Σάββατο, 2 Μαΐου 2009

Κατοικώντας σ' ένα σκοτεινό και βίαιο Σύμπαν

Η εικόνα που μας προσφέρει η σύγχρονη επιστήμη για τη δομή και την εξέλιξη του Σύμπαντος είναι μάλλον ασυνήθιστη, σχεδόν υπερρεαλιστική. Η παλαιότερη υποψία ότι το Σύμπαν μας περιέχει μια μεγάλη, και παντελώς άγνωστη, ποσότητα ύλης και ενέργειας θεωρείται σήμερα βεβαιότητα. Εύκολα αντιλαμβάνεται κανείς το σοκ που προκάλεσε, στα τέλη του εικοστού αιώνα, η είδηση ότι μέχρι τότε η Φυσική είχε αγνοήσει τα 3/4 της συνολικής μάζας-ενέργειας του Σύμπαντος!

Σύντομα όμως οι φυσικοί συνήλθαν από το σοκ κι άρχισαν να αναζητούν κάποιες λογικές απαντήσεις στα άκρως ενοχλητικά ερωτήματα που θέτει η παρουσία της «σκοτεινής» ύλης και ενέργειας στον κόσμο. Δημιουργήθηκε, μάλιστα, και ένας νέος επιστημονικός κλάδος που μελετά αυτά τα φαινόμενα: η «αστροσωματιδιακή φυσική».

Ζητήσαμε λοιπόν από τον Σταύρο Κατσανέβα, επιφανή Ελληνα αστροσωματιδιακό φυσικό, να μας εξηγήσει με ποιο τρόπο επιχειρεί σήμερα η επιστήμη να ρίξει κάποιο φως στην πιο σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος.

Η γνωστή σε όλους ορατή ύλη, από την οποία αποτελούνται τα αστέρια, οι πλανήτες και τα σώματά μας, αντιστοιχεί μόλις στο 4% της συνολικής ύλης-ενέργειας που υπάρχει στο Σύμπαν. Το υπόλοιπο 96% είναι ένα μυστηριώδες μείγμα από «σκοτεινή ύλη» και «σκοτεινή ενέργεια».

Παραδόξως, οι πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης ήταν γνωστές ήδη από τη δεκαετία του 1930, αλλά αγνοήθηκαν συστηματικά. Ομως στα τέλη του εικοστού αιώνα δύο ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες ανακοίνωσαν τις έρευνές τους, που απεδείκνυαν ότι οι μέχρι τότε έρευνες είχαν αγνοήσει τα 3/4 της συνολικής μάζας-ενέργειας του Σύμπαντος! Την πρώτη ερευνητική ομάδα διηύθυνε ο διάσημος αστροφυσικός Σολ Πέρλμουτερ του Πανεπιστημίου Μπέρκλεϊ των ΗΠΑ, ενώ η δεύτερη ομάδα ήταν μια διεθνής συνεργασία μεταξύ του Μπράιαν Σμιτ (Αυστραλία) και του Ρόμπερτ Κίρσνερ (ΗΠΑ).

Στο ερώτημα γιατί η Φυσική χρειάστηκε τόσο χρόνο για να αποκαλύψει την ύπαρξη αυτής της τεράστιας ποσότητας «σκοτεινής ύλης» στο Σύμπαν η απάντηση είναι απλή: επειδή αυτή η ύλη δεν εκπέμπει φώς ή κάποια άλλη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αρα ήταν αδύνατον να ανιχνευθεί άμεσα με τα συνήθη τηλεσκόπια ή ραδιοτηλεσκόπια.

Την παρουσία της μπορούμε να την ανιχνεύσουμε μόνον έμμεσα: μελετώντας τις ταχύτητες περιφοράς των εξωτερικών άστρων στους βραχίονες των γαλαξιών ή από τα φαινόμενα της λεγόμενης «βαρυτικής εστίασης του φωτός».

Αυτή η δεύτερη έμμεση αλλά αποφασιστική ένδειξη έχει να κάνει με το γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη, ενώ είναι αόρατη επειδή δεν αλληλεπιδρά με τη γνωστή μας ύλη, είναι ωστόσο βέβαιο ότι θα πρέπει να έχει κάποια μάζα. Και εφόσον η θεωρία του Αϊνστάιν περί καμπύλωσης του χωροχρόνου από την παρουσία της μάζας είναι σωστή, τότε και η μάζα της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να καμπυλώνει το τμήμα του χωροχρόνου που την περιέχει.

