Ο αστροφυσικός Saul Perlmutter κερδίζει το βραβείο Lawrence στη φυσική

Άρθρο, Σεπτέμβριος 2002

Ο Saul Perlmutter, μέλος του τμήματος της Φυσικής του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence στο Μπέρκλευ και  επικεφαλής του Διεθνούς Προγράμματος Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών, κέρδισε για το 2002 το βραβείο  Lawrence στην κατηγορία της φυσικής. Ο Perlmutter είναι ο 25ος επιστήμονας του εργαστηρίου του Μπέρκλευ που παίρνει το φημισμένο αυτό βραβείο.

Ο Perlmutter πρόκειται να αναφερθεί, στην τελετή βράβευσης στην Ουάσιγκτον στις 28 Οκτωβρίου, για την αποφασιστική συμβολή του σε μια απροσδόκητη ανακάλυψη εξαιρετικής σημασίας: τον προσδιορισμό, μέσω της προσεκτικής μελέτης των απόμακρων υπερκαινοφανών τύπου Ia, ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται παρά επιβραδύνεται. Η ανακοίνωση για το "επιταχυνόμενο Σύμπαν" το 1998 ονομάστηκε από το περιοδικό Science "η πιο σημαντική ανακάλυψη του έτους".

Η επιτροπή του βραβείου Lawrence, του αναγνώρισε την επινοητική βασική έρευνα που γίνεται στο Μπέρκλευ, για την εξέταση των πιο θεμελιωδών ζητημάτων της Φύσης και που παράγει τέτοια γνώση τα οφέλη της οποίας μπορούμε μόνο να φανταζόμαστε.

Τα βραβεία Lawrence καθιερωθηκαν από τον πρόεδρο των ΗΠΑ Eisenhower το 1959, ως φόρος τιμής στον Ernest Lawrence, και επιλέγονται από ανεξάρτητες επιτροπές επιστημόνων και ερευνητικών οργανώσεων. Οι επιτροπές αναγνωρίζουν τα επιτεύγματα στην ατομική έρευνα και τα βραβεία προορίζονται να ενθαρρύνουν τις σταδιοδρομίες των επιστημόνων που τα παίρνουν.

Τα θεμελιώδη ζητήματα

Ο κύριος ρόλος του Perlmutter, στην ανακάλυψη της επιτάχυνσης της διαστολής του σύμπαντος, ήταν να χρησιμοποιήσει τα σουπερνόβα ως "πρότυπα κεριά" για να μετρήσει τον κοσμικό ρυθμό διαστολής.

Τα σουπερνόβα, αυτά τα αστρονομικά "πρότυπα κεριά", είναι από τα πιο μακρινά αντικείμενα του διαστήματος, ο υπολογισμός δε της φωτεινότητας τους, μας αποκαλύπτει την απόστασή τους από το ηλιακό μας σύστημα, ακριβώς όπως η φαινομενική φωτεινότητα ενός κεριού εξαρτάται από την απόστασή του σε ένα δωμάτιο. Τα σουπερνόβα είναι μεταξύ των φωτεινότερων αντικειμένων στον Κόσμο, ορατό σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις από άλλα "πρότυπα κεριά" όπως είναι τα γνωστά μεταβλητά αστέρια Κηφείδες.

Αν και η ιδέα κυκλοφορούσε μέσα στην αστρονομική κοινότητα επί χρόνια, ο Perlmutter λέει γι' αυτό: "Στις πρώτες ημέρες, οι άνθρωποι που σκέπτονταν να μετρήσουν την διαστολή με την βοήθεια των σουπερνοβών θα είχαν μεγάλη δυσκολία". Τα διαφορετικά είδη των σουπερνοβών εκρήγνυνται με διαφορετικούς τρόπους, και δεν ήταν προφανές αν κάποια από αυτά ήταν πραγματικά "πρότυπα".

