Custom Search

Κυριακή 22 Μαΐου 2011

Το τέλος της κλασικής βαρύτητας;






Η θεώρηση ότι νόμος της βαρύτητας, όπως περιγράφεται από τη Νευτώνεια μηχανική ή τη γενική θεωρία της Σχετικότητας, ισχύει αναλλοίωτος σε όλες τις κλίμακες οδηγεί κατά ανάγκη στην υπόθεση της Σκοτεινής ύλης. Το 80% της μάζας του Σύμπαντος δεν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και μπορούμε να αντιληφθούμε την ύπαρξη της μόνο μέσω της βαρυτικής έλξης που ασκεί στη συνήθη, φωτεινή, ύλη. Χωρίς σκοτεινή ύλη, η κλασική βαρύτητα δεν μπορεί να εξηγήσει βασικά παρατηρησιακά δεδομένα, όπως η ταχύτητα περιστροφής αστέρων γύρω από το κέντρο σπειροειδών γαλαξιών.

Υπάρχει όμως και μια διαφορετική ερμηνεία των παρατηρήσεων, αυτή της τροποποιημένης βαρύτητας (Modified Newtonian dynamics, MOND), στην οποία η αινιγματική Σκοτεινή ύλη δεν είναι πλέον απαραίτητη. Η εναλλακτική αυτή θεώρηση υπαγορεύει ότι σε μεγάλες αποστάσεις, όταν η βαρύτική έλξη είναι ασθενής (η ένταση της ελαττώνεται με το τετράγωνο της απόστασης ανάμεσα σε δύο σώματα), ο νόμος της βαρύτητας αποκλίνει από τη Νευτώνεια προσέγγιση ή τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας. Τέτοιες αποκλίσεις δεν γίνονται αισθητές στο άμεσο περιβάλλον μας. Παραδείγματος χάρη η έλξη που ασκεί το βαρυτικό πεδίο της Γης σε κάθε ένα από εμάς είναι πολλές τάξεις μεγέθους  ισχυρότερη από το όριο στο οποίο η τροποποιημένη βαρύτητα αναμένεται να εμφανίζεται. Παρομοίως η έλξη που ασκεί ο Ήλιος σε  σώματα του πλανητικού μας συστήματος είναι αρκετά έντονη ώστε η τροποποιημένη βαρύτητα, αν υφίσταται, να μην γίνεται αντιληπτή.


Υπάρχουν όμως αντικείμενα που μπορούν να αποκαλύψουν διαφοροποιήσεις από το νόμο της κλασικής βαρύτητας και άρα να επιβεβαιώσουν ή να αντικρούσουν τη θεωρία της τροποποιημένης βαρύτητας. Τα διπλά αστέρια παραδείγματος χάρη, περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο λόγω της βαρυτικής τους αλληλεπίδρασης. Όταν η μάζα των δύο αστέρων είναι μικρή (παρόμοια με το Ήλιο) και η απόσταση μεταξύ τους μεγάλη (τουλάχιστον μερικές χιλιάδες φορές την απόσταση Γης-Ήλιου, για σύγκριση ο Πλούτωνας απέχει από το Ήλιο μόλις 40 φορές την απόσταση Γης-Ήλιου) η βαρύτική δύναμη που το ένα άστρο ασκεί στο ζευγάρι του είναι αρκετά ασθενής ώστε πιθανές αποκλίσεις από την κλασσική βαρύτητα να γίνονται εμφανείς και μετρήσιμες. 


Σχετική ταχύτητα διπλών συστημάτων (κατακόρυφος άξονας) μικρής μάζας και μεγάλου διαχωρισμού από το Sloan Digital Sky Survey ως συνάρτηση της απόστασής μεταξύ των δύο σωμάτων (οριζόντιας άξονας). Τα σημεία (μπλε) είναι οι μετρήσεις από το Sloan Digital Sky Survey. Η κόκκινη γραμμή αντιστοιχεί στην πρόβλεψη της κλασικής βαρύτητας. Εάν η θεωρία ίσχυε θα έπρεπε όλα τα σημεία να βρίσκονται κάτω από την κόκκινη γραμμή, κάτι που δεν συμβαίνει. Αντίθετα φαίνεται ότι η κατανομή των μετρήσεων είναι σχεδόν σταθερή με την απόσταση, σε συμφωνία με την τροποποιημένη βαρύτητα. 
Πρόσφατη ανάλυση δεδομένων από το Sloan Digital Sky Survey δημιούργησε το πρώτο δείγμα διπλών αστέρων μεγάλου διαχωρισμού και μικρής μάζας, το πλέον κατάλληλο για τον έλεγχο της θεωρίας της τροποποιημένης βαρύτητας. Ο παρατηρησιακος έλεγχος είναι εξαιρετικά απλός στην εφαρμογή. Αν κανείς υποθέσει την ιδανική περίπτωση ενός ζεύγους αστέρων σε κυκλική τροχιά λόγω βαρυτικής αλληλεπίδρασης τότε σύμφωνα με την κλασική βαρύτητα η σχετική ταχύτητα των δύο αστέρων που μετράμε στη Γη θα πρέπει να ελαττώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση που τα χωρίζει. Όσο μεγαλύτερη η απόσταση ανάμεσα στα δύο σώματα τόσο πιο αργά περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο. Αντίθετα η τροποποιημένη βαρύτητα προβλέπει σχετική ταχύτητα σταθερή με την απόσταση. 


