορούσαν τώρα να εισέρχονται στις τελικές τους φάσεις.
Τα τωρινά τηλεσκόπια ακτίνων γάμμα θα πρέπει να είναι σε θέση να εντοπίσουν κάποια από αυτές τις εκρηκτικές αρχέγονες μαύρες τρύπες, εφόσον βρίσκονται σε απόσταση περίπου 0,3 ετών φωτός. Αλλά λόγω της υποτιθέμενης σπανιότητας των μαύρων τρυπών, τα ανιχνεύσιμα γεγονότα θα πρέπει να συμβαίνουν μόνο μία φορά κάθε εκατό χιλιάδες χρόνια περίπου. Ο Michael Baker και οι συνεργάτες του στο πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst έχουν προτείνει ότι ορισμένες θεωρίες πέραν του καθιερωμένου προτύπου, αν είναι σωστές, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν έναν πολύ μεγαλύτερο πληθυσμό τέτοιων μαύρων τρυπών. Έτσι, υπάρχει πιθανότητα έως και 90% να παρατηρηθεί μια εκρηκτική μαύρη τρύπα τα επόμενα δέκα χρόνια.
Ο αριθμός των εκρήξεων που θα πρέπει να περιμένουμε να δούμε εξαρτάται από το μέγεθος του αρχέγονου πληθυσμού των μαύρων τρυπών, το οποίο δεν μπορεί να υπερβεί το επίπεδο που συνάγεται από το υπόβαθρο. Ο Baker και οι συνεργάτες του υπολόγισαν ότι η ύπαρξη των λεγόμενων σωματιδίων σκοτεινού τομέα, ανάλογα με τα συμβατικά φωτόνια και ηλεκτρόνια, θα μπορούσε να σημαίνει ότι περισσότερες μαύρες τρύπες μπορούν να ταιριάξουν μέασα στα όρια των παρατηρησιακών περιορισμών. Χρησιμοποιώντας ένα απλό μοντέλο σκοτεινής κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, υπέθεσαν ότι οι μαύρες τρύπες αποκτούν ένα σκοτεινό ηλεκτρικό φορτίο αμέσως μετά τον σχηματισμό τους. Αυτό το φορτίο καταστέλλει την εκπομπή Hawking, ελαχιστοποιώντας τη συμβολή τους στο υπόβαθρο ακτίνων γάμμα. Επίσης, παρατείνει τη διάρκεια ζωής των μικρών μαύρων τρυπών που διαφορετικά θα είχαν εκραγεί μέχρι τώρα.
Επομένως, οι αρχέγονες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να σταθεροποιηθούν από μια σκοτεινή “ηλεκτρομαγνητική” αλληλεπίδραση και να καθυστερήσουν το βίαιο τέλος τους μέχρι την σημερινή εποχή, αυξάνοντας την πιθανότητα ανίχνευσης ενός τέτοιου γεγονότος. Η παρατήρηση μιας εκρηκτικής μαύρης τρύπας θα έδινε την πρώτη άμεση απόδειξη αρχέγονων μαύρων τρυπών, την πρώτη άμεση απόδειξη της ακτινοβολίας Hawking και αξιόπιστες πληροφορίες για τα σωματίδια που υπάρχουν στη φύση.
Ένα γιγάντιο κύμα με αστέρια που κυματίζει από το κέντρο του Γαλαξία μας προς τα έξω ανακάλυψε το διαστημικό τηλεσκόπιο Γαία (Gaia) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA).
Σύμφωνα με την δημoσίευση ‘The great wave‘, το αστρικό κύμα στον Γαλαξία μας έχει πλάτος 150 – 200 pc (παρσέκ), και μήκος κύματος (λ) μεγαλύτερο από 4 kpc. Αν η «ακτίνα» του γαλαξιακού δίσκου με τα άστρα είναι γύρω στα 15 kpc, τότε (με το μάτι από την εικόνα) προκύπτει ότι το μήκος κύματος θα είναι γύρω στα λ=7-8 kpc.
Γνωρίζουμε ότι τα αστέρια του Γαλαξία περιστρέφονται γύρω από το κέντρο του και το τηλεσκόπιο Γαία έχει μετρήσει τις ταχύτητες και τις κινήσεις τους. Το ίδιο τηλεσκόπιο ανακάλυψε ότι ο δίσκος του Γαλαξία ταλαντεύεται με την πάροδο του χρόνου παρόμοια με την κίνηση μίας σβούρας. Συνολικά, το διαστημικό τηλεσκόπιο Γαία, που «σίγησε» τον περασμένο Μάρτιο, μας έχει προσφέρει τον μεγαλύτερο και ακριβέστερο πολυδιάστατο χάρτη του Γαλαξία μας. Τώρα η μελέτη των δεδομένων του δίνει στους ερευνητές μία επιπλέον νέα πληροφορία: Ένα μεγάλο κύμα μετακινεί τα άστρα του Γαλαξία μας σε αποστάσεις δεκάδων χιλιάδων ετών φωτός από τον Ήλιο. Η ανακοίνωση του ESA παρομοιάζει αυτό το γαλαξιακό κύμα αστεριών με τους κυματισμούς προς τα έξω που προκαλεί μία πέτρα όταν πέφτει σε μία λίμνη.
Μέσα από τους χάρτες του Γαλαξία μας, που έχουν δημιουργήσει οι επιστήμονες με τη βοήθεια των δεδομένων του Γαία, διακρίνεται ότι το κύμα εκτείνεται σε τεράστιο μέρος του γαλαξιακού δίσκου επηρεάζοντας αστέρια σε απόσταση τουλάχιστον 30 έως 65 χιλιάδων ετών φωτός από το κέντρο του Γαλαξία.
