Προσομοιώνοντας νάνους και γίγαντες
Οι καφέ νάνοι αποτελούν τη γέφυρα ανάμεσα στους πλανήτες και στα αστέρια. Η μάζα τους αν και πολύ μεγαλύτερη από αυτή γιγάντιων πλανητών όπως ο Δίας, δεν είναι αρκετή για να ξεκινήσουν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις στο κέντρο τους όπως συμβαίνει στον Ήλιο. Παρά το γεγονός ότι οι καφέ νάνοι δεν είναι παρά αποτυχημένα άστρα, ο αριθμός τους είναι πιθανόν συγκρίσιμος με αυτόν όλων των αστεριών του Γαλαξία, περίπου 100 δις.
Παρά τον μεγάλο τους αριθμό, λίγα γνωρίζουμε για τους καφέ νάνους. Επειδή δεν παράγουν ενέργεια στο εσωτερικό τους έχουν σχετικά ψυχρή επιφάνεια (μερικές εκατοντάδες βαθμοί Κελσίου) γεγονός που κάνει τον εντοπισμό τους και τη μελέτη τους δύσκολη. Ένα από τα ερωτήματα που παραμένουν αναπάντητα σχετίζονται με τον τρόπο δημιουργίας τους.
 |
Προσομοίωση δημιουργίας πρωτοαστέρα κατά την οποία η προσαύξηση ύλης από το δίσκο (πράσινο) είναι συνεχής. Η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον πρωτοαστέρα θερμαίνει το δίσκο και δεν επιτρέπει τη κατάτμηση του και τη δημιουργία μικρότερων σωμάτων όπως πλανήτες και καφέ νάνοι. Κάθε κουτί αντιστοιχεί σε μια διαφορετική χρονική στιγμή. Ο χρόνος τρέχει από αριστερά προς τα δεξιά. Τα διαφορετικά χρώματα αντιστοιχούν στην πυκνότητα της ύλης (κόκκινο υψηλή πυκνότητα, μπλε χαμηλή πυκνότητα). |
 |
Ίδια προσομοίωση όπως και στην προηγούμενη εικόνα. Η διαφορά είναι ότι η προσαύξηση ύλης στον πρωτοαστέρα από το δίσκο γίνεται επεισοδιακά. Ανάμεσα στις ενεργές φάσεις υπάρχουν μεγάλες περίοδοι που το κεντρικό αστέρι δεν απορροφά ύλη από το δίσκο και δεν εκπέμπει έντονη ακτινοβολία, επιτρέποντας την κατάτμηση του δίσκου και τον σχηματισμό μικρών σωμάτων. Αυτά φαίνονται στην τελευταία εικόνα ως μικρές περιοχές υψηλής πυκνότητας (σκούρο χρώμα) γύρω από το κεντρικό αστέρι. |
Μία από τις θεωρίες υποστηρίζει ότι αποτελούν υποπροϊόν της δημιουργίας κανονικών άστρων. Είναι γνωστό ότι κατά τη βαρυτική κατάρευση νεφών αέριου και σκόνης σχηματίζονται πρωτοαστέρες που τροφοδοτούνται με ύλη από δίσκους προσάυξησεις. Ο αέριος δίσκος εφόσον παραμένει αρκετά ψυχρός διασπάται σε μικρότερα κομμάτια τα οποία δημιουργούν μικρής μάζας αντικείμενα, όπως πλανήτες και καφέ νάνους. Το πρόβλημα με το σενάριο αυτό είναι ότι η ακτινοβολία του κεντρικού αστέρα κατά την προσάυξηση ύλης από το δίσκο είναι έντονη και παίζει το ρόλο ανάδρασης εμποδίζοντας τον αέριο δίσκο να διασπαστεί περαιτέρω και να δημιουργήσει μικρότερα σώματα. Εφόσον δεν υπάρχει διαδικασία να μετριάσει την ακτινοβολία από τον κεντρικό πρωτοαστέρα, το παραπάνω μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει το σχηματισμό ούτε πλανητών ούτε καφέ νάνων.
