Η βασική λειτουργία του Planet Physics είναι να ενθαρρύνει, να προωθήσει και να υποστηρίξει την εκπαίδευση στον τομέα της Φυσικής, κάνοντας τη μάθηση απτή, ενδιαφέρουσα και διαδραστική.

Το φαινόμενο Doppler στην Αστρονομία

Σήμερα, θα μελετήσουμε το φαινόμενο Doppler στο πλαίσιο της αστρονομίας. Αυτό το φαινόμενο, το οποίο αναλύσαμε πρόσφατα στο πεδίο του Ήχου, παίζει καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση του σύμπαντος.

.

Στην αστρονομία, το φαινόμενο Doppler χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κίνησης ουράνιων αντικειμένων, όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες. Όταν ένα αστέρι απομακρύνεται από τη Γη, το φως που εκπέμπει φαίνεται να μετατοπίζεται προς το κόκκινο άκρο του φάσματος, ένα φαινόμενο γνωστό ως “μετατόπιση προς το ερυθρό”. Αντίθετα, αν ένα αστέρι μας πλησιάζει, το φως του μετατοπίζεται προς το μπλε άκρο του φάσματος, γνωστό ως “μετατόπιση προς το μπλε”.

.

Αυτές οι μετατοπίσεις του φωτός παρέχουν κρίσιμα δεδομένα για τη δομή και τη συμπεριφορά του Σύμπαντος. Για παράδειγμα, η ανακάλυψη της ερυθράς μετατόπισης συνέβαλε καθοριστικά στην επιβεβαίωση ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, έναν ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης κοσμολογίας. Η μετατόπιση προς το μπλε από την άλλη, μπορεί να υποδεικνύει ουράνια αντικείμενα που κινούνται προς το μέρος μας, πράγμα κρίσιμο για τη μελέτη της τοπικής δυναμικής του γαλαξία μας.

.

Μετατόπιση του φωτός προς το ερυθρό όμως, δεν έχουμε μόνο όταν ένα ουράνιο σώμα απομακρύνεται από εμάς: στο διάστημα συναντάμε και τη βαρυτική ερυθρά μετατόπιση! Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν το φως διέρχεται μέσα από ένα (ισχυρό) βαρυτικό πεδίο. Σε αντίθεση με το φαινόμενο Doppler, το οποίο προκαλείται από την κίνηση της πηγής (ή του παρατηρητή), η βαρυτική ερυθρά μετατόπιση συμβαίνει λόγω της καμπύλωσης του χωροχρόνου γύρω από ένα αντικείμενο με μεγάλη βαρύτητα, όπως για παράδειγμα μια μαύρη τρύπα. Καθώς το φως βγαίνει από το βαρυτικό πεδίο, χάνει ενέργεια, με αποτέλεσμα το μήκος κύματός του να μετατοπίζεται προς το ερυθρό άκρο του φάσματος. Η έννοια αυτή αποτελεί κρίσιμη πτυχή της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν και έχει επιβεβαιωθεί με διάφορα πειράματα και παρατηρήσεις.

.

Fun fact: Η βαρυτική ερυθρά μετατόπιση λαμβάνεται υπόψη στο Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (GPS), λόγω της βαρύτητας της Γης. Αν δεν το υπολογίζαμε, τα σφάλματα θα καθιστούσαν το GPS πρακτικά…άχρηστο!

Μαγνητικά μονόπολα

Σήμερα θα εξετάσουμε το συναρπαστικό κόσμο των μαγνητικών μονόπολων. Πρόκειται για υποθετικά σωματίδια με έναν μόνο μαγνητικό πόλο, είτε βόρειο, είτε νότιο. Αν και η ύπαρξη τους δεν απαγορεύεται από κάποιο νόμο της Φυσικής, κανείς δεν έχει βρει ακόμη ένα “παγκόσμιο” μαγνητικό μονόπολο. Ωστόσο, ορισμένες πρόσφατες εξελίξεις προσθέτουν μια συναρπαστική τροπή σε αυτή την επιστημονική αναζήτηση.

.

Η έννοια των μαγνητικών μονόπολων υπάρχει από τις αρχές του 20ού αιώνα, με πρωτεργάτη το Φυσικό Paul Dirac. Η ύπαρξη έστω και ενός μονόπολου θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε διακριτές ποσότητες. Στην ουσία, η εύρεση ενός μαγνητικού μονόπολου θα ήταν σαν να βρισκόταν ένα κομμάτι που λείπει από το παζλ της θεμελιώδους Φυσικής.

.

Οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει αυτές τις ασύλληπτες οντότητες με διάφορους τρόπους, από επιταχυντές σωματιδίων έως ανιχνευτές κοσμικών ακτινών. Παρά την εκτεταμένη αναζήτηση, το παγκόσμιο μαγνητικό μονόπολο παρέμεινε ένα θεωρητικό κατασκεύασμα, που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ μέχρι σήμερα.

.

Πρόσφατες δημοσιεύσεις από το Κέντρο Νανοτεχνολογίας του Λονδίνου και άλλα ιδρύματα αναφέρουν ευρήματα που «ξεσηκώνουν» την επιστημονική κοινότητα. Αν και δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί εκτενώς από ομότιμους, οι μελέτες αυτές υποδηλώνουν την ύπαρξη οντοτήτων που μοιάζουν με μαγνητικά μονόπολα μέσα σε ένα εξειδικευμένο υλικό που ονομάζεται “πάγος σπιν”. Δεν πρόκειται για τα καθολικά μονόπολα που αναζητούσαμε, αλλά παρουσιάζουν παρόμοιες ιδιότητες, μέσα στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο στοιχείο που θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για την έρευνα.

.

Η αναζήτηση μαγνητικών μονόπολων δεν είναι απλά μια «θεωρητική αναζήτηση». Η ανακάλυψη αυτών των σωματιδίων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόηση του σύμπαντος και να οδηγήσει σε απίστευτες τεχνολογικές εξελίξεις αναφορικά με την αποθήκευση και τη μετάδοση ενέργειας.

.

Το αν οι πρόσφατες ανακαλύψεις θα αντέξουν τη δοκιμασία του χρόνου και του ελέγχου, μένει να το δούμε. Σίγουρα όμως, προσθέτουν ένα νέο, συναρπαστικό κεφάλαιο στην εξελισσόμενη έρευνα για τα μαγνητικά μονόπολα.

Έκρηξη “kilonova”

Όλοι γνωρίζουμε την έκρηξη supernova (υπερκαινοφανής), στη διάρκεια της οποίας ένα μεγάλο αστέρι που τελείωσε τα «καύσιμα» του φτάνει στο εκρηκτικό του τέλος. Υπάρχει όμως κι ένα λιγότερο γνωστό φαινόμενο, με παρόμοιο όνομα: η έκρηξη “kilonova”.

.

Μια kilonova είναι η κοσμική έκρηξη που συμβαίνει όταν συγκρούονται δύο αστέρες νετρονίων. Οι αστέρες νετρονίων είναι τα εξαιρετικά πυκνά υπολείμματα αστέρων που έχουν προηγουμένως γίνει υπερκαινοφανείς. Πόσο πυκνοί είναι οι αστέρες νετρονίων; Φανταστείτε τη μάζα του Ήλιου σε ένα χώρο όχι μεγαλύτερο…από μια πόλη!

.

Όταν δύο αστέρες νετρονίων πλησιάζουν σπειροειδώς ο ένας τον άλλο και τελικά συγκρούονται, δεν δημιουργούν απλώς μια έκρηξη. Χρησιμεύουν επίσης ως «κοσμικά μεταλλουργεία» για τη δημιουργία βαρύτερων στοιχείων όπως ο χρυσός και η πλατίνα, τα οποία δεν μπορούν να δημιουργηθούν στο εσωτερικό των άστρων με τη διαδικασία της σύντηξης. Οι ακραίες συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης επιτρέπουν την ταχεία σύλληψη νετρονίων, μια διαδικασία που συμβάλλει στο σχηματισμό των βαρέων στοιχείων. Στην πράξη, το μεγαλύτερο μέρος του χρυσού ή της πλατίνας που υπάρχουν στα κοσμήματα, πιθανότατα είχε την προέλευσή του σε τέτοιες κοσμικές συγκρούσεις.

.

Αλλά υπάρχει και ένα άλλο επίπεδο στο γιατί τα kilonova είναι τόσο συναρπαστικά: παράγουν βαρυτικά κύματα, δηλαδή κυματισμούς στο χώρο και στο χρόνο. Όργανα όπως το LIGO και το Virgo μας επέτρεψαν να ανιχνεύσουμε αυτά τα κύματα, προσφέροντας έναν νέο τρόπο παρατήρησης και κατανόησης του σύμπαντος.

.

Το διάσημο γεγονός GW170817 (σύγκρουση δύο αστέρων νετρονίων), που παρατηρήθηκε το 2017, αποτέλεσε ορόσημο στον τομέα αυτό. Ήταν η πρώτη περίπτωση όπου η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων επιβεβαιώθηκε από ηλεκτρομαγνητικά σήματα, συμπεριλαμβανομένων των ακτινών γάμμα και του ορατού φωτός. Το γεγονός αυτό επιβεβαίωσε πολλές θεωρίες για τα kilonova και άνοιξε νέους δρόμους για την αστρονομία «πολλαπλών μηνυμάτων», έναν τομέα που χρησιμοποιεί διάφορες μορφές παρατήρησης, για να παρέχει μια πληρέστερη εικόνα των κοσμικών γεγονότων.

.

Εικόνα: University of Warwick/Mark Garlick

Η ακτινοβολία Hawking

Η ακτινοβολία Hawking προβλέφθηκε από τον ομώνυμο Φυσικό το 1974. Πρόκειται για μια μορφή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τις μαύρες τρύπες, λόγω κβαντικών φαινομένων κοντά στον ορίζοντα γεγονότων. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί σημαντική πτυχή της μελέτης των μαύρων τρυπών και της Κβαντομηχανικής, καθώς υποδηλώνει ότι οι μαύρες τρύπες δεν είναι εντελώς «μαύρες», αλλά εκπέμπουν μικρές ποσότητες ακτινοβολίας.

.

Η έννοια της ακτινοβολίας Hawking προκύπτει από τις αρχές της Κβαντομηχανικής. Σύμφωνα με την αυτή, στον κενό χώρο δημιουργούνται και εξαϋλώνονται συνεχώς ζεύγη εικονικών σωματιδίων. Κοντά στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, είναι δυνατόν ένα από αυτά τα σωματίδια να πέσει μέσα στη μαύρη τρύπα, ενώ το άλλο να διαφύγει, με αποτέλεσμα την εκπομπή ακτινοβολίας. Με δεδομένο ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί από μόνη της, ούτε να καταστραφεί, οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι η ίδια η μαύρη τρύπα παρέχει τη μάζα/ενέργεια για την εκπομπή της ακτινοβολίας.

.

Αυτό έχει μια πολύ σημαντική επίπτωση: η ακτινοβολία Hawking κάνει τις μαύρες τρύπες να χάνουν αργά τη μάζα τους και τελικά να εξατμίζονται εντελώς. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως εξάτμιση των μαύρων τρυπών. Η ακτινοβολία που εκπέμπει μια μαύρη τρύπα είναι ανάλογη της θερμοκρασίας της, η οποία με τη σειρά της είναι αντιστρόφως ανάλογη της μάζας της. Αυτό σημαίνει ότι καθώς μια μαύρη τρύπα χάνει μάζα, η θερμοκρασία της αυξάνεται και εκπέμπει ακόμα περισσότερη ακτινοβολία, με αποτέλεσμα τελικά να εξατμίζεται εντελώς.

.

Η μελέτη της ακτινοβολίας Hawking έχει επίσης επιπτώσεις στο «παράδοξο της πληροφορίας», το οποίο είναι ένα πρόβλημα της θεωρητικής Φυσικής που προκύπτει από την προφανή απώλεια πληροφορίας όταν μια μαύρη τρύπα εξατμίζεται. Το παράδοξο της πληροφορίας είναι ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα της Φυσικής, και η κατανόηση της ακτινοβολίας Hawking είναι ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυσή του.

.

Ακούγεται παράλογο ότι μια μαύρη τρύπα, που λόγω τεράστιας βαρύτητας απορροφά ακόμα και το φως, τελικά…εκπέμπει ακτινοβολία! Ας ευχαριστήσουμε τον κ. Hawking για τη συνεισφορά…