Οι ερευνητές κατάφεραν να εντοπίσουν αυτήν την κίνηση μελετώντας τις λεπτομερείς θέσεις και κινήσεις νεαρών γιγάντιων αστεριών και Κηφείδων, μίας ομάδας μεταβλητών αστεριών που αποτελούν σημαντικούς δείκτες για την κλίμακα γαλαξιακών και εξωγαλαξιακών αποστάσεων. Καθώς αυτά τα αστέρια κινούνται με το κύμα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το αέριο στον δίσκο μπορεί, επίσης, να συμμετέχει σε αυτήν την κυματοειδή ροή.
Ο παραμορφωμένος δίσκος του Γαλαξία μας ταλαντεύεται σαν σβούρα
Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν την προέλευση αυτών των γαλαξιακών δονήσεων. Μία παλαιότερη σύγκρουση με έναν νάνο γαλαξία θα μπορούσε να είναι πιθανή εξήγηση, που ωστόσο πρέπει να διερευνηθεί. Το μεγάλο κύμα θα μπορούσε, επίσης, να σχετίζεται με μία κυματοειδή κίνηση μικρότερης κλίμακας που παρατηρείται σε απόσταση 500 ετών φωτός από τον Ήλιο, αλλά σε διαφορετική περιοχή του γαλαξιακού δίσκου, το λεγόμενο Κύμα Ράντκλιφ.
Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Astronomy and Astrophysics».
Το διαστημικό όχημα Perseverance συνεχίζει την συλλογή και διερεύνηση δειγμάτων πυριγενών και ιζηματογενών πετρωμάτων από το εσωτερικό του κρατήρα Jezero για να προσδιορίσει τις αρχέγονες γεωλογικές διεργασίες στον πλανήτη Άρη, την κατοικησιμότητά του και να αναζητήσει πιθανές βιο-υπογραφές. Στο πλαίσιο αυτών των ερευνών, χθες ανακοινώθηκε η ισχυρότερη ένδειξη (μέχρι την επόμενη) ότι ο Άρης φιλοξενούσε ζωή στο παρελθόν.
Κατά την είσοδό του στην Κοιλάδα Neretva, στη δυτική άκρη του κρατήρα Jezero, το Perseverance διερεύνησε διακριτές εμφανίσεις ιλύολιθων (πετρώματα λάσπης) και συσσωματωμάτων στην περιοχή Bright Angel.
Στην εργασία των ερευνητών Hurowitz et al που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature με τίτλο «Redox-driven mineral and organic associations in Jezero Crater, Mars» , αναφέρεται μια λεπτομερής γεωλογική, πετρογραφική και γεωχημική έρευνα αυτών των πετρωμάτων, που δείχνει ότι οι λασπόλιθοι του δείγματος Sapphire Canyon (από τον σχηματισμό Bright Angel) εκτός από ίχνη οργανικών ενώσεων, περιέχουν οζίδια κλίμακας υποχιλιοστού και ζώνες όπου πραγματοποιήθηκαν χημικές αντιδράσεις σε κλίμακα χιλιοστού εμπλουτισμένες με ορυκτά από ένυδρα φωσφορικά άλατα του σιδήρου και θειούχο σίδηρο. Φαίνεται πως μετά την εναπόθεση των ιζημάτων υπήρξαν χημικές αντιδράσεις οξείδοαναγωγής μεταξύ οργανικής ύλης και χημικών στοιχείων (σίδηρος, θείο, φώσφορος). Η ύπαρξη τέτοιων χημικών διεργασιών σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε υδάτινο περιβάλλον, μπορεί να σχετίζονται με την παρουσία μικροβιακής ζωής, οπότε αυτά τα ευρήματα είναι πιθανές βιοϋπογραφές.
H κοιλάδα Neretva Vallis στον Άρη, όπου το Perseverance Mars της NASA συνέλλεξε και διερεύνησε το δείγμα «Sapphire Canyon» από τον βράχο «Cheyava Falls» στην περιοχή «Bright Angel»!
Η ανακάλυψη δείχνει ότι η περιοχή Bright Angel είχε νερό και χημικές συνθήκες κατάλληλες για ζωή. Πρόκειται για την ισχυρότερη ένδειξη μέχρι σήμερα ότι ο Άρης φιλοξενούσε κάποια μορφή μικροβιακής ζωής στο παρελθόν, αλλά προφανώς ΔΕΝ αποδεικνύει ότι υπήρξε ζωή στον Άρη.
Επτά σημεία αναφοράς, που δείχνουν τα διάφορα στάδια στην αναζήτηση αποδείξεων εξωγήινης ζωής.
Το Perseverance θα συνεχίσει να συλλέγει δείγματα στην κοιλάδα Neretva Vallis καθώς επίσης αναμένεται (;) μια μελλοντική αποστολή της NASA για την επιστροφή των δειγμάτων που συλλέχθηκαν ώστε να μελετηθούν λεπτομερώς στη Γη.
