Μια κβαντική φυσαλίδα μπορεί να καταβροχθίσει την ύλη;

Άρθρο, Σεπτέμβριος 2006

Μέσα στο σύμπαν, ο χωρόχρονος αναβράζει. Φυσαλίδες αναδύονται και εξαφανίζονται σε όλο το σύμπαν. Συνήθως, ο αφρός είναι αβλαβής, αλλά σε κάθε στιγμή θα μπορούσε να εξαπολύσει μια καταστροφική αντίδραση διασπώντας τον χωροχρονικό ιστό, καταστρέφοντας το σύμπαν και όλα μέσα σε αυτό.

Σαφώς, μια δολοφονική φυσαλίδα δεν έχει σχηματιστεί μέχρι τώρα στα 13 δισεκατομμύρια χρόνια ζωής του σύμπαντος. Όμως ο Louis Clavelli πιστεύει ότι οι χωροχρονικές φυσαλίδες καταστρέφουν τα άστρα σε καθημερινή βάση. Εάν έχει δίκιο, το σύμπαν είναι πιο επικίνδυνη θέση από όσο μπορείτε να σκεφτείτε. Είναι μία αμφισβητούμενη ιδέα. Οι περισσότεροι αστρονόμοι αρνούνται πως οτιδήποτε εξωτικό είναι υπεύθυνο για τη διάσπαση των άστρων. Αλλά ο Clavelli, που δουλεύει ως φυσικός στο πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα, επιμένει ότι τα συμπεράσματά του προέρχονται από την αξιόπιστη φυσική.

Η ιδέα ότι ένα αφρώδες σύμπαν αναδύεται ξεκινά από την ιδέα ότι ο χώρος μπορεί να υπάρξει σε αρκετές διαφορετικές φάσεις, παρόμοιες με τον τρόπο που το νερό μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο ανάλογα με το ποσό της ενέργειας που περιέχει. Αυτή η άποψη υποστηρίχτηκε το 1998 όταν ανακάλυψαν οι αστρονόμοι που μελετούν τις απόμακρες σουπερνόβες ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται, και δεν επιβραδύνεται όπως ο καθένας πίστευε τότε. Για να εξηγήσουν τα συμπεράσματα, οι κοσμολόγοι πρότειναν ότι το κενό του διαστήματος είναι γεμάτη με μια μυστήρια ουσία, που λέγεται σκοτεινή ενέργεια.

Κανένας δεν ξέρει τι είναι η σκοτεινή ενέργεια, αλλά η παρουσία της σημαίνει ότι ο χώρος είναι μια κραυγή από το τίποτα ενός "αληθινού κενού", που δεν περιέχει καμία ενέργεια. Είναι μια διάκριση που έχει εκτεταμένες συνέπειες, επειδή ένα ψευδοκενό γεμάτο με σκοτεινή ενέργεια μπορεί να διασπαστεί σε ένα αληθινό κενό. Και επειδή η διάσπαση είναι μια κβαντική διαδικασία, μπορεί να συμβεί αυθόρμητα.

Η διάσπαση του κενού γέμισε τα πρωτοσέλιδα το 1999 όταν μεγάλωσαν οι φόβοι με τα πειράματα που έγιναν στο Σχετικιστικό Επιταχυντή Βαρέων Ιόντων (RHIC) στο Brookhaven της Νέα Υόρκης. Θα μπορούσαν οι συγκρουόμενοι πυρήνες να προκαλέσουν την διάσπαση του κενού και να προωθήσουν μια αντίδραση που θα κατέστρεφε το σύμπαν;

Είναι καθησυχαστικό ότι μάλλον δεν μπορεί να συμβεί. Τελικά, οι κοσμικές ακτίνες συνθλίβονται στα άτομα στην ανώτερη ατμόσφαιρα όλη την ώρα χωρίς καταστροφικά αποτελέσματα. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι στον χώρο οι πιθανότητες μιας διάσπασης στο αληθινό κενό είναι εξαιρετικά μικρές. Ακόμα κι έτσι, η διαδικασία της διάσπασης του κενού συνεχίζει να προκαλεί τους ερευνητές επειδή οι φυσαλίδες του αληθινού κενού σχηματίζονται αυθόρμητα όλη την ώρα σε όλο τον σύμπαν.