Επιπλέον, σε ένα Σύμπαν που είναι γεμάτο με μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια γαλαξίες και με εκατοντάδες δισεκατομμύρια αστέρια ο κάθε ένας, το να βρεις τυχαία αστέρια που εκρήγνυται με ένα τηλεσκόπιο ήταν μια αβέβαια επιχείρηση. Στη δεκαετία του '80, έγινε μια αναζήτηση για εξαιρετικά απόμακρα σουπερνόβα, τα οποία χρειάζονταν για την  μέτρηση των αλλαγών στο ρυθμό διαστολής του Κόσμου, και βρέθηκε μόνο ένα τέτοιο σουπερνόβα μετά δυόμισι χρόνια ερευνών  -- και αυτό το ένα είχε ήδη εξασθενημένο φως μετά από τη μέγιστη φωτεινότητά του.

Η ομάδα στην οποία ο Perlmutter έκανε την διπλωματική του, που διευθυνόταν τότε από το εργαστήριο του Μπέρκλευ και τον φυσικό Richard Muller, κατασκεύασε ένα ρομποτικό τηλεσκόπιο για να ψάξει για τον σχετικά πλησιέστερο σε μας σουπερνόβα τύπου ΙΙ, που είχε καταρρεύσει ο πυρήνας του, των οποίων η φωτεινότητα θεωρήθηκε ότι θα μπορούσε να υπολογιστεί από την ταχύτητα των απομακρυσμένων από τον πυρήνα κελυφών (φλοιούς) τους. Αν και αυτή η ρομποτική αναζήτηση ήταν επιτυχημένη, βρίσκοντας κάπου 20 σουπερνόβα, η μέτρηση της απόστασης με τον τύπο IΙ ήταν "μια δύσκολη τεχνική, αλλά όχι τελειοποιημένη", παρατηρεί ο Perlmutter.

Στο μεταξύ ο Carl Pennypacker και ο Perlmutter, που ήταν οι επικεφαλής στην ομάδα, άρχισαν να ενδιαφέρονταν στην παρατήρηση  των σουπερνοβών τύπου Ia σε πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις, και άρχισαν να δουλεύουν σε νέο πρόγραμμα,  που αργότερα ονομάστηκε "Πρόγραμμα Κοσμολογίας Σουπερνοβών" (Supernova Cosmology Project). Τα σουπερνόβα τύπου Ia ήταν όχι μόνο φωτεινότερα από τον τύπο II αλλά, εάν προσεκτικά διακρίνονταν από τους επιφανειακά συγκρίσιμους τύπους, είχαν δείξει εντυπωσιακή ομοιότητα στη φωτεινότητα.

Κοσμολογία υπερκαινοφανών -- οι πρώτες ημέρες

Για να βρουν όμως αρκετά σουπερνόβα τύπου Ia, ώστε να μαζέψουν σημαντικά στοιχεία για τη διαστολή του σύμπαντος, οι Perlmutter και Pennypacker θέλησαν να χρησιμοποιήσουν ένα τηλεσκόπιο ευρείας ζώνης, για να ανιχνεύσουν ταυτόχρονα χιλιάδες  γαλαξιών. Αλλά ο ανταγωνισμός, για το χρόνο χρησιμοποίησης των τηλεσκοπίων, μεταξύ των αστρονόμων ήταν μεγάλος. Ήταν η εποχή που αντικαθιστούσαν με τα γρήγορα και ευαίσθητα CCD (τις συσκευές συζευγμένου φορτίου), τα παλαιά φωτογραφικά φιλμ στην αστρονομία, και βρήκαν τότε ένα Αυστραλιανό παρατηρητήριο πρόθυμο, έναντι χρημάτων, να κάνει την παρατήρηση των γαλαξιών που ήθελαν με μια, επί παραγγελία, φωτογραφική μηχανή CCD σε μια μεγάλη περιοχή του Ουρανού.

Τους έδωσαν λοιπόν, στην Αυστραλία, χρόνο παρατήρησης 12 μόνο νύχτες, που ήσαν διασκορπισμένες μέσα σε αρκετούς μήνες. Ο δε καιρός, στις 12 αυτές νύχτες, ήταν καλός μόνο στις δυόμισι νύκτες.

Κατά τη διάρκεια εκείνων των δυόμισι νυχτών βρήκε ο Perlmutter ένα σουπερνόβα, του πολλά υποσχόμενου τύπου Ia, αλλά δεν μπορούσαν να αποδείξουν ότι βρήκαν ένα τέτοιο σουπερνόβα, λόγω του μικρού μεγέθους του τηλεσκοπίου.

Το 1992, καθώς δούλευε ο Perlmutter στο Τηλεσκόπιο Isaac Newton στο Λα Πάλμα, των Καναρίων Νήσων, βρήκαν τελικά το πρώτο πειστικό σουπερνόβα του τύπου Ia. Μέχρι το 1994 το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών είχε χρησιμοποιήσει για αρκετό χρόνο αυτά τα τηλεσκόπια, για να αποδείξει ότι θα μπορούσε να παραγάγει μεγάλους αριθμούς των αναζητουμένων υπερκαινοφανών Ιa.

Με μια ειδική τεχνική, στα παρατηρητήρια Kitt και Λα Πάλμα στα τέλη του 1993 και αρχές του 1994, βρήκαν πέντε σουπερνόβα.  Η επιτυχία αυτή τότε ενέπνευσε όλους τους δύσπιστους.

Η επιτάχυνση της διαστολής του Σύμπαντος

Ακολούθησαν κάμποσα χρόνια για την προσεκτική ανάλυση των στοιχείων. Το 1998 το Πρόγραμμα Κοσμολογίας Σουπερνοβών (Supernova Cosmology Project) και η ανταγωνιστική ομάδα που υπήρχε προς αναζήτηση σουπερνοβών υψηλού z (μετατόπισης προς το ερυθρό), η οποία οργανώθηκε από τον Brian Schmidt των Αστεροσκοπείων της Αυστραλίας και που αποκαλείται 'High Z-Team' (από το γράμμα z που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για την ερυθρά μετατόπιση).

Και οι δύο ομάδες αυτές ανεξάρτητα η μια από την άλλη, ανακάλυψαν πως οι υπερκαινοφανείς που παρατηρούσαν είναι αμυδρότεροι απ' ό,τι αναμενόταν. Και αυτό το αποτέλεσμα ήταν αρκετό για να αμφισβητηθεί η κοσμολογική θεωρία για το Σύμπαν. Έβγαλαν λοιπόν το εξής συμπέρασμα, που στην αρχή το είχαν απορρίψει:
Η διαστολή του σύμπαντος δεν επιβραδύνεται, όπως ο καθένας τότε είχε υποθέσει. Αντίθετα επιταχύνεται.

Οι δύο ομάδες αφού απέρριψαν ότι η κοσμική σκόνη απορροφάει το φως των υπερκαινοφανών, γιατί αλλιώς οι κόκκοι της σκόνης θα απέκοπταν το κυανό φώς περισσότερο του ερυθρού, πράγμα που θα έκανε τους υπερκαινοφανείς να φαίνονται ερυθρότεροι απ' ό,τι είναι στην πραγματικότητα.

Απέρριψαν ομοίως και την περίπτωση των βαρυτικών φακών, να διέρχεται δηλαδή το φως ξυστά από γαλαξίες κατά μήκος της διαδρομής τους. Γιατί το φαινόμενο αυτό είναι σημαντικό μόνο για πολύ μακρινούς υπερκαινοφανείς.

Ακολούθως απέρριψαν και τη περίπτωση να είναι διαφορετικοί οι παρατηρούμενοι υπερκαινοφανείς απ' ό,τι οι κοντινότεροι, λόγω της ηλικίας των άστρων, οπότε τα βαρέα στοιχεία θα είναι λιγότερα.

Η ανακάλυψη πως ο Κόσμος επεκτείνεται με έναν επιταχυνόμενο ρυθμό, που σύντομα υποστηρίχθηκε από ανεξάρτητες μετρήσεις κι άλλων άλλων κοσμολογικών παραμέτρων, αμέσως ξεσήκωσε την κοσμολογία.

Κανένας λόγος λοιπόν δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί το φως τους είναι αμυδρότερο, εκτός και αν δεχθούμε πως αυτό οφείλεται στην ίδια τη δομή του κόσμου. Δύο διαφορετικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου φαίνεται να συνεισφέρουν στο φαινόμενο.

Μια εξήγηση είναι να έχει ίσως ο χώρος αρνητική καμπυλότητα, και για αυτό η σφαίρα της ακτινοβολίας που θα προερχόταν από τον αρχαιότερο υπερκαινοφανή θα είχε μεγαλύτερη επιφάνεια. Αλλά η εξήγηση της αρνητικής καμπυλότητας του χώρου, σημαίνει πως η πηγή του φωτός θα δείχνει αμυδρότερη, από την περίπτωση εκείνη του να μην είναι ο χώρος αρνητικά   καμπυλωμένος. Η πηγή όμως φαίνεται αμυδρότερη, άρα έχουμε αρνητική καμπυλότητα στο χώρο.

Μια άλλη εξήγηση είναι να βρίσκονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις από ό,τι δείχνουν οι ερυθρές μετατοπίσεις τους. Δηλαδή να παρουσιάζουν μικρότερες μετατοπίσεις στο ερυθρό, από τη κανονική ερυθρή μετατόπιση.

Άρα θα πρέπει για να έχουν τέτοια συμπεριφορά οι ερυθρές μετατοπίσεις, το Σύμπαν να διαστελλόταν πιο αργά στο παρελθόν απ' ό,τι περίμεναν, πράγμα που θα σήμαινε μικρότερη συνολική διαστολή του χώρου και του μήκους κύματος του φωτός που ταξίδευε σε αυτόν. Δηλαδή καταλήγουμε σε επιταχυνόμενη διαστολή.

Προφανώς μια κάποια μυστήρια "σκοτεινή ενέργεια" οδηγεί την κοσμική επιτάχυνση και αποτελεί τα δύο τρίτα της πυκνότητας του σύμπαντος. Η φύση της σκοτεινής ενέργειας είναι ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που αντιμετωπίζει η φυσική της υψηλής ενέργειας στον 21ο αιώνα.

"Αυτή η ανακάλυψη ήταν περισσότερο μια προσπάθεια όλης της ομάδας", λέει ο Perlmutter, αναφέροντας τις προσπάθειες των μεμονωμένων μελών του Προγράμματος Κοσμολογίας Υπερκαινοφανών, πάνω στις θεωρητικές μελέτες της δυναμικής των υπερκαινοφανών, την ανίχνευση των κοντινών και μακρινών υπερκαινοφανών, την ανάλυση και την ερμηνεία στοιχείων, και άλλων ερευνητικών συστατικών.

Επιπλέον, ο Perlmutter λέει, ότι η συνεχής προσπάθεια που οδήγησε σε αυτή την σημαντική ανακάλυψη, ήταν πιθανή λόγω της μοναδικής θέσης του εργαστηρίου του Μπέρκλευ ως Εθνικό Εργαστήριο. "Είναι μεγάλη η ελευθερία που προσφέρει το  εργαστήριο. Ο καθένας μας ήξερε ότι μπορούσε να εργαστεί και δέκα έτη, προτού να υπάρξει ένα αποτέλεσμα. Πουθενά αλλού δεν υπάρχει τέτοια στήριξη", σχολιάζει ο Perlmutter.

Τα supernova σαν ένα κοσμικό "κερί"

Αριστερά: Ένα supernova, που έχει φωτογραφηθεί το 1994, και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση κοσμικών αποστάσεων. Είναι του τύπου Ιa, και πιστεύεται πως είναι το εκρηκτικό αποτέλεσμα ενός συμπαγούς νεκρού αστεριού (γνωστού σαν λευκός νάνος, με διαστάσεις σαν της Γης και μάζα πολλές φορές τη μάζα του Ήλιου). Ο λευκός αυτός νάνος όταν βρεθεί κοντά σε ένα αστέρι αποσπά ύλη από αυτό. Όταν όμως η συνολική μάζα του λευκού νάνου υπερβεί ένα ορισμένο όριο, αυτοαναφλέγεται με μια εκρηκτική θερμοπυρηνική έκρηξη, και ο λευκός νάνος διαλύεται με τέτοιο βίαιο τρόπο που κομμάτια του εκτοξεύονται με ταχύτητες της τάξης των 10.000 km/s. Η λάμψη που δημιουργείται χρειάζεται τρεις εβδομάδες για να φτάσει στο μέγιστο της, ενώ στη συνέχεια εξασθενεί σταδιακά μέσα σε μια περίοδο μερικών μηνών.