Στα πρώτα στάδια της θερμής Μεγάλης Έκρηξης, στο σύμπαν επικρατούσαν απίστευτα υψηλές θερμοκρασίες. Αλλά κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών της ιστορίας του σύμπαντός μας, ο χώρος διαστέλλεται και το σύμπαν ψύχεται. Σήμερα η θερμοκρασία του σύμπαντος είναι ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Κάποια στιγμή λοιπόν, στο κοσμικό μας παρελθόν το «κλίμα του σύμπαντος πρέπει να ήταν παντού εύκρατο», η θερμοκρασία του σύμπαντος να ήταν 273–300 Κ (0–30 °C). Τίθεται λοιπόν το ερώτημα: όταν στο σύμπαν επικρατούσε … «θερμοκρασία δωματίου» , θα μπορούσε να προκύψει νερό σε υγρή μορφή και πιθανόν να αναπτυχθεί κάποια μορφή ζωής;
Το σύμπαν μας, όπως το παρατηρούμε σήμερα είναι τεράστιο, με τρισεκατομμύρια διάσπαρτους γαλαξίες, καθένας από αυτούς να περιέχει εκατοντάδες δισεκατομμύρια άστρα. Είναι όμως και εξαιρετικά ψυχρό. Εκτός από το φως των άστρων που θερμαίνει την ύλη τοπικά, υπάρχει μόνο ένα πολύ χαμηλής ενέργειας υπόβαθρο ακτινοβολίας που προέρχεται από το ίδιο το σύμπαν: ένα θερμικό λουτρό ακτινοβολίας μέλανος σώματος που αντιστοιχεί σε θερμοκρασία 2,725 K (ή -270,3 oC), λιγότερο από τρεις βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Το σύμπαν μας διαστέλλεται και ψύχεται τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Στην αρχή, ήταν μικρότερο, πυκνότερο, πιο ομοιόμορφο, αλλά και θερμότερο. Στις πρώτες στιγμές της Μεγάλης Έκρηξης οι θερμοκρασίες που επικρατούσαν στο σύμπαν ξεπερνούσαν (σε ενεργειακή αντιστοιχία) κατά πολύ ακόμη και τις τεράστιες θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN. Σε κάποιο σημείο της κοσμικής ιστορίας η θερμοκρασία του σύμπαντος θα ήταν ίση με αυτό που αποκαλούμε «θερμοκρασία δωματίου» – περίπου 300 K (ή 27 oC). Τότε θα επικρατούσαν οι τέλειες συνθήκες για την ύπαρξη υγρού νερού. Κι αν υπήρχαν τα κατάλληλα δομικά υλικά (άνθρακας, οξυγόνο, άζωτο κλπ), ίσως θα μπορούσε να σχηματιστεί κάποια μορφή ζωής, πολύ πριν αυτή εμφανιστεί στη Γη.
Για να εξετάσουμε την ενδιαφέρουσα αυτή εκδοχή πρέπει να βάλουμε τα πράγματα με τη σειρά: Πρώτα να βρούμε πότε το σύμπαν είχε θερμοκρασία γύρω στους 25 oC και στη συνέχεια, ποιά στοιχεία είχαν σχηματιστεί μέχρι τότε. Αν το σύμπαν έφτασε σε θερμοκρασία δωματίου, αφού είχαν σχηματιστεί, έζησαν και πέθαναν τα πρώτα άστρα εμπλουτίζοντας το σύμπαν με βαριά στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να έχουν σχηματιστεί νερό, μακρομόρια και πιθανόν κάποιες μορφές ζωής.
Αν χρησιμοποιήσουμε όσα γνωρίζουμε για το διαστελλόμενο σύμπαν, δεν είναι δύσκολο(*) να εκτιμήσουμε την σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: και να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες τιμές για την θερμοκρασία (T) του σύμπαντος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη:
● T=100 K για t=76 εκατομμύρια χρόνια,
● T=251 K για t=19 εκατομμύρια χρόνια,
● T=273 K για t=17 εκατομμύρια έτη, και
● T=300 K για t=14 εκατομμύρια χρόνια. Επομένως από 14 έως 17 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η θερμοκρασία του σύμπαντος είχε φτάσει περίπου στους 300 – 273 Κ (30°C – 0°C), δηλαδή ήταν κοντά σ’ αυτό που λέμε θερμοκρασία δωματίου. Το «κλίμα» του σύμπαντος τότε ήταν παντού εύκρατο κι αν μέχρι τότε υπήρξαν άστρα ώστε να δημιουργήσουν βαρύτερα στοιχεία, τότε θα μπορούσαν να προκύψουν τα κάταλληλα βιομόρια και ίσως κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα.
Οι εκτιμήσεις για το πότε σχηματίστηκαν τα πρώτα άστρα στο σύμπαν μας, ποικίλλουν: από t=28 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη (και θερμοκρασία T=193 K) έως t=98 εκατομμύρια χρόνια (και θερμοκρασία T=84 K). Όμως είδαμε, πως η εποχή που το σύμπαν είχε θερμοκρασία δωματίου ήταν αρκετά εκατομμύρια χρόνια πριν. Μπορεί κάποιος να ρωτήσει, «είναι πιθανό να σχηματίστηκαν άστρα ακόμη νωρίτερα σε σχέση με ό,τι δείχνουν τα θεωρητικά μοντέλα και οι προσομοιώσεις;» Ίσως είναι δυνατό, αλλά ένα τέτοιο σενάριο θα απαιτούσε κάποιο είδος νέας φυσικής.
Σύμφωνα με τις αποδεκτές αστροφυσικές θεωρίες τα πρώτα 10 με 20 εκατομμύρια χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν δεν είχε εμπλουτιστεί ακόμα με τα άφθονα βαριά στοιχεία που διαχέονται στο σύμπαν όταν τα άστρα πεθαίνουν ως σουπερνόβα. Επομένως, δεν υπήρχαν τα χημικά στοιχεία που συμμετέχουν στην δημιουργία ζωντανών οργανισμών, όταν επικρατούσε θερμοκρασία δωματίου στο σύμπαν.
Μήπως υπήρξε κάποια μορφή βιοχημείας πολύ διαφορετική από αυτή που γνωρίζουμε; Πριν τον σχηματισμό των πρώτων άστρων στο σύμπαν τα μόνα συστατικά που υπήρχαν ήταν: 92% γυμνά πρωτόνια, ή «κανονικό» υδρογόνο, ~8% πυρήνες ηλίου-4, ~0,001%, και αμελητέες ποσότητες κάποιων βαρύτερων στοιχείων.
