Φυσική των Μελανών Οπών !

Με τον όρο μελανή οπή (μαύρη τρύπα, black hole), εννοούμε την τελική κατάσταση ενός αστέρα ο οποίος έχει καταρρεύσει επειδή η θερμική του πίεση δεν είναι δυνατόν να εξισορροπήσει την βαρυτική συστολική πίεση. Ο αστέρας έχει πλέον μετατραπεί σε ένα αντικείμενο με άπειρη πυκνότητα. Για κάθε μελανή οπή υπάρχει η χαρακτηριστική ακτίνα Schwarchild, σε αποστάσεις μικρότερες από την οποία ακόμη και το φως (φωτόνια), αδυνατεί να διαφύγει από την έλξη της κι εγκλωβίζεται στο εσωτερικό της.

Η ακτίνα Schwarchild ορίζει τον ονομαζόμενο ορίζοντα γεγονότων (event horizon) της μελανής οπής.

Ύλη και φωτόνια τα οποία βρίσκονται στο εσωτερικό της επιφάνειας η οποία περιλαμβάνει τη μάζα μιας αξονικά συμμετρικής μελανής οπής, η οποία ονομάζεται στατικό όριο (static limit) δεν μπορούν να διαφύγουν προς το άπειρο. Επίσης το στατικό όριο έχει την εξής ιδιότητα: τα υλικά σώματα και τα φωτόνια δεν μπορούν να παραμείνουν ακίνητα στο εσωτερικό του αλλά περιφέρονται γύρω από το κέντρο της μελανής οπής.

Ο χώρος μεταξύ των επιφανειών αυτών ονομάζεται εργόσφαιρα (ergosphere) και είναι δυνατόν να υπάρξουν σ' αυτόν τροχιές σωματιδίων με αρνητική ολική ενέργεια. Για τον Ήλιο η ακτίνα Schwarchild είναι μόλις 3 Km πολύ μικρότερη από την πραγματική του ακτίνα η οποία είναι 700.000 Km. Έτσι αν ο Ήλιος συρρικνωθεί από τη σημερινή του ακτίνα σε αυτή των 3 Km τότε δεν θα είναι πλέον ορατός, διότι θα έχει μετατραπεί σε μελανή οπή.

Οι μελανές οπές παρουσιάζουν μια σημαντική ιδιαιτερότητα για τα χρονικά της Φυσικής:

Πρώτα αναπτύχθηκε ο μαθηματικός τους φορμαλισμός και στη συνέχεια έγινε δυνατή η παρατήρησή τους από τους Αστροφυσικούς.

Υπάρχουν τέσσερις λύσεις των εξισώσεων πεδίου της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας (General Theory of Relativity) οι οποίες περιγράφουν μελανές οπές. Οι λύσεις αυτές είναι και οι μοναδικές ακριβείς λύσεις των εξισώσεων πεδίου της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Από αυτές τις στάσιμες (δεν εξαρτώνται από το χρόνο) κι ασυμπτωτικά επίπεδες λύσεις (σε μεγάλες αποστάσεις τείνουν στον ευκλείδειο χώρο, όπως θα δούμε παρακάτω η γεωμετρία του χωροχρόνου είναι μη ευκλείδεια) η λύση Kerr - Newmann που εξαρτάται από τη μάζα , το φορτίο , και τη στροφορμή, εμπεριέχει και τις τρεις άλλες.

Aπό την μέχρι τώρα παρουσίαση είναι προφανές ότι τον κυρίαρχο ρόλο στο μηχανισμό της δημιουργίας των μελανών οπών παίζει η βαρυτική δύναμη, ή καλύτερα το βαρυτικό πεδίο. Το βαρυτικό πεδίο μελετήθηκε αρχικά από τον Isaak Newton για να αναπτυχθεί από τον Albert Einstein πλήρως το 1915 και την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Στο ατομικό και υποατομικό επίπεδο, το βαρυτικό πεδίο έχει αμελητέα επίδραση διότι κυριαρχεί η ισχυρή πυρηνική δύναμη μεταξύ των νουκλεονίων , αλλά και το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων.

Στις εκρήξεις υψηλών ενεργειών στο Σύμπαν η βαρύτητα κάνει αισθητή την παρουσία της, οι άλλες τρεις δυνάμεις (ηλεκτρομαγνητική , ασθενής πυρηνική και ισχυρή πυρηνική) δεν έχουν ουσιαστική συνεισφορά.

