Η προέλευση των χημικών στοιχείων.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΚΕΙΜΕΝΑ:
 Μια τεράστια αόρατη δύναμη κυβερνά το Σύμπαν.

   Υστερα από κάθε έκρηξη σουπερνόβα, τα αέρια που εκπέμπονται δημιουργούν παράξενους νεφελώδεις σχηματισμούς, που επί αιώνες διαστέλλονται στο Διάστημα με τεράστιες ταχύτητες.

Η προέλευση των χημικών στοιχείων.

Σε μια πρόσφατη ομιλία μου ανέφερα ότι στο σύμπαν βρίσκουμε ένα περίπου τρισεκατομμύριο γαλαξίες, καθένας από τους οποίους αποτελείται κατά μέσον όρο από περίπου 100 δισεκατομμύρια άστρα. Στο τέλος της ομιλίας, ένας από τους ακροατές με ρώτησε ποια είναι τα συστατικά από τα οποία αποτελούνται όλα αυτά τα τρισεκατομμύρια των τρισεκατομμυρίων άστρων και πλανητών που ανέφερα. Και η απάντηση είναι απλή, γιατί όλα αυτά τα άστρα αποτελούνται από τα άτομα των 92 χημικών στοιχείων που βρίσκουμε ελεύθερα στη φύση με κυριότερο συστατικό το υδρογόνο.

'Ολο το υδρογόνο που υπάρχει στο σύμπαν και το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου γεννήθηκαν στα πρώτα 10 λεπτά της ύπαρξης του σύμπαντος, πριν από 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Η πυρηνοσύνθεση αυτή άρχισε τρία λεπτά και 46 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Εκρηξη, όταν η θερμοκρασία του σύμπαντος είχε πέσει στο ένα δισεκατομμύριο βαθμούς. Εκτοτε δεν έχει δημιουργηθεί άλλο υδρογόνο και η αναλογία της πυρηνικής ύλης που υπήρχε τότε ήταν 25% ήλιο και το υπόλοιπο 75% υδρογόνο. Στο τέλος όμως των δέκα πρώτων λεπτών της δημιουργίας, η θερμοπυρηνική μηχανή του σύμπαντος σταμάτησε να λειτουργεί και μαζί της σταμάτησε και οποιαδήποτε συνέχεια της πυρηνοσύνθεσης.

Οποιαδήποτε περαιτέρω δημιουργία νέων πυρήνων των χημικών στοιχείων της φύσης έπρεπε να περιμένει τη δημιουργία των άστρων (εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια αργότερα και μέχρι σήμερα), στη θερμοπυρηνική καρδιά των οποίων το υδρογόνο μετατρέπεται σε βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον σίδηρο, καθώς επίσης και στις εκρήξεις των σουπερνόβα για τη δημιουργία πολύ βαρέων στοιχείων πάνω από τον σίδηρο και μέχρι το ουράνιο.

Οι εκρήξεις σουπερνόβα είναι αναπόφευκτες σε άστρα που έχουν υλικά περισσότερα από οκτώ ηλιακές μάζες, ενώ λίγο πριν από την έκρηξη η περιεκτικότητα υλικών στα διάφορα στρώματα του άστρου εξαρτάται από τη συνολική μάζα του. Στην περίπτωση ενός άστρου με υλικά 25 φορές τα υλικά που έχει ο Ηλιος περιλαμβάνονται διάφορα στρώματα πυρηνικών αντιδράσεων: ένα εξωτερικό στρώμα υδρογόνου, ακολουθούμενο από ένα στρώμα ηλίου, ένα άνθρακα, οξυγόνου, πυριτίου, και στο κέντρο του άστρου η σιδερένια του καρδιά. Το πέρασμα, όμως, ενός κρουστικού κύματος υλικών που μετακινείται από το κέντρο προς την επιφάνειά του δημιουργεί διάφορες πυρηνικές αντιδράσεις, με αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων χημικών στοιχείων ανώτερα του σιδήρου. Η έκρηξη σουπερνόβα που επακολουθεί είναι ταυτόχρονα ένα τέλος και μια αρχή, γιατί το εκρηκτικό τέλος της ζωής ενός άστρου απελευθερώνει όλα τα χημικά στοιχεία που είχαν δημιουργηθεί στη καρδιά του κατά τη διάρκεια της σύντομης σχετικά ζωής του, καθώς και πολλά άλλα που γεννήθηκαν τη στιγμή της έκρηξης. Η «σούπα» αυτή των χημικών στοιχείων εμπλουτίζει τα διάσπαρτα νεφελώματα αερίων και διαστημικής σκόνης, από τα οποία θα γεννηθούν νέα άστρα και νέοι πλανήτες.