Εκτός του μονοατομικού υδρογόνου (Η) και του ηλίου (Ηe), μπορούν να υπάρξουν κυρίως δύο απλούστατοι τύποι μορίων: ουδέτερο αέριο υδρογόνο (H2) και υδρίδιο του ηλίου (HeH+). Αλλά αυτά τα άτομα και μόρια δεν μπορούν να συμμετάσχουν στο είδος των χημικών αντιδράσεων που οδηγούν σε μεταβολισμό, που εξάγουν ενέργεια από το περιβάλλον για να δημιουργήσουν σύνθετες, διαφοροποιημένες δομές (ακόμα και απλές μοριακές δομές) που να διεξάγουν ζωτικές διεργασίες και να διαθέτουν την ικανότητα κωδικοποίησης πληροφοριών που θα οδηγήσουν σε αναπαραγωγή ή αυτοαναπαραγωγή. Απαιτείται μια ευρύτερη ποικιλία μορίων, από στοιχεία βαρύτερα του υδρογόνου και του ηλίου, που σχηματίζουν πολυπλοκότερα μόρια, ικανά για πιο σύνθετες διεργασίες. Κι αυτό σημαίνει ότι προαπαιτείται η ύπαρξη εργοστασίων παραγωγής βαρύτερων στοιχείων, δηλαδή των άστρων.
Εν κατακλείδι, πράγματι υπήρξε μια χρονική περίοδος στην ιστορία του σύμπαντος, μεταξύ περίπου 14 και 17 εκατομμυρίων ετών μετά τη Έκρηξη, όπου η επικρατούσα θερμοκρασία ήταν μεταξύ 0 – 30 °C. Αυτή η θερμοκρασία θα επέτρεπε μεγάλες ποσότητες υγρού νερού να επιπλέουν στο διάστημα και ίσως να συντηρούν κάποια μορφή ζωής όπως την γνωρίζουμε σήμερα. Αλλά μέχρι εκείνη την χρονική περίοδο δεν είχαν σχηματιστεί τα πρώτα άστρα που θα παρήγαγαν τα απαραίτητα βαρύτερα στοιχεία της βιοχημείας, όπως το οξυγόνο, ο άνθρακας, το άζωτο κ.ο.κ. Η ζωή μπορεί πράγματι να έχει δημιουργηθεί νωρίτερα από ό,τι υποψιάζονται οι περισσότεροι επιστήμονες σήμερα, αλλά όχι τόσο νωρίς, όσο όταν στο σύμπαν επικρατούσε παντού θερμοκρασία δωματίου!
(*) Όταν ένας γαλαξίας απομακρύνεται από εμάς τότε οι χαρακτηριστικές γραμμές του φάσματος που εκπέμπει μετατοπίζονται προς το ερυθρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το φαινόμενο είναι γνωστό ως μετατόπιση προς το ερυθρό (redshift). H μετατόπιση προς το ερυθρό z δικαιολογεί την διαστολή του σύμπαντος και συσχετίζεται με τον παράγοντα κλίμακας (scale factor) R(t) και την σταθερά του Hubble που ορίζεται ως: . Αποδεικνύεται (δείτε ΕΔΩ) ότι η ερυθρομετατόπιση z συνδέεται με τον παράγοντα κλίμακας με την σχέση: . Επιπλέον, εφαρμόζοντας το νόμο του Wien για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μπορούμε εύκολα να βρούμε την σχέση θερμοκρασίας Τ με την ερυθρομετατόπιση z και τον παράγοντα κλίμακας: , όπου Τ0=2,725 K. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την ‘εξίσωση της διαστολής του σύμπαντος‘ ή εξίσωση του Friedmann , όπου R o παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος και ρ η πυκνότητά του, και θεωρώντας ότι , μετά από κάποιες πράξεις προκύπτει η σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: , όπου Τ0=2,725 Κ και t0 =13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (η σημερινή ηλικία του σύμπαντος).
Πίνεται το νερό που προέρχεται από τους παγωμένους δακτυλίους του Κρόνου; Ναι, αλλά με κάποιες προϋποθέσεις …
Πρόκειται για μια φαινομενικά εύκολη ερώτηση, αλλά δεν είναι και τόσο απλή. Οι δακτύλιοι του Κρόνου παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά από τον Γαλιλαίο το 1610, χωρίς όμως να καταλάβει τι ήταν αυτό που έβλεπε με το χαμηλής διακριτικής ικανότητας τηλεσκόπιό του. Τους αποκαλούσε «αυτιά» του Κρόνου.
Μόλις μερικές δεκαετίες αργότερα οι αστρονόμοι (με πρώτο τον Christiaan Huygens το 1655) συνειδητοποίησαν ότι αυτά τα «αυτιά» ήταν στην πραγματικότητα ένας δακτύλιος που περιέβαλλε τον πλανήτη. Πολλά ήταν ακόμα ασαφή, αλλά ένα πράγμα ήταν σίγουρο: ο δακτύλιος δεν θα μπορούσε να είναι συμπαγής. Η ταχύτητα με την οποία ένα αντικείμενο περιφέρεται γύρω από έναν πλανήτη εξαρτάται από την απόστασή του από το κέντρο του, και ο δακτύλιος του Κρόνου ήταν τόσο πλατύς που το εσωτερικό του άκρο θα περιφερόταν πολύ πιο γρήγορα από το εξωτερικό του, κάτι που θα διασπούσε οτιδήποτε στερεό.
Ενώ οι αστρονόμοι εξέταζαν διάφορες ιδέες για τη δομή των δακτυλίων του Κρόνου, το 1859 ο μεγάλος Σκωτσέζος φυσικός Τζέιμς Κλαρκ Μάξγουελ με την εργασία του «On the Stability of the Motion of Saturn’s Rings» , απέδειξε θεωρητικά ότι η δομή γύρω από τον Κρόνο δεν θα μπορούσε να ήταν ένας ενιαίος στερεός ή ρευστός δίσκος. Αντιθέτως, αποτελούνταν από αμέτρητα μικρά σώματα, τα οποία ήταν αδύνατον τα διακρίνουμε από τη Γη.