Το 1974 ο Βρεττανός Stephen Hawking ανακάλυψε το γεγονός ότι οι μελανές οπές ακτινοβολούν. Σύμφωνα με την κλασική θεωρία της Σχετικότητας κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει. Οι μελέτες όμως των κβαντικών διακυμάνσεων του κενού στις περιοχές των μελανών οπών, στα αυστηρά πλαίσια της Κβαντομηχανικής (Quantum Mechanics) , έδειξαν ότι οι μελανές οπές ακτινοβολούν. Πρόκειται για ακτινοβολίες με μήκη κύματος που τις κατατάσσουν στις ακτίνες Χ και γ. Tα φωτόνια αυτά δεν προέρχονται από το εσωτερικό τμήμα της μελανής οπής αλλά από το κενό που υπάρχει γύρω από τον ορίζοντα γεγονότων της.

Η ύπαρξη της ακτινοβολίας των μελανών οπών φαίνεται να μας δείχνει ότι η βαρυτική κατάρρευση δεν είναι μια τόσο μη αντιστρεπτή κατάσταση. H θερμοκρασία τους ειναι αντιστρόφως ανάλογη με τη μάζα τους, επομένως μόνο μελανές οπές με μικρή μάζα ακτινοβολούν αισθητά. Το γεγονός αυτό καθιστά τις μικρότερου μεγέθους μελανές οπές πιο εύκολα παρατηρήσιμες. Η συνεχής ακτινοβολία όμως τις οδηγεί στην "εξαέρωση" (evaporation) μια μορφή έκρηξης η οποία και τις εξαφανίζει.

Οι πιθανοί μηχανισμοί δημιουργίας τους στο Σύμπαν, έχουν άμεση σχέση με την εξέλιξη αστέρων με μάζα πολλαπλάσια της μάζας του Ήλιου.

Οι μηχανισμοί αυτοί είναι:

α) Άμεση κατάρρευση του αστέρα σε μελανή οπή.

β) Κατάρρευση του αστέρα και δημιουργία ενός θερμού αστέρα νετρονίων ο οποίος στη συνέχεια μετατρέπεται σε μελανή οπή.

γ) Διπλό σύστημα αστέρων ο ένας εκ των οποίων είναι αστέρας νετρονίων ο οποίος λόγω προσαύξησης από το συνοδό του καταρρέει σε μελανή οπή.

Από τα διπλά συστήματα αστέρων τα οποία εκπέμπουν ακτινοβολία Roentgen - ακτίνες Χ - περισσότερο ενδιαφέρον έχει το Cygnus X - 1 διότι υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να κρύβει μια μελανή οπή. Eπίσης γύρω από τον πυρήνα του γαλαξία Μ 87 (του λαμπρότερου γαλαξία του σμήνους της Παρθένου) παρατηρήθηκε το 1994 από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble Space Telescope, μια πιθανή μελανή οπή με μάζα ίση με 1 δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες.

Η κατανομή των γεγονότων στο χωροχρόνο - τον τετραδιάστατο χωροχρόνο όπου η τέταρτη διάσταση είναι ο χρόνος t - και συγκεκριμένα στα χωροχρονικά συστήματα αξόνων σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας (Special Theory of Relativity), σε παρόν παρελθόν και μέλλον ταυτίζεται με τον κώνο φωτός του μέλλοντος κι εκείνον του παρελθόντος ενώ οι δύο κώνοι έχουν κοινό άξονα συμμετρίας και κοινή κορυφή, σημείο που αντιστοιχεί στο παρόν.Το παρόν όμως ενός παρατηρητή μπορεί να είναι διαφορετικό από το παρόν κάποιου άλλου.

Η γεωμετρία του χωροχρόνου είναι μη ευκλείδεια. Η μη ευκλείδεια γεωμετρία μελετά σχήματα σε καμπύλες επιφάνειες όπως μια σφαίρα ή η επιφάνεια ενός σέλαος. Αυτές οι επιφάνειες δεν έχουν καθόλου ευθείες γραμμές και οι ιδιότητες των γεωμετρικών σχημάτων είναι διαφορετικές από εκείνες των επιπέδων σχημάτων. Οι ευθείες γραμμές αντικαθίστανται από γραμμές οι οποίες δείχνουν το συντομότερο δρόμο μεταξύ των σημείων. Οι γραμμές αυτές ονομάζονται γεωδαιτικές. Οι γεωδαιτικές της Γης για παράδειγμα είναι οι μεσημβρινοί της. Θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε τρίγωνα πάνω σε μία σφαίρα των οποίων οι πλευρές θα ήταν γεωδαιτικές και να μελετήσουμε τις ιδιότητές τους όπως επίσης και κύκλους. Αυτό είναι πολύ εύκολο να το φανταστούμε.