Οπως μας εξηγεί ο Σταύρος Κατσανέβας: «Στη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας, η μάζα καμπυλώνει τον χώρο γύρω της ώστε η τροχιά του φωτός παύει να είναι ευθύγραμμη, αλλά ακολουθεί την καμπυλότητα του χώρου. Η μάζα, ορατή και μη, παίζει τον ρόλο βαρυτικού φακού, εστιάζει δηλαδή το φως των μακρινών γαλαξιών, δημιουργώντας οπτικά φαινόμενα: εστιάσεις, κατοπτρισμούς, φαινομενικές επιμηκύνσεις κ.λπ.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα φαινόμενα και υπολογίζοντας κατά πόσο το φως μακρινών γαλαξιών απέκλινε από την ευθεία, μπορούμε να υπολογίσουμε πόση μάζα μεσολαβεί ανάμεσα σ' αυτούς τους γαλαξίες και τη Γη. Μπορούμε δηλαδή να χαρτογραφήσουμε αυτή τη μάζα ανεξάρτητα από το αν εκπέμπει φως η όχι. Και αυτού του είδους οι χαρτογραφήσεις έδειξαν ότι η μάζα στην άμεση αστρική μας γειτονιά είναι πολύ περισσότερη από την ορατή».

Ομως οι δυσάρεστες εκπλήξεις για τους φυσικούς δεν τελείωσαν με την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης. Πιο πρόσφατα ήρθε να προστεθεί μια ακόμη πιο αινιγματική παρουσία: η σκοτεινή ενέργεια. Οι αστροφυσικοί κατέληξαν στην άκρως ενοχλητική διαπίστωση ότι το Σύμπαν μας διαστέλλεται συνεχώς, και μάλιστα με επιταχυνόμενους ρυθμούς. Αναλύοντας τη συμπεριφορά κάποιων μακρινών αστεριών, που ονομάζονται «υπερκαινοφανείς αστέρες» επειδή τελειώνουν τη ζωή τους με μια γιγάντια έκρηξη, διαπίστωσαν ότι αυτές οι εκρήξεις ήταν λιγότερο φωτεινές απ' όσο περίμεναν.

Συνεπώς, υπάρχει κάτι στο Σύμπαν που επιταχύνει αντί να επιβραδύνει τη διαστολή του. Γεγονός που συνεπάγεται ότι όλη η σκοτεινή και όλη η ορατή ύλη μαζί, δηλαδή η συνολική μάζα του σύμπαντος, καθώς και οι βαρυτικές ελκτικές δυνάμεις που αυτή η μάζα αναπτύσσει, δεν είναι πλέον σε θέση να συγκρατήσουν την επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος.

Ολες οι παρατηρήσεις επιβεβαιώνουν την ανάγκη ύπαρξης στο Σύμπαν μιας άγνωστης αλλά πολύ ισχυρής «αντιβαρυτικής δύναμης» που το ωθεί να δραπετεύει. Και επειδή οι επιστήμονες αγνοούν τη φύση και την προέλευση αυτής της άγνωστης μορφής ενέργειας, την αποκαλούν «σκοτεινή ενέργεια» ή «ενέργεια του κενού».

Ετσι, από αυτές τις μετρήσεις των κοσμολογικών διακυμάνσεων, οι αστροφυσικοί κατάφεραν να υπολογίσουν με μεγάλη ακρίβεια την πυκνότητα της σκοτεινής κοσμικής ύλης και ενέργειας και κατέληξαν στη βεβαιότητα ότι η ορατή ύλη δεν αποτελεί παρά μόνο το 4% της ύλης και της ενέργειας του Σύμπαντος, ενώ το υπόλοιπο 96% αποτελείται από σκοτεινή ύλη (23%) και σκοτεινή ενέργεια (73%).

Διαπιστώνουμε λοιπόν ότι κατοικούμε σ' ένα βίαιο, σκοτεινό αλλά, ευτυχώς, όχι αφιλόξενο Σύμπαν, εφόσον εξακολουθούμε να υπάρχουμε και προσπαθούμε να επινοήσουμε τρόπους για να διαφωτίσουμε τις πιο σκοτεινές πτυχές του.

Του Σπύρου Μανουσέλη. Από την ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ του Σαββάτου, 21 Φεβρουαρίου 2009.