Οι φυσαλίδες μπορεί να έχουν διαφορετικά μεγέθη, αν και οι νόμοι της κβαντομηχανικής ευνοούν συντριπτικά τις μικροσκοπικές. Μόλις σχηματιστεί, μια φυσαλίδα είτε θα αυξηθεί είτε θα καταρρεύσει ανάλογα με το μέγεθός της και την πυκνότητα των περιχώρων της.

Οι φυσικοί συμφωνούν ότι στα κενά του σύμπαντος, μια φυσαλίδα του αληθινού κενού θα έπρεπε να είναι αληθινά τεράστια για να διατηρηθεί σε ανάπτυξη. Ακόμα είναι μια διαφορετική ιστορία εάν σχηματίζεται παρουσία της ύλης. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Clavelli, υπάρχει μια τοποθεσία στο σύμπαν όπου μια μικροσκοπική φυσαλίδα μπορεί να φουσκώσει με κατακλυσμικά αποτελέσματα: στο εσωτερικό των λευκών νάνων άστρων.

Οι λευκοί νάνοι είναι οι υπέρπυκνοι πυρήνες των άστρων που έχουν εξαντλήσει τα πυρηνικά καύσιμά τους και έχουν καταρρεύσει κάτω από τη βαρύτητά τους στο μέγεθος της Γης. Το μόνο πράγμα που αποτρέπει έναν λευκό νάνο να καταρρεύσει κι άλλο είναι η αντίσταση που συναντά από τα ηλεκτρόνια. Η απαγορευτική αρχή του Pauli κάνει βέβαιη την περαιτέρω κατάρρευση, επειδή απαγορεύει σε περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια να μοιράζονται την ίδια θέση.

Ενεργειακά αποθέματα

Τα ηλεκτρόνια χρειάζονται πολλή ενέργεια για να αντισταθούν στη δύναμη συντριβής της βαρύτητας. Αυτό σημαίνει ότι οι λευκοί νάνοι είναι δεξαμενές ενέργειας σε όλο το σύμπαν. "Δεν πιστεύω ότι πολλοί άνθρωποι συνειδητοποιούν ότι στον σύμπαν η Απαγορευτική Αρχή του Pauli είναι ένας τεράστιος μηχανισμός αποθήκευσης της ενέργειας", λέει ο Clavelli.

Μαζί με την σπουδάστρια Irina Perevalova και τον σπουδαστή Γεώργιο Καραθεοδωρή, ο Clavelli εξέτασε τι θα συνέβαινε εάν τα ηλεκτρόνια σταματούσαν ξαφνικά να υπακούουν στην αρχή Pauli. "Σε εκείνη την περίπτωση θα κατέρρεαν μαζί", λέει. Κατόπιν όλη η ενέργεια που χρησιμοποιείται από τα ηλεκτρόνια για να αντισταθούν στη δύναμη συντριβής της βαρύτητας, θα εκπεμπόταν σχεδόν στιγμιαία υπό μορφή ακτίνων γάμμα.

Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, ένας λευκός νάνος μπορεί αυθόρμητα να έλθει πάλι πίσω στη ζωή. Και μέσα σε 2 δευτερόλεπτα το αναβιωμένο αστρικό πτώμα μετατρέπεται σε μια μαύρη τρύπα, απελευθερώνοντας αρκετή ενέργεια σε όλο το σύμπαν υπό τη μορφή έκρηξης ακτίνων γάμμα.

Οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα είχαν για πρώτη φορά επισημανθεί στη δεκαετία του '60 από τους στρατιωτικούς δορυφόρους των ΗΠΑ, και θεωρούνται ως οι ισχυρότερες εκρήξεις ενέργειας στον σύμπαν από την εποχή του big bang. Μέχρι τώρα ήταν πάρα πολύ μακριά για να μπορέσουν να μας απειλήσουν, αλλά ποιες δυνάμεις τις ενεργοποιούν ήταν ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην αστρονομία. Αλλά μήπως οφείλονται στην αιρετική θεωρία της κατάρρευσης της απαγορευτικής αρχής του Pauli;

Μάλιστα υπάρχει μια θεωρία της φυσικής που το επιτρέπει αυτό. Είναι η υπερσυμμετρία, η θεωρία που επινοήθηκε στη δεκαετία του '70, και είναι η καλύτερη υποψήφια θεωρία για την ενοποίηση όλων των θεμελιωδών δυνάμεων που βλέπουμε σήμερα. Η υπερσυμμετρία απαιτεί για κάθε σωματίδιο που βλέπουμε σήμερα να εισαχθεί και ένα άλλο πολύ βαρύ σωματίδιο - ο υπερεταίρος (superpartners) - που να έχει κάποια αντιστοιχία με αυτό.

