Οι παλίρροιες μέσα στο σύμπαν

Καθώς ο νόμος της βαρυτικής έλξης είναι παγκόσμιος, δεν πρέπει να μας εκπλήσσει η παρουσία παλιρροιών μέσα σε όλο το σύμπαν. Μια από τις σημαντικές συνέπειες της δράσης τους αφορά στα φαινόμενα συγχρονισμού, όπως για παράδειγμα η Σελήνη που μας δείχνει πάντοτε την ίδια όψη της.

Τέτοια φαινόμενα παρατηρούνται είτε σε άλλους πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, όπου η τροχιά των περισσότερων δορυφόρων του Δία, του Κρόνου ή του Άρη είναι ήδη συγχρονισμένοι με τους μητρικούς τους πλανήτες, είτε και σε συστήματα δυαδικά, όπου δύο αστέρια περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο. Εκτιμάται ότι οι τροχιές τουλάχιστον 23 δορυφόρων του ηλιακού συστήματος είναι συγχρονισμένες.

Μια ουσιώδης έννοια σχετικά με τις παλίρροιες μέσα στο σύμπαν είναι εκείνη του ορίου του Roche. H έννοια αυτή, που εισήχθη από τον Édouard Roche γύρω στο 1848 αναφορικά με τα πλανητικά συστήματα, ισχύει, επίσης, και για τα αστέρια. Προσδιορίζει την απόσταση στην οποία οι παλιρροιακές δυνάμεις που ασκούνται σε ένα σώμα που πλησιάζει ένα άλλο, μεγαλύτερης μάζας, υπερισχύουν των δικών του δυνάμεων ελκτικής συνοχής.

Όπως ακριβώς και η Γη, ένας πλανήτης ή ένα αστέρι διατηρεί το σχήμα του χάρη στη συνοχή που του εξασφαλίζει η δύναμη βαρυτικής έλξης: κάθε μέρος του άστρου έλκει προς τη μεριά του όλα τα άλλα. Στο βαθμό που δύο σώματα πλησιάζουν το ένα το άλλο, οι παλιρροιακές δυνάμεις που επιδρούν και στα δύο μεγαλώνουν. Φτάνει, συνεπώς, μια στιγμή όπου η απόσταση μεταξύ τους είναι αρκετά μικρή για να υπερισχύσουν οι παλιρροιακές δυνάμεις των δυνάμεων συνοχής του σώματος με τη μικρότερη μάζα. Σε αυτή την απόσταση, ένα στοιχείο της επιφάνειας του έλκεται τόσο από το γειτονικό άστρο όσο και από εκείνο στο οποίο ανήκει. Μια τέτοια απόσταση προσδιορίζει το όριο του Roche ένα σώμα που διαβαίνει αυτό το όριο τείνει να εξαρθρωθεί.

Οι συνέπειες των παλιρροιών μέσα στο σύμπαν συναρτώνται ουσιαστικά με αυτή την απόσταση-όριο:

•  Στο ηλιακό σύστημα, για παράδειγμα, ο δορυφόρος του Άρη Φόβος διάβηκε αυτό το όριο και εξακολουθεί να πλησιάζει τον Άρη κατά 3 με 4 εκατοστά το χρόνο. Παρότι αυτό συνιστά, ακόμα, θέμα συζήτησης, ορισμένοι αποδίδουν τις πολυάριθμες ρωγμές που εμφανίζονται στην επιφάνεια του στη βαθμιαία πρόοδο αυτού του φαινομένου εξάρθρωσης οφειλόμενου στις παλίρροιες του Άρη.

•  Στον τομέα των προβλημάτων αστρικής δυναμικής, οι παλιρροιακές επιδράσεις και η έννοια του ορίου του Roche έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην εξέλιξη των συστημάτων διπλών αστέρων.