Πρόσφατη εργασία με επικεφαλής τον Έλληνα αστροφυσικό Δρ. Δημήτρη Σταματέλλο δίνει λύση στο παραπάνω πρόβλημα. Σύμφωνα με τον Δρ. Σταματέλο η προσαύξηση ύλης στον κεντρικό αστέρα, κατά την οποία αυξάνει τη μάζα του και εκπέμπει έντονη ακτινοβολία, γίνεται τμηματικά και απότομα κατά τη διάρκεια σύντομων επεισοδίων με χρόνο ζωής μερικών εκατοντάδων χρόνων. Μεταξύ των ενεργών φάσεων παρεμβάλλονται μεγάλες περίοδοι, με διάρκεια μερικές χιλιάδες χρόνια, κατά τις οποίες το κεντρικό άστρο κοιμάται: δεν απορροφά ύλη και δεν εκπέμπει έντονη ακτινοβολία, επιτρέποντας στον αέριο δίσκο να διατηρείται σε συνθήκες θερμοκρασίας και πυκνότητας κατάλληλες για κατάτμηση και δημιουργία μικρότερων σωμάτων, όπως πλανήτες και καφές νάνοι.
Τα συμπεράσματα αυτά βασίζονται σε νέες προσομοιώσεις της δημιουργίας άστρων που ανέπτυξε ο Δρ. Σταματέλλος σε συνεργασία με ερευνητές του τμήματος αστρονομίας του πανεπιστημίου Cardiff της Ουαλίας. Οι προσομοιώσεις αυτές όχι μόνο λύνουν ένα θεωρητικό πρόβλημα άλλα προβλέπουν ιδιότητες για τους καφέ νάνους που είναι σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις, όπως το ποσοστό των αντικειμένων αυτών σε σχέση με μεγαλύτερα αστέρια, το ποσοστό των διπλών συστημάτων που περιλαμβάνουν καφέ νάνους καθώς και την απουσία καφέ νάνων σε αστέρια όπως ο Ήλιος.
Χτίζοντας τις πρώτες μελανές οπές στο Σύμπαν.
Παρατηρήσεις την τελευταία δεκαετία αποκάλυψαν υπέρλαμπρα Quasar - τεράστιες μελανές οπές που ακτινοβολούν καθώς καταπίνουν ύλη - στο πρώιμο Σύμπαν, μόλις 1 δις χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ύπαρξη αυτών των αντικειμένων αποτελεί γρίφο για τους αστρονόμους. Απλοί υπολογισμοί δείχνουν ότι στην καρδία των αρχέγονων Quasars υπάρχουν τεράστιες μελανές οπές με μάζα ίση με αυτή ενός μικρού γαλαξία: 1 δίς φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο μας. Οι υπάρχουσες θεωρίες αδυνατούν να περιγράψουν με ικανοποιητικό τρόπο πως τόσο μεγάλες μελανές οπές δημιουργήθηκαν σε λιγότερο από 1 δις χρόνια, την ηλικία του Σύμπαντος την εποχή που παρατηρούνται τα Quasars.
Ομάδα αστρονόμων, μεταξύ των οποίων και ο Έλληνας Στέλιος Καζαντζίδης του Πανεπιστήμιου της Πολιτείας του Ohio, ισχυρίζονται ότι έλυσαν το πρόβλημα της προέλευσης των αρχέγονων τεράστιων μελανών οπών. Σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature παρουσίασαν νέες υπολογιστικές προσομοιώσεις που περιγράφουν τη συνένωση γιγάντιων πρώτο-γαλαξιών, αρχέγονων συγκεντρώσεων αερίου το οποίο είναι δέσμιο της ίδιας του της βαρύτητας.
Σε σχέση με προγενέστερες προσπάθειες οι νέες προσομοιώσεις παρακολουθούν την συμπεριφορά της ύλης σε πολύ μικρότερες κλίμακες, περίπου μισό έτος φωτός. Συνεπώς μπορούν να περιγράψουν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε μικρές κλίμακες, όπως η προσαύξηση αερίου σε μελανή οπή.