Μέχρι τώρα, κανένας δεν έχει βρει κανένα από αυτούς τους υπερσυνεργάτες ή υπερεταίρους, επειδή κανένας από τους σημερινούς επιταχυντές δεν είναι αρκετά ισχυρός για να δημιουργήσει τόσο βαριά σωματίδια. Αλλά εάν η υπερσυμμετρία είναι σωστή, στην πρώτη διάσπαση λίγα δευτερόλεπτα μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη το σύμπαν θα ήταν πλημμυρισμένο με τους υπερεταίρους των κουάρκ και λεπτονίων, που ονομάζονται με το πρόθεμα s (s-quarks και s-λεπτόνια αντίστοιχα), ενώ όλα τα σωματίδια θα υπάκουαν κάτω από μια ενιαία δύναμη.

Για τον Clavelli, η κρίσιμη διαφορά μεταξύ των κανονικών σωματιδίων και των υπερεταίρων τους εναπόκειται σε μια ιδιότητα της κβαντομηχανικής, το λεγόμενο σπιν. Στο σπιν οφείλεται το γεγονός ότι δεν μπορούν περισσότερα από δύο ηλεκτρόνια να βρίσκονται στον ίδιο χώρο. Όμως κανένας τέτοιος περιορισμός δεν ισχύει για τους υπερεταίρους τους, τα s-ηλεκτρόνια, το σπιν των οποίων είναι διαφορετικό. Στο εμβρυικό σύμπαν τα ηλεκτρόνια και τα s-ηλεκτρόνια θα είχαν την ίδια μάζα και θα μπορούσαν συνεχώς να μετατραπούν το ένα στο άλλο.

Αλλά καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε, κάπως αυτή η υπερσυμμετρία έσπασε. Οι υπερεταίροι κέρδισαν μάζα και πάγωσαν, έτσι ξεχώρισαν από τους ελαφρύτερους συνεργάτες τους.

Αλλά οι υπολογισμοί του Clavelli δείχνουν ότι η υπερσυμμετρία ζει μέσα σε κάθε φυσαλίδα του αληθινού κενού. Μια φυσαλίδα που θα έσκαγε μέσα σε έναν λευκό νάνο θα αναπτυσσόταν σε ένα περιβάλλον πολύ μεγάλης πυκνότητας, κι έτσι θα εξαπλωνόταν μέσα στο νεκρό άστρο μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Καθώς θα κατάπινε το νεκρό άστρο, θα ανελάμβανε ρόλο η υπερσυμμετρία και έτσι τα ηλεκτρόνια για άλλη μια φορά θα ήταν σε θέση να ανταλλάξουν τις ταυτότητες τους με τους υπερεταίρους τους, τα s-ηλεκτρόνια.

Χωρίς περιορισμούς της Απαγορευτικής Αρχής του Pauli, ένας λευκός νάνος γεμάτος με s-ηλεκτρόνια θα κατέρρεε μέσα σε μια έκρηξη ακτίνων γάμμα για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα. Ευτυχώς, το υπόλοιπο τμήμα του σύμπαντος θα γλίτωνε από την καταστροφή: Η θεωρία του C1avelli δείχνει ότι οι διογκωμένες φυσαλίδες όταν φθάνουν στην επιφάνεια του λευκού νάνου, ανατρέπονται από τη χαμηλή πυκνότητα του περιβάλλοντος διαστήματος.

Η θεωρία του Clavelli που βρίσκεται πίσω από τις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα είναι ιδιαίτερα αμφισβητούμενη. Οι περισσότεροι  αστροφυσικοί αρνούνται ότι οι εκρήξεις των ακτίνων γάμμα είναι κάτι πιο εξωτικό από τις εκρήξεις που δημιουργούνται από την κατάρρευση των τεράστιων αστεριών. Αλλά ο Clavelli υποστηρίζει ότι είναι επειδή αυτοί πρέπει να συνειδητοποιήσουν τι σημαίνει αληθινά να ζουν σε έναν σύμπαν που κυβερνάται από την υπερσυμμετρία.

