Διονύσης Π. Σιμόπουλος. Είμαστε αστρόσκονη. Σύμπαν, μια ιστορία χωρίς τέλος

Transcript

1 Διονύσης Π. Σιμόπουλος Είμαστε αστρόσκονη Σύμπαν, μια ιστορία χωρίς τέλος

2

3 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ: Το κοσμικό μας νησί... 9 Μέρος Πρώτο: Αστρικά γεννητούρια Κοσμικά σύννεφα Αστρογένεση Αστρικά σμήνη Μέρος Δεύτερο: Αστρική εξέλιξη Κόκκινοι γίγαντες και άσπροι νάνοι Λείψανα άστρων με μορφές αραχνιασμένες Αστρικοί κανίβαλοι Μέρος Τρίτο: Αστρικές καταστροφές Το πορτρέτο μιας σουπερνόβα Οι φάροι του Διαστήματος Βαρύτητα και χωρόχρονος Μέρος Τέταρτο: Ψίθυροι από το Σύμπαν Οι Πύλες της Κόλασης Δαιμονικά πουλιά του Σύμπαντος Τα τέρατα των γαλαξιακών κέντρων ΕΠΙΛΟΓΟΣ: Είμαστε αστρόσκονη

4

5 ΜΕΡΟΣ ΠΡΩΤΟ ΑΣΤΡΙΚΑ ΓΕΝΝΗΤΟΥΡΙΑ

6

7 Στις αρχές του 20ού αιώνα ανακαλύψαμε ότι τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, σωματίδια δηλαδή με θετικό ηλεκτρικό φορτίο, από νετρόνια, χωρίς κανένα φορτίο, και από τα μικροσκοπικά ηλεκτρόνια, με αρνητικό φορτίο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούν τον πυρήνα στο κέντρο του ατόμου, ενώ τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιές γύρω από αυτόν. Τα χημικά στοιχεία αποτελούνται από άτομα με διαφορετικές ποσότητες πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων το καθένα. Το υδρογόνο, που είναι το πιο απλό από όλα τα χημικά στοιχεία, αποτελείται μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, ενώ το δεύτερο απλούστερο, το ήλιο, αποτελείται από δύο ηλεκτρόνια, δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια. Και τα δύο αυτά στοιχεία είναι σταθερά, και μπορούν να υφίστανται για πάντα κάτω από κανονικές συνθήκες. Οι συνθήκες όμως στο κέντρο του Ήλιου κάθε άλλο παρά κανονικές είναι. Η θερμοκρασία στην περιοχή αυτή φτάνει τους 20 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Τα υπερθερμασμένα άτομα κινούνται με μεγάλες ταχύτητες και συγκρούονται μεταξύ τους πολλές φορές με τόση βιαιότητα, ώστε δύο άτομα υδρογόνου κολλάνε μεταξύ τους, συγχωνεύονται δηλαδή. Δύο ακόμα βίαιες συγκρούσεις προσθέτουν δύο ακό

8 28 Είμαστε αστρόσκονη μα άτομα υδρογόνου στο σύνολο, φτιάχνοντας έτσι ένα σταθερό άτομο ηλίου. Το παράξενο όμως σ όλη αυτή τη διαδικασία είναι ότι τα τέσσερα μεμονωμένα άτομα υδρογόνου ζυγίζουν περισσότερο από το ένα άτομο ηλίου το οποίο δημιουργήθηκε με τη συγχώνευση. Τι έγινε λοιπόν η μάζα που λείπει; Μετατράπηκε απλούστατα σε ενέργεια, όπως ακριβώς πρόβλεψε ο Albert Einstein στην περίφημη πλέον εξίσωσή του E=mc 2, που λέει ότι η ενέργεια που εκπέμπεται είναι ίση με το γινόμενο της μάζας που λείπει επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Αυτό που μας λέει, δηλαδή, ο Einstein είναι ότι ακόμα και μια πολύ μικρή ποσότητα ύλης απελευθερώνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας αφού πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό (το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός = x ). Με άλλα λόγια, μια ελάχιστη ποσότητα μάζας μάς δίνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας αφού ένα μόνο γραμμάριο ύλης μπορεί να απελευθερώσει ενέργεια ίση με αυτή που απελευθερώνουν τόνοι βενζίνης. Αυτός άλλωστε είναι και ο λόγος που ο Ήλιοs και όλα τ άστρα του ουρανού λάμπουν! Στη διάρκεια της διαδικασίας αυτής, όταν γραμμάρια υδρογόνου συγχωνεύονται δημιουργούν 993 γραμμάρια ηλίου, πράγμα που σημαίνει ότι «χάνονται» 7 γραμμάρια ύλης συνολικά. Στην πραγματικότητα, φυσικά, η μικρή αυτή ποσότητα δεν χάθηκε, αλλά μετατράπηκε σε ενέργεια. Υπάρχει, δηλαδή, ισοδυναμία μάζας και ενέργειας, και η εξίσωση του Einstein προσδιορίζει επακριβώς πόση ενέργεια απελευθερώνεται όταν

9 Αστρικά γεννητούρια 29 «χάνεται» μια ποσότητα μάζας. Φανταστείτε λοιπόν πόσο τεράστια είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από τον Ήλιο, αφού κάθε δευτερόλεπτο που περνά 655 περίπου εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου μετατρέπονται σε 650 περίπου εκατομμύρια τόνους ηλίου. Κάθε δευτερόλεπτο, δηλαδή, ο Ήλιος μετατρέπει πέντε (για την ακρίβεια 4,6) εκατομμύρια τόνους ύλης του σε ενέργεια. Η διαδικασία με την οποία παράγεται αυτή η τεράστια ποσότητα ενέργειας στον Ήλιο, και στ άλλα άστρα, εξηγήθηκε για πρώτη φορά από τον γερμανο-αμερικανό φυσικό Hans A. Bethe ( ) το Η ανακάλυψη χάρισε σ αυτόν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής (1967) και έδωσε στην ανθρωπότητα την εξήγηση μιας από τις βασικότερες διεργασίες που συμβαίνουν στο Σύμπαν. Έτσι, μέχρι τώρα θα πρέπει να έχουμε ήδη κατανοήσει ότι ο Ήλιος μας είναι ένας τεράστιος πυρηνικός αντιδραστήρας που μετατρέπει συνεχώς το υδρογόνο του σε ήλιο, έτσι ώστε κάθε δευτερόλεπτο που περνά σχεδόν 5 εκατομμύρια τόνοι από τη μάζα του να μετατρέπονται σε ενέργεια. Παρόλο όμως που ο Ήλιος χάνει την τεράστια αυτή ποσότητα ύλης, είναι τόσο μεγάλος που σε δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα θα έχει χάσει λιγότερο από το ένα χιλιοστό της μάζας του. Έτσι, η ατομική θεωρία μάς αποκάλυψε μια πηγή ενέργειας που έχει τη δυνατότητα να τροφοδοτεί τον Ήλιο, και τ άλλα άστρα, για δισεκατομμύρια χρόνια. Αλλά ας μην προτρέξουμε περισσότερο και ας πάρουμε τα πράγματα με τη σειρά.

10 30 Είμαστε αστρόσκονη 1. Κοσμικά σύννεφα Είναι ίσως υπερβολή, αλλά μερικές φορές μας φαίνεται ότι το πιο πυκνοκατοικημένο μέρος της Ελλάδας είναι ο ουρανός της. Και πραγματικά, κάθε βράδυ, καθώς πέφτει η αυλαία της μέρας, η ουράνια σκηνή κατακλύζεται από «τα πλάσματα του μύθου και της φαντασίας», όπως λέει κι ο ποιητής, «και τις αδρές μορφές ηρώων και ημιθέων, τις κόρες της αμβροσίας και του θανάτου, και μια πλειάδα χαριτωμένων τερατόμορφων όντων», που παίζουν καθημερινά τον θεατρικό τους ρόλο στο δράμα του Διαστήματος, με σκηνικό το Σύμπαν και πλοκή την ιστορία της φύσης. Φυσικά, όσα μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι περιορίζονται στα λαμπρότερα μόνο άστρα που στολίζουν σαν διαμάντια τον νυχτερινό θόλο. Με την ανάπτυξη όμως των τηλεσκοπίων σύντομα κατορθώσαμε να εντοπίσουμε κι άλλα είδη ουράνιων αντικειμένων γιατί παρόλο που στο παρελθόν πιστεύαμε ότι οι μεσοαστρικές περιοχές ήταν κενές, σήμερα γνωρίζουμε ότι ανάμεσα στ άστρα βρίσκονται άτομα και μόρια όλων των χημικών στοιχείων, και ιδιαίτερα του πιο διαδεδομένου και ελαφρού, του υδρογόνου. Σ αυτές λοιπόν τις μεσοαστρικές περιοχές συγκεντρώνονται τεράστιες ποσότητες αερίων και σκόνης που σχηματίζουν τα μεσογαλαξιακά μας νεφελώματα. Σε γενικές γραμμές υπάρχουν δύο ειδών νεφελώματα: τα διάχυτα σκοτεινά και τα διάχυτα φωτεινά. Στις τηλεσκοπικές

11 Αστρικά γεννητούρια 31 μας φωτογραφίες τα διάχυτα νεφελώματα δείχνουν να είναι από τα πιο όμορφα κοσμήματα του νυχτερινού ουρανού, και σηματοδοτούν με την παρουσία τους τις περιοχές όπου γεννιούνται τα άστρα. Κατά μήκος του κέντρου του Γαλαξία μας, για παράδειγμα, υπάρχει μια σκοτεινή λωρίδα που ονομάζεται σκοτεινό ρήγμα. Η ζώνη αυτή είναι στην πραγματικότητα ένα σκοτεινό νέφος σκόνης που βρίσκεται σχετικά κοντά στη Γη μας, σε απόσταση μόλις ετών φωτός. Η διαστημική αυτή σκόνη είναι στον μεσοαστρικό χώρο και μπορούμε να τη διακρίνουμε σ όλες τις κατευθύνσεις. Είναι επίσης πιο πυκνή σε μερικές περιοχές απ ό,τι σε άλλες. Αν δεν υπήρχαν τα νέφη αυτά της μεσοαστρικής σκόνης, ο Γαλαξίας μας θα μας έστελνε ένα τόσο λαμπερό φως, ώστε θα ήταν εύκολο να διαβάζει κανείς κάτω από τον νυχτερινό ουρανό. Σήμερα είναι γνωστά πάνω από σκοτεινά νεφελώματα, και φαίνεται να βρίσκονται σε μεγαλύτερες ποσότητες στο νότιο ουράνιο ημισφαίριο και κατά μήκος της γαλαξιακής λωρίδας, στην περιοχή που «διαφεντεύεται» από τον αστερισμό του Νότιου Σταυρού. Στην πανέμορφη όψη της περιοχής αυτής συμβάλλει επίσης ο συνδυασμός μερικών από τα καλύτερα δείγματα φωτεινών και σκοτεινών νεφελωμάτων του Γαλαξία μας. Τα δύο λαμπρότερα άστρα του Νότιου Σταυρού, το άλφα και το βήτα, είναι συγκριτικά αρκετά κοντά μας. Η απόστασή τους από τη Γη δεν υπερβαίνει τα 400 έτη φωτός. Πίσω ακριβώς από αυτά τα δύο άστρα βρίσκεται ένα σκοτεινό νεφέλωμα που

12 32 Είμαστε αστρόσκονη ονομάζεται «Σάκος Ανθράκων», ή πιο απλά «Το Τσουβάλι με τα Κάρβουνα». Τα άστρα του Νότιου Σταυρού βρίσκονται μπροστά από τον Σάκο Ανθράκων, σαν λαμπροφορεμένοι ηθοποιοί που υποκλίνονται μπροστά από την κατεβασμένη αυλαία ενός κατασκότεινου θεάτρου. Είναι εμφανές λοιπόν ότι υπάρχει βάθος στον ουρανό. Τα άστρα του Νότιου Σταυρού μπροστά, ο Σάκος Ανθράκων πίσω και αποδώ κι αποκεί, σε διαφορετικές αποστάσεις το ένα από το άλλο, τα άστρα και τα νεφελώματα μιας από τις σπείρες του Γαλαξία μας που έχει πάρει το όνομά της από τον αστερισμό του Τοξότη. Αλλά και σ ολόκληρο τον ουρανό τα μεγάλα τηλεσκόπια της Γης, καθώς και τα περισσότερο αναπτυγμένα φωτογραφικά μας όργανα, μας έχουν αποκαλύψει μια πληθώρα φωτεινών και σκοτεινών διαστημικών κοσμημάτων. Αν και η παρουσία των σκοτεινών νεφελωμάτων δεν είναι άμεσα εμφανής γιατί δεν έχουν εκεί κοντά άστρα που να τα φωτίζουν, εντούτοις γίνεται αισθητή γιατί εμποδίζουν το φως των άστρων που βρίσκονται πίσω τους να φτάσει μέχρις εμάς. Πριν από 100 περίπου χρόνια όμως η εικόνα που είχαν οι αστρονόμοι για την κατανομή των άστρων στο Σύμπαν δεν ήταν αυτή που έχουμε σήμερα, αλλά ήταν λίγο πολύ διαμορφωμένη από τις ιδέες που διατύπωσε στα τέλη του 18ου αιώνα ο περίφημος αγγλογερμανός αστρονόμος William Herschel. Ο Herschel έβλεπε τις περιοχές αυτές σαν τρύπες στον ουρανό. Είχε μάλιστα εκπλαγεί από το μεγάλο μέγεθος των σκοτεινών αυτών κενών. Παρόλο όμως που μελέτησε τις πε

13 Αστρικά γεννητούρια 33 ριοχές αυτές με μεγάλη προσοχή, δεν μπόρεσε να φτάσει τελικά σε κάποιο οριστικό συμπέρασμα σχετικά με την προέλευση και τη φύση τους. Σήμερα φυσικά γνωρίζουμε ότι αυτές δεν δη μιουργούνται από κάποιες «ουράνιες τρύπες», από την έλλειψη δηλαδή ύλης, αλλά πρόκειται για τεράστιες σκοτεινές περιοχές διαστημικής σκόνης η οποία δεν επιτρέπει να φανούν τα άστρα που βρίσκονται πίσω τους. Για 150 χρόνια μετά τον Herschel η πρότασή του παρέμενε ακλόνητη, μέχρις ότου ο αμερικανός αστρονόμος Edward Barnard ( ) ανέφερε για πρώτη φορά, το 1897, ότι οι σκοτεινές περιοχές του ουρανού φαινόταν ότι ήταν «σκεπασμένες με ένα λεπτό πέπλο σκόνης». Μερικά χρόνια αργότερα, το 1904, ο γερμανός αστρονόμος Maximilian Wolf ( ) έκανε κι εκείνος την ίδια παρατήρηση με τον Barnard, αλλά ήταν ο συμπατριώτης του Johannes F. Hartmann ( ) αυτός που τελικά απέδειξε ότι ανάμεσα στη Γη και το διπλό αστρικό σύστημα δέλτα στον αστερισμό του Ωρίωνα βρισκόταν ένα αεριώδες σύννεφο ασβεστίου. Τέσσερα χρόνια αργότερα ο ολλανδός αστρονόμος Jacobus Kapteyn ( ) μίλησε για την ύπαρξη τεράστιων ποσοτήτων αερίων στον διαστρικό χώρο, η οποία επιβεβαιώθηκε το 1909 από τις παρατηρήσεις που έκαναν, ξεχωριστά ο ένας από τον άλλο, οι αμερικανοί αστρονόμοι Edwin Frost ( ) και Vesto Slipher ( ). Τέλος, και πάλι ο Barnard, που είχε συνεχίσει τη φωτογράφιση των σκοτεινών περιοχών του ουρανού, δημοσίευσε για

14 34 Είμαστε αστρόσκονη πρώτη φορά το 1919 μια συλλογή 182 σκοτεινών νεφελωμάτων που αποδείκνυαν πλέον ξεκάθαρα την ύπαρξη μεγάλων περιοχών με διαστρική σκόνη. Στις φωτογραφίες αυτές περιέλαβε και ένα από τα πιο γνωστά σκοτεινά νεφελώματα στον αστερισμό του Ωρίωνα το οποίο λόγω του χαρακτηριστικού σχήματος που έχει ονομάζεται Νεφέλωμα Κεφαλής Αλόγου. Η μεσοαστρική σκόνη σε αυτό θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα πυκνή για να μπορεί να κρύβει το διάπλατα φωτισμένο φόντο του ουρανού. Η διάμετρος της κεφαλής είναι ένα περίπου έτος φωτός ( φορές η απόσταση Γης-Ήλιου) και η απόστασή του από μας έτη φωτός, ενώ το φωτεινό νεφέλωμα μπροστά από το οποίο βρίσκεται η σκοτεινή κεφαλή φωτίζεται από το άστρο ζήτα Ωρίω να που βρίσκεται σε απόσταση ετών φωτός από μας. Στις αρχές λοιπόν της δεκαετίας του 1920 η αποδοχή της ύπαρξης διαστρικών νεφελωμάτων αερίων και σκόνης προσδιόριζε και τις τοποθεσίες όπου βρίσκονταν τα λίκνα των άστρων, δηλαδή τις τοποθεσίες της γέννησής τους. Μεγάλη σημασία για τη διαδικασία αυτή έχει η ύπαρξη των τεράστιων μοριακών νεφών στον διαστρικό χώρο, η οποία οφείλεται κατά κάποιον τρόπο στην παρουσία της διαστημικής σκόνης. Η πυκνότητα φυσικά των υλικών που αποτελούν τα μεσοαστρικά αυτά νεφελώματα είναι πάρα πολύ αραιή, γιατί παρόλο που σε κάθε κυβικό εκατοστό ενός νεφελώματος υπάρχουν άτομα, η πυκνότητα αυτή είναι δισεκατομμύρια φορές μικρότερη από εκείνη που έχει ο καπνός ενός τσιγάρου.

15

16 Το άγνωστο συχνά τρομάζει τον κόσμο. Πολλούς τους κάνει να αισθάνονται χαμένοι. Μόνοι. Ανασφαλείς. Σε άλλους το άγνωστο κεντρίζει την περιέργεια. Τους κάνει ανυπόμονους. Περήφανους. Να αισθάνονται μέρος από κάτι μεγαλύτερο απ αυτούς. Και η απόκτηση νέων γνώσεων για το άγνωστο, ειδικά γνώσεων που προκαλούν αλλαγές στις φιλοσοφικές ιδέες του ανθρώπου σχετικά με τον εαυτό του και τη σχέση του με τη φύση, θα αντιμετωπίζεται πάντα με επαίνους και με εχθρότητα μαζί. Στο Σύμπαν υπάρχουν περίπου ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια άστρα. Όσοι είναι και οι κόκκοι της άμμου όλων των ωκεανών της Γης. Και από την άλλη, στην ύλη που περιέχεται μέσα σε μία μόνο δαχτυλήθρα βρίσκουμε ένα δισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια άτομα. Πού βρίσκεται λοιπόν τώρα το κέντρο του Σύμπαντος; Βρίσκεται άραγε ο άνθρωπος πραγματικά πολύ μακριά απ αυτό; Ή μήπως το απροσδιόριστο αυτό κέντρο δεν είναι πραγματικά παρά θέμα προοπτικής και σχετικότητας; Από τη γέννηση των άστρων ως τις μαύρες τρύπες, από τα στοιχειώδη σωματίδια ως τα βαρυτικά κύματα, από τους πιο μακρινούς γαλαξίες ως το ανθρώπινο είδος, αυτό το βιβλίο περιγράφει το αέναο ταξίδι της υλοενέργειας που απαρτίζει το Σύμπαν. ISBN: ΒΟΗΘ. ΚΩΔ