Υστερα από κάθε έκρηξη σουπερνόβα τα αέρια που εκπέμπονται δημιουργούν παράξενους νεφελώδεις σχηματισμούς, που επί αιώνες διαστέλλονται στο Διάστημα με τεράστιες ταχύτητες. Τα νεφελώματα αυτά υπερθερμαίνονται από τις τεράστιες ακτινοβολίες υψηλής ενέργειας που εκπέμπουν οι αστρικοί πυρήνες που έχουν απομείνει στο κέντρο τους, φωτίζοντας έτσι τα αστρικά αυτά λείψανα με τις αραχνιασμένες μορφές. Ο αστρικός αυτός πυρήνας συμπιέζεται τόσο πολύ ώστε δημιουργείται μια σφαίρα μερικών χιλιομέτρων με την πιο λεία, στερεή επιφάνεια που έχει γνωρίσει ποτέ το σύμπαν. Βρισκόμαστε δηλαδή αντιμέτωποι μ’ ένα άστρο νετρονίων που περιστρέφεται σαν σβούρα δεκάδες ή και εκατοντάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο. Υλικά από ένα τέτοιο άστρο με μέγεθος όσο ένα κουταλάκι του γλυκού, θα «ζύγιζαν» δέκα εκατομμύρια τόνους, όσο 10.000 σύγχρονα αεροπλανοφόρα, ενώ ένα μωρό 5 κιλών στην επιφάνειά του θα «ζύγιζε» 50 εκατομμύρια τόνους! Αν η Γη μας είχε συμπιεστεί σε μια σφαίρα με την πυκνότητα που έχει ένα τέτοιο άστρο θα χωρούσε άνετα στο εσωτερικό του κλειστού Σταδίου «Ειρήνης και Φιλίας».

Οταν δύο τέτοια άστρα νετρονίων βρεθούν το ένα δίπλα στο άλλο, αρχίζει ένας ναπολιτάνικος χορός που, αργά ή γρήγορα, θα καταλήξει στη σύγκρουσή τους και στη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας με το 90% των υλικών τους. Κατά τη διάρκεια όμως της σύγκρουσης, μια ποσότητα υλικών ίση με 16.000 φορές τα υλικά της Γης μετατρέπεται σε βαρέα χημικά στοιχεία μεταξύ των οποίων και ο χρυσός, σε ποσότητα που υπολογίζεται ότι φτάνει τις 800 σεληνιακές μάζες. Κι έτσι μαζί με τη δημιουργία μιας Μαύρης Τρύπας, την εκπομπή τεραστίων ποσοτήτων βαρυτικών κυμάτων και εκλάμψεων ακτίνων γάμα, δημιουργούνται επίσης και τα υπόλοιπα βαρέα στοιχεία ανώτερα του σιδήρου, που αποτελούν τα συστατικά των άστρων που βλέπουμε κάθε βράδυ στον ουρανό.

 Διονύσης Π. Σιμόπουλος,
 επίτιμος διευθυντής του Ευγενιδείου Πλανηταρίου.


9/12/2019


           ΣΧΕΤΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ              




 Μια τεράστια αόρατη δύναμη κυβερνά το Σύμπαν.

Ο Γαλαξίας μας, είναι μέρος ενός νεφελώματος που αποτελείται από εκατοντάδες δισεκατομμύρια γαλαξίες διάσπαρτους στο σύμπαν.

Η ποικιλία τους είναι εκπληκτική: σπείρες, γαλαξίες σε σχήματα δαχτυλιδιών και βρόχων γεμάτων με αστέρια. Παρά τις διαφορές τους και τις αποστάσεις που τους χωρίζουν, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι ορισμένοι γαλαξίες μετακινούνται όλοι μαζί διαγράφοντας  περίεργα και συχνά ανεξήγητα σχήματα, σαν να συνδέονται με μια τεράστια, αόρατη δύναμη.

Δομές μεγάλης κλίμακας

Οι γαλαξίες που απέχουν μεταξύ τους μερικά εκατομμύρια έτη φωτός μπορούν να έχουν μια αμοιβαία επίδραση, προβλέψιμη κυρίως χάρη στη βαρύτητα.

Αλλά οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει μυστηριώδη σχήματα μεταξύ απόμακρων γαλαξιών που ξεπερνούν αυτές τις τοπικές αλληλεπιδράσεις.

Αυτές οι ανακαλύψεις υποδηλώνουν την αινιγματική επίδραση των αποκαλούμενων “δομών μεγάλης κλίμακας“, οι οποίες σήμερα είναι τα μεγαλύτερα γνωστά αντικείμενα του σύμπαντος.