Ενώ η υπερσυμμετρία είναι μια σεβαστή θεωρία, δεν υπάρχει ακόμα κανένα πειραματικό στοιχείο για αυτήν. Έτσι η ομάδα του Clavelli ήξερε από την αρχή πόσο αιρετική θα φαινόταν μια θεωρία που θα έλεγε ότι στην υπερσυμμετρία οφείλονται οι εκλάμψεις των ακτίνων γάμμα - ειδικά επειδή πολλοί αστρονόμοι που μελετούν τις εκρήξεις θεωρούν έχουν ήδη ένα καλό λειτουργικό μοντέλο για τις εκρήξεις. Αυτό που κάνει όλη τη διαφορά είναι ότι καθώς οι αστρονόμοι βλέπουν περισσότερες εκρήξεις ακτίνων γάμμα στο σύμπαν, συνειδητοποιούν ότι είναι πιο δύσκολο να εναρμονιστούν όλοι την αποδεκτή θεωρία.

Το μοντέλο collapsar

Το 1993 οι Andrew MacFayden, του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον και Stanford Woosley, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ, πρότειναν ένα πρωτοποριακό μοντέλο για τις εκλάμψεις των ακτίνων γ, που εξηγούσε τις φαινομενικά εξωπραγματικές ιδιότητες ενός αντικειμένου με τόση ενέργεια που να μπορεί να λάμπει σε όλο το σύμπαν.

Με βάση έρευνες δύο δεκαετιών για τα αστέρια, πρότειναν ότι σε μερικές περιπτώσεις ο πυρήνας ενός πολύ μεγάλου αστεριού συσσωρεύει τόσο πολλή μάζα που καταρρέει για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα.

Αυτή γίνεται η κεντρική μηχανή για την εκπομπή ακτίνων γάμμα, επειδή η μαύρη τρύπα αρχίζει αμέσως να καταπίνει το αστέρι από το εσωτερικό προς τα έξω. Καθώς η ύλη κινείται σπειροειδώς προς τη μαύρη τρύπα, δημιουργεί έναν δίσκο στροβιλιζόμενου αερίου. Αλλά δεν καταπίνεται όλο το αέριο από τη μαύρη τρύπα. Κάποια από αυτή 'ξεχειλίζει' για να δημιουργήσει δύο πίδακες της ύλης που εκτοξεύονται προς αντίθετες κατευθύνσεις.

Αυτοί οι πίδακες φεύγουν μακριά από το δίσκο κατά μήκος του άξονα περιστροφής του και ταξιδεύουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Και καθώς εγκαταλείπουν την επιφάνεια του άστρου, αποδεσμεύουν ένα αυξανόμενο ποσό ακτίνων γάμμα. Λόγω της υψηλής ταχύτητας των πιδάκων της ύλης, οι ακτίνες γάμμα εκτοξεύονται προς τα εμπρός μέσα σε ένα στενό εύρος. Όταν ένας από αυτούς τους πίδακες συμβαίνει να έχει κατεύθυνση προς τη Γη, τότε οι αστρονόμοι την ονομάζουν έκρηξη ακτίνων γάμμα.

Οι MacFayden και Woosley συνειδητοποίησαν ότι μπορούμε ν' ανιχνεύουμε ευκολότερα την εκλυόμενη ενέργεια όταν αυτή εστιάζεται σε δέσμες, παρά όταν διαχέεται προς όλες τις διευθύνσεις. Κατέληξαν έτσι σε έναν υπερκαινοφανή αστέρα ειδικής μορφής ως την πηγή των εκλάμψεων ακτινών γάμα, έναν υπερκαινοφανή ο οποίος εστιάζει την ενέργεια του σε δυο λεπτές δέσμες. Το άστρο αυτό έχει μια μάζα πάνω από 30 φορές αυτής του ήλιου μας και εκπέμπει ακτίνες γάμμα καθώς αυτό καταρρέει κάτω από τη βαρύτητά του για να σχηματίσει μια μαύρη τρύπα.