Τα προβλήματα παρουσιάζονται από τη στιγμή που από τον δυδιάστατο χώρο περνάμε στο τρισδιάστατο μη ευκλείδειο χώρο. Εδώ μιλάμε για καμπύλους χώρους και οι μελανές οπές λόγω του έντονου βαρυτικού τους πεδίου προκαλούν στρέβλωση του χωροχρόνου. Ας φανταστούμε ένα δίχτυ το οποίο ειναι τεντωμένο στις άκρες του και πάνω σ' αυτό τοποθετούμε μια σχετικά βαριά σφαίρα. Το αποτέλεσμα που έχει η τοποθέτηση της σφαίρας στο δίχτυ είναι ανάλογο με την καμπύλωση και τη στρέβλωση που προκαλούν οι μελανές οπές στον τετραδιάστατο χωροχρόνο. Το ίδιο ακριβώς φαινόμενο προκαλείται κι από τους αστέρες νετρονίων (pulsars) όπως ανακαλύφθηκε πρόσφατα από τους αστροφυσικούς. Ένα άλλο αστρικό αντικείμενο που προκαλεί το ίδιο είναι οι τεραστίου μεγέθους κβάζαρς (quasars).

Οι κβάζαρς είναι πολύ μεγάλου μεγέθους και λαμπρότητας αστέρες οι οποίοι τροφοδοτούνται από γιγάντιες μελανές οπές που βρίσκονται στα κέντρα των γαλαξιών. Οι κβάζαρς κρύβουν πολλά άλυτα μυστήρια. Εδώ θ' αναφερθούμε σε δύο χαρακτηριστικά τους. Κατ' αρχάς οι φωτεινότητές τους είναι τόσο ισχυρές ώστε είναι ορατοί όσο απομακρυμασμένοι και να είναι ακόμη κι από τον πιο μακρυνό γαλαξία. Όσο πιο μακρυά βρίσκεται ένας κβάζαρ τόσο πιο αμυδρή είναι για μας η φαινόμενη λαμπρότητά του.

Ταυτόχρονα οι κβάζαρς πρέπει να υπακούν στους νόμους του διαστελλόμενου Σύμπαντος, επομένως όσο μεγαλύτερη είναι η απόστασή τους από εμάς τόσο γρηγοροτέρα θα πρέπει ν' απομακρύνονται και η μετατόπιση προς το ερυθρό στο φάσμα τους θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη. Η στρέβλωση του χωροχρόνου από ουράνια αντικείμενα όπως είναι οι μελανές οπές, οι αστέρες νετρονίων και οι κβάζαρς, είναι μια μεγάλη επιβεβαίωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Ως ταχύτητα διαφυγής ορίζουμε εκείνη την ταχύτητα με την οποία πρέπει να βληθεί ένα υλικό σώμα από την επιφάνεια ενός πλανήτη ή ενός αστέρα για να διαφύγει στο άπειρο. Για τη Γη η ταχύτητα αυτή είναι ίση με 11 km/s ενώ για το Δία είναι 61 km/s. Για τις μελανές οπές η ταχύτητα αυτή είναι άπειρη. Το γεγονός πως ότι διέλθει από τον ορίζοντα γεγονότων μιας μελανής οπής αδυνατεί να επικοινωνήσει με το υπόλοιπο Σύμπαν είναι αντίθετο με τους νόμους διατήρησης της Φυσικής. Στο εσωτερικό των μελανών οπών υπάρχει μια ανωμαλία του χωροχρόνου (space - time singularity) όπου δεν ισχύουν οι νόμοι της διατήρησης.

Το γεγονός αυτό οδήγησε τον Roger Penrose στη διατύπωση της '' κοσμικής λογοκρισίας '' (cosmic censorship hypothesis) η οποία θα μπορούσε να συνοψισθεί στη φράση:

Kάθε ανωμαλία του χωροχρόνου συνοδεύεται από μια μελανή οπή. Δεν υπάρχει δηλαδή ''γυμνή'' ανωμαλία στο Σύμπαν, όλες θα περιβάλλονται από έναν ορίζοντα γεγονότων.

Έτσι ένας εξωτερικός παρατηρητής σε κάποιο υποθετικό ταξίδι του στο διαστήμα θα μπορούσε ν' αποφύγει τη συνάντησή του με μια μελανή οπή , μόνο αν έμενε εκτός του ορίζοντα γεγονότων αυτής. Για κάποιες λύσεις των εξισώσεων πεδίου της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας ο εξωτερικός παρατηρητής (αστροναύτης) μπορεί να δει μια ''γυμνή'' ανωμαλία κι έτσι να την αποφύγει. Δεν θα διέλθει δηλαδή εντός του ορίζοντα γεγονότων αλλά μέσω μια σπειροειδούς διαμόρφωσης του χωροχρόνου η οποία συνδέει ένα σημείο του Σύμπαντος με κάποιο άλλο.