Στην πράξη επειδή η τροχιά των αστέρων δύναται να είναι ελλειπτική και δεν γνωρίζουμε το επίπεδο περιστροφής καθώς οι κινήσεις του διπλού συστήματος προβάλλονται στην ουράνια σφαίρα, περιμένει κανείς να παρατηρήσει διασπορά στις μετρούμενες σχετικές ταχύτητες των διπλών συστημάτων. Ο διαχωρισμός όμως ανάμεσα στην κλασική και τροποποιημένη βαρύτητα παραμένει. Στην ρεαλιστική περίπτωση η κατανομή των σχετικών ταχυτήτων που μετράμε έχει μέγιστη τιμή (άνω όριο) που είτε ελαττώνεται με την απόσταση στην περίπτωση της κλασικής βαρύτητας, είτε παραμένει σταθερή στην περίπτωση της τροποποιημένης βαρύτητας. 


Αστρονόμοι από το Πανεπιστήμιο Nacional Autonoma του Μεξικού παρουσιάζουν το παραπάνω απλό παρατηρησιακό τεστ σε πρόσφατη δημοσίευση, χρησιμοποιώντας το δείγμα διπλών αστέρων μικρής μάζας και μεγάλης απόστασης από το Sloan Digital Sky Survey. Τα αποτελέσματα φαίνονται στο σχήμα και βρίσκονται σε ασυμφωνία με την κλασική βαρύτητα. Η κατανομή των μετρούμενων σχετικών ταχυτήτων των διπλών αστέρων δεν φαίνεται να μειώνεται με την απόσταση όπως προβλέπει η κλασική θεωρία (κόκκινη γραμμή). 


Βέβαια το αποτέλεσμα αυτό ούτε επιβεβαιώνει την τροποποιημένη βαρύτητα. Καθώς όμως η έννοια της σκοτεινής ύλης έχει διατυπωθεί εδώ και 90 χρόνια, χωρίς κανείς ακόμη να καταλαβαίνει τι είναι, είναι λογικό να θεωρεί κανείς και εναλλακτικές απόψεις. 

Δευτέρα 9 Μαΐου 2011

Προσομοιώνοντας νάνους και γίγαντες


Πρόσφατη εργασία με επικεφαλής τον Έλληνα αστροφυσικό Δρ. Δημήτρη Σταματέλλο δίνει λύση στο πρόβλημα δημιουργίας των καφέ νάνων. Διαβάστε περισσότερα στο Made in Greece.

Τρίτη 3 Μαΐου 2011

Αστροφυσική από το διαδίκτυο: χρησιμοποιώντας μηχανές αναζήτησης ως εικονικά τηλεσκόπια

Οι αστρονομικές παρατηρήσεις γίνονται συνεχώς ακριβότερες. Μεγάλα επίγεια τηλεσκόπια κατασκευάζονται και εξοπλίζονται με περίπλοκα όργανα παρατήρησης που συναγωνίζονται σε κόστος το τηλεσκόπιο στο οποίο τοποθετούνται. Διαστημικές αποστολές πολλών εκατοντάδων εκατομμυρίων ευρώ στέλνονται σε τροχιά γύρω από τη Γη για να παρατηρήσουν σε μήκη κύματος που δεν είναι προσβάσιμα από το έδαφος. Κάθε δευτερόλεπτο παρατήρησης σε μεγάλες υποδομές κοστίζει ακριβά. Αν και η χρησιμότητα των μεγάλων τηλεσκοπίων στην αστρονομία δεν αμφισβητείται, αναρωτιέται κανείς αν η αστροφυσική έρευνα είναι απαραίτητα ακριβή.

Το διαδίκτυο παραδείγματος χάρη αποτελεί δωρεάν πηγή τεράστιου όγκου δεδομένων τα οποία παραμένουν σε μεγάλο βαθμό αναξιοποίητα: εικόνες αστρονομικών αντικειμένων που  στην πλειοψηφία τους δεν έχουν ληφθεί με σκοπό την επιστημονική χρήση αν και περιέχουν πληροφορία που μπορεί να αποδειχθεί ερευνητικά χρήσιμη. 


Είναι λοιπόν δυνατό να παράγει κανείς επιστημονικά αποτελέσματα χρησιμοποιώντας το διαδίκτυο ως εικονικό τηλεσκόπιο και φωτογραφίες του νυχτερινού ουρανού που έχουν αναρτηθεί σε αυτό από μη επαγγελματίες αστρονόμους ως βασική πηγή παρατηρησιακών δεδομένων;
Σύνθεση όλων των ερασιτεχνικών εικόνων του κομήτη 17P/Holmes που είναι διαθέσιμες στο διαδίκτυο. Στα αριστερά φαίνεται με έντονο λευκό χρώμα η τροχιά του κομήτη. Στα δεξία η πράσινη καμπύλη δείχνει το δυναμικό μοντέλο της τροχιάς το οποίο αναπαράγει καλύτερα τις παρατηρήσεις. 