Μια γέφυρα μεταξύ μικρόκοσμου και μακρόκοσμου

  • Πώς θα μπορούσε κανείς να ορίσει την αστροσωματιδιακή φυσική και ποιο είναι το αντικείμενο που μελετά;

«Μια παιγνιώδης και συνοπτική απάντηση σε αυτό το ερώτημα είναι ότι η αστροσωματιδιακή φυσική μελετά τη σκοτεινή και βίαιη πλευρά του Σύμπαντος, κάτι σαν ένα είδος "κοσμικής ψυχανάλυσης"... Πιο σοβαρά όμως, είναι ένας σχετικά πρόσφατος τομέας της επιστήμης, που εφάπτεται πειραματικά και θεωρητικά στην κοσμολογία, την αστροφυσική και τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων.

Αφετηρία της υπήρξε η διαπίστωση ότι για την κατανόηση του απείρως μεγάλου, δηλαδή του Σύμπαντος, έχουμε ανάγκη τις θεωρητικές και πειραματικές κατακτήσεις της έρευνας του απείρως μικρού, δηλαδή των σωματιδίων· αλλά και αντίστροφα, καμία θεωρία για το απείρως μικρό δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή αν δεν περάσει τον έλεγχο των πιθανών επιπτώσεών της στην τρέχουσα εικόνα της γένεσης και της εξέλιξης του Σύμπαντος, αφού το Σύμπαν γεννήθηκε σε ένα απειροελάχιστο σημείο.

Ας πάρουμε, παραδείγματος χάριν, το πρόβλημα της σκοτεινής ύλης. Αν και οι ενδείξεις για την ύπαρξή της προέρχονται από την αστροφυσική και την κοσμολογία, πιστεύουμε ότι η λύση του πρέπει να αναζητηθεί στα στοιχειώδη σωματίδια. Ισως να ισχύει το ίδιο και για την ερμηνεία της σκοτεινής ενέργειας.

Μια κάπως διαφορετική απάντηση στο ερώτημά σας προκύπτει εξετάζοντας τις πειραματικές και παρατηρησιακές προσεγγίσεις. Χάρη σε αυτές γνωρίζουμε ότι τα βίαια φαινόμενα, όπως οι ενδορρήξεις αστεριών που καταλήγουν σε σουπερνόβα, οι συντήξεις διπλών αστεριών, η βίαιη προσαύξηση ύλης στη γειτονία των μελανών οπών, παίζουν το ρόλο του ρυθμιστή στη δημιουργία των κοσμικών δομών. Αυτά τα φαινόμενα, ανακατώνοντας τις κοσμικές κλίμακες, μεταφέροντας π.χ. ύλη και πεδία από την κλίμακα ενός αστεριού στην κλίμακα του γαλαξία, επιταχύνουν ή επιβραδύνουν τη δημιουργία και την εξέλιξή του.

Ταυτόχρονα, όμως, αυτά τα βίαια φαινόμενα παράγουν πέρα από το ορατό φως και μια πληθώρα άλλων "αγγελιαφόρων": νετρίνα, φορτισμένα σωματίδια ή φωτόνια πολύ υψηλής ενέργειας, βαρυτικά κύματα. Η ανίχνευσή τους είναι απαραίτητη για την κατανόηση σε βάθος των φαινομένων που τα παρήγαγαν. Ετσι, οι φυσικοί στοιχειωδών σωματιδίων μετέφεραν τις τεχνικές ανίχνευσης σωματιδίων από τους επίγειους επιταχυντές στη μελέτη αυτών των κοσμικών επιταχυντών. Χρησιμοποίησαν επίσης τεχνικές μεγάλης ευαισθησίας και χαμηλού παρασιτικού θορύβου για να προσπαθήσουν να ανιχνεύσουν ιδιαίτερα σπάνια φαινόμενα όπως αυτό της άμεσης ανίχνευσης σωματιδίων σκοτεινής ύλης.

Η χρησιμοποίηση λοιπόν πειραματικών μεθόδων στοιχειωδών σωματιδίων στην αστροφυσική, και αντίστροφα, θα μπορούσε να είναι ένας άλλος ορισμός της αστροσωματιδιακής φυσικής. Μέχρι πρόσφατα πάντως, οι πρωτοπόροι του τομέα αντιμετωπίζονταν σαν λιποτάκτες από τους φυσικούς στοιχειωδών σωματιδίων και σαν εισβολείς από τους αστροφυσικούς».