Αλλά από τι είναι φτιαγμένα; Παρατηρήσεις κατά τη διάρκεια των αιώνων έχουν αποκαλύψει ότι το κύριο συστατικό των δακτυλίων είναι εκπληκτικά απλό: παγωμένο νερό! Το παλιό καλό, παγωμένο H2O είναι εξαιρετικά συνηθισμένο στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος πολλών δορυφόρων πλανητών και άλλων μικρών σωμάτων.
Επιπλέον, αυτά τα μικρά αντικείμενα σχηματίζουν όχι μόνο έναν δακτύλιο αλλά αρκετούς, και αυτοί οι μεγάλοι δακτύλιοι χαρακτηρίζονται με γράμματα κατά σειρά ανακάλυψης. Ο δακτύλιος Α είναι ο εξώτατος φωτεινός δακτύλιος. Ακριβώς στο εσωτερικό του βρίσκεται ο φωτεινός και πλατύς δακτύλιος Β, ο οποίος περιέχει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του όλου συστήματος δακτυλίων. Στο εσωτερικό του βρίσκεται ο πιο σκοτεινός δακτύλιος C, ο οποίος οδηγεί στον τελικό αμυδρό δακτύλιο D που εκτείνεται σχεδόν μέχρι την ανώτερη ατμόσφαιρα του Κρόνου (ο δακτύλιος D, όπως και οι F, G, E γίνονται δύσκολα γίνονται ορατοί). Συνολικά, αυτοί οι δακτύλιοι εκτείνονται σε σχεδόν 275.000 χιλιόμετρα – τα δύο τρίτα της απόστασης Γης-Σελήνης! Παρά την τεράστια έκτασή τους, οι δακτύλιοι είναι σχεδόν απίστευτα επίπεδοι , σε πολλά σημεία με πάχος μόλις 10 μέτρα.
Στους δακτυλίους του Κρόνου περιέχονται από μικροσκοπικούς κόκκους, έως κομμάτια πάγου με διάμετρο μερικά μέτρα ή και δεκάδες μέτρα.
Στην πραγματικότητα, οι «επιτόπου» παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν από το διαστημόπλοιο Cassini – το οποίο βρισκόταν σε τροχιά γύρω από τον Κρόνο για περισσότερα από δώδεκα χρόνια – έδειξαν ότι σε ορισμένα σημεία οι δακτύλιοι ήταν φτιαγμένοι από σχεδόν τέλεια καθαρό πάγο νερού. Ακόμα καλύτερα, σε αυτές τις περιοχές, τα περισσότερα σωματίδια των δακτυλίων έχουν διάμετρο μερικών εκατοστών ή και μικρότερα – παρόμοια με τα παγάκια που βάζουμε στο ουίσκι.
Ακούγεται ωραίο! Το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να μαζέψετε μερικά τέτοια κρονιακά παγάκια, να τα ζεστάνετε αρκετά (αφού η μέση θερμοκρασία των δακτυλίων είναι περίπου –190 βαθμοί Κελσίου), και να πιείτε μια ωραία, δροσιστική γουλιά. Βέβαια, είναι λίγο δύσκολο να τα συλλέξουμε, δεδομένου ότι ανάλογα με την απόστασή τους από τον Κρόνο οι τροχιακές τους ταχύτητες κυμαίνονται χοντρικά από 10 έως 20 km/s.
Όμως, χρειάζεται προσοχή. Γιατί τα φάσματα των δακτυλίων δείχνουν ότι δεν αποτελούνται από εντελώς καθαρό παγωμένο νερό. Οι δακτύλιοι περιέχουν κι άλλες ουσίες. Και παρότι η περιεκτικότητά τους είναι μικρότερη από 1% κατά βάρος, δεν είναι σαφές τι είναι αυτές οι ουσίες. Η καλύτερη υπόθεση των επιστημόνων είναι ότι προέρχονται από την πρόσπτωση μικρομετεωριτών, μικροσκοπικών σωματιδίων που κινούνται στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα. Αυτό το υλικό επομένως πιθανότατα αποτελείται από πυριτικά άλατα (δηλαδή, βράχους) ή μέταλλα, συγκεκριμένα σίδηρο.
Κανένα από αυτά δεν θα σας βλάψει, αν και η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των ΗΠΑ συνιστά όχι περισσότερο από 0,3 mg σιδήρου ανά λίτρο πόσιμου νερού (για να αποφύγετε τη μεταλλική γεύση). Καλύτερα να περάσετε έναν μαγνήτη πάνω από το νερό του δακτυλίου σας πριν το πιείτε – και πιθανότατα θα πρέπει να φιλτράρετε τυχόν ιζήματα πυριτικών αλάτων.
Από την άλλη πλευρά, τα φάσματα των δακτυλίων υποδηλώνουν επίσης την παρουσία ορισμένων άγνωστων ρύπων με βάση τον άνθρακα. Ένας πιθανός υποψήφιος θα ήταν τα σύνθετα οργανικά μόρια που ονομάζονται πολυκυκλικές αρωματικές ενώσεις ή PAHs, οι οποίες είναι σχετικά διαδεδομένες στο διάστημα. Ένα μόριο που υπάρχει συνήθως στους PAHs είναι το κυανοναφθαλένιο, που θεωρείται καρκινογόνο. (Ωστόσο, δεν είναι σαφές ποιά ποσότητα θέτει κινδύνους για τον άνθρωπο – αν και εφόσον αυτό το συγκεκριμένο μόριο υπάρχει στους δακτυλίους.)