Πρόσφατα αστρονόμοι από Princeton και το Πανεπηστήμιο της Νέας Υόρκης έδειξαν ότι είναι δυνατό, εφόσον ο όγκος των δεδομένων είναι μεγάλος. Σε πρόσφατη ανακοίνωση κατάφεραν να ανασκευάσουν με καλή ακρίβεια την τροχιά του κομήτη 17Ρ/Holmes κατά την διάβαση του από το Ηλιακό σύστημα το 2007 χρησιμοποιώντας μόνο φωτογραφίες φίλων της αστρονομίας αναρτημένες στο διαδίκτυο.

Με τη βοήθεια της μηχανής αναζήτησης της Yahoo ανέκτησαν περίπου 400 φωτογραφίες του 17Ρ/Holmes σε διαφορετικές θέσεις της τροχιάς του Όλες οι παρατηρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ερασιτεχνικές και η πλειοψηφία δεν ήταν βαθμονομημένες στα πρότυπα των επαγγελματικών  αστρονομικών δεδομένων. Παρόλα αυτά χρησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό και εξελιγμένες στατιστικές μεθόδους για την ανάλυση των παρατηρήσεων κατάφεραν να συνθέσουν την τροχιά του κομήτη όπως φαίνεται στη εικόνα. 

Στόχος της εργασίας των αστρονόμων είναι να αναδείξουν τις δυνατότητες των ερασιτεχνικών αστρονομικών φωτογραφιών που είναι διαθέσιμες στο διαδίκτυο ως πολύτιμη πηγή πληροφορίας η οποία κάτω από κατάλληλες προϋποθέσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ερευνητικούς σκοπούς. 

Κυριακή 1 Μαΐου 2011

Νέος βραχώδης πλανήτης ανακαλύφθηκε σε αστέρι ορατό με γυμνό μάτη

Μεταβολή της λαμπρότητας του αστέρα 55Cancri-Α
(κατακόρυφος άξονας) ως συνάρτηση του χρόνου. Η
μείωση της λαμπρότητας στο κέντρο του διαγράμματος
οφείλεται στη διάβαση του πλανήτη 
55Cancri-e.
Περισσότεροι από 500 εξωπλανήτες έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα, αλλά κάθε ένας έχει ιδιαιτερότητες που τον κάνουν ξεχωριστό. Ο τελευταίος πλανήτης που προστέθηκε στη λίστα των αστρονόμων έχει τον κωδικό 55Cancri-e, είναι ο πιο πυκνός που έχει βρεθεί ποτέ ενώ περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι παρόμοιο με τον Ήλιο (55Cancri-Α) στον αστερισμό του Καρκίνου, το οποίο είναι ορατό με γυμνό μάτι στο νυχτερινό ουρανό. 


Σε πρόσφατη ανακοίνωση αμάδα αστρονόμων παρουσίασε τις μεταβολές της ακτινοβολίας που εκπέμπει ο 55Cancri-Α με το χρόνο (καμπύλη φωτός).  Παρατήρησαν περιοδικές μειώσεις τις φωτεινότητας του (δες σχήμα) οι οποίες οφείλονται στις διελεύσεις του πλανήτη 55Cancri-e μπροστά από το αστέρι. Καθώς ο πλανήτης καλύπτει τον δίσκο του αστέρα μπλοκάρει ένα μικρό (περίπου 2 μέρη στα 10.000), άλλα μετρήσιμο, ποσοστό του φωτός που φτάνει στη Γη. Οι αστρονόμοι μπόρεσαν να μετρήσουν τη μεταβολή αυτή χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο μόλις 15 εκατοστών σε τροχιά γύρω από τη Γη, την Καναδική αποστολή MOST

Από τη μορφή και την περιοδικότητα της μεταβολή της φωτεινότητας του 55Cancri-Α οι αστρονόμοι υπολόγισαν ότι ο πλανήτης είναι βραχώδης με πυκνότητα 2 φορές μεγαλύτερη της Γης και ακτίνα μόλις 60% μεγαλύτερη. Περιστρέφεται κάθε μόλις 18 ώρες γύρω από το κεντρικό αστέρι σε απόσταση 100 φορές μικρότερη σε σχέση με την τροχιά της Γης. Λόγω της εγγύτητας του στον 55Cancri-A η επιφανειακή του θερμοκρασία ξεπερνά τους 2500 Κελσίου και συνεπώς η πιθανότητα ζωής είναι μικρή. 


Λόγω της λαμπρότητας του 55Cancri-Α (ορατό με γυμνό μάτι) οι αστρονόμοι ελπίζουν να μπορέσουν να μελετήσουν λεπτομερώς τον νέο πλανήτη ώστε να κατανοήσουν τον τρόπο που δημιουργούνται βραχώδεις πλανήτες, όπως η Γη.