Custom Search

Κυριακή, 31 Οκτωβρίου 2010

Αναζητώντας ένα νέο είδος νετρίνου στο Σύμπαν

Το γράφημα δείχνει την εικόνα του Σύμπαντος στα μικροκύματα 
από παρατηρήσεις του  WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy 
Probe). Οι διαφορετικά χρωματισμένες περιοχές αντιστοιχούν 
σε μικροσκοπικές διακυμάνσεις της έντασης της μικροκυματικής 
ακτινοβολίας σε διαφορετικές κατευθύνσεις παρατήρησης. 
Μελέτη των διακυμάνσεων είναι δυνατό να δώσει πληροφορίες 
για  τα σωματίδια που υπήρχαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. 
Τα τελευταία αποτελέσματα από τον WMAP δείχνουν ότι 
υπάρχουν 4 οικογένειες των νετρίνων. Ο οριζόντιος άξονας 
του γραφήματος πάνω δεξία αντιστοιχεί στον αριθμό των 
γεύσεων των νετρίνων. Η κόκκινη περιοχή προσδιορίζει το 
χώρο που είναι συμβατός με τις παρατηρήσεις. Το σφάλμα 
στη μέτρηση του αριθμού οικογενειών νετρίνων παραμένει 
υψηλό, και συνεπώς τα δεδομένα υποστηρίζουν ακόμα μόνο 
τρεις οικογένειες: το τεχνικό αποτέλεσμα 4.34±0.86 οικογένειες. 
Πειράματα στο CERN έδειξαν ότι υπάρχουν μόνο 3 οικογένειες 
νετρίνων που επηρεάζονται από την ασθενή δύναμη. Αν 
υπάρχει ένα τέταρτο νετρίνο, θα είναι "στείρο" ή αλώβητο 
από την ασθενή πυρηνική δύναμη. 
Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια ιδιαίτερα εσωστρεφή. Είναι τόσο απρόθυμα να αλληλεπιδράσουν με τη συνηθισμένη ύλη που δισεκατομμύρια από αυτά περνάνε ακίνδυνα από μέσα μας κάθε μέρα. Απαιτούνται γιγάντιοι εξειδικευμένοι ανιχνευτές για να συλλάβουν  μερικά από αυτά. Μέχρι σήμερα γνωρίζουμε τρία είδη ή γεύσεις - τα νετρίνα μυονίων, σωματιδίων Ταυ και ηλεκτρονίων. 

Από τα τέλη της δεκαετίας του 1990 όμως, πειράματα νετρίνων σε επιταχυντές έδειξαν ανεξήγητες ανωμαλίες στα δεδομένα, οι οποίες υποδείκνυαν την ύπαρξη ενός τέταρτου νετρίνου. Το υποτιθέμενο αυτό νέο σωματίδιο, το αποκαλούμενο "στείρο" (sterile) νετρίνο, είναι ακόμη πιο αδιόρατο από τα νετρίνα των τριών κανονικών γεύσεων, διότι δεν υπόκειται στην ασθενή πυρηνική δύναμη, όπως συμβαίνει με τα υπόλοιπα, αλλά αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας. 


Οι συνέπειες της ύπαρξής του στείρου νετρίνου ξεφεύγουν από τα όρια της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Μία σειρά από ανοιχτά θέματα της αστροφυσικής, όπως η φύση της  αόρατης σκοτεινής ύλης, που αποτελεί το 85% της μάζας του Σύμπαντος, θα μπορούσαν να βρουν απάντηση στο στείρο νέτρινο. Δυστυχώς, η ιδιότητα του να αλληλεπιδρά με τα υπόλοιπα μόνο μέσω της βαρύτητας κάνει την επαλήθευση της ύπαρξης του εξαιρετικά δύσκολη υπόθεση για τους πυρηνικούς φυσικούς. 


Πρόσφατες εξελίξεις στην αστρονομία επιτρέπουν πλέον τη μελέτη του υποατομικού φάσματος των στοιχειωδών σωματιδίων μέσω παρατηρήσεων του Σύμπαντος σε μεγάλες κλίμακες. Ο δορυφόρος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) της NASA χαρτογραφεί από το 2001 τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις της μικροκυματικής ακτινοβολίας που έχει απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη. Το μοτίβο των διακυμάνσεων εμπεριέχει πληροφορίες για τη σούπα των σωματιδίων που υπήρχε λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων του WMAP υποδεικνύουν ότι ο πιο πιθανός αριθμός οικογενειών νετρίνων  στις απαρχές του Σύμπαντος είναι τέσσερις. Αν η μέτρηση αυτή επαληθευθεί με καλύτερης ποιότητας δεδομένα (το σφάλμα στις υπάρχουσες παρατηρήσεις είναι ακόμη μεγάλο), πιθανόν να σημαίνει ότι ένας νέος τύπος νετρινου περιμένει να ανακαλυφθεί.  