Οι λύσεις όμως αυτές είναι τόσο ασταθείς που ακόμη και η παρουσία του αστροναύτη είναι ικανή να τις μεταβάλλει με αποτέλεσμα αυτός να μην μπορεί να δει την ανωμαλία πριν πέσει πάνω σ' αυτή. Άρα η ανωμαλία της βαρυτικής κατάρρευσης θα βρίσκεται πάντα στο μέλλον του και ποτέ στο παρελθόν του. Ο ορίζοντας γεγονότων μιας μελανής οπής είναι το τμήμα εκείνο του χωροχρόνου από το οποίο τίποτα δεν μπορεί να διαφύγει. Η αντίστροφη πορεία από το εσωτερικό της μελανής οπής προς τα έξω είναι αδύνατη. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι μια μελανή οπή ειναι μια βαρυτική άβυσσος από την οποία ότι διέλθει εξαφανίζεται από το υπόλοιπο Σύμπαν.

O Γενικευμένος 2ος Θερμοδυναμικός Νόμος προέκυψε από την ενασχόληση των Φυσικών με τις μελανές οπές. Ας θεωρήσουμε ένα αντικείμενο το οποίο κινείται εντός του ορίζοντα γεγονότων μιας μελανής οπής. Η εντροπία του εξωτερικού συστήματος από το οποίο προέρχεται το αντικείμενο ελαττώνεται. Για να μην έχουμε παραβίαση του 2ου Θερμοδυναμικού νόμου θα πρέπει η εντροπία της μελανής οπής ν' αυξάνεται. Αυτό σημαίνει αύξηση της ακτίνας Schwarchild και κατά συνέπεια αύξηση του εμβαδού του ορίζοντα γεγονότων.

O Γενικευμένος 2ος Θερμοδυναμικός νόμος θα μπορούσε να διατυπωθεί ως εξής:

Η γενικευμένη εντροπία μονωμένου συστήματος είναι μια γνησίως αύξουσα συνάρτηση του χρόνου. Το Σύμπαν στο οποίο ζούμε χαρακτηρίζεται από τη συνεχή αύξηση της εντροπίας του και κατά συνέπεια από τη μείωση της ικανότητας παραγωγής έργου αλλά και την αύξηση της αταξίας η οποία υπάρχει σ' αυτό. Το Σύμπαν δηλαδή ξεκίνησε από μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας και βαίνει συνεχώς προς το χάος και την αταξία. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα σύστημα το οποίο περιγράφεται πλήρως από μια σειρά γραμμικών διαφορικών εξισώσεων.

Μια πολύ μικρή μεταβολή στις αρχικές συνθήκες των εξισώσεων που περιγράφουν το σύστημα, θα το οδηγήσει σε μια νέα εντελώς απρόβλεπτη κατάσταση, η οποία δεν έχει καμμία ομοιότητα με την αρχική. Μπορούμε να φανταστούμε τη διάχυση μιας σταγόνας μελανιού σ' ένα ποτήρι νερό. Η κίνηση της σταγόνας είναι εντελώς χαοτική και μη προβλέψιμη. Η μελέτη τέτοιου είδους φαινομένων αποτελεί το αντικείμενο μια σχετικά πρόσφατης θεωρίας της Μηχανικής της Θεωρίας του Χάους.

To Xάος συνήθως παρουσιάζεται σε μη γραμμικά δυναμικά συστήματα. Αυτό όμως δεν είναι απόλυτο και τέτοια φαινόμενα μπορούν να παρουσιαστoύν και σε συστήματα με δύο βαθμούς ελευθερίας. Ένα παράδειγμα που μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τι σημαίνει αυτό, είναι γεγονός πως μέχρι και σήμερα δεν υπάρχει κάποιο μετεωρολογικό μοντέλο το οποίο να μπορεί να δώσει πρόβλεψη των καιρικών συνθηκών για περισσότερες από λίγες ημέρες, εξαιτίας των μεταβλητών που υπεισέρχονται σε τέτοιου είδους δυναμικά συστήματα όπως είναι η ατμόσφαιρα.

H άποψη των Φυσικών για τον Κόσμο που μας περιβάλλει και τους νόμους οι οποίοι τον διέπουν πριν την έλευση της Κβαντομηχανικής ήταν αιτιοκρατική. Η δεύτερη όμως αυτή επαναστατική θεωρία του 20ου αιώνα - μετά τη Θεωρία της Σχετικότητας - ήρθε ν' αλλάξει το τοπίο.

Η αρχή της απροσδιοριστίας του Heisenberg μας περιγράφει πως σε καθαρά υποατομικό επίπεδο είναι αδύνατο να γνωρίζουμε με την ίδια ακρίβεια την θέση και την ορμή ενός σωματιδίου, κι όσο μεγαλύτερη ακρίβεια έχουμε για το ένα μέγεθος τόσο χάνουμε το άλλο. Το ίδιο ισχύει και για τα μεγέθη ενέργεια και χρόνος .Όσο καλά δηλαδή μπορούμε να δούμε το δέντρο τόσο χάνουμε την εικόνα του δάσους κι αντίστροφα.