Επιπλέον, οι πρώτο-γαλαξίες διαφέρουν σημαντικά από γαλαξίες που παρατηρούμε σήμερα στο τοπικό Σύμπαν. Είχαν πολύ μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε αέριο και η χημική τους σύνθεση ήταν παρόμοια με αυτή του κοσμικού ρευστού που προέκυψε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Κατά συνέπεια η εξέλιξη του συστήματος των πρώτο-γαλαξιών, σύμφωνα με τις νέες προσομοιώσεις, είναι εντελώς διαφορετική από αυτή κανονικών γαλαξιών.
Σε σχέση με προγενέστερες προσπάθειες οι νέες προσομοιώσεις παρακολουθούν την συμπεριφορά της ύλης σε πολύ μικρότερες κλίμακες, περίπου μισό έτος φωτός. Συνεπώς μπορούν να περιγράψουν με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε μικρές κλίμακες, όπως η προσαύξηση αερίου σε μελανή οπή.
Επιπλέον, οι πρώτο-γαλαξίες διαφέρουν σημαντικά από γαλαξίες που παρατηρούμε σήμερα στο τοπικό Σύμπαν. Είχαν πολύ μεγαλύτερη περιεκτικότητα σε αέριο και η χημική τους σύνθεση ήταν παρόμοια με αυτή του κοσμικού ρευστού που προέκυψε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Κατά συνέπεια η εξέλιξη του συστήματος των πρώτο-γαλαξιών, σύμφωνα με τις νέες προσομοιώσεις, είναι εντελώς διαφορετική από αυτή κανονικών γαλαξιών.
 |
Διαφορετικά στιγμιότυπα της αλληλεπίδρασης πρώτο-γαλαξιών που δείχνουν την δημιουργία ενός ασταθούς δίσκου στο κέντρο του συστήματος. Τα διαφορετικά χρώματα δείχνουν διαφορετική πυκνότητα αέριου, με τα πιο φωτεινά χρώματα να αντιστοιχούν σε μεγαλύτερες πυκνότητες. |
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι κατά τη βαρυτική αλληλεπίδραση των πρώτο-γαλαξιών το αέριο αποσταθεροποιείται και εισρέει γρήγορα προς τις κεντρικές περιοχές του συστήματος όπου δημιουργεί έναν τεράστιο δίσκο (εικόνα). Στη συνέχεια ο δίσκος γίνεται ασταθής, το αέριο συρρικνώνεται και πάλι, για να σχηματίσει ένα πυκνό νέφος, το οποίο τελικά καταρρέει σε μελανή οπή με μάζα που μπορεί να ξεπερνά τις 100 εκατομμύρια ηλιακές (μόλις 10 φορές μικρότερη από τις μελανές οπές των υπέρλαμπρων Quasar που παρατηρούνται στο πρώιμο Σύμπαν). Η όλη διαδικασία διαρκεί μόλις 100.000 χρόνια. Η νεαρή μαύρη τρύπα θα συνεχίζει να αυξάνει τη μάζα της απορροφώντας αέριο από τον περιβάλλοντα δίσκο και μπορεί να φτάσει εύκολα πλέον στο 1 δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες σε λιγότερο από 1 δις χρόνια.
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η διαδικασία της συνένωσης των αρχέγονων γαλαξιών δημιουργεί ισχυρά κύματα βαρύτητας - κυματισμούς στο χωροχρονικό συνεχές - τα υπολείμματα των οποίων θα πρέπει να είναι παρατηρήσιμα σήμερα. Ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που αναπτύσσονται αυτή τη στιγμή, όπως η διαστημική αποστολή LISA που σχεδιάζεται τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) σε συνεργασία με τη NASA, και αναμένεται να εκτοξευθεί την επόμενη δεκαετία, θα είναι σε θέση να ανιχνεύσει αυτά τα κύματα άμεσα, και να ανοίξει ένα νέο παράθυρο σε αστροφυσικά και φυσικά φαινόμενα που δεν μπορούν να μελετηθούν με άλλους τρόπους.