Έτσι, καλύτερα να είστε προσεκτικοί και να αποφεύγετε αυτούς τους πιθανούς ρύπους επιλέγοντας προσεκτικά τους δακτυλίους σας. Για παράδειγμα, η αφθονία του παγωμένου νερού είναι υψηλότερη στους εξωτερικούς δακτυλίους Α και Β, ενώ οι δακτύλιοι C και D φαίνεται να είναι οι πιο μολυσμένοι. Γενικά, μάλλον θα ήταν καλύτερα να επιλέξετε πάγο από τον Α ή τον Β, παραλείποντας εντελώς τους C και D.
Θα μπορούσαν επίσης να υπάρχουν και άλλα σωματίδια πάγου στους δακτυλίους, όπως κατεψυγμένο μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Το μεθάνιο θα πρέπει να βγαίνει με φυσαλίδες όταν ο πάγος υγροποιείται και φυσικά το CO2 είναι αυτό που κάνει τα ανθρακούχα ποτά αφρώδη. Αυτό θα μπορούσε στην πραγματικότητα να προσθέσει μια διασκεδαστική πινελιά στην κατανάλωση νερού από τους δακτυλίους!
Επιπλέον, ο παγωμένος δορυφόρος του Κρόνου Εγκέλαδος, διαθέτει δεκάδες θερμοπίδακες που εκτοξεύουν υγρό νερό από το εσωτερικό του στο διάστημα. Αυτό το υλικό σχηματίζει έναν αχνό, θολό δακτύλιο (τον δακτύλιο Ε), ο οποίος αποτελείται κυρίως από παγωμένο νερό, με μικρές ποσότητες πυριτικών αλάτων, αλλά και βλαβερή αμμωνία.
Παρόλα αυτά φαίνεται ότι τα κομμάτια πάγων από τους δακτύλιους του Κρόνου – εφόσον επιλεχθούν και καθαριστούν προσεκτικά – είναι όντως πόσιμα!
Άραγε, πόσο νερό υπάρχει στους δακτυλίους του Κρόνου; Η συνολική μάζα των δακτυλίων είναι περίπου 1,5×1019 kg, η οποία μπορεί να αποδώσει περίπου 1019 λίτρα πόσιμου νερού. Αυτή η ποσότητα νερού είναι αρκετή για όλους τους ανθρώπους της Γης, για περισσότερα από ένα εκατομμύριο χρόνια.
Τελικά, αν και όταν οι άνθρωποι αρχίσουν να χρησιμοποιούν τις διαπλανητικές διαστημικές λεωφόρους, θα χρειάζονται εξωγήινες πηγές νερού. Στους δακτύλιους του Κρόνου θα μπορούσε να δημιουργηθεί διαστημικός σταθμός ανεφοδιασμού νερού. Δεν ξέρω αν θα είναι πρακτικός, το σίγουρο είναι ότι θα διαθέτει την καλύτερη θέα!
Ένα νέο είδος αστρονομικών αντικειμένωνπου με την βοήθεια της σκοτεινής ύληςθα μπορούσαν να λάμπουν σχεδόν για πάντα
Επιβίωση του λιθίου-7, μετά από 1 δισεκατομμύριο χρόνια, ως συνάρτηση της μάζας για διαφορετικές πυκνότητες σκοτεινής ύλης.
Οι φυσικοί υποθέτουν ότι οι μυστηριώδεις σκοτεινοί νάνοι, ενδεχομένως να βρίσκονται στο κέντρο του Γαλαξία μας, όπου θα λάμπουν ήρεμα για χρονικό διάστημα που δεν δικαιολογούν οι καθιερωμένες αστρικές θεωρίες. Θα μπορούσαν να σχηματιστούν καθώς οι καφέ νάνοι απορροφούν σκοτεινή ύλη, σε περιοχές του Γαλαξία μας όπου η πυκνότητά της είναι αρκετά υψηλή. Η σκοτεινή ύλη – η αόρατη ουσία που πιστεύεται ότι αποτελεί περίπου το ένα τέταρτο του σύμπαντος – αποτρέπει την ψύξη τους μετατρέποντάς τα σε άσβεστους φάρους αόρατης ενέργειας. Θα μπορούσαν να προδοθούν από ένα ισότοπο του λιθίου, το 7Li (λίθιο-7). Κι αν ανιχνευθούν αυτά τα απόκοσμα αντικείμενα, θα μπορύσαν να μας αποκαλύψουν χαρκτηριστικά της ίδιας της σκοτεινής ύλης.
Η υπόθεση των σκοτεινών νάνων διερευνάται στην δημοσίευση του περιοδικού Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) με τίτλο: ‘Dark dwarfs: dark matter-powered sub-stellar objects awaiting discovery at the galactic center‘. Μελετώνται οι επιπτώσεις της εξαΰλωσης της σκοτεινής ύλης στο εσωτερικό αστρονομικών αντικειμένων με μάζες κοντά στο υποαστρικό όριο. Διαπιστώνεται ότι η ελάχιστη μάζα για σταθερή καύση υδρογόνου είναι μεγαλύτερη από την τιμή ~0,075M⊙ που προβλέπεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Κάτω από αυτό το όριο, οι καφέ νάνοι που ψύχονται εξελίσσονται σε σταθερά αντικείμενα που τροφοδοτούνται από σκοτεινή ύλη, τα οποία ονομάζονται σκοτεινοί νάνοι. Η χρονική κλίμακα αυτής της μετάβασης εξαρτάται από την πυκνότητα της σκοτεινής ύλης του περιβάλλοντος, αλλά είναι ανεξάρτητη από τη μάζα της σκοτεινής ύλης. Οι ερυνητές προβλέπουν έναν πληθυσμό σκοτεινών νάνων κοντά στο γαλαξιακό κέντρο, όπου η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης αναμένεται να είναι ρDM ≳ 103 GeV/cm3. Οι σκοτεινοί νάνοι διατηρούν το αρχικό τους λίθιο-7 , σε αντίθεση με τους καφέ ή κόκκινους νάνους που θα το κατέστρεφαν, παρέχοντας έτσι μια μέθοδο για την ανίχνευσή τους.
