Το τηλεσκόπιο MAGIC αποκαλύπτει ότι το σύμπαν είναι σκοτεινό και διαφανές

Πηγή: Πολυτεχνείο Ζυρίχης, Οκτώβριος 2008

Μετρήσεις με το τηλεσκόπιο MAGIC έχουν δείξει ότι το σύμπαν είναι πιο διαφανές στην ακτινοβολία γάμμα υψηλής ενέργειας από όσο παλαιότερα νομίζαμε. Μια δημοσίευση στο Science περιγράφει τον τρόπο που μετρήθηκε η ακτινοβολία γάμμα από μια απόσταση 5,3 δισεκατομμύρια έτη φωτός, προσφέροντας νέα γνώση για τη φύση του σύμπαντος.

Το τηλεσκόπιο MAGIC στο Λα Πάλμας

Αστρονόμοι υποθέτουν ότι το σύμπαν είναι περίπου 13.7 δισεκατομμυρίων ετών. Κατά το χρονικό αυτό διάστημα έχει αλλάξει σε μεγάλο βαθμό, για παράδειγμα λόγω της δημιουργίας νέων γαλαξιών που εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα, μεταξύ των οποίων φως που μπορεί να γίνει αντιληπτό από οπτικά τηλεσκόπια. Ένα μικρό ποσοστό των τελευταίων απορροφάται, αλλά η πλειοψηφία του διατηρείται στο σύμπαν. Από αυτή την άποψη το σύμπαν μπορεί κάποιος να το φανταστεί ως ένα υπόβαθρο της αόρατης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Επειδή οι ακτίνες υψηλής ενέργειας αλληλεπιδρούν με ακτίνες χαμηλής ενέργειας, οι αστρονόμοι υπέθεταν για μεγάλο διάστημα πως λόγω αυτής της τεράστιας παγκόσμιας ακτινοβολίας, μόνο ακτίνες υψηλής ενέργειας από πολύ κοντινούς ενεργούς γαλαξίες θα πρέπει να ανιχνεύονται στη Γη - η υπόλοιπη υψηλή ακτινοβολία θα έπρεπε να απορροφάται.

Οι ακτίνες γάμμα που ανιχνεύει το τηλεσκόπιο MAGIC  παράγονται από ακραία κοσμικά φαινόμενα, όπως οι εκρήξεις υπερκαινοφανών αστέρων, οι αναλαμπές ακτινών γάμμα ή, όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση, από την ανάπτυξη μαύρων τρυπών στο κέντρο των γαλαξιών. Αποτελούν μια άμεση και πολύτιμη πηγή πληροφοριών για τις διαδικασίες που τις γέννησαν, αφού δεν εκτρέπονται από μαγνητικά πεδία που επηρεάζουν όλες τις άλλες κοσμικές ακτίνες. Καθώς μάλιστα διανύουν αποστάσεις συγκρίσιμες με την ακτίνα του Σύμπαντος, παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες τόσο στη Θεμελιώδη Φυσική όσο και στην Κοσμολογία.

Ωστόσο, μια δημοσίευση στο Science από επιστήμονες που ανήκουν στην ομάδα του τηλεσκοπίου MAGIC κατέληξε σε διαφορετικό συμπέρασμα. Η ομάδα ήταν η πρώτη που πέτυχε τον εντοπισμό στη Γη υψηλής ενέργειας ακτινοβολία γάμμα που προέρχονται από ένα μακρινό κβάζαρ, το 3C 279, που είναι πάνω από 5 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Ένα κβάζαρ είναι ένας ενεργός γαλαξίας στον οποίο μια τεράστια μαύρη τρύπα - με πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιου - ακτινοβολεί γιγαντιαία ποσά ενέργειας σε διάφορες περιοχές του φάσματος. Σύμφωνα με τον Adrian Biland από το Ινστιτούτο Φυσικής (IPP), στο Πολυτεχνείο Ζυρίχης τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το υπόβαθρο ακτινοβολίας στο σύμπαν είναι πολύ λιγότερο πυκνό από αυτό που αναμέναμε.

Μαζί με άλλους επτά φυσικούς ο Adrian Biland είναι μέλος της "MAGIC Collaboration", που είναι οι συγγραφείς της δημοσίευσης στο Science. Σύμφωνα με υπολογισμούς των επιστημόνων, η πυκνότητα του υπόβαθρου της ακτινοβολίας στο σύμπαν αντιστοιχεί περίπου με την αναμενόμενη ένταση της ακτινοβολίας όλων των ουράνιων σωμάτων γνωστών από την αστροφυσική. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να καταρρίψει τη θεωρία ότι το σύμπαν περιέχει επίσης φως από αντικείμενα που εξακολουθούν να είναι εντελώς άγνωστα και τα οποία θα υπήρχαν στις αρχές της δημιουργίας του σύμπαντος. Σύμφωνα με τον Adrian Biland: "Αυτό σημαίνει ότι αν τα ουράνια σώματα του τύπου, που προς το παρόν είναι άγνωστα σε μας, πραγματικά υπήρχαν, πρέπει να είχαν μια εντελώς διαφορετική φύση από τα αστέρια που γνωρίζουμε σήμερα. Διαφορετικά το φως τους θα είχε ανιχνευτεί στη σημερινή ακτινοβολία υποβάθρου. "

Οι αστρονόμοι έβγαλαν λοιπόν με την ανακάλυψη αυτή το συμπέρασμα ότι όσο πιο σκοτεινό είναι το Σύμπαν τόσο πιο διαφανές θα πρέπει να φαίνεται. Γιατί όμως;

Αν καταφέραμε να «δούμε» μια φωτεινή πηγή που βρίσκεται σε τόσο μεγάλη απόσταση (περίπου 5.3 δισ. έτη φωτός), τότε αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν είναι πολύ πιο σκοτεινό από όσο νομίζαμε και συνεπώς περισσότερο διαπερατό από τις ακτίνες γάμμα, η πορεία των οποίων δεν παρενοχλείται από τις αλληλεπιδράσεις τους με το υπόβαθρο της ακτινοβολίας που υπάρχει στο διάστημα.