Αυτές οι σκοτεινές δομές αποτελούνται από υδρογόνο και σκοτεινή ύλη και έχουν τη μορφή νημάτων, σε σχήμα φύλλων και κόμβων που συνδέουν τους γαλαξίες μέσα σε ένα τεράστιο δίκτυο που ονομάζεται «κοσμικός ιστός».

Γνωρίζουμε ότι οι δομές αυτές έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην εξέλιξη και τις κινήσεις των γαλαξιών, αλλά οι επιστήμονες έχουν μόλις αγγίξει την επιφάνεια αυτής της δυναμικής, επειδή μερικά από αυτά τα φαινόμενα κλονίζουν τις πιο θεμελιώδεις ιδέες μας για το σύμπαν.

“Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο συνεχίζουμε να μελετάμε αυτές τις δομές μεγάλης κλίμακας“, δήλωσε ο Noam Libeskind, κοσμογράφος στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής Λάϊμπνιτς του Leibniz (AIP) στη Γερμανία. “Είναι ένας τρόπος ανίχνευσης και οριοθέτησης των νόμων της βαρύτητας και της φύσης της ύλης, της σκοτεινής ύλης, της σκοτεινής ενέργειας και του σύμπαντος“.

Συγχρονισμένη κίνηση όλων των γαλαξιών

Μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο The Astrophysical Journal τον Οκτώβριο αποκάλυψε ότι εκατοντάδες γαλαξίες είχαν συγχρονισμένη περιστροφή με γαλαξίες, δεκάδες εκατομμύρια έτη φωτός μακριά.

“Αυτή η ανακάλυψη είναι πολύ πρόσφατη και απροσδόκητη”, δήλωσε ο Joon Hyeop Lee,  αστρονόμος στο Κορεατικό Ινστιτούτο Αστρονομίας και Διαστημικής Επιστήμης και επικεφαλής της μελέτης. “Προηγουμένως δεν είχα δει ποτέ αναφορές για παρατηρήσεις ή προβλέψεις αριθμητικών προσεγγίσεων, που να συνδέονται με αυτό το φαινόμενο. ”

Ο Lee και οι συνάδελφοί του μελέτησαν 445 γαλαξίες σε απόσταση 400 εκατομμυρίων έτη φωτός από τη Γη και διαπίστωσαν ότι πολλοί από αυτούς που στρέφονται προς τη Γη ήταν κοντά σε άλλους γαλαξίες και κατευθύνονται επίσης προς τη Γη. Με τον ίδιο τρόπο, εκείνοι που γυρίζουν προς την αντίθετη κατεύθυνση είναι συχνά κοντά σε άλλους γαλαξίες που απομακρύνονται από τη Γη.

Η παρατηρούμενη συνεκτικότητα πρέπει να σχετίζεται με δομές μεγάλης κλίμακας, επειδή είναι αδύνατο για γαλαξίες που χωρίζονται με έξι megaparsecs [περίπου 20 εκατομμύρια έτη φωτός] να αλληλεπιδρούν άμεσα μεταξύ τους”, δήλωσε ο Lee.

Ο Lee και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι οι συγχρονισμένοι γαλαξίες θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στην ίδια δομή μεγάλης κλίμακας, η οποία περιστρέφεται πολύ αργά αντίθετα προς τους δείκτες του ρολογιού.

Αυτή η υπολανθάνουσα δυναμική θα μπορούσε να δημιουργήσει ένα είδος συνάφειας μεταξύ της περιστροφής των εξεταζόμενων γαλαξιών και των κινήσεων των γειτόνων τους.

Θα χρειαστεί όμως περισσότερη έρευνα για να επιβεβαιωθούν τα ευρήματα και τα συμπεράσματα της ομάδας του.

Αν και αυτή η ιδιότροπη επανάληψη των παράξενα συγχρονισμένων γαλαξιών είναι καινούργια, οι επιστήμονες παρατήρησαν παράξενες ομοιότητες μεταξύ των γαλαξιών σε ακόμη πιο απομακρυσμένες αποστάσεις.

Το 2014, μια ομάδα διαπίστωσε περίεργες ευθυγραμμίσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στην καρδιά των κβάζαρ, τους πρώην υπερβολικά φωτεινούς γαλαξίες που εκτείνονται σε δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Με επικεφαλής τον Damien Hutsemékers, αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο της Λιέγης στο Βέλγιο, οι ερευνητές σημείωσαν αυτόν τον παράξενο συγχρονισμό παρατηρώντας το σύμπαν όπως ήταν μόλις μερικά δισεκατομμύρια χρόνια πριν, χρησιμοποιώντας το Μεγάλο Τηλεσκόπιο στη Χιλή. Οι παρατηρήσεις κατέγραψαν την πόλωση του φωτός περίπου 100 κβάζαρ, την οποία η ομάδα χρησιμοποίησε στη συνέχεια για να παραστήσει γεωμετρικά και την ευθυγράμμιση των κέντρων των μαύρων οπών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι άξονες περιστροφής 19 κβάζαρ της ομάδας αυτής ήταν παράλληλοι, ενώ απείχαν μεταξύ τους αρκετά δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics, δείχνει ότι δομές μεγάλης κλίμακας επηρέασαν τη δυναμική των γαλαξιών σε τεράστιες αποστάσεις στην αρχή του σύμπαντος.

Η εξήγηση των συγχρονισμένων γαλαξιών 
θα μπορούσε να αλλάξει τα πάντα.

Το μυστήριο αυτών των συγχρονισμένων γαλαξιών μπορεί να θέσει υπό αμφισβήτηση την κοσμολογική αρχή της ομογενοποίησης και της ισοτροπίας, ενός θεμελιώδους αξιώματος για το σύμπαν.

Αυτή η αρχή ορίζει ότι το σύμπαν είναι ομοιόμορφο και ομοιογενές σε ακραίες κλίμακες. Αλλά “η ύπαρξη συσχετίσεων των αξόνων των κβάζαρ σε τέτοιες ακραίες κλίμακες θα ήταν μια σοβαρή ανωμαλία της κοσμολογικής αρχής“, επισημαίνουν ο Hutsemékers και οι συνάδελφοί του στη μελέτη τους.

Ωστόσο, ο Hutsemékers προειδοποιεί, επισημαίνοντας ότι είναι απαραίτητο να εντοπιστούν και να μελετηθούν άλλες δομές αυτού του τύπου για να αποδειχθεί ότι πρόκειται για σοβαρή παραβίαση της κοσμολογικής αρχής. “Χρειάζονται άλλες παρόμοιες δομές για να επιβεβαιώσουμε ότι πρόκειται για πραγματική ανωμαλία“, ανέφερε.

Προς το παρόν, η δυναμική των θέσεων αυτών των κβάζαρ δεν είναι καλά κατανοητή επειδή υπάρχουν λίγες τεχνικές παρατήρησης για να τις αναλύσουμε λεπτομερώς. “Για ευθυγραμμίσεις μεγάλης κλίμακας, χρειαζόμαστε κυρίως περισσότερα δεδομένα“, δήλωσε ο Hutsemékers. Τα προγραμματισμένα ραδιοτηλεσκόπια, όπως το Square Kilometer Array, μπορεί να είναι σε θέση να εξετάσουν λεπτομερέστερα αυτές τις μυστηριώδεις ευθυγραμμίσεις.

“Το καταπληκτικό με την επιστήμη είναι ότι μπορούμε να έχουμε ένα μοντέλο με χιλιάδες δεδομένα, αλλά αν ένα μόνο στοιχείο δεν ταιριάζει, αυτό είναι το ελάττωμα. Αν δεν συνδυάζεται με τα άλλα, ακυρώνει ολόκληρο το σύστημα ”

Οι ευθυγραμμίσεις κβάσαρ δεν είναι τα μόνα εμπόδια, που έχουν παρουσιάσει γαλαξίες παράξενα συγχρονισμένοι, σε καθιερωμένα μοντέλα του σύμπαντος. Οντως, μια από τις πιο αμφιλεγόμενες τρέχουσες συζητήσεις στην κοσμολογία περιστρέφεται γύρω από τον απροσδόκητο τρόπο με τον οποίο οι νάνοι γαλαξίες ευθυγραμμίζονται απόλυτα με τους γαλαξίες των ξενιστών όπως ο Γαλαξίας.

Αυτοί οι γαλαξίες – δορυφόροι είναι επί του παρόντος αγκάθι στο λεγόμενο μοντέλο Λάμδα-CDM*, θεωρητική χρονολογική εσχατιά του σύμπαντος από τη Μεγάλη Έκρηξη. Οι προσομοιώσεις του σύμπαντος στο μοντέλο Λάμδα-CDM προβλέπουν ότι μικροί γαλαξίες-δορυφόροι θα βρεθούν σε ένα σμήνος τυχαίων τροχιών γύρω από μεγαλύτερους γαλαξίες – ξενιστών.

Όμως, κατά την τελευταία δεκαετία, νέες παρατηρήσεις αποκάλυψαν ότι ένα τεράστιο τμήμα των γαλαξιών-δορυφόρων γύρω από τον Γαλαξία συγχρονίζεται σε ένα μόνο και καλά οργανωμένο τροχιακό επίπεδο. Οι επιστήμονες καταρχήν αναρωτήθηκαν αν συμβαίνει κάτι παράξενο στον γαλαξία μας, αλλά στη συνέχεια παρατήρησαν ένα παρόμοιο επίπεδο [γαλαξιών] – δορυφόρων γύρω από την Ανδρομέδα.

Πράγματι, άρχισε να χτυπάει συναγερμός, όταν το 2015 οι αστροναύτες δημοσίευσαν παρατηρήσεις του ίδιου φαινομένου για τρίτη φορά γύρω από τον Α του Κενταύρου, έναν ελλειπτικό γαλαξία περίπου 10 εκατομμύρια έτη φωτός από τον Γαλαξία.

Αυτή η ανακάλυψη “υποδηλώνει ότι υπάρχει πρόβλημα με πρότυπες κοσμολογικές προσομοιώσεις“, σύμφωνα με μια μεταγενέστερη μελέτη του 2018 υπό τον Oliver Müller, αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο του Στρασβούργου στο περιοδικό Science .

“Μέχρι τώρα, είδαμε αυτό στους τρεις κοντινότερους γαλαξίες”, δήλωσε ο Müller. “Φυσικά, μπορούμε πάντα να λέμε ότι τρεις περιπτώσεις, δεν είναι ακόμη στατιστική. Αλλά δείχνει ότι αν, όποτε έχουμε ποιοτικά δεδομένα, βρίσκουμε το ίδιο πράγμα, τότε θα μπορούσε να ισχύει για όλο το σύμπαν.’’

Τηλεσκόπια διαμέτρου 30 μέτρων

Αυτή η δελεαστική αβεβαιότητα ώθησε τους αστρονόμους να θέσουν αυτό το πρόβλημα στο επίκεντρο των έρευνών τους. Όπως ο Marcel Pawlowski, απόφοιτος του διάσημου Ινστιτούτου Αστροφυσικής Leibniz του Potsdam (Γερμανία) και συν-συγγραφέας μιας μελέτης που δημοσιεύθηκε το 2018 στο περιοδικό Science. Ο Pawlowski περιμένει με ανυπομονησία τα δεδομένα της επόμενης γενιάς των τηλεσκοπίων [διαμέτρου] 30 μέτρων που θα δείξουν αν άλλοι μεγάλοι γαλαξίες περιβάλλονται από ισότροπα ή οργανωμένα πρότυπα γαλαξιών-δορυφόρων.

“Αυτό που πρέπει να κάνουμε τώρα είναι να επεκτείνουμε την έρευνά μας σε πιο απομακρυσμένα δορυφορικά συστήματα, να βρούμε γαλαξίες – δορυφόρους και να μετρήσουμε την ταχύτητά τους“, μας δήλωσε ο Pawlowski.

“Ο τομέας έχει προχωρήσει πραγματικά χάρη στην τρέχουσα συζήτηση για τις μελέτες“, πρόσθεσε ο Pawlowski. “Είναι πολύ ωραίο να βλέπουμε τα αποδεικτικά στοιχεία να γίνονται ισχυρότερα. ”

Είτε πρόκειται για τις περίεργες κινήσεις των νάνων γαλαξιών στη γαλακτική μας γειτονιά είτε για την παράξενη ευθυγράμμιση των γαλαξιών σε απόσταση εκατομμυρίων ή δισεκατομμυρίων ετών φωτός, είναι σαφές ότι οι χορευτικές κινήσεις των γαλαξιών αποτελούν βασικό κλειδί για την κατανόηση της δομής του μεγάλης κλίμακος σύμπαντος.

Οι γαλαξίες- όπως δείχνουν οι υπέροχες φωτογραφίες – καθοδηγούνται από πολύπλοκες δυνάμεις που ακόμα μας ξεφεύγουν, όπως μας ξεφεύγει κυρίως ο κοσμικός ιστός που στηρίζει το σύμπαν.

“Αυτό που πραγματικά αγαπώ σε αυτόν τον τομέα είναι ότι είμαστε ακόμα σε φάση εξερεύνησης“, μας δήλωσε ο Müller. “Είναι πολύ συναρπαστικό. ”

*Το μοντέλο ΛCDM ή Λάμδα-CDM είναι το κοσμολογικό μοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης στο οποίο το Λ είναι μία κοσμολογική σταθερά και CDM  είναι η ψυχρή σκοτεινή ύλη (Cold Dark Matter).


  Becky Ferreira


23/12/2019