• Στα συστήματα δυαδικών γαλαξιών δρουν, επίσης, σημαντικές παλιρροιακές δυνάμεις. Όταν οι δύο γαλαξίες που επιδρούν αμοιβαία ο ένας στον άλλο έχουν την ίδια περίπου μάζα, η παλιρροιακή δύναμη που τους τεντώνει από τη μια και από την άλλη μεριά, σε δυο σημεία διαμετρικά αντίθετα, οδηγεί σε ένα φαινόμενο πολύ γνωστό: Το τέντωμα των σημείων που βρίσκονται το ένα απέναντι στο άλλο καταλήγει να σχηματίσει μια «γέφυρα αστεριών» ανάμεσα στους δύο γαλαξίες, ενώ το αντίστοιχο τέντωμά τους στα αντίθετα σημεία μεταφράζεται σε μια ουρά αστεριών την οποία κυρτώνει η γαλακτική περιστροφή. Το δυναμικό φαινόμενο του «κανιβαλισμού», που συνιστά η κίνηση αυτών των γαλαξιών οι οποίοι πλησιάζουν ο ένας τον άλλον και έπειτα απομακρύνονται, αφού προηγουμένως έχουν αιχμαλωτίσει, μέσω της παλιρροιακής επίδρασης, ένα τμήμα του γειτονικού γαλαξία, αποτελεί σήμερα αντικείμενο πολλαπλών μελετών.

• Ένα άλλο παράδειγμα προσφέρει η μαύρη οπή που έλκει προς το μέρος της τα γειτονικά αστέρια: Πριν καταβροχθιστούν, τα τελευταία εξαρθρώνονται σχεδόν αστραπιαία, τόσο ισχυρές είναι οι παλιρροιακές δυνάμεις. Αυτή η εξάρθρωση μεταφράζεται με την εκπομπή ακτινών X που αποτελούν σημαντική ένδειξη της ύπαρξης της μαύρης οπής.

Είναι ίσως εξαιτίας αυτού του θεαματικού φαινομένου που γράφεται από πολλούς ότι ένα σώμα το οποίο διαβαίνει το όριο του Roche «εκρήγνυται». Πρόκειται, ωστόσο, για έναν καταχρηστικό τρόπο περιγραφής του φαινομένου, καθότι αυτή η εξάρθρωση μπορεί να πάρει πολύ χρόνο ή και να μη συμβεί. Το όριο του Roche προσδιορίζεται, εντέλει, από την ισότητα ανάμεσα στις παλιρροιακές δυνάμεις και στις δυνάμεις ελκτικής συνοχής που τείνουν να διατηρήσουν ακέραιο το σώμα. Αυτή η έννοια δεν λαμβάνει, συνεπώς, υπόψη παρά τις δυνάμεις βαρυτικής έλξης και παραβλέπει εντελώς τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Δεν ισχύει, επομένως, για να είμαστε ακριβείς, παρά για τα συστήματα όπου οι πρώτες υπερισχύουν σαφώς.

H ζωντανή παρουσία μας επάνω στη Γη αποτελεί ένα καλό παράδειγμα, σχετικά: To δικό μας όριο του Roche, υπολογιζόμενο με βάση τον μαθηματικό τύπο

θα έπρεπε να είναι δεκαπλάσιο της ακτίνας της Γης. Τούτο σημαίνει ότι οι παλιρροιακές δυνάμεις που ασκεί πάνω μας η Γη είναι μεγαλύτερες από τις δικές μας δυνάμεις ελκτικής συνοχής, από τη στιγμή που πλησιάζουμε στην επιφάνεια της Γης σε απόσταση μικρότερη των 30.000 χιλιομέτρων. Έχουμε υπερβεί κατά πολύ αυτό το όριο, αφού βρισκόμαστε ακριβώς επάνω σε αυτή την επιφάνεια, κι ωστόσο δεν έχουμε εξαρθρωθεί, διότι η συνοχή μας είναι έργο ηλεκτρικών δυνάμεων οι οποίες ως γνωστόν είναι πολύ πιο ισχυρές από τις δυνάμεις βαρυτικής έλξης.