Όλα όσα μπορούμε δηλαδή να μετρήσουμε υπόκεινται σε τυχαίες διακυμάνσεις. Ο στατιστικός και πιθανολογικός χαρακτήρας της Κβαντομηχανικής ήταν το μεγάλο χτύπημα στην αιτιοκρατία.

Ο Εinstein ο οποίος ήταν από τους πρωτεργάτες της Κβαντικής Θεωρίας δεν μπόρεσε ποτέ να το δεχθεί αυτό, έτσι αργότερα έγινε πολέμιός της. Σύμφωνα με τα λόγια του ''ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον Κόσμο''. Σήμερα θα μπορούσαμε να πούμε πως όχι μόνο ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο αλλά τα ρίχνει κι εκεί όπου δεν μπορούμε να τα δούμε. Η τρίτη μεγάλη επανάσταση στη Φυσική του προηγούμενου αιώνα - η Θεωρία του Χάους - έδωσε οριστικό τέλος στην αιτιοκρατία της Κλασικής Φυσικής.

Η μελέτη των μελανών οπών έχει πολύ μεγάλη σημασία για τη Σύγχρονη Φυσική. Φέρνει στο προσκήνιο ένα τεράστιο ζήτημα. Την ενοποίηση της Κβαντομηχανικής (Ατομική και Πυρηνική Φυσική) με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας (Αστροφυσική). Οι διαφορικές εξισώσεις της Κλασικής Φυσικής - πλην της Θερμοδυναμικής - αλλά και της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας έχουν μια αξιοσημείωτη ιδιότητα, αυτήν της χρονικής αντιστροφής (time reversal). Αν δηλαδή αντικαταστήσουμε τη μεταβλητή του χρόνου t με το - t θα πάρουμε μια νέα λύση των εξισώσεων.

Αν εκτελέσουμε μια πλάγια βολή και δούμε την ταινία ανάποδα θα έχουμε μια νέα λύση των εξισώσεων με διαφορετικές όμως αρχικές συνθήκες. Το γεγονός αυτό στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας έχει πολύ μεγάλη σημασία διότι εισάγει την έννοια της λευκής οπής (white hole), αντί να έχουμε δηλαδή κατάρρευση προς σημείο έχουμε απομάκρυνση από το σημείο.

Έχει προταθεί το μοντέλο των παράλληλων συμπάντων τα οποία επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω της γέφυρας Einstein - Rosen ή ''σκουληκότρυπας'' (wormhole) η οποία ενώνει μια μελανή οπή του ενός σύμπαντος με μια λευκή οπή του άλλου. Το συνεχώς διαστελλόμενο Σύμπαν από τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) ως σήμερα - περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια - δύναται να αποτελεί μια τεράστια λευκή οπή.

Η θεωρία της Μεγάλης έκρηξης είναι η επικρατέστερη θεωρία για το σχηματισμό του Σύμπαντος, το οποίο για να φτάσει στη σημερινή του κατάσταση - γαλαξίες απομακρυνόμενοι επιταχυνόμενα όπως γνωρίζουμε από το ηλεκτρομαγνητικό ή σχετικιστικό φαινόμενο Doppler (μετατόπιση προς το ερυθρό, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα τα οποία λαμβάνουμε από τα επιταχυνόμενα απομακρυνόμενα αστρικά σμήνη και γαλαξίες είναι μετατοπισμένα προς το ερυθρό τμήμα του φάσματος) - πέρασε από πολλά στάδια. Ελάχιστο χρόνο μετά τη Μεγάλη έκρηξη το νεογέννητο Σύμπαν είχε τεράστιες θερμοκρασίες της τάξης των δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων δισεκατομμύρια βαθμών Kelvin.

Παράλληλα όμως άρχισε και η ψύξη του με αποτέλεσμα να εμφανιστούν πρωτόνια , νετρόνια κι ηλεκτρόνια και το απλούστερο των στοιχείων το υδρογόνο. Αργότερα - περίπου μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά - και λόγω της βαρυτικής συστολής των αρχέγονων νεφών υδρογόνου και ηλίου θα σχηματισθούν οι πρώτοι γαλαξίες και σε μικρότερη κλίμακα από αυτούς θα φωτίσουν το Σύμπαν οι πρώτοι αστέρες λόγω των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό τους. Η σημερινή θερμοκρασία του σύμπαντος είναι 3 βαθμοί Kelvin (- 270 βαθμοί Κελσίου). Τεράστιο ρόλο στην ανάπτυξη της σύγχρονης Αστρονομίας - Αστροφυσικής και Κοσμολογίας έπαιξαν τα ραδιοτηλεσκόπια αλλά και το τηλεσκόπιο Hubble Space Telescope το οποίο βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη. Μας έδωσαν τη δυνατότητα να δoύμε το σύμπαν όπως αυτό ήταν μερικά δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό ως εξής:

Tο φως ταξιδεύει με πεπερασμένη ταχύτητα - 300.000 km/s - επομένως για να φτάσει σ' εμάς από έναν μακρινό αστέρα χρειάζεται μερικά χρόνια.