Ο Biland και η συνεργασία MAGIC εργάζονται σε ένα σχετικά μικρά πεδίο της αστρο-σωματιδιακής φυσικής και μελετούν την "πολύ υψηλής ενέργειας" (VHE) ακτινοβολία γάμμα. Η αρχική ενέργεια (στην πηγή) της ακτινοβολίας κυμαίνεται μεταξύ 50 Gev και αρκετών Tev, δηλαδή ακτινοβολία με μήκος κύματος πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη από το μήκος κύματος του φωτός του ήλιου.

Η ακτινοβολία γάμμα (VHE) μετράται από το τηλεσκόπιο MAGIC στο νησί La Palma των Καναρίων νήσων. Αυτό το τηλεσκόπιο κάνει μετρήσεις με τη βοήθεια του φαινομένου Τσερένκοφ, η οποία απλά είναι το οπτικό ισοδύναμο μιας υπερηχητικής έκρηξης. Ωστόσο, η ταχύτητα των σωματιδίων προκαλεί μια αναλαμπή φωτός, αντί για έκρηξη. Με άλλα λόγια τα φορτισμένα σωματίδια μπορεί να περάσουν μέσα από την ατμόσφαιρα ταχύτερα από την συνδεδεμένη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που μπορεί να εκπέμπουν. Ως αποτέλεσμα, η πόλωση των ατόμων, τα οποία είναι συνήθως συμμετρικά, δεν μπορεί πλέον να ισορροπούν, και αυτό οδηγεί στην εκπομπή που είναι γνωστή ως ακτινοβολία Τσερένκοφ. Όταν ένα φωτόνιο γάμμα VHE διεισδύει στην ατμόσφαιρα δημιουργεί έναν πίδακα χιλιάδων ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, τα οποία εκπέμπουν ακτινοβολία Τσερένκοφ. Αυτές οι μίνι ακτινοβολίες, σαν το φλας που αναβοσβήνει, συλλέγονται από τα 934 κάτοπτρα αλουμινίου του τηλεσκοπίου MAGIC και καταγράφονται από μια κάμερα που παίρνει δύο δισεκατομμύρια εικόνες ανά δευτερόλεπτο, από τις οποίες περίπου 1.000 τελικά επιλέγονται. Το κύριο πρόβλημα είναι ότι εκτός από τα πολύ σπάνια VHE φωτόνια, παρόμοιοι πίδακες δημιουργούνται επίσης από τα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων, που είναι πάνω από 10.000 φορές πιο συχνές, και φυσικά οι μετρήσεις πρέπει να ανακαλύψουν το υπόβαθρο αυτό και να ερμηνεύσουν αυτό το δεδομένο.

Σύμφωνα με τον Biland, οι μετρήσεις στην περιοχή VHE ακτινοβολίας γάμμα δίνουν στους αστρονόμους μια μοναδική ευκαιρία να επαληθεύσουν τους νόμους της αστρονομίας σε νέες περιοχές της ενέργειας. Έτσι, η νέα μελέτη ήταν σε θέση να αποδείξει ένα μοντέλο, το οποίο λέει ότι τα πιο δραστήρια αντικείμενα είναι επίσης και τα πιο λαμπρά. Μια άλλη άποψη που επικρατούσαν μεταξύ των αστρονόμων μέχρι τώρα ήταν ότι οι ακτίνες γάμμα VHE είναι σπάνια αστρονομικά φαινόμενα. Καθώς τα δεδομένα έχουν αυξηθεί, κατέστη δυνατόν μέσα σε λίγα χρόνια να εντοπίσουν οι αστρονόμοι μια σειρά από διαφορετικές κλάσεις ενεργών γαλαξιών, καθώς και διάφορα κατάλοιπα σουπερνοβών στον Γαλαξία μας ως πηγές ακτίνων γάμμα VHE.

Ο Biland λέει πως υπάρχουν αντικείμενα που εκπέμπουν μόνο στην περιοχή VHE, ένα φαινόμενο του οποίου η αιτία παραμένει άγνωστη προς το παρόν.

Το MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) είναι το μεγαλύτερο και πιο ισχυρό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα στον κόσμο και λειτουργεί με συνεργασία περισσοτέρων από 150 ερευνητών από όλη την Ευρώπη (Βουλγαρία, Γερμανία, Ελβετία, ΗΠΑ, Ισπανία, Ιταλία, Πολωνία, Φινλανδία). Το τηλεσκόπιο τέθηκε σε λειτουργία το 2003, στο ψηλότερο βουνό του Λα Πάλμας (2.500 μέτρα). Το τηλεσκόπιο, που έχει διάμετρο 17 μέτρα και ένα κάτοπτρο εμβαδού 236 τετραγωνικών μέτρων, κάνει μετρήσεις μόνο το βράδυ.