Το ίδιο ισχύει και στις περιπτώσεις στερεών αντικειμένων με πολύ μεγάλη μάζα. Ακόμη και αν υπερβούν το όριο Roche τους, οι παλιρροιακές δυνάμεις δεν μπορούν να προκαλέσουν την άμεση διάλυση τους. Μπορούν, ωστόσο, να έχουν σημαντικές συνέπειες, ειδικότερα από θερμική άποψη: όπως ένα σύρμα που τεντώνεται διαρκώς μπορεί να γίνει καυτό, έτσι και ένας πλανήτης μπορεί, υπό την επίδραση των παλιρροιών, να θερμανθεί τόσο, που να λιώσουν τα επιφανειακά του πετρώματα. Παράδειγμα, η ηφαιστειακή δράση στην Ηώ.

Το τελευταίο παράδειγμα παλιρροιακών επιδράσεων μέσα στο σύμπαν θα το βρούμε, ενδεχομένως, στη συγκρότηση της ύλης μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

H κβαντική σχετικιστική θεωρία μάς διδάσκει ότι το κενό δεν είναι η πλήρης απουσία ύλης ή φυσικών φαινομένων, αλλά ότι πρόκειται, αντιθέτως, για μια κατάσταση ελάχιστης ενέργειας όπου οι κβαντικές αυξομειώσεις μπορούν να οδηγήσουν στην προσωρινή συγκρότηση ζευγών «σωματίδιων-αντισωματίδιων». Συνήθως, τα συγκροτούμενα ζεύγη καταστρέφονται αμέσως, καθότι η ύλη και η αντιύλη αλληλοεκμηδενίζονται. Μια υπόθεση για την εξήγηση της εμφάνισης, παραταύτα, της ύλης στηρίζεται στο φαινόμενο της παλίρροιας: Στο αρχικό σύμπαν, οι δυνάμεις βαρυτικής έλξης πρέπει να ήταν άκρως ισχυρές, αφού το σύμπαν ήταν τότε πολύ πυκνό, λόγω των μικρών του διαστάσεων.

H παλιρροιακή επίδραση η οποία ασκείτο από μια μάζα πάνω σε ένα ζεύγος «σωματίδιου-αντισωματίδιου» ενδέχεται να ήταν τότε τέτοια που να προκαλούσε την εξάρθρωση του ζεύγους εκτοξεύοντας τα σωματίδια πολύ μακριά το ένα από το άλλο και, εμποδίζοντας τα έτσι να αλληλοεκμηδενιστούν, ενδέχεται να τους επέτρεπε να εξακολουθήσουν να υπάρχουν. Φυσικά, αυτή η παλιρροιακή επίδραση δεν είναι εδώ παρά μια εικόνα, καθότι σε συνθήκες τόσο ισχυρής βαρυτικής έλξης οι νόμοι του Νεύτωνα δεν είναι πλέον εφαρμόσιμοι.

Παράδειγμα παλιρροϊκών δυνάμεων ανάλογα με το όριο Roche

Θεωρήστε μια μάζα υγρού σε τροχιά που συγκρατείται μαζί με την βαρύτητα, εδώ παρατηρείται πάνω από το τροχιακό επίπεδο. Αν είναι μακριά από το όριο Roche η μάζα είναι σχεδόν σφαιρική

Πιο κοντά στο όριο Roche το σώμα είναι παραμορφωμένο από τις παλιρροϊκές δυνάμεις

Εντός του ορίου Roche η βαρύτητα της ίδιας της μάζας δεν μπορούν πλέον να αντέξει τις παλιρροϊκές δυνάμεις, και το σώμα υφίσταται αποσάθρωση

Τα σωματίδια που βρίσκονται πιο κοντά στο κύριο σώμα κινούνται πιο γρήγορα από τα σωματίδια που είναι πιο μακριά, (τα κόκκινα βέλη)

Η διαφορετική τροχιακή ταχύτητα του υλικού τελικά το αναγκάζει να σχηματίσει ένα δαχτυλίδι

Διαβάστε και το σχετικό άρθρο για τις παλίρροιες: Τι ξέρετε για τις παλίρροιες;

Πηγές: Τα Μήλα του Νεύτωνα του Jean-Marie Vigoureux και την Wikipedia