Εφόσον το στείρο νετρίνο υπάρχει και αποτελεί σημαντικό ποσοστό της σκοτεινής ύλης, η μάζα του μπορεί να προσδιοριστεί από παρατηρήσεις στις ακτίνες Χ. Περιοχές του Σύμπαντος με μεγάλη συγκέντρωση σκοτεινής ύλης είναι δυνατό να εκπέμπουν ασθενής αλλά ανιχνεύσιμους παλμούς ακτίνων Χ, καθώς το στείρο νετρίνο αποσυντίθεται  σε ελαφρότερα σωμάτια. 

Είναι γνωστό ότι νάνοι γαλαξίες, με φωτεινή μάζα (δηλ. αστέρια) τάξεις μεγέθους μικρότερη γαλαξιών όπως ο δικός μας, έχουν μεγάλα ποσοστά σκοτεινής ύλης. Επιπλέον η ακτινοβολία Χ των αντικείμενων αυτών είναι αρκετά χαμηλή και άρα επιτρέπει την ανίχνευση του αμυδρού σήματος μου αναμένεται από την αποσύνθεση των στείρων νετρίνων

Αστρονόμοι από τη NASA και το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια μελέτησαν το φάσμα ακτίνων Χ του Willman-1, ένος αμυδρού νάνου γαλαξία που περιφέρεται γύρω από τον δικό μας, με σκοπό να ανιχνεύσουν το σήμα από την διάσπαση των στείρων νετρίνων. Προς έκπληξη της επιστημονικής κοινότητας, τα δεδομένα υποδεικνύουν την ύπαρξη του αναμενόμενου σήματος, αν και οι παρατηρήσεις δεν είναι αρκετά ευαίσθητες για να αποκλειστεί η πιθανότητα το σήμα που ανιχνεύθηκε να είναι απλά θόρυβος. 

Πιο πρόσφατα ο Δρ. Nestor Mirabal του Πανεπιστήμιου Complutensede της Μαδρίτης επανέλαβε το ίδιο πείραμα σε ένα άλλο νάνο δορυφόρο του Γαλαξία μας, τον Segue-1, ο οποίος βρίσκεται περίπου 815 χιλιάδες έτη φωτός μακριά από τη Γη και έχει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση σκοτεινής ύλης σε σχέση με κάθε άλλο κοντινό μας γαλαξία. Ούτε σε αυτή την περίπτωση όμως δεν ανιχνεύθηκε σήμα ακτίνων Χ το οποίο να μπορεί με βεβαιότητα να αποδοθεί στα στείρα νετρίνα

Παρόλα αυτά οι παραπάνω παρατηρήσεις εξακολουθούν να είναι εξαιρετικά χρήσιμες: είναι η πρώτη φόρα που επιστήμονες μπορούν να θέσουν όρια στη μάζα του υποτιθέμενου νέου τύπου νετρίνου βασιζόμενοι σε πειραματικά δεδομένα. Σε κάθε περίπτωση τα αρνητικά αποτελέσματα των παραπάνω μελετών δεν πτοούν τους αστρονόμους. Καθώς η ποιότητα των δεδομένων βελτιώνεται, είτε με νέα διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων-Χ ή πιο ευαίσθητες παρατηρήσεις, είναι σίγουρο ότι η μάζα του στείρου νετρίνου θα μπορέσει να προσδιοριστεί, εάν αυτό υπάρχει. Άλλωστε παρατηρήσεις γαλαξιών εκατοντάδες χιλιάδες έτη φωτός μακριά από τη Γη είναι αυτή τη στιγμή η πιο ελπιδοφόρα μέθοδος για την αναζήτηση του στείρου νετρίνου. 

Παρασκευή, 22 Οκτωβρίου 2010

Ο πιό μακρινός γαλαξίας στο Σύμπαν

Επιστήμονες μέτρησαν την απόσταση από τον πιο απομακρυσμένο γαλαξία που έχει βρεθεί ποτέ. Το αντικείμενο με το κωδικό όνομα UDFy-38135539, βρίσκεται σε απόσταση 291 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακρυά, μόλις 600 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.  

Η αχνή αυτή πηγή εντοπίστηκε αρχικά σε εξαιρετικά ευαίσθητες φωτομετρικές παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble. Οι αστρονόμοι υπέθεσαν ότι βρίσκεται σε πολύ μεγάλη απόσταση από τη Γη από το κόκκινο χρώμα του. Λόγω της διαστολής του Σύμπαντος η ακτινοβολία πολύ απομακρυσμένων γαλαξιών πέφτει κυρίως στο υπέρυθρο (κόκκινο) τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. 

Το UDFy-38135539 (το αχνό αντικείμενο αριστερά) 
είναι ο πιο μακρινός γαλαξίας σήμερα. Επιλέχθηκε
από χιλιάδες άλλους γαλαξίες που εντόπισε το
διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble λόγω του κόκκινου
χρώματος του. Credit: NASA, ESA, G. Illingworth 
(UCO / Lick Observatory και το  Πανεπιστήμιο της 
California, Santa Cruz), καθώς και η HUDF09 
ομάδα.
Σε πρόσφατη εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, αστρονόμοι από τη Γαλλία και την Αγγλία επιβεβαίωσαν τις υποψίες των συναδέλφων τους. Χρησιμοποιώντας ένα από τα μεγαλύτερα επίγεια τηλεσκόπια, το Very Large Telescope διαμέτρου 8 μέτρων του Ευρωπαϊκού οργανισμού ESO, και συνολικό χρόνο έκθεσης πάνω από 14 ώρες κατάφεραν να αναλύσουν την ακτινοβολία του UDFy-38135539 σε διαφορετικά μήκη κύματος. Στη συνέχεια αναγνώρισαν στο φάσμα του αντικείμενου μία αχνή γραμμή εκπομπής, η οποία εμφανίζεται μετατοπισμένη προς το ερυθρό σε σχέση με το μήκος κύματος που μετράμε στη Γη. Η μετατόπιση αυτή οφείλεται στη διαστολή του Σύμπαντος και συνεπώς είναι δυνατό να μεταφραστεί σε απόσταση: όσο πιο απομακρυσμένο το αντικείμενο τόσο μεγαλύτερη η μετατόπιση προς το ερυθρό.

Ο απομακρυσμένος γαλαξίας UDFy-38135539 θα βοηθήσει τους αστρονόμους να κατανοήσουν τη διαδικασία που ονομάζεται επαναϊονισμός. Στα πρώτα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια της ζωής του Σύμπαντος η ύλη ήταν αδιαφανής σε ακτινοβολία. Πληροφορίες για την κατάσταση του Σύμπαντος κατά την επονομαζόμενη Σκοτεινή Εποχή δεν πρόκειται να πάρουμε ποτέ, τουλάχιστον όχι με τους συμβατικούς τρόπους παρατήρησης που βασίζονται στον εντοπισμό ακτινοβολίας, καθώς αυτή δεν είναι δυνατό να διαφύγει προς τη Γη. 

Πιστεύεται ότι περίπου 300 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη η ακτινοβολία των πρώτων γαλαξιών άρχισε να καθαρίζει την  αδιαφανή ομίχλη αερίου που γέμιζε τον Σύμπαν (επαναϊονισμός). Η διαδικασία αυτή ολοκληρώθηκε 700 εκατομμύρια χρόνια αργότερα, όταν το Σύμπαν είχε ηλικία 1δίς χρόνια. Ο UDFy-38135539 είναι ένας από τους πρώτους γαλαξίες που παρατηρούμε κατά τη φάση εκκαθάρισης του αδιαφανούς μανδύα του Σύμπαντος και συνεπώς η μελέτη τους θα αποκαλύψει μοναδικές πληροφορίες για το πως προχώρησε η διαδικασία αυτή. 

Παρασκευή, 15 Οκτωβρίου 2010

Τα Μαγγελανικά Νέφη ήταν κάποτε μέρος της Ανδρομέδας;


Το Μικρό και Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου 
(δεξία της εικόνας) όπως φαίνονται από το νότιο 
ημισφαίριο. Στα αριστέρα διακρίνεται ο Γαλαξίας μας.  
Το Μικρό και Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου (αγγλ. Small and Large Magellanic Clouds) είναι δύο άμορφοι νάνοι (μικρή μάζα) γαλαξίες που βρίσκονται κοντά στο δικό μας και είναι ορατοί με γυμνό μάτι από το νότιο ημισφαίριο. Η προέλευση των Μαγγελανικών Νεφών είναι ακόμη άγνωστη. 

Πρόσφατη μελέτη υποστηρίζει ότι τα αντικείμενα αυτά εκτινάχθηκαν πριν από 4 έως 8 δις χρόνια από ένα άλλο κοντινό γαλαξία, την Ανδρομέδα, γνωστή και με τον κωδικό Μ31.  

Τα τελευταία χρόνια ένας αυξανόμενος όγκος παρατηρήσεων υποδεικνύουν ότι η Ανδρομέδα είναι πιθανόν να δημιουργήθηκε από τη συνένωση δυο προγενέστερων γαλαξιών με μεγάλη περιεκτικότητα σε αέριο. 

Είναι γνωστό ότι κατά τις βαρυτικές αλληλεπίδρασεις γαλαξιών, οπώς αυτές που πιστεύεται ότι δημιούργησαν την Ανδρομέδα, νέφη αερίου και σκόνης εκτοξεύονται σε μεγάλες αποστάσεις από το σύστημα δημιουργώντας εντυπωσιακούς παλιρροιακούς σχηματισμούς. Κάποια από τα νέφη αυτά έχουν αρκετά μεγάλη μάζα ώστε να καταρρεύσουν κάτω από την ίδια τους τη βαρύτητα και να εξελιχθούν σε νάνους γαλαξίες, όπως τα  Μαγγελανικά Νέφη. Η παρατηρούμενες θέσεις και σχετικές ταχύτητες των Μαγγελανικών Νεφών βρέθηκε ότι είναι απόλυτα συμβατές με αυτό το σενάριο.

Τα πρώτα αστέρια στο Σύπμαν

Ομάδα αστρονόμων από τη Γερμανία και τη Γαλλία σε πρόσφατη ανακοίνωση τους υποστηρίζουν ότι ανακάλυψαν μία από τις πρώτες γενεές αστέρων που δημιουργήθηκαν στο Σύμπαν, όταν αυτό ήταν νεαρότερο από 500 εκατομμύρια χρόνια, δηλαδή μόλις το 4% της σημερινής του ηλικίας (περίπου 13.5 δις χρόνια). Τα αντικείμενα αυτά είναι εξαιρετικά σπάνια και συνεπώς οι αστρονόμοι χρειάστηκε να σαρώσουν σχεδόν το 1/3 του ουρανού για να βρουν μόλις 16 από τα πρώιμα αυτά αστέρια στο Γαλαξία μας. 

Παρατηρήσεις έδειξαν ότι η χημική σύσταση των αστεριών αυτών είναι παρόμοια με αυτή του κοσμικού ρευστού που προέκυψε από τη Μεγάλη Έκρηξη, κυρίως υδρογόνο και ήλιο, με εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε βαρύτερα στοιχεία, όπως οξυγόνο, άνθρακας και σίδηρος. Γνωρίζουμε ότι άτομα βαρύτερα από το ήλιο, τα οποία οι αστρονόμοι αποκαλούν απλά "μέταλλα", παράγονται μόνο μέσω πυρηνικών αντιδράσεων στα κέντρα αστεριών και στη συνέχεια διαχέονται στη μεσοαστρική ύλη είτε με την έκρηξη υπερκαινοφανών αστέρων είτε μέσω αστρικών ανέμων.

Αστέρια με εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα δημιουργούνται από αέριο το οποίο δεν έχει προλάβει να εμπλουτιστεί σε βαρύτερα στοιχεία. Τέτοιες συνθήκες επικρατούν μόνο στο νεαρό Σύμπαν, πριν επάλληλες γενεές αστέρων "μολύνουν" το πρώιμο κοσμικό ρευστό με άτομα βαρύτερα του ηλίου.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ελάχιστα για τα πρώτα εκατομμύρια χρόνια του Σύμπαντος, καθώς άμεσες παρατηρήσεις εκείνης της εποχής δεν υπάρχουν ακόμη. Τα εξαιρετικά φτωχά σε μέταλλα αστέρια που ανακάλυψαν οι αστρονόμοι έρχονται να καλύψουν αυτό το κενό καθώς αποτελούν απολιθώματα της πρώτης φάσης δημιουργίας του Γαλαξίας μας και του Σύμπαντος γενικότερα. Οι επιστήμονες ελπίζουν η μελέτη των αστέρων αυτών να μας βοηθήσει να καταλάβουμε καλύτερα πότε, που και πως παράχθηκαν οι πυρήνες των βαρύτερων ατόμων, όπως ο άνθρακας, το άζωτο και το οξυγόνο, τα οποία είναι υπεύθυνα για την ανάπτυξη ζωής στον πλανήτη μας.