Χρησιμοποιώντας θεωρητικά μοντέλα, οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να παγιδευτεί μέσα στα νεαρά άστρα, παράγοντας αρκετή ενέργεια που εμποδίζει την ψύξη τους και τα μετατρέπει σε σταθερά, μακράς διαρκείας λαμπερά αντικείμενα που τα βάφτισαν σκοτεινούς νάνους. Οι σκοτεινοί νάνοι θεωρείται ότι σχηματίζονται από καφέ νάνους, οι οποίοι συχνά περιγράφονται ως αποτυχημένα άστρα. Οι καφέ νάνοι είναι πολύ μικροί για να διατηρήσουν την πυρηνική σύντηξη που τροφοδοτεί τα περισσότερα άστρα, επομένως ψύχονται και εξασθενούν με την πάροδο του χρόνου. Αλλά αν βρεθούν σε έναν πυκνό θύλακα σκοτεινής ύλης, όπως κοντά στο κέντρο του Γαλαξία μας, θα μπορούσαν να αιχμαλωτίσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης. Αν αυτά τα σωματίδια συγκρουστούν και αλληλοκαταστραφούν, απελευθερώνουν ενέργεια κάνοντας τον σκοτεινό νάνο να λάμπει επ’ αόριστον.
Η ύπαρξη αυτών των αντικειμένων εξαρτάται από την σκοτεινή ύλη που πιθανόν αποτελείται από συγκεκριμένα είδη σωματιδίων, γνωστά ως WIMPs (Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα). Αυτά τα σωματίδια που μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρούν με την συνηθισμένη ύλη, θα μπορούσαν να εξαϋλωθούν μεταξύ τους μέσα στα άστρα, παρέχοντας έτσι την ενέργεια που απαιτείται για να διατηρηθεί «ζωντανός» ένας σκοτεινός νάνος.
Για να ξεχωρίσουν τους σκοτεινούς νάνους από άλλα αμυδρά αντικείμενα όπως οι καφέ νάνοι, οι επιστήμονες επισημαίνουν ένα μοναδικό στοιχείο: το λίθιο-7. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι σκοτεινοί νάνοι θα εξακολουθούσαν να περιέχουν το ισότοπο 7Li. Στα κανονικά άστρα, το 7Li καταναλώνεται γρήγορα. Έτσι, αν βρεθεί ένα αντικείμενο που μοιάζει με καφέ νάνο αλλά εξακολουθεί να περιέχει 7Li, αυτό θα είναι μια ισχυρή ένδειξη ότι πρόκειται για κάτι διαφορετικό.
Η ανακάλυψη των σκοτεινών νάνων στο γαλαξιακό κέντρο θα μας έδινε μια μοναδική εικόνα για τη σωματιδιακή φύση της σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τους ερευνητές, τηλεσκόπια όπως το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb θα μπορούσαν να εντοπίσουν σκοτεινούς νάνους, ειδικά αν εστιάσουν στο κέντρο του γαλαξία. Μια άλλη προσέγγιση θα ήταν να εξετάσουμε πολλά παρόμοια αντικείμενα και να προσδιορίσουμε στατιστικά το αν κάποια από αυτά θα μπορούσαν να είναι σκοτεινοί νάνοι. Ο εντοπισμός έστω και ενός σκοτεινού νάνου, θα ήταν ένα σημαντικό βήμα προς την αποκάλυψη της αληθινής φύσης της σκοτεινής ύλης.
Καλλιτεχνική αναπαράσταση κατανομής της γνωστής μας ύλης στον διαγαλαξιακό χώρο. Αυτό το διαγαλαξιακό αέριο ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα επειδή είναι εξαιρετικά αραιό. Το μπλε χρώμα επισημαίνει τις πυκνότερες περιοχές του κοσμικού ιστού, και μεταπίπτει προς το κόκκινο για τις αραιότερες περιοχές. Credit: Jack Madden, IllustrisTNG, Ralf Konietzka, Liam Connor/CfA
Η συντριπτική πλειοψηφία της ύλης στο σύμπαν είναι η σκοτεινή ύλη, που είναι εντελώς αόρατη και ανιχνεύεται μόνο διαμέσου των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων. Η συνηθισμένη ύλη – από τα πρωτόνια μέχρι τους πλανήτες και τους ανθρώπους – αποτελεί μόνο το 16%. Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, η συνηθισμένη ύλη εκπέμπει φως διαφόρων μηκών κύματος και επομένως μπορεί να ανιχνευθεί. Αλλά ένα μεγάλο μέρος της διαχέεται ανάμεσα στην άλω που περιβάλλει τους γαλαξίες, αλλά και στο απέραντο διάστημα μεταξύ των γαλαξιών. Αυτό το διαγαλαξιακό αέριο ήταν δύσκολο να παρατηρηθεί άμεσα μέχρι σήμερα επειδή είναι εξαιρετικά αραιό και γι αυτό θεωρείτο ως η «χαμένη» ύλη του σύμπαντος.
Σε μια νέα μελέτη, που δημοσιύεται στο Nature Astronomy με τίτλο «A gas rich cosmic web revealed by partitioning the missing baryons» , αναφέρεται για πρώτη φορά, η ανίχνευση αυτής της ελλείπουσας ύλης. Το επίτευγμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) από μακρινούς γαλαξίες.
Η εν λόγω έρευνα αποκάλυψε ότι το 76% της κανονικής ύλης του σύμπαντος βρίσκεται στον χώρο μεταξύ των γαλαξιών, την διαγαλαξιακή ύλη. Περίπου το 15% βρίσκεται στην άλω των γαλαξιων και το υπόλοιπο 9% συγκεντρώνεται μέσα σε γαλαξίες – σε άστρα, πλανήτες ή σε ψυχρό γαλαξιακό αέριο. Αυτή η κατανομή συμφωνεί με τις προβλέψεις από θεωρητικές κοσμολογικές προσομοιώσεις, αλλά ποτέ δεν είχε επιβεβαιωθεί παρατηρησιακά μέχρι σήμερα.
Η μελέτη εξέτασε συνολικά 69 ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRB) που βρίσκονται σε αποστάσεις που κυμαίνονται από περίπου 11,74 εκατομμύρια έως την πιο μακρινή, περίπου 9,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός (πρόκειται για την FRB 20230521B, που κατέχει το ρεκόρ για της πιο μακρινής FRB που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα). Ενώ έχουν ανιχνευθεί περισσότερες από χίλιες FRB, μόνο για περίπου εκατό έχουν εντοπιστεί οι γαλαξίες προέλευσής τους. Με άλλα λόγια, η προέλευσή τους και οι αποστάσεις τους από τη Γη είναι γνωστές. Σ’ αυτές τις εντοπισμένες ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων βασίστηκε η έρευνα αποκάλυψης της «χαμένης» ύλης.
Από τις 69 εντοπισμένες FRBs στη μελέτη, οι 39 βρέθηκαν χρησιμοποιώντας το DSA (Deep Synoptic Array)-110, ένα δίκτυο 110 ραδιοτηλεσκοπίων στην Καλιφόρνια. Το ραδιοτηλεσκόπιο, το οποίο σχεδιάστηκε ειδικά για να εντοπίζει και να εντοπίζει FRBs, ανίχνευσε τα 39 γεγονότα και προσδιόρισε τον γαλαξία προέλευσής τους, ενώ όργανα στο Παρατηρητήριο WM Keck της Χαβάης και στο Παρατηρητήριο Palomar κοντά στο Σαν Ντιέγκο υπολόγισαν την απόστασή τους. Οι άλλε 30 FRBs στη μελέτη ανακαλύφθηκαν από τηλεσκόπια σε όλο τον κόσμο, κυρίως το Australian Square Kilometre Array Pathfinder.
Η «χαμένη» ύλη του σύμπαντος εντοπίστηκε χρησιμοποιώντας τις ταχείες εκρήξεις ραδιοκυμάτων (FRBs) από μακρινούς γαλαξίες. Η εικόνα δείχνει την καλλιτεχνική απεικόνιση ενός τέτοιου ραδιοπαλμού (FRB) στο ταξίδι του μέσα από την ‘ομίχλη’ μεταξύ των γαλαξιών, γνωστή ως διαγαλαξιακή ύλη. Τα μεγάλα μήκη κύματος, που φαίνονται με κόκκινο, κινούνται πιο αργά σε σύγκριση με τα μικρότερα μήκη κύματος (μπλε χρώμα), επιτρέποντας στους αστρονόμους να «ζυγίσουν» την κατά τα άλλα αόρατη συνηθισμένη ύλη.
Αυτές οι FRBs, αν και από μόνες τους έχουν τεράστιο αστροφυσικό ενδιαφέρον, χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση της χαμένης (συνηθισμένης) ύλης. Καθώς τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν από τις πηγές των FRBs μέχρι τη Γη, σκεδάζονται σε διαφορετικά μήκη κύματος. Πρόκειται για το παρόμοιο φαινόμενο με την ανάλυση του φωτός στα χρώματα του ουρανίου τόξου από ένα πρίσμα. Ο βαθμός αυτής της διασποράς εξαρτάται από τήν ποσότητα της ύλης που συναντά το φως στην πορεία του.
Είναι σαν να βλέπουμε τη σκιά των βαρυονίων, με τις FRBs ως οπίσθιο φωτισμό. Αν δείτε ένα άτομο μπροστά σας, μπορείτε να μάθετε πολλά γι’ αυτό. Αλλά αν δείτε μόνο τη σκιά του, εξακολουθείτε να γνωρίζετε ότι βρίσκεται εκεί και περίπου πόσο μεγάλο είναι.
Αυτή η ανακάλυψη βοηθά τους φυσικούς να κατανοήσουν καλύτερα τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι γαλαξίες. Δείχνει επίσης πώς οι FRBs μπορούν να βοηθήσουν σε κοσμολογικά προβλήματα, συμπεριλαμβανομένου του προσδιορισμού της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα. Το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των σωματιδίων προβλέπει (λανθασμένα) ότι τα νετρίνα δεν θα πρέπει να έχουν μάζα. Όμως οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι αυτά τα σωματίδια διαθέτουν πάρα πολύ μικρή μάζα. Και η γνώση της ακριβούς μάζας των νετρίνων θα μπορούσε επομένως να οδηγήσει σε νέα φυσική
και να πάρουμε μερικές ενδιαφέρουσες τιμές για την θερμοκρασία (T) του σύμπαντος σε διάφορες χρονικές στιγμές μετά την Μεγάλη Έκρηξη:
. Αποδεικνύεται 
. Επιπλέον, εφαρμόζοντας το νόμο του Wien 
για την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου μπορούμε εύκολα να βρούμε την σχέση θερμοκρασίας Τ με την ερυθρομετατόπιση z και τον παράγοντα κλίμακας: 
, όπου Τ0=2,725 K. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας την 
, όπου R o παράγοντας κλίμακας του σύμπαντος και ρ η πυκνότητά του, και θεωρώντας ότι 
, μετά από κάποιες πράξεις προκύπτει η σχέση θερμοκρασίας-ηλικίας σύμπαντος: 
, όπου Τ0=2,725 Κ και t0 =13,8 δισεκατομμύρια χρόνια (η σημερινή ηλικία του σύμπαντος).
