Ο διάσημος Βρετανός αστροφυσικός *Martin Rees κοιτάζει πίσω 175 χρόνια, με πολλές μεγάλες ανακαλύψεις στην αστρονομία και τη φυσική που άλλαξαν την κοσμοθεωρία μας.
Ο Γάλλος φιλόσοφος Auguste Comte ισχυρίστηκε το 1835 ότι κανείς δεν θα ξέρει ποτέ από τι είναι φτιαγμένα τα αστέρια: «Ξέρουμε πώς να προσδιορίσουμε τα σχήματά τους, τις αποστάσεις τους, τα μεγέθη τους και τις κινήσεις τους», έγραψε, «ενώ δεν γνωρίζουμε ποτέ Θα είναι σε θέση να μελετήσει τη χημική τους σύνθεση ή την ορυκτολογική δομή τους με οποιονδήποτε τρόπο, και σίγουρα όχι τη φύση των οργανωμένων όντων που μπορεί να ζουν στην επιφάνειά τους. »Ο Comte θα εκπλαγεί με τις ανακαλύψεις που έχουν γίνει από τότε.
Σήμερα γνωρίζουμε ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο και πιο ξένο από ό, τι πιστεύαμε. Όχι μόνο εκτείνεται πέρα από τον Γαλαξία μας σε αμέτρητους άλλους γαλαξίες – που θα ήταν οι αστρονόμοι του 19ου και των αρχών του 20ού αιώνα, για τους οποίους ο γαλαξίας μας είναι “το σύμπαν”. ήταν, έκπληξη – αλλά επίσης επεκτείνεται γρηγορότερα κάθε μέρα. Τώρα μπορούμε να ξαναγράψουμε με βεβαιότητα την κοσμική ιστορία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω σε μια στιγμή μόλις το ένα δισεκατομμύριο του δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Οι αστρονόμοι έχουν το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος μας, η μέση πυκνότητα των κύριων συστατικών της και άλλων βασικών μεγεθών με ακρίβεια ενός ή δύο τοις εκατό. Έχουν επίσης επεξεργαστεί νέους φυσικούς νόμους που διέπουν το χώρο, τη γενική σχετικότητα και την κβαντική μηχανική, οι οποίοι αποδεικνύονται ότι είναι πολύ πιο περίεργοι από τους κλασικούς νόμους που είχαν κατανοήσει προηγουμένως οι άνθρωποι. Αυτοί οι νόμοι, με τη σειρά τους, προέβλεπαν κοσμικές περιέργειες όπως μαύρες τρύπες, αστέρια νετρονίων και βαρυτικά κύματα. Η ιστορία του πώς φτάσαμε σε αυτήν τη γνώση είναι γεμάτη τυχαίες ανακαλύψεις, εκπληκτικές εκπλήξεις και επίμονοι επιστήμονες που επιδιώκουν στόχους που άλλοι πίστευαν ότι ήταν απρόσιτοι.
Η πρώτη μας ένδειξη για την αληθινή φύση των αστεριών ήρθε το 1860 όταν ο Gustav Kirchhoff συνειδητοποίησε ότι οι σκοτεινές γραμμές στο φάσμα του φωτός που προέρχονται από τον ήλιο προκαλούνται από διάφορα στοιχεία που απορροφούν ορισμένα μήκη κύματος. Οι αστρονόμοι ανέλυσαν παρόμοια χαρακτηριστικά υπό το φως άλλων φωτεινών αστεριών και ανακάλυψαν ότι κατασκευάστηκαν από τα ίδια υλικά που βρέθηκαν στη Γη – παρά από κάποια μυστηριώδη «πέμπτη ουσία» όπως πίστευαν οι αρχαίοι.
Τι τροφοδοτεί το φως των αστεριών
Αλλά χρειάστηκε περισσότερο χρόνο για να καταλάβουμε τι καύσιμο έκανε τα αστέρια να λάμπουν. Ο Λόρδος Κέλβιν (William Thomson) υπολόγισε ότι εάν τα αστέρια πάρουν την ενέργειά τους μόνο από τη βαρύτητα, και στραγγίζονται αργά καθώς η ακτινοβολία τους διαφεύγει, η ηλικία του ήλιου πρέπει να είναι 20 έως 40 εκατομμύρια χρόνια. Ήταν πολύ λιγότερος χρόνος από τον Charles Darwin ή οι γεωλόγοι της εποχής είχαν συμπεράνει την ηλικία της γης. Στο τελευταίο του δοκίμιο για το θέμα το 1908, ο Κέλβιν πρόσθεσε μια ρήτρα διαφυγής δηλώνοντας ότι θα εμμείνει στην εκτίμησή του “εκτός εάν η δημιουργία είχε άλλη πηγή ενέργειας.”
Αυτή η πηγή, αποδείχθηκε, είναι η πυρηνική σύντηξη – η διαδικασία με την οποία οι ατομικοί πυρήνες συνδυάζονται για να δημιουργήσουν έναν μεγαλύτερο ατομικό πυρήνα και έτσι να απελευθερώσουν ενέργεια. Το 1925, η αστροφυσική Cecilia Payne-Gaposchkin υπολόγισε τη χημική αφθονία των αστεριών χρησιμοποιώντας τα φάσματα φωτός των αστεριών και διαπίστωσε ότι, σε αντίθεση με τη Γη, αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο. Αποκάλυψε τα συμπεράσματά της σε αυτό που ο αστρονόμος Otto Struve χαρακτήρισε ως την πιο λαμπρή διδακτορική διατριβή που γράφτηκε ποτέ στην αστρονομία. Μια δεκαετία αργότερα, ο φυσικός Hans Bethe έδειξε ότι η σύντηξη των πυρήνων υδρογόνου είναι η κύρια πηγή ενέργειας σε συνηθισμένα αστέρια όπως ο ήλιος στο ήλιο.
Η πραγματική φύση της ομίχλης
Ταυτόχρονα, τα αστέρια έγιναν όλο και λιγότερο μυστηριώδη, και η φύση των θολών “νεφελωμάτων” έγινε όλο και πιο εμφανής. Στην «Μεγάλη Συζήτηση» που πραγματοποιήθηκε στις 26 Απριλίου 1920 στην Εθνική Ακαδημία Επιστημών στην Ουάσινγκτον, ο Harlow Shapley ισχυρίστηκε ότι το σύστημα Γαλαξίας μας είναι ξεχωριστό και ότι όλα τα νεφελώματα ανήκουν σε αυτό. Αντίθετα, ο Heber Curtis υποστήριξε ότι ορισμένα από τα ασαφή αντικείμενα στον ουρανό ήταν ξεχωριστοί γαλαξίες – «νησιώτικα σύμπαντα» – που ήταν όμοια με το δικό μας Γαλαξία. Η σύγκρουση δεν επιλύθηκε εκείνο το βράδυ, αλλά λίγα χρόνια αργότερα, όταν ο Edwin Hubble μέτρησε τις αποστάσεις από πολλά νεφελώματα και έδειξε ότι ήταν έξω από το σύστημα Γαλαξίας το 1924. Τα ευρήματά του βασίστηκαν σε Cepheids, μεταβλητά αστέρια στα νεφελώματα.
Λίγο μετά το Χάμπλ συνειδητοποίησε ότι το σύμπαν ήταν μεγαλύτερο από ό, τι πίστευαν πολλοί, διαπίστωσε ότι συνεχίζει να μεγαλώνει. Το 1929 ανακάλυψε ότι τα χαρακτηριστικά στα φάσματα των αστεριών από μακρινούς γαλαξίες φαίνονται πιο κόκκινα – δηλαδή, είχαν μεγαλύτερο μήκος κύματος – από τα ίδια χαρακτηριστικά σε κοντινά αστέρια. Αν αυτό το φαινόμενο ερμηνευόταν ως μετατόπιση Doppler – δηλαδή ως η φυσική συμπεριφορά των κυμάτων όταν η πηγή ακτινοβολίας απομακρύνεται από εμάς – αυτό θα σήμαινε ότι άλλοι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον και μακριά από εμάς. Πράγματι, όσο πιο μακριά ήταν από εμάς, τόσο πιο γρήγορα φαινόταν να αποσύρονται. Αυτή ήταν η πρώτη ένδειξη ότι ο κόσμος μας δεν ήταν στατικός, αλλά επεκτείνονταν συνεχώς.
Νέες μορφές ύλης
Το σύμπαν προφανώς περιείχε επίσης πολλά που δεν μπορούσαμε να δούμε. Το 1933 ο Fritz Zwicky υπολόγισε τη μάζα όλων των αστεριών στο σμήνος γαλαξιών Κόμα (βλ. Εικόνα παρακάτω) και διαπίστωσε ότι ήταν μόνο το ένα τοις εκατό της μάζας που ήταν απαραίτητη για να αποφευχθεί η πτήση του γαλαξιακού σμήνους. Η ασυμφωνία αναφέρεται ως η έλλειψη μαζικού προβλήματος.
Αλλά πολλοί επιστήμονες τότε αμφισβήτησαν την υπόθεση του Zwicky ότι η κρυφή ύλη θα μπορούσε να είναι η αιτία. Το ερώτημα παρέμεινε άλυτο μέχρι τη δεκαετία του 1970, όταν οι δουλειές των Vera Rubin και W. Kent Ford (αστρονομικές παρατηρήσεις) και Morton Roberts και Robert Whitehurst (ραδιοφωνικές παρατηρήσεις) έδειξαν ότι τα εξωτερικά μέρη των γαλαξιακών δίσκων θα πέταζαν επίσης εάν δεν ήταν ένα ισχυρότερη βαρυτική έλξη από τα αστέρια και μόνο το αέριο Τελικά, οι περισσότεροι αστρονόμοι αναγκάστηκαν να αποδεχτούν ότι πρέπει να υπάρχει κάποιο είδος «σκοτεινής ύλης». «Εξετάσαμε έναν νέο κόσμο», έγραψε ο Ρούμπιν, «και είδα ότι είναι πιο μυστηριώδες και περίπλοκο από ό, τι φανταζόμασταν».
Ακραία βαρύτητα
Η βαρύτητα – η δύναμη που έβγαλε όλη αυτή τη σκοτεινή ύλη – έχει αποδειχθεί σχεδόν τόσο συγκεχυμένη. Μια αποφασιστική ανακάλυψη ήρθε το 1915 όταν ο Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η οποία αντικατέστησε τη μηχανική του Isaac Newton. Η θεωρία του Αϊνστάιν αποκάλυψε ότι η βαρύτητα είναι πραγματικά η παραμόρφωση του ιστού του χώρου και του χρόνου. Αυτή η νέα ιδέα ήταν αργή. Ακόμα και αφού η γενική σχετικότητα αποδείχθηκε σωστή μέσω παρατηρήσεων μιας ηλιακής έκλειψης το 1919, η θεωρία απορρίφθηκε από πολλούς ως ένα ενδιαφέρον παράξενο – τελικά, οι νόμοι του Νεύτωνα ήταν ακόμα αρκετά καλοί για να υπολογίσουν τα περισσότερα πράγματα. “Οι ανακαλύψεις ήταν πολύ σημαντικές, αλλά δεν είχε καμία επιρροή σε τίποτα σε αυτήν τη γη “, δήλωσε ο αστρονόμος W. J. S. Lockyer από τους” New York Times “μετά την ηλιακή έκλειψη. Για σχεδόν 50 χρόνια μετά την πρόταση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, εξαιρέθηκε από τη γενική φυσική. Στη συνέχεια, από τη δεκαετία του 1960 και μετά, οι αστρονόμοι άρχισαν να ανακαλύπτουν νέα και ακραία φαινόμενα που θα μπορούσαν να εξηγηθούν μόνο χρησιμοποιώντας τις ιδέες του Αϊνστάιν.
Ένα παράδειγμα αυτού είναι το νεφέλωμα καβουριού, ένα από τα πιο διάσημα αντικείμενα στον ουρανό, αποτελούμενο από τα επεκτεινόμενα συντρίμμια μιας σουπερνόβα που έγινε μάρτυρας από τους Κινέζους αστρονόμους το 1054 (βλ. Εικόνα παρακάτω). Από την εμφάνισή του, το νεφέλωμα συνέχισε να λάμπει μπλε και φωτεινό – αλλά πώς συμβαίνει αυτό; Η πηγή φωτός του υπήρξε από καιρό ένα μυστήριο, αλλά η απάντηση βρέθηκε το 1968 όταν το αστραφτερό αστέρι στο κέντρο του αποδείχθηκε πολύ ξεχωριστό.
Στην πραγματικότητα, είναι ένα εξαιρετικά συμπαγές αστέρι νετρονίων, πιο ογκώδες από τον ήλιο, αλλά μόνο μερικά χιλιόμετρα σε ακτίνα και περιστρέφεται με 30 περιστροφές ανά δευτερόλεπτο. “Αυτό ήταν ένα εντελώς απροσδόκητο, εντελώς νέο αντικείμενο που συμπεριφερόταν με τρόπο που οι αστρονόμοι δεν περίμεναν και δεν ονειρευόταν ποτέ”, δήλωσε ο Jocelyn Bell Burnell, ένας από τους ανακάλυπτες του φαινομένου. Η υπερβολικά γρήγορη περιστροφή του αστεριού δημιουργεί έναν άνεμο σωματιδίων γρήγορων ηλεκτρονίων που εκπέμπει το μπλε φως. Η βαρύτητα στην επιφάνεια ενός τόσο απίστευτα πυκνού αντικειμένου είναι πολύ πέρα από το καθεστώς του Νεύτωνα – ένας πύραυλος θα έπρεπε να πυροβολήσει στη μισή ταχύτητα του φωτός για να ξεφύγει από τη βαρυτική έλξη ενός άστρου νετρονίων. Τα σχετικιστικά αποτελέσματα που προβλέπει ο Αϊνστάιν πρέπει να ληφθούν υπόψη εδώ. Χιλιάδες τέτοια περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων, τα οποία εμφανίζονται επίσης ως πάλσαρ, έχουν πλέον ανακαλυφθεί. Όλα θεωρούνται τα ερείπια τεράστιων αστεριών που εξερράγησαν ως σουπερνόβα και αποτελούν ένα ιδανικό εργαστήριο για τη μελέτη των νόμων της φύσης υπό ακραίες συνθήκες.
Το πιο εξωτικό αποτέλεσμα της θεωρίας του Αϊνστάιν ήταν η έννοια των μαύρων οπών – αντικείμενα που έχουν καταρρεύσει μέχρι στιγμής που ακόμη και το φως δεν μπορεί να ξεφύγει από την έλξη τους. Για δεκαετίες αυτές ήταν μόνο εικασίες και το 1939 ο Αϊνστάιν έγραψε ότι «δεν υπάρχουν στη φυσική πραγματικότητα». Αλλά το 1963 οι αστρονόμοι ανακάλυψαν κβάζαρ: μυστηριώδεις, εξαιρετικά φωτεινοί φάροι στα κέντρα ορισμένων γαλαξιών. Χρειάστηκε περισσότερο από μια δεκαετία για να αναπτυχθεί συναίνεση ότι αυτή η έντονη φωτεινότητα δημιουργείται από την ύλη που πέφτει σε γιγαντιαίες μαύρες τρύπες που κρύβονται στους πυρήνες του γαλαξία. Αυτή ήταν η ισχυρότερη απόδειξη μέχρι σήμερα ότι αυτές οι παράξενες προβλέψεις γενικής σχετικότητας υπάρχουν στην πραγματικότητα.
Μεγάλη έκρηξη και κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου
Πότε ξεκίνησε το σύμπαν; Είχε ακόμη αρχή; Οι αστρονόμοι είχαν συζητήσει αυτά τα ερωτήματα για μεγάλο χρονικό διάστημα όταν, στα μέσα του 20ού αιώνα, δύο ανταγωνιστικές θεωρίες πρότειναν πολύ διαφορετικές απαντήσεις. Το μοντέλο του «hot big bang» δηλώνει ότι ο κόσμος ξεκίνησε εξαιρετικά μικρός, ζεστός και πυκνός και στη συνέχεια ψύχθηκε και επεκτάθηκε με την πάροδο του χρόνου. Αντίθετα, η ανταγωνιστική «υπόθεση σταθερής κατάστασης» υπέθεσε ότι το σύμπαν υπήρχε ουσιαστικά στην ίδια μορφή για αιώνες.
Ο διαγωνισμός αποφασίστηκε από μια τυχαία ανακάλυψη: το 1965, οι αστρονόμοι ραδιοφώνου Arno Penzias και Robert Wilson προσπάθησαν να βαθμονομήσουν μια νέα κεραία στο Bell Labs στο New Jersey. Είχαν πρόβλημα: ανεξάρτητα από το τι έκαναν για να μειώσουν τον θόρυβο του περιβάλλοντος, μέτρησαν ομοιόμορφο θόρυβο σε κάθε κατεύθυνση. Έδιωξαν ακόμη και μια οικογένεια περιστεριών που φωλιάζουν στην κεραία με την ελπίδα ότι ήταν η αιτία του προβλήματος. Αλλά το σήμα παρέμεινε. Είχαν ανακαλύψει ότι ο διαγαλαξιακός χώρος δεν είναι εντελώς κρύος. Αντ ‘αυτού, θερμαίνεται σε σχεδόν τρία Kelvin – ακριβώς πάνω από το απόλυτο μηδέν – χρησιμοποιώντας αδύναμα μικροκύματα. Ο Πένζιας και ο Γουίλσον είχαν εκθέσει κατά λάθος την «μεταλαμπή της δημιουργίας» – το ψυχρό και αραιωμένο λείψανο μιας εποχήςΤο εύρημα έπληξε την ισορροπία υπέρ της θεωρίας της κοσμολογίας του Big Bang. Επειδή σύμφωνα με το μοντέλο, στις πρώτες θερμότερες εποχές του χρόνου, το σύμπαν ήταν αδιαφανές, σαν το εσωτερικό ενός αστεριού, και το φως διασκορπίστηκε επανειλημμένα από τα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία έπεσε στα 3.000 Kelvin, τα ηλεκτρόνια επιβραδύνθηκαν αρκετά ώστε να συλληφθούν από πρωτόνια και να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα. Μετά από αυτό, το φως θα μπορούσε να εξαπλωθεί ελεύθερα. Το σήμα Bell Labs ήταν ότι το αρχαίο φως, κυκλοφόρησε για πρώτη φορά περίπου 300.000 χρόνια μετά τη γέννηση του σύμπαντος και εξακολουθεί να διαπερνά τον κόσμο – αυτό που ονομάζουμε κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων. Χρειάστηκε λίγος χρόνος για τους επιστήμονες που έκαναν αυτήν την ανακάλυψη να κατανοήσουν την έκταση της ανακάλυψης: «Ήμασταν πολύ χαρούμενοι Έχετε μια πιθανή εξήγηση [για τον θόρυβο της κεραίας], αλλά δεν νομίζω ότι κανένας από εμάς πήρε σοβαρά την κοσμολογία στην αρχή », είπε ο Wilson. “Ο Walter Sullivan έγραψε ένα σχετικό άρθρο στην πρώτη σελίδα των New York Times, και εκείνο το σημείο άρχισα να σκέφτομαι ότι ίσως πρέπει να αρχίσω να παίρνω στα σοβαρά αυτήν την κοσμολογία.”
Έκτοτε, οι μετρήσεις αυτής της ακτινοβολίας επέτρεψαν στους επιστήμονες να καταλάβουν πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες. Οι προσεκτικές παρατηρήσεις των αρχέγονων μικροκυμάτων δείχνουν ότι δεν είναι απολύτως ομοιόμορφες στον ουρανό. Μερικά σημεία είναι λίγο πιο ζεστά, άλλα λίγο πιο δροσερά. Το εύρος αυτών των διακυμάνσεων είναι μόνο ένα μέρος των 100.000, αλλά είναι οι σπόροι της σημερινής κοσμικής δομής (βλ. Εικόνα παραπάνω). Οποιαδήποτε περιοχή του διαστελλόμενου σύμπαντος που αρχικά ήταν ελαφρώς πυκνότερη από τον μέσο όρο επεκτάθηκε λιγότερο επειδή υπέστη επιπλέον βαρύτητα. Η ανάπτυξή τους συνέχισε να καθυστερεί και η διαφορά μεταξύ της πυκνότητάς τους και εκείνης των γύρω τους αυξήθηκε όλο και μεγαλύτερη. Σε τελική ανάλυση, αυτές οι συστάδες ήταν τόσο πυκνές που το αέριο εισήλθε και συμπιέστηκε σε αστέρια,
Αυτό είναι το βασικό σημείο: τα μοντέλα υπολογιστών που προσομοιώνουν αυτήν τη διαδικασία τροφοδοτούνται με τις αρχικές διακυμάνσεις που μετρώνται στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, οι οποίες αντιπροσωπεύουν το σύμπαν όταν ήταν 300.000 ετών. Μετά την παρέλευση 13,8 δισεκατομμυρίων ετών εικονικού χρόνου, το αποτέλεσμα είναι ένας κόσμος στον οποίο οι γαλαξίες μοιάζουν με αυτούς που βλέπουμε και διανέμονται στο διάστημα όπως είναι στο πραγματικό σύμπαν. Αυτός είναι ένας πραγματικός θρίαμβος: καταλαβαίνουμε, τουλάχιστον περίπου, το 99,998 τοις εκατό της κοσμικής ιστορίας.
Ζωή και θάνατος των αστεριών
Δεν καταλαβαίνουμε μόνο τη μεγάλη εικόνα του κόσμου. μια σειρά από ανακαλύψεις αποκάλυψαν επίσης την ιστορία των στοιχειωδών δομικών μονάδων που αποτελούν αστέρια, πλανήτες, ακόμη και τα δικά μας σώματα. Από τη δεκαετία του 1950, οι εξελίξεις στην ατομική φυσική οδήγησαν στην ακριβή μοντελοποίηση των επιφανειακών στρωμάτων των αστεριών. Ταυτόχρονα, η λεπτομερή γνώση των ατομικών πυρήνων – όχι μόνο των ατόμων υδρογόνου και ηλίου, αλλά και των άλλων στοιχείων – επέτρεψε στους επιστήμονες να υπολογίσουν ποιες πυρηνικές αντιδράσεις κυριαρχούν στα διάφορα στάδια της ζωής ενός αστεριού. Οι αστρονόμοι κατάλαβαν πώς η πυρηνική σύντηξη δημιουργεί μια δομή δέρματος κρεμμυδιού σε τεράστια αστέρια,
Οι αστρονόμοι έμαθαν επίσης πώς πεθαίνουν τα αστέρια όταν καταναλώνουν το καύσιμο υδρογόνου τους και εκτοξεύουν τα εξωτερικά τους στρώματα. Στη συνέχεια, τα ελαφρύτερα αστέρια έχουν ένα σιωπηλό θάνατο: Καταλήγουν ως πυκνά, ελαφρά λαμπερά αντικείμενα που ονομάζονται λευκοί νάνοι. Τα βαρύτερα αστέρια, από την άλλη πλευρά, χάνουν περισσότερο μέρος της μάζας τους, είτε από ανέμους κατά τη διάρκεια της ζωής τους είτε από εκρηκτικό θάνατο σε μια σουπερνόβα. Αυτή η εκτοξευόμενη μάζα αποδεικνύεται ζωτικής σημασίας για τη δική μας ύπαρξη: Αναμιγνύεται με το διαστρικό μέσο και συμπυκνώνεται για να σχηματίσει νέα αστέρια που περιστρέφονται γύρω από πλανήτες όπως η Γη.
Η ιδέα προέρχεται από τον Fred Hoyle, ο οποίος το ανέπτυξε τη δεκαετία του 1950 μαζί με δύο άλλους Βρετανούς αστρονόμους, τη Margaret Burbidge και τον Geoffrey Burbidge, και τον Αμερικανό πυρηνικό φυσικό William Fowler. Στην κλασική τους εργασία, η οποία εμφανίστηκε στις Κριτικές της Σύγχρονης Φυσικής (γνωστή από τα αρχικά των συγγραφέων ως BBFH) το 1957, ανέλυσε τα δίκτυα των εμπλεκόμενων πυρηνικών αντιδράσεων και ανακάλυψε πώς σχηματίστηκαν τα περισσότερα από τα χημικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα. Υπολόγισαν γιατί, για παράδειγμα, το οξυγόνο και ο άνθρακας είναι διαδεδομένοι ενώ ο χρυσός και το ουράνιο είναι σπάνια. Όπως αποδείχθηκε, ο γαλαξίας μας είναι ένα τεράστιο οικολογικό σύστημα στο οποίο το αέριο ανακυκλώνεται μέσω διαδοχικών γενεών αστεριών. Ο καθένας μας περιέχει άτομα σφυρηλατήθηκε σε δεκάδες διαφορετικά αστέρια διάσπαρτα σε όλο το σύστημα του Γαλαξία. έζησαν και πέθαναν πριν από περισσότερα από 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Εξωπλανήτες και ζωή
Οι επιστήμονες έχουν από καιρό υποθέσει ότι αυτή η διαδικασία θα σπείρει πλανήτες – και πιθανώς ακόμη και τη ζωή – γύρω από αστέρια εκτός από τον ήλιο. Αλλά δεν ξέραμε με βεβαιότητα αν υπήρχαν πλανήτες έξω από το ηλιακό μας σύστημα. Αυτό έγινε σαφές μόνο τη δεκαετία του 1990, όταν οι αστρονόμοι ανέπτυξαν έξυπνους τρόπους για να εντοπίσουν κόσμους που είναι πολύ σκοτεινοί για να δούμε άμεσα. Μία μέθοδος βασίζεται σε μικροσκοπικές περιοδικές αλλαγές στην κίνηση ενός άστρου που προκαλείται από τη βαρυτική έλξη ενός πλανήτη σε τροχιά γύρω από αυτό. Το 1995, ο Δήμαρχος Michel και ο Didier Queloz χρησιμοποίησαν αυτήν την προσέγγιση για να ανακαλύψουν το 51 Pegasi b, τον πρώτο γνωστό εξωπλανήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι σαν τον ήλιο (βλ. Εικόνα παρακάτω). Με αυτήν την τεχνική μπορείτε να μετρήσετε τη μάζα ενός πλανήτη, προσδιορίστε το μήκος του «έτους» και το σχήμα της τροχιάς του. Μέχρι στιγμής, έχουν βρεθεί περισσότεροι από 800 εξωπλανήτες με αυτόν τον τρόπο.
Μια δεύτερη μέθοδος λειτουργεί καλύτερα για μικρότερους πλανήτες: ένα αστέρι σκοτεινιάζει λίγο καθώς περνάει ένας πλανήτης. Ένας πλανήτης που μοιάζει με τη γη κινείται μπροστά από ένα αστέρι που μοιάζει με ήλιο μπορεί να προκαλέσει έκλειψη περίπου ενός μέρους σε 10.000 μία φορά ανά τροχιά. Ο διαστημικός ανιχνευτής Kepler, που ξεκίνησε το 2009, βρήκε περισσότερους από 2000 πλανήτες με αυτόν τον τρόπο, πολλοί από αυτούς δεν ήταν μεγαλύτεροι από τη Γη.
Μια μεγάλη έκπληξη που προήλθε από την επιτυχία των αστρονόμων στην εύρεση πλανητών ήταν η ποικιλία διαφορετικών πλανητών εκεί έξω – πολλοί μεγαλύτεροι και πιο κοντά στα αστέρια τους από τα σώματα του ηλιακού μας συστήματος. Αυτό υποδηλώνει ότι η κοσμική γειτονιά μας μπορεί να είναι κάτι ιδιαίτερο. Σε αυτό το σημείο, οι επιστήμονες κατάλαβαν από πού προέρχονται σχεδόν όλα τα στοιχεία που απαρτίζουν πλανήτες, αστέρια και γαλαξίες.
Το τελευταίο κομμάτι του παζλ, ωστόσο, ήρθε πρόσφατα και από αυτό που φάνηκε να είναι μια άσχετη έρευνα. Με βάση τη γενική θεωρία της σχετικότητας, προέκυψαν βαρυτικά κύματα – κυματισμοί στο χωροχρόνο που προκλήθηκαν από την κίνηση συμπαγών αντικειμένων. Παρά τις δεκαετίες αναζήτησης για αυτά , τα κύματα βαρύτητας δεν μετρήθηκαν άμεσα μέχρι τον Σεπτέμβριο του 2015.Εκείνη την εποχή, οι ερευνητές ανακάλυψαν τα πρώτα σημάδια βαρυτικών κυμάτων με το συμβολόμετρο λέιζερ LIGO με τη μορφή ενός “κροταλισμού” – μια μικρή ανακίνηση του χωροχρόνου που επιταχύνεται και στη συνέχεια υποχωρεί ξανά. Στην πρώτη τεκμηριωμένη θήκη, προκλήθηκε από δύο μαύρες τρύπες σε ένα διπλό σύστημα που αρχικά κυκλοφόρησαν το ένα το άλλο, αλλά σταδιακά περιστράφηκαν μαζί και τελικά συγχωνεύτηκαν σε μία και μόνο μεγαλύτερη τρύπα (βλ. Εικόνα παραπάνω) Αυτή η σύγκρουση συνέβη περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός μακριά. Οι ανιχνευτές LIGO αποτελούνται από καθρέπτες σε απόσταση τεσσάρων χιλιομέτρων, η απόσταση μεταξύ των οποίων μετράται από ακτίνες λέιζερ που αντανακλούν το φως μεταξύ τους.Από την πρώτη εύρεση, έχουν ανακαλυφθεί περισσότερα από δώδεκα παρόμοια γεγονότα , ανοίγοντας ένα νέο πεδίο που εξετάζει τη δυναμική του ίδιου του χώρου.
Ένα γεγονός είχε ιδιαίτερο αστροφυσικό ενδιαφέρον, διότι υποδηλώνει τη συγχώνευση δύο αστεριών νετρονίων. Σε αντίθεση με τη συγχώνευση των μαύρων οπών, τέτοιες συγκρούσεις μεταξύ δύο εξαιρετικά πυκνών αστεριών δημιουργούν πυροτεχνήματα οπτικού φωτός, ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα. Η ανακάλυψη γέμισε ένα κενό στο κλασικό έργο του BBFH: οι συγγραφείς είχαν εξηγήσει τον σχηματισμό πολλών στοιχείων στο διάστημα, αλλά ήταν μπερδεμένοι στην περίπτωση του χρυσού. Τη δεκαετία του 1970, ο Ντέιβιντ Ν. Σράμ και οι συνάδελφοί του είχαν υποθέσει ότι οι εξωτικές πυρηνικές διεργασίες που εμπλέκονται σε συγχωνεύσεις με αστέρια νετρονίων θα μπορούσαν να κάνουν τη δουλειά – μια θεωρία που έχει επιβεβαιωθεί έκτοτε.