Ονόμασαν δε αυτούς τους νέους υπερκαινοφανείς collapsar, επειδή προκαλούνται όταν ο πυρήνας ενός μεγάλου αστέρα καταρρέει σε μία περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Η μαύρη τρύπα αυτή απορροφά αστρική μάζα, σχηματίζοντας έναν πυκνό στροβιλιζόμενο δίσκο. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από αυτό το δίσκο εκτοξεύουν φορτισμένα σωματίδια μέσα από το εξωτερικό κέλυφος του αστέρα με ταχύτητες 99,999% αυτής του φωτός, δημιουργώντας έτσι μία λεπτή ακτίνα γ πολύ μεγάλης ενέργειας. Μια παρατήρηση - που έγινε την 29ης Μαρτίου 2003 - επιβεβαίωσε έτσι τη θεωρία των MacFayden και Woosley.

Έτσι το κυρίαρχο μοντέλο μέχρι σήμερα για τις εκρήξεις ακτίνων γάμμα - κυρίως για τις μεγάλης διάρκειας εκλάμψεις (> 2 sec) - είναι το μοντέλο collapsar, που υποθέτει την κατάρρευση ενός πολύ γρήγορα στρεφόμενου άστρου γίγαντα, με μάζα μεγαλύτερη των 30 ηλιακών μαζών, προς τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας.

"Το ανωτέρω φαινόμενο της 29ης Μαρτίου 2003 αποτελεί την αδιάψευστη απόδειξη ότι τουλάχιστον ένα ποσοστό των εκλάμψεων ακτινών γ σχετίζεται με την κατάρρευση των πυρήνων υπερκαινοφανών αστέρων, οι οποίοι δημιουργούν πίδακες με σχετικιστικές ταχύτητες", τόνιζε τότε ο J. Craig Wheeler, επικεφαλής της Ερευνητικής Ομάδας Υπερκαινοφανών Αστέρων στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν.

Αντίθεση στο μοντέλο collapsar

Αλλά μερικοί φυσικοί έχουν τις αντιρρήσεις τους για το μοντέλο collapsar, όπως ο Keith Mason του Διαστημικού Εργαστηρίου Επιστήμης στο Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνου. "Μέχρι τώρα, το πιο πάνω μοντέλο έχει βασιστεί σε μία ή δύο καλά παρατηρηθείσες εκρήξεις. Έτσι, νομίζω ότι αυτοί που το κρίνουν δεν ξέρουν εάν το μοντέλο collapsar είναι σωστό για όλες τις εκρήξεις", λέει ο Mason.

Έτσι, σύμφωνα με τον Mason, το μοντέλο collapsar μπάζει, δεν είναι με άλλα λόγια αλάνθαστο: οι υποστηρικτές της θεωρίας Woosley ανησυχούν για τον τρόπο με τον οποίο προωθούνται πίδακες ύλης από την γειτονική περιοχή μιας μαύρης τρύπας, ενώ επιταχύνονται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. "Επιθυμώ να ξέρω πώς επιταχύνονται οι πίδακες", λέει ο Mason. "Βέβαια τα μαγνητικά πεδία παίζουν κάποιο ρόλο αλλά η αλήθεια είναι ότι είναι ένας πραγματικός γρίφος." Ο Mason ελπίζει ότι αργότερα οι αστρονόμοι θα βρουν μερικές ενδείξεις από την παρατήρηση των ενεργών γαλαξιών και του ήλιου, οι οποίοι εκπέμπουν επίσης πίδακες υψηλής ταχύτητας.

"Νομίζω ότι οι ενεργοί γαλαξίες και οι ηλιακές λάμψεις είναι τα δύο άκρα ενός φαινομένου και ότι οι πίδακες εξ αιτίας των μαγνητικών πεδίων μπορούν να εμφανιστούν σε πολλές κλίμακες", αναφέρει ο Mason. Εάν είναι σωστός, τότε όλα αυτά θέλουν μια σύνθεση ανάλογη με το Εύρηκα του Αρχιμήδη, για να τακτοποιηθούν.

Εντούτοις, ο Clavelli θεωρεί ότι μπορεί να εκμεταλλευτεί τέτοιες ρωγμές στο θωρακισμένο μοντέλο του collapsar. "Είμαι τόσο πεπεισμένος από το μηχανισμό της υπερσυμμετρίας που ξοδεύω όλο τον χρόνο μου σε αυτό", τονίζει. Ένα από τα πλεονεκτήματα της ιδέας του Clavelli είναι ότι απομακρύνει τους ενοχλητικούς πίδακες. Σύμφωνα με το μοντέλο του, οