GLAST: Εξερευνώντας την άκρη του σύμπαντος

Άρθρο, Μάιος 2008

Ένα νέο διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων-γ της NASA, το GLAST, ετοιμάζεται να εκτοξευτεί μέσα στο Μάιο. Πρόκειται για ένα ισχυρό παρατηρητήριο που θα ανοίξει ένα ευρύ παράθυρο στον Κόσμο. Οι ακτίνες γάμμα είναι η ακτινοβολία με την πιο υψηλή ενέργεια, και ο ουρανός στις ακτίνες αυτές είναι θεαματικά διαφορετικός από αυτόν που αντιλαμβανόμαστε με τα μάτια μας.

Έχοντας κάνει ένα τεράστιο άλμα σε όλες τις ικανότητες του, ως προς τα άλλα παρατηρητήρια, τα δεδομένα του GLAST θα επιτρέψουν στους επιστήμονες να απαντήσουν σε επίμονες ερωτήσεις σε όλο το φάσμα της φυσικής, από τις υπερβαρέες μαύρες τρύπες, τα πάλσαρς, την προέλευση των κοσμικών ακτίνων, έως την αναζήτηση κάποιων σημάτων από τη νέα φυσική (υπερχορδές), που παραβιάζουν μερικούς θεμελιώδους νόμους.

Τούτη η αποστολή είναι μια συνεργασία αστροφυσικής και σωματιδιακής φυσικής, που αναπτύχθηκε από τη NASA σε συνεργασία με πολλά ακαδημαϊκά ιδρύματα στη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ιαπωνία, τη Σουηδία, και τις ΗΠΑ.

Αρκετά τροχιακά και επίγεια παρατηρητήρια έχουν ξεδιαλύνει σχεδόν ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, με απροσδόκητες ανακαλύψεις σχεδόν σε κάθε βήμα ερευνών. Αλλά το φάσμα των ακτίνων-γ με ενέργειες από 10 έως 100 GeV είναι ουσιαστικά ανεξερεύνητο. Το κύριο επιστημονικό όργανο του GLAST, το Τηλεσκόπιο Ευρείας Περιοχής (LAT), πρόκειται να συμπληρώσει αυτό το χάσμα. Το όργανο EGRET στο παλιό παρατηρητήριο ακτίνων-γ Compton της NASA είδε υπαινιγμούς κάποιων άκρως ενδιαφερόντων και απροσδόκητων φαινομένων σε αυτή την περιοχή υψηλής ενέργειας, όμως το GLAST θα μας δώσει τις πρώτες λεπτομερής παρατηρήσεις αυτού του ενεργειακού παράθυρου. Γι αυτό αναμένουμε έναν πλούτο ανακαλύψεων, και μερικές μεγάλες εκπλήξεις, από το GLAST.

Το GLAST θα κάνει έρευνες για:

1. Blazars και Ενεργούς Γαλαξίες (τα Blazars είναι παρόμοια αντικείμενα με τα κβάζαρ)

2. Εκρήξεις ακτίνων-γ

3. Άστρα νετρονίων και πάλσαρ

4. Τις κοσμικές ακτίνες και κατάλοιπα υπερκαινοφανών

5. Το Γαλαξία μας

6. Το υπόβαθρο ακτίνων-γ

7. Το σύμπαν στις πρώτες του στιγμές

8. Το ηλιακό μας σύστημα Ήλιος, Φεγγάρι και τη Γη μας

9. Την Σκοτεινή Ύλη

10. Τον έλεγχο της θεμελιώδους φυσικής

11. Μη ταυτοποιημένες πηγές ακτίνων και το άγνωστο-Χ

Έλεγχος Θεμελιώδους Φυσικής

Για παράδειγμα το GLAST θα είναι σε θέση να εξετάσει εάν το φως ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα στο κενό ανεξάρτητα από το μήκος κύματος του. Σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας, όλη η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πρέπει να ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα, 299.792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, τα φωτόνια των ακτίνων-γ υψηλής ενέργειας θα πρέπει να κινούνται στο διάστημα με την ίδια ακριβώς ταχύτητα με τα χαμηλής ενέργειας φωτόνια των ραδιοσυχνοτήτων.

Αριστερά: Μια προσομοίωση που δείχνει με το μπορεί να μοιάζει ο ουρανός στις ακτίνες-γ, μετά από ένα χρόνο παρατηρήσεων με το δορυφόρο GLAST. Η φωτεινή λάμψη των ακτίνων-γ στο κέντρο προέρχεται από την κεντρική περιοχή του Γαλαξία μας. Επίσης, τα άλλα φωτεινά σημεία προέρχονται από υπερκαινοφανείς, πάλσαρς, δυαδικά συστήματα ακτίνων-Χ και φυσικά χιλιάδες ενεργούς γαλαξίες.

Αλλά μερικά μοντέλα της κβαντικής βαρύτητας, που προσπαθούν να συγχωνεύσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein με την κβαντομηχανική, προβλέπουν ότι οι εξαιρετικά υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα θα μπορούσαν να ταξιδεύουν με μια ελαφρώς διαφορετική ταχύτητα από άλλες μορφές φωτός. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, ο χωροχρόνος γίνεται ταραχώδης στις μικροσκοπικές κλίμακες, δεδομένου ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις δημιουργούν συνεχώς εικονικά ζεύγη σωματίων-αντισωματίων που μετά εξαϋλώνονται. Εάν οι κβαντικές διακυμάνσεις παράγουν, επίσης, μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, όπως προτείνεται από μερικές εκδόσεις της κβαντικής βαρύτητας, τότε οι ακτίνες-γ πολύ υψηλής ενέργειας έχουν τέτοια μικρά μήκη κύματος που πραγματικά αυτά μπορούν να "αισθανθούν" αυτήν την κβαντική αναταραχή, η οποία θα μπορούσε ελαφρώς να αυξήσει ή να καθυστερήσει την ταχύτητά τους. Και το GLAST λοιπόν μπορεί να εξετάσει αυτήν την πρόβλεψη.

Έτσι, αν οι ακτίνες-γ με πολύ υψηλή ενέργεια από τις πηγές GRB (Εκρήξεις Ακτίνων-γ) φθάνουν κατά προτίμηση στη Γη ελαφρώς πιο γρήγορα ή πιο αργά από τις χαμηλής ενέργειας ακτίνες-γ, αυτό θα μπορούσε να δείχνει μια παραβίαση της αρχής ότι το φως ταξιδεύει πάντα με την ίδια ταχύτητα στο κενό. Ακόμα κι αν οι GRB τείνουν να ελευθερώσουν υψηλής ενέργειας ακτίνες γάμμα λίγο πριν από ή μετά από τις  ακτίνες γάμμα χαμηλής ενέργειας, το GLAST θα μπορούσε να παρατηρήσει ότι ο χρόνος καθυστέρησης γίνεται μεγαλύτερος καθώς οι αποστάσεις των GRB αυξάνονται. Εάν λοιπόν αυτό συμβαίνει, και εάν μπορούμε να αποκλείσουμε άλλες πιο γνωστές αστροφυσικές εξηγήσεις, τότε θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη, και το GLAST θα μας έφερνε πέρα από τον Αϊνστάιν.

Το GLAST θα μπορούσε μάλλον να δει και την εξάτμιση των μικροσκοπικών μαύρων οπών - που ζυγίζουν περίπου 10¹⁴  γραμμάρια ή 100 εκατομμύρια τόνοι - που σχηματίστηκαν λίγες στιγμές μετά από το Big Bang. Εκείνη την περίοδο, οι διαφορές της πυκνότητας στον Κόσμο μπορεί να ήταν αρκετά υψηλές, ώστε μπορούσαν να επιτρέψουν σε μικροσκοπικές περιοχές να καταρρεύσουν βαρυτικά σε μικρές μαύρες τρύπες. Κανένας δεν ξέρει βέβαια εάν σχηματίστηκαν τελικά τέτοιες αρχέγονες μαύρες τρύπες, αλλά εάν σχηματίστηκαν, μερικές ίσως να είναι ακόμα γύρω στον Κόσμο σήμερα.

Οι μαύρες τρύπες έχουν θεωρητικά μια πεπερασμένη διάρκεια ζωής - όπως για πρώτη φορά περιγράφτηκε από το Stephen Hawking και άλλους το 1974 - επειδή ακτινοβολούν μάζα με μια κβαντική διαδικασία. Εξατμίζονται κυριολεκτικά σε συνηθισμένα σωματίδια. Ο δε ρυθμός εξάτμισης αυξάνεται όσο η μάζα της μαύρης τρύπας μειώνεται, κάτι που εξηγεί γιατί η ακτινοβολία Hawking δεν είναι παρατηρήσιμη από τις αστρικές μαύρες τρύπες. Στο τέλος της ζωής τους, οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες με μια αχαλίνωτη έκρηξη διαλύονται προς ένα πίδακα ακτίνων γάμμα και άλλων σωματιδίων. Είναι πιθανόν ο δορυφόρος GLAST να ανιχνεύσει αυτές τις ακτίνες γάμμα που εκπέμφθηκαν από τις μαύρες τρύπες, και αυτό θα ήταν μια θεαματική επιβεβαίωση της σύνδεσης μεταξύ της κβαντομηχανικής και της γενικής σχετικότητας.

Το ειδικό όργανο LAT, επίσης, μπορεί να αναδείξει ένα παράξενο φαινόμενο που προβλέφθηκε από την κβαντική θεωρία, αλλά που έχει παρατηρηθεί μόνο στο εργαστήριο: τον διαχωρισμό φωτονίων. Ένα φωτόνιο γάμμα πολύ υψηλής ενέργειας θα μπορούσε κυριολεκτικά να διαχωριστεί σε δύο φωτόνια χαμηλής ενέργειας μέσα σε ένα κατάλληλο περιβάλλον, όπως είναι η μαγνητόσφαιρα ενός άστρου νετρονίων. Οι παρατηρήσεις από έναν άλλο δορυφόρο ακτίνων-γ, του Compton, του πάλσαρ B1509-58 έδωσαν κάποιους προκλητικούς υπαινιγμούς για αυτήν την διαδικασία. Οι παρατηρήσεις GLAST αυτού και άλλων πάλσαρ θα μπορούσαν να δώσουν ισχυρές αποδείξεις ότι ο διαχωρισμός των φωτονίων εμφανίζεται πραγματικά στη φύση.

Έρευνα για τη Σκοτεινή Ύλη

Η ταυτότητα της σκοτεινής ύλης - η μυστήρια ουσία που αποτελεί περίπου τα 22% του ενεργειακού περιεχομένου του Κόσμου - συνεχίζει να ξεγλιστράει για δεκαετίες από τους φυσικούς. Το κύριο υποψήφιο σωματίδιο που μπορεί να εξηγήσει τη θεμελιώδη σύνθεση της σκοτεινής ύλης είναι ένα υποθετικό σωματίδιο, που λέγεται Σωματίδιο Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα ή WIMP. Αλλά με το δορυφόρο GLAST, οι επιστήμονες μπορούν τελικά να βρουν μια σαφή ένδειξη για το αν αποτελείται η σκοτεινή ύλη πράγματι από WIMPs.

Οι ακτίνες γάμμα προέρχονται από ένα πλήθος πηγών υψηλής ενέργειας, όπως οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια. Αλλά η τρέχουσα θεωρία προτείνει ότι μπορούν επίσης να προέλθουν από WIMPs, τα οποία είναι σωματίδια με μάζα που δεν εκπέμπουν ή δεν απορροφούν το φως. Τέτοια σωματίδια προβλέπονται από την υπερσυμμετρία, μια θεωρία που επεκτείνει το ιδιαίτερα επιτυχές καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.

Σύμφωνα με την υπερσυμμετρία, τα WIMPs δρουν κι ως τα αντι-σωματίδια τους. Έτσι, όταν δύο σωματίδια WIMP αλληλεπιδρούν, εξαϋλώνουν το ένα το άλλο και απελευθερώνουν έτσι ένα καταρράκτη δευτερογενών σωματιδίων, καθώς επίσης και ακτίνων γάμμα. Χρησιμοποιώντας τον δορυφόρο GLAST, οι επιστήμονες ελπίζουν να βρουν αυτές τις υπογραφές υψηλής ενέργειας της σκοτεινής ύλης μέσα στο Γαλαξία μας. Εάν το πετύχουν, αυτή η ανακάλυψη θα βοηθήσει να λυθεί ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της αστρονομίας.

Πάνω: Σύμφωνα με την υπερσυμμετρία, σωματίδια σκοτεινής ύλης γνωστά ως νετραλίνο (neutralinos0 ή WIMPs εξαϋλώνουν το ένα το άλλο, που δημιουργεί έναν καταρράκτη σωματιδίων και ακτινοβολίας, που περιλαμβάνει και ακτίνες-γ μέσης ενέργειας. Κι αν υπάρχουν τα νετραλίνα, το όργανο LAT μπορεί να δει τις ακτίνες γάμμα που συνδέονται με τη μεταβίβασή τους.

Ακόμα κι αν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά πολύ πιο ασθενώς από τη συνηθισμένη ύλη, η σκοτεινή ύλη δεν απλώνεται ομοιόμορφα έξω στο διάστημα, ενώ θα πρέπει να σχηματίζει μεγάλους συμπαγείς όγκους μέσα και γύρω από τους γαλαξίες. Κι αν η σκοτεινή ύλη αποτελείται στην πραγματικότητα από WIMPs, τότε αυτή η μεγάλη συγκέντρωση τους μεγαλώνει τις πιθανότητες να συναντηθούν αυτά τα σωματίδια και εν συνεχεία να εξαϋλωθούν, παράγοντας σταθερά ρεύματα ακτίνων γάμμα που θα είναι ανιχνεύσιμα από το τηλεσκόπιο GLAST.

Πώς όμως θα ξεχωρίζουν οι ακτίνες γάμμα που παράγονται από τις εξαϋλώσεις της σκοτεινής ύλης από αυτές που παράγονται από πολυάριθμες άλλες πηγές στον Κόσμο;. Για να διαχωριστούν οι ακτίνες-γ οι ερευνητές έχουν καθορίσει ένα σύνολο τεσσάρων οδηγιών:

• Η υπερσυμμετρία προβλέπει ότι οι εξαϋλώσεις των WIMP θα δημιουργήσουν ακτίνες γάμμα από ιδιαίτερα μήκη κύματος, ευδιάκριτα από αυτά που παράγονται από άλλες πηγές, όπως είναι οι μαύρες τρύπες ή οι σουπερνόβες.

• Οι εξαϋλώσεις της σκοτεινής ύλης πρέπει να παραγάγουν αποκλειστικά ακτίνες γάμμα, αποκλείοντας τις αλληλεπιδράσεις που περιλαμβάνουν κι άλλες μορφές ακτινοβολίας.

• Αυτά τα σήματα πρέπει να εμφανιστούν στο δορυφόρο GLAST όχι ως σημειακές πηγές, αλλά ως μεγάλα τμήματα στον ουρανό - μερικές πηγές θα έχουν διάμετρο σχεδόν διπλάσια από το γεμάτο φεγγάρι.

• Αυτά τα ρεύματα των ακτίνων γάμμα πρέπει να είναι συνεχή, μια χαρακτηριστική διαφορά από τις εφήμερες εκρήξεις ακτίνων-γ, οι οποίες διαρκούν μερικά μόνο  χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Εάν οι επιστήμονες βρουν ένα σήμα με όλα αυτά τα χαρακτηριστικά, τότε οι πιθανότητες είναι καλές να έχουν βρει μια πηγή εξαϋλωσης WIMP.

Βέβαια το GLAST θα δουλεύει παράλληλα με πολυάριθμα άλλα πειράματα ανακάλυψης της σκοτεινής ύλης, όπως είναι οι αναζητήσεις για συγκρούσεις WIMP σε υπόγειους ανιχνευτές, καθώς και η προσπάθεια να φτιαχτούν WIMPs στο Μεγάλο Συγκρουστή Αδρονίων (LHC) στο CERN, που θα αρχίσει να δουλεύει σε λίγους μήνες. Λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την δραστηριότητα, πολλοί επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι η ύπαρξη των WIMPS θα επιβεβαιωθεί ή θα αντικρουσθεί στα επόμενα χρόνια.

Home