  • Ποια είναι σήμερα η «γεωγραφία» της έρευνας στην αστροσωματιδιακή φυσική;

«Ενα από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της αστροσωματιδιακής φυσικής είναι ο παγκόσμιος χαρακτήρας της. Οι πειραματικές διατάξεις της δεν περιορίζονται στα προηγμένα κράτη ή σε περιοχές ιδιαίτερης ατμοσφαιρικής καθαρότητας (π.χ. η Χιλή για την Αστρονομία), αλλά καλύπτουν όλη την υδρόγειο.

Υπάρχουν αστροσωματιδιακά παρατηρητήρια στην πάμπα της Αργεντινής, στα οροπέδια της Ναμίμπια, στην Ανταρκτική, στον βυθό της Μεσογείου, σε τούνελ και ορυχεία, στις πεδιάδες της Τοσκάνης και της Λουιζιάνα, αλλά και σε δορυφόρους ή στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Αυτές οι διατάξεις χρησιμοποιούν τη θάλασσα, την ατμόσφαιρα και τη γη ως ανιχνευτικό μέσο ή ως φίλτρο της κοσμικής ακτινοβολίας. Η ακρίβεια των μετρήσεων συνεπάγεται μια συνεχή βελτίωση των γνώσεών μας για τη σύσταση της ατμόσφαιρας ή της θάλασσας, ενώ η ανίχνευση σπάνιας κοσμικής ακτινοβολίας επιβάλλει τη διάταξη μεγάλων δικτύων ανιχνευτών. Το παρατηρητήριο AUGER π.χ. καλύπτει με ανιχνευτικές μονάδες μια επιφάνεια 3.000 τετραγωνικών χιλιομέτρων, ισοδύναμη με αυτήν της Αττικής.

Η ακριβής γνώση των περιβαλλοντικών παραμέτρων μέσω μεγάλων δικτύων ανιχνευτών παρέχει στα αστροσωματιδιακά παρατηρητήρια διπλή δυνατότητα: συστηματική έρευνα των θεμελιωδών νόμων του Σύμπαντος και ταυτόχρονα μελέτη και παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Συμβάλλει λοιπόν στην εμβάθυνση της γνώσης των γεωεπιστημών, της ωκεανολογίας και της βιοποικιλότητας. Λέω συχνά ότι η αστροσωματιδιακή φυσική κατέστησε την υδρόγειο ένα κοσμικό παρατηρητήριο, στο οποίο η παρατήρηση του σύμπαντος προϋποθέτει τη γνώση του γήινου οικοσυστήματος και αντίστροφα».

  • Μολονότι ζείτε και εργάζεστε στο εξωτερικό, ενδιαφέρεστε ζωηρά για την έρευνα στην Ελλάδα. Ποιο ρόλο μπορεί να έχει η Ελλάδα σε αυτή την ερευνητική κοσμογονία;

«Ανάμεσα στις "επτά υπέροχες" ερευνητικές υποδομές, οι δύο που θα έχουν χρονική προτεραιότητα είναι το ΚΜ3, το υποθαλάσσιο τηλεσκόπιο νετρίνων στη Μεσόγειο, διαστάσεων ενός κυβικού χιλιομέτρου, και το CTA, το τηλεσκόπιο φωτονίων υψηλών ενεργειών. Αυτές οι δύο υποδομές βρίσκονται επίσης στον κατάλογο των μεγάλων ευρωπαϊκών υποδομών που υποστηρίζονται από την Ευρωπαϊκή Ενωση (ESFRI). Ελπίζουμε να αρχίσουμε την κατασκευή τους γύρω στο 2012.

Η Ελλάδα είναι ενεργό μέλος της συνεργασίας για την κατασκευή του ΚΜ3, και μάλιστα προτείνει την Πύλο -περιοχή του τηλεσκοπίου ΝΕΣΤΩΡ- ως σημείο πόντισης του ΚΜ3. Η Ελλάδα, και ιδιαίτερα η ομάδα Ρεσβάνη, έχει μακρά παράδοση σε αυτή την τεχνική, αφού ο ΝΕΣΤΩΡ ήταν η πρώτη προσπάθεια πόντισης ενός τηλεσκοπίου νετρίνων στη Μεσόγειο. Μια προσπάθεια που ξεκίνησε γύρω στο 1989. Εγιναν πολλές μετρήσεις χαρακτηρισμού της υποθαλάσσιας περιοχής και το 2003 πόντισε ένα τμήμα του τηλεσκοπίου και έκανε τις πρώτες ιστορικά μετρήσεις με έναν ανιχνευτή τέτοιου τύπου στην Μεσόγειο ή στη θάλασσα γενικότερα, αφού οι προηγούμενες ποντίσεις ήταν στην παγωμένη λίμνη της Βαϊκάλης και στην Ανταρκτική.

Η περιοχή της Πύλου έχει και επιπλέον σαφή πλεονεκτήματα, αφού διαθέτει πολύ μεγάλο βάθος, απαραίτητη προϋπόθεση γι' αυτού του είδους τα τηλεσκόπια, και βρίσκεται πολύ κοντά στη στεριά, διευκολύνοντας έτσι τις διαδικασίες πόντισης. Η Γενική Γραμματεία Ερευνας και Τεχνολογίας, τέλος, δείχνει αποφασισμένη να υποστηρίξει με σημαντικά κονδύλια ένα τέτοιο πρόγραμμα αν γίνει στην Ελλάδα, αφού από τον κατάλογο των ευρωπαϊκών υποδομών αυτή είναι η μόνη υποδομή που θα μπορούσε να εγκατασταθεί στην Ελλάδα.

Πρέπει εδώ να τονίσω ακόμη μία φορά ότι εκτός από την προσμονή σημαντικών αποτελεσμάτων για τη βασική επιστήμη, το άνοιγμα δηλαδή ενός νέου παραθύρου στον κόσμο μέσω της αστρονομίας νετρίνων, τα υποθαλάσσια τηλεσκόπια προάγουν σημαντικά τις υποθαλάσσιες τεχνολογίες, αφού εγκαθιστούν μια γραμμή επικοινωνίας πολλών Megabyte με τον θαλάσσιο βυθό. Εξ ου και το τεράστιο ενδιαφέρον αυτής της τεχνολογίας για τη σεισμολογία (και γενικότερα τις γεωεπιστήμες), την ωκεανολογία και τη βιοποικιλότητα. Δεν είναι τυχαίο ότι οι ΗΠΑ και ο Καναδάς σχεδιάζουν την εγκατάσταση αντίστοιχων μεγάλων δικτύων υποθαλάσσιων ανιχνευτών κοντά στις ακτές τους.

Προς το παρόν, οι επιστήμονες από όλες τις ευρωπαϊκές χώρες (Ελλάδα, Γαλλία, Ιταλία, Γερμανία, Ισπανία, Ολλανδία) συνεργάζονται για να συντάξουν την τελική πρόταση, που θα περιέχει την τεχνολογία και το κόστος αυτής της υποδομής. Αυτή η πρόταση αναμένεται γύρω στο τέλος του 2009. Με βάση αυτή την πρόταση θα μπούμε στη διαδικασία επιλογής της τελικής τοποθεσίας. Η τελική επιλογή θα είναι ένα μείγμα επιστημονικών επιλογών και της ισχυρής βούλησης της μιας ή της άλλης χώρας να διευκολύνει την εγκατάσταση της αντίστοιχης υποδομής στον τόπο της».

Του Σπύρου Μανουσέλη. Από την ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ του Σαββάτου, 21 Φεβρουαρίου 2009.

Ποιος είναι

Γεννήθηκε στην Αθήνα το 1953.

Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και στο Πανεπιστήμιο Παρίσι 11 Orsay.

Δίδαξε ως λέκτορας και επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Αθηνών και ως τακτικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Λιόν. Κατόπιν εργάστηκε για τρία χρόνια στο Εθνικό Εργαστήριο του επιταχυντή Fermi του Σικάγου των ΗΠΑ και πέντε χρόνια στο CERN της Γενεύης. Σήμερα είναι καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Παρίσι 7 και υποδιευθυντής του ΙΝ2Ρ3 (Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων) του CNRS (Εθνικού Κέντρου Επιστημονικών Ερευνών της Γαλλίας), όπου είναι υπεύθυνος για την έρευνα στην αστροσωματιδιακή Φυσική και την Κοσμολογία.

Από το 2006 είναι ο συντονιστής του ευρωπαϊκού προγράμματος ASPERA (AStroparticle Physics European Research Area Network) με στόχο τη συνεργασία των ευρωπαϊκών κρατών για τη χρηματοδότηση των μεγάλων αστροσωματιδιακών προγραμμάτων του προσεχούς μέλλοντος. Τέλος, ενδιαφέρεται για τις σχέσεις τέχνης και επιστήμης και έχει δημοσιεύσει δοκίμια για καλλιτεχνικές εκθέσεις.

Του Σπύρου Μανουσέλη. Από την ΕΛΕΥΘΕΡΟΤΥΠΙΑ του Σαββάτου, 21 Φεβρουαρίου 2009.