Οι αστέρες που βλέπουμε τη νύχτα στον έναστρο ουρανό είναι όπως ήταν όταν το φως τους ξεκίνησε από αυτούς. Στο μεταξύ ο αστέρας μπορεί να έχει υποστεί μεταβολές. Θα μπορούσαμε λοιπόν να σημειώσουμε εδώ πως μια ματιά στο νυκτερινό έναστρο θόλο είναι και ένα κοίταγμα στο παρελθόν! Τον ενδέκατο μ.Χ. αιώνα παρατηρήθηκαν εκρήξεις υπερκαινοφανών (supernovae) οι οποίες έχουν καταγραφεί κι αναφέρονται από όλους σχεδόν τους λαούς. Οι υπερκαινοφανείς αυτοί εξερράγησαν χιλιάδες χρόνια πριν και μόνον τότε έγιναν ορατές οι εκρήξεις τους, λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας διάδοσης του φωτός.

Ανάμεσα στα άλυτα προβλήματα, είναι ο μηχανισμός έναρξης κι ανάπτυξης των δομών στο Σύμπαν. Πώς έχει προκύψει η υπάρχουσα δομή του σύμπαντος; Πώς σχηματίσθηκαν τα σμήνη των γαλαξιών; Οι θεωρητικοί αστροφυσικοί σε συνεργασία με τους παρατηρησιακούς προσπαθούν ν' απαντήσουν στα ερωτήματα για τα βασικά στάδια του σχηματισμού των σμηνών των γαλαξιών. Η γνώση μας για το Σύμπαν είναι σ' ένα βαθμό ελλιπής και οι αστροφυσικοί το διαπίστωσαν όταν ανακάλυψαν τη λεγόμενη Σκοτεινή Ύλη. Το πρόβλημα διατυπώθηκε με σαφήνεια στις αρχές της δεκαετίας του '70.

Η κίνηση των γαλαξιών μέσα στα σμήνη τους είναι τέτοια ώστε μπορεί κάποιος να υποθέσει την ύπαρξη μιας αόρατης μάζας μέσα στο χώρο των γαλαξιών. Η αόρατη αυτή μάζα επηρεάζει τα σώματα μόνο με τη βαρύτητά της και κάνει έτσι αισθητή την παρουσία της χωρίς να εκδηλώνεται με κάποιο άλλο τρόπο. Υπάρχει πιθανότητα ανάλογη σκοτεινή ύλη να περικλείει μεγάλους γαλαξίες. Αυτό συμπεραίνεται από την κίνηση των γαλαξιών νάνων κι αλλών αντικειμένων γύρω τους.

Η φύση της σκοτεινής ύλης ή λανθάνουσας μάζας είναι άγνωστη. Παρατηρήσεις έδειξαν ότι οι γαλαξίες περιέχουν 20 φορές μεγαλύτερη ποσότητα σκοτεινής ύλης από την αντίστοιχη ορατή ύλη τους. Μία από τις αιτίες που οδηγούν στην υπόθεση της σκοτεινής ύλης είναι και τα αποτελέσματα των μετρήσεων των γαλαξιακών σμηνών. Τα κανονικά σμήνη έχουν συμμετρικό σχήμα και η πυκνότητα των γαλαξιών μέσα σ' αυτά μειώνεται όσο αυξάνει η απόστασή τους από το κέντρο. Μπορούμε επομένως να υποθέσουμε ότι τα σμήνη βρίσκονται σε μια κατάσταση ισορροπίας όπου η ενέργεια της κίνησης των γαλαξιών εξισορροπείται από την αμοιβαία βαρυτική έλξη.

Θεωρητικοί υπολογισμοί με διάφορες μεθόδους έχουν δείξει ότι η μάζα των γαλαξιών είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από αυτή που κανονικά θα περιμέναμε ως μάζα της ορατής ύλης. Έτσι καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι οι γαλαξίες εντός των σμηνών τους περιέχουν μία άλλη μορφή ύλης η οποία δημιουργεί ένα πρόσθετο βαρυτικό πεδίο. Θα μπορούσαμε να διατυπώσουμε το εξής συμπέρασμα:

Η συνολική μάζα της ορατής ύλης δεν αρκεί ώστε με τη βαρυτική έλξη της να επιβραδύνει τη διαστολή του Σύμπαντος και να το κάνει να συσταλεί. Μέχρι σήμερα ελάχιστα είναι γνωστά για τη σκοτεινή ύλη. Αν υπάρχει η συνολική ποσότητά της είναι δυνατόν ν' αυξήσει την τιμή της πυκνότητας του Σύμπαντος στην κρίσιμη τιμή ή και να την υπερβεί. Είναι πολύ πιθανό το Σύμπαν να διαστέλλεται επ' άπειρο ή για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα στο μέλλον.