Οι μεγάλες ανοιχτές ερωτήσεις
Παρά τις απίστευτες εξελίξεις στην αστρονομία τα τελευταία 175 χρόνια, μπορεί να έχουμε περισσότερες ερωτήσεις σήμερα από ό, τι τους προηγούμενους αιώνες. Πάρτε τη σκοτεινή ύλη. Είπα πριν από περισσότερα από 20 χρόνια ότι θα καταλάβαμε τη φύση της σκοτεινής ύλης πολύ πριν από σήμερα. Αν και αυτή η πρόβλεψη έχει αποδειχθεί λανθασμένη, δεν έχω εγκαταλείψει την ελπίδα.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια διαφορετική ιστορία: Ξεκίνησε να παίζει το 1998 όταν οι ερευνητές μέτρησαν τις αποστάσεις και τις ταχύτητες των σουπερνόβων και διαπίστωσαν ότι η επέκταση του σύμπαντος ήταν πράγματι επιταχυνόμενη. Η βαρύτητα που τραβάει τους γαλαξίες μαζί φαινόταν να κυριαρχείται από μια μυστηριώδη νέα δύναμη λανθάνουσα σε κενό χώρο που προκαλεί τους γαλαξίες να απομακρυνθούν – μια δύναμη γνωστή ως Dark Energy. Το μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας έχει παραμείνει – ακόμα δεν ξέρουμε τι το προκαλεί και γιατί έχει τη συγκεκριμένη δύναμη που διαθέτει. Και μάλλον δεν θα το καταλάβουμε μέχρι να έχουμε ένα μοντέλο κοκκώδους χώρου σε κλίμακα ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από έναν ατομικό πυρήνα. Θεωρητικός, που εργάζονται στη θεωρία χορδών ή στην κβαντική βαρύτητα βρόχου αντιμετωπίζουν αυτήν την πρόκληση. Ωστόσο, το φαινόμενο φαίνεται να έχει απομακρυνθεί από τις πειραματικές δοκιμές που δεν περιμένω απαντήσεις σύντομα. Το θετικό, ωστόσο, είναι ότι μια θεωρία που μπορεί να εξηγήσει την ενέργεια στο κενό του διαστήματος θα μπορούσε επίσης να δώσει μια εικόνα για τις αρχές του σύμπαντός μας, όταν τα πάντα ήταν τόσο συμπιεσμένα και πυκνά που οι κβαντικές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να κλονίσουν ολόκληρο τον κόσμο.
Αυτό μας φέρνει σε ένα άλλο μεγάλο ερώτημα που αντιμετωπίζουμε τώρα: Πώς ξεκίνησαν όλα; Τι ακριβώς πυροδότησε τη μεγάλη έκρηξη που ξεκίνησε το σύμπαν μας; Το διάστημα υπέστη μια περίοδο εξαιρετικά γρήγορης πρώιμης επέκτασης που ονομάζεται πληθωρισμός, όπως πιστεύουν πολλοί θεωρητικοί; Και υπάρχει κάτι άλλο: μερικά μοντέλα, όπως ο αιώνιος πληθωρισμός, υποδηλώνουν ότι το «big bang» μας θα μπορούσε να είναι μόνο ένα νησί χωροχρόνου σε ένα τεράστιο αρχιπέλαγος – ένα big bang μεταξύ πολλών. Εάν αυτή η υπόθεση είναι αληθινή, διαφορετικά Big Bangs θα μπορούσαν να κρυώσουν διαφορετικά, κάτι που σε κάθε περίπτωση οδηγεί σε μοναδικούς φυσικούς νόμους – ένα “multiverse” αντί για ένα σύμπαν. Μερικοί φυσικοί μισούν την έννοια του πολυσύμπαντος επειδή σημαίνει ότι δεν θα έχουμε ποτέ λογικές εξηγήσεις για τους θεμελιώδεις αριθμούς, που καθορίζουν τους φυσικούς μας νόμους. Από αυτήν την ευρύτερη προοπτική, μπορεί να είναι απλώς «ατυχήματα». Αλλά οι προτιμήσεις μας δεν έχουν σχέση με τη φύση.
Πριν από περίπου δέκα χρόνια ήμουν σε μια συζήτηση πάνελ στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ όπου ένας ακροατής μας ρώτησε πόσο θα στοιχηματίσαμε στην ιδέα του multiverse. Απάντησα ότι σε μια κλίμακα όπου στοιχηματίστηκα στο χρυσόψαρο μου, στον σκύλο μου ή στη ζωή μου, ήμουν κοντά στο επίπεδο του σκύλου. Ο Αντρέι Λίντε, ο οποίος είχε αγωνιστεί για διαρκή πληθωρισμό για 25 χρόνια, είπε ότι θα στοιχηματίσει σχεδόν στη ζωή του. Αργότερα, όταν του το είπαν αυτό, ο φυσικός Steven Weinberg είπε ότι θα χαρούμε να στοιχηματίσω για τη ζωή του σκύλου μου και της Linde. Linde, ο σκύλος μου και εγώ όλοι θα είμαστε νεκροί πριν επιλυθεί η ερώτηση. Αλλά κανένα από αυτά δεν πρέπει να απορριφθεί ως μεταφυσική. Είναι κερδοσκοπική επιστήμη – συναρπαστική επιστήμη. Και μπορεί να είναι αλήθεια.
Άποψη του τέλους
Και τι θα συμβεί σε αυτό το σύμπαν – ή το σύμπαν μας; Οι μακροπρόθεσμες προβλέψεις είναι σπάνια αξιόπιστες, αλλά το καλύτερο και πιο συντηρητικό στοίχημα είναι ότι θα έχουμε σχεδόν μια αιωνιότητα με έναν ολοένα πιο κρύο και άδειο κόσμο μπροστά μας. Οι γαλαξίες θα απομακρυνθούν και θα εξαφανιστούν όλο και πιο γρήγορα. Το μόνο που θα απομείνει από το πλεονέκτημα θα είναι τα απομεινάρια του Γαλαξία, του Γαλαξία της Ανδρομέδας και των μικρότερων γειτονικών συστημάτων. Τα πρωτόνια μπορούν να αποσυντεθούν, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορούν να καταστραφούν. Μπορεί να υπάρχουν περιστασιακές αναλαμπές φωτός καθώς οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται – και στη συνέχεια ακολουθεί η σιωπή. Αυτό το πιθανό μέλλον βασίζεται στην υπόθεση ότι η σκοτεινή ενέργεια παραμένει σταθερή. Ωστόσο, αν καταρρεύσει, θα μπορούσε να οδηγήσει σε “μεγάλη κρίση”, στο οποίο το σύμπαν συστέλλεται από μόνο του. Ή εάν η σκοτεινή ενέργεια εντείνεται, θα υπήρχε μια «μεγάλη αντιπαράθεση» επειδή οι γαλαξίες, τα αστέρια και ακόμη και τα άτομα διαλύονται.
Άλλες ερωτήσεις, πιο κοντά στην κοσμική πατρίδα μας, μας βασανίζουν: Θα μπορούσε να υπάρχει ζωή σε έναν από αυτούς τους νέους πλανήτες που ανακαλύπτουμε; Εδώ είμαστε ακόμα στη σφαίρα της κερδοσκοπίας. Όμως, εκτός εάν η προέλευση της ζωής στη γη ήταν μια σπάνια σύμπτωση, περιμένω στοιχεία για μια βιόσφαιρα σε έναν εξωπλανήτη μέσα σε 20 χρόνια. Δεν περιμένω να βρεθούν εξωγήινοι σύντομα, αλλά νομίζω ότι η εξεύρεση εξωγήινης νοημοσύνης είναι μια αξιόλογη επιχείρηση. Η επιτυχία στην αναζήτηση θα σήμαινε ότι οι έννοιες της λογικής και της φυσικής δεν περιορίζονται στο “υλικό” στα ανθρώπινα κρανία. Μέχρι στιγμής, το 95% της προόδου στην κοσμολογία και την αστροφυσική οφείλεται στην περαιτέρω ανάπτυξη οργάνων και τεχνολογίας και λιγότερο από 5% στη «θεωρία πολυθρόνων». Περιμένω ότι η ισορροπία θα συνεχιστεί.
“Μόνο όταν εξαντληθούν οι εμπειρικοί πόροι πρέπει να περάσουμε στα ονειρεμένα βασίλεια της κερδοσκοπίας”
Αυτό που έγραψε ο Χαμπλ τη δεκαετία του 1930 εξακολουθεί να είναι ένα καλό αξίωμα σήμερα: “Μόνο όταν εξαντληθούν εμπειρικοί πόροι πρέπει να ξεκινήσουμε τα ονειρεμένα βασίλεια της κερδοσκοπίας.” Υπήρξαν πολλές ιδιαίτερα συναρπαστικές εποχές τα τελευταία 175 χρόνια: 1920 και 1930 όταν συνειδητοποιήσαμε ότι το σύμπαν δεν περιορίζεται στο σύστημα Γαλαξίας. και τις δεκαετίες του 1960 και του 1970 όταν ανακαλύψαμε αντικείμενα που αψηφούσαν την κλασική φυσική, όπως αστέρια νετρονίων και κβάζαρ, και όταν βρήκαμε στοιχεία για την αρχή του χρόνου με τη μορφή κοσμικής ακτινοβολίας φόντου μικροκυμάτων.
Έκτοτε, ο ρυθμός προόδου σταθεροποιήθηκε παρά επιβραδύνθηκε. Όταν γράφεται η ιστορία της επιστήμης, θα γιορτάσουμε αυτήν την εκπληκτική πρόοδο ως έναν από τους μεγαλύτερους θριάμβους της – με τεκτονική πλάκας, το γονιδίωμα και το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων. Και ορισμένοι σημαντικοί τομείς της αστρονομίας κερδίζουν μόλις την ορμή: Η έρευνα του Exoplanet είναι μόλις 25 ετών και μόλις αρχίζει η σοβαρή δουλειά στην αστροβιολογία. Μερικοί εξωπλανήτες θα μπορούσαν να έχουν ζωή – θα μπορούσαν ακόμη και να φιλοξενήσουν αλλοδαπούς που ήδη γνωρίζουν όλες τις απαντήσεις. Το βρίσκω ενθαρρυντικό.