Όπως είπαμε παραπάνω το Σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται πριν 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια. Συνεπώς κανένα αντικείμενό του δεν μπορεί να έχει μεγαλύτερη ηλικία και καμμία πηγή δεν εκπέμπει φως για χρονικό διάστημα μεγαλύτερο από αυτό. Το όριο αυτό μας οδηγεί σ΄ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα:

Tον φαινόμενο ορίζοντα.

Όσο πιο μακριά βρίσκεται ένας γαλαξίας τόσο περισσότερο χρόνο χρειάζεται το φως του για να φτάσει σε κάποιον παρατηρητή. Όπως είδαμε στη μέχρι τώρα ανάλυση μας, το φως ξεκίνησε από τον γαλαξία στο πολύ μακρινό παρελθόν. Το σύμπαν άρχισε να διαστέλλεται πριν περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια και ακόμη και το φως που εκπέμφθηκε αμέσως μετά την έναρξη της διαστολής κινείται σε μια πεπερασμένη αποσταση αυτή των 13,7 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Τα σημεία του χώρου που βρίσκονται σ' αυτήν την απόσταση σχηματίζουν το λεγόμενο φαινόμενο ορίζοντα.

Οι περιοχές του Σύμπαντος οι οποίες βρίσκονται πέρα από αυτό το όριο είναι αόρατες. Οι γαλαξίες που βρίσκονται πέρα από αυτήν την περιοχή δεν είναι ορατοί , όσο ισχυρό και να είναι το τηλεσκόπιο που θα χρησιμοποιήσει ο παρατηρητής διότι το φως τους δεν έχει το χρόνο να διέλθει από το όριο του ορίζοντα. Η μετατόπιση προς το ερυθρό αυξάνεται βαθμιαία μέχρι το άπειρο για αντικείμενα που προσεγγίζουν την περιοχή του ορίζοντα. Είναι προφανές το συναγόμενο συμπέρασμα, ότι μπορούμε να δούμε έναν περιορισμένο αριθμό αστέρων και γαλαξιών στο Σύμπαν.

Πριν την ανάπτυξη της Θεωρίας του διαστελλόμενου Σύμπαντος, στην προσπάθεια περιγραφής του άπειρου χώρου πρόβαλλε ένα ασυνήθιστο παράδοξο. Σ΄ ένα άπειρο Σύμπαν, γεμάτο αστέρες μια φωτεινή ακτίνα θα συναντήσει αναπόφευκτα τη φωτεινή επιφάνεια κάποιου αστέρα, συνεπώς όλος ο νυκτερινός ουρανός θα λάμπει από τη φωτεινότητα της επιφάνειας του ήλιου και των αστέρων.

Πρόκειται για ένα φωτομετρικό παράδοξο.

Η απάντηση άρχισε να διαφαίνεται μετά τη διατύπωση της θεωρίας του διαστελλόμενου Σύμπαντος. Κάθε παρατηρητής στο Σύμπαν έχει το φαινόμενο ορίζοντά του. Έτσι κάθε παρατηρητής βλέπει έναν πεπερασμένο αριθμό αστέρων, οι οποίοι είναι διασκορπισμένοι στο χώρο σε μεγάλες απόστάσεις μεταξύ τους. Άρα η ακτίνα δεν συναντά κανέναν αστέρα κατά την πορεία της προς τον ορίζοντα. Επιπλέον οι αστέρες έχουν περιορισμένο χρόνο ζωής.

Στο σημείο αυτό θα πρέπει να μιλήσουμε για ένα ιδιόμορφο είδος σωματιδίων που υπάρχει στο Σύμπαν, τα νετρίνα. Πρόκειται για σωματίδια μηδενικής μάζας ηρεμίας (κινούνται δηλαδή με την ταχύτητα του φωτός) για τα οποία η αδιαφάνεια είναι μηδέν, δηλαδή διαπερνούν την ύλη, ταξιδεύουν από το ένα άκρο της Γης στο άλλο χωρις να συνατήσουν την παραμικρή δυσκολία . Η υπόθεση νετρίνο έγινε το 1930 από τον W. Pauli για να σωθεί η αρχή διατήρησης της ενέργειας και της ορμής κατά τη β - διάσπαση των ραδιενεργών πυρήνων. Έτσι έγινε η υπόθεση ότι υπάρχει ένα ακόμη σωματίδιο το οποίο απάγει ενέργεια κι ορμή κι οι θεμελιώδεις αρχές της Φυσικής ισχύουν. Ο αριθμός των νετρίνων που υπάρχουν στο Σύμπαν είναι περίπου ίσος με τον αριθμό των φωτονίων.

Τα φωτόνια και τα νετρίνα επέζησαν μαζί στο Σύμπαν από το αρχικό στάδιο της διαστολής όταν η πυκνή και θερμή ύλη ήταν αδιαπέραστη όχι μόνο από τα φωτόνια αλλά κι από τα νετρίνα. Τότε σχηματίσθηκαν πολύ γρήγορα μέσω των αντιδράσεών τους νετρίνα , ηλεκτρόνια κι άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Μερικά δέκατα του δευτερολέπτου μετά την έναρξη της διαστολής του Σύμπαντος ο αριθμός των νετρίνων (μαζί μ' αυτόν των αντινετρίνων), ανά μονάδα όγκου προσέγγιζαν το ένα τρίτο του αριθμού των φωτονίων. Αυτή η αναλογία των φωτονίων και των νετρίνων έχει παραμείνει σταθερή κατά τη διάρκεια της διαστολής του σύμπαντος που ακολούθησε, μέχρι σήμερα.

Δεν είμαστε σε θέση ν' ανιχνεύσουμε τα υπόλοιπα νετρίνα εξαιτίας των πολύ χαμηλών ενεργειών τους. Παρά το γεγονός όμως αυτό οι Αστροφυσικοί είναι σε θέση να προβλέψουν την ποσότητά τους. Ανα κυβικό εκατοστό υπάρχουν περίπου 500 εναπομείναντα φωτόνια, επομένως ο αριθμός των νετρίνων είναι το ένα τρίτο, περίπου δηλαδή 150 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό. Γνωρίζουμε ότι κάθε φωτόνιο της ακτινοβολίας μικροκυμάτων του υποβάθρου έχει μια συγκεκριμένη ενέργεια, έτσι ώστε η πυκνότητα μάζας του υποβάθρου της κοσμικής ακτινοβολίας να είναι 2000 φορές μικρότερη από τη μέση πυκνότητα της ύλης στο Σύμπαν.

Μπορούμε επομένως να συμπεράνουμε ότι η πυκνότητα μάζας της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων είναι αμελητέα. Το ίδιο θα μπορούσε να λεχθεί και για τα νετρίνα:

H μέση πυκνότητα μάζας (η οποία προσδιορίζεται από την ενέργεια αυτών των σωματιδίων), είναι ακόμη χαμηλότερη από αυτήν της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Για το λόγο αυτό, ο ρόλος του υποβάθρου των κοσμικών νετρίνων στο Σύμπαν, μπορεί ν' αγνοηθεί. Δεν είναι μόνο η ολική τους μάζα αμελητέα, αλλά και δεν έχουν αξιοσημείωτη αλληλεπίδραση με τα υπόλοιπα σωματίδια.

Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός πως αν η Μεγάλη Έκρηξη ήταν λίγο διαφορετική από αυτή που συνέβη, το Σύμπαν όπως το γνωρίζουμε θα ήταν εντελώς άλλο σε μορφή. Για παράδειγμα για μια μικρότερης ή και μεγαλύτερης ισχύος έκρηξη το Σύμπαν είτε θα αποτελείτο αποκλειστικά και μόνο από μελανές οπές είτε δεν θα υπήρχε περίπτωση να σχηματισθούν οι γαλαξίες όπως τους γνωρίζουμε σήμερα σαν επίγειοι παρατηρητές με τα τηλεσκόπια μας. Κι εδώ γεννιέται ένα καίριο ερώτημα:

Πώς θα ήταν ο κόσμος μας αν το φορτίο του ηλεκτρονίου είχε άλλη τιμή ή η σταθερά του Planck ήταν διαφορετική, ή αν ακόμη το πρωτόνιο δεν είχε 1836 φορές μεγαλύτερη μάζα από το ηλεκτρόνιο;

Είναι τα παραπάνω τυχαία, η ζωή στον πλανήτη μας, το Σύμπαν γενικότερα ή μήπως είναι ένα μέρος ενός μεγάλου Κοσμικού Σχεδίου;

Τελειώνοντας να επισημάνουμε ότι το - μακρινό ίσως - όνειρο των Φυσικών - η Ενοποιημένη Θεωρία ή Θεωρία των Πάντων- περνάει μέσα από τη μελέτη αυτής της ιδιόμορφης τελικής κατάστασης αστέρων, των μελανών οπών.


Δευτέρα 14 Μαϊου 2007

ΛΟΥΚΑΣ ΑΡΓΥΡΙΟΥ
Λιβαδειά

Σημείωση δική μου:

Το επιστημονικό αυτό αρθρο αναδημοσιεύεται με την αδεια του συγγραφέα του ,

Καθηγητού Φυσικού , κυρίου Αργυρίου. Τον ευχαριστώ πολύ για την ευγενή του παραχώρηση !

Το αφιερώνω στη φίλη μου τη Γιάννα και σε οποιον αλλο αναζητά απαντήσεις απο το " Αχανές Διάστημα.."

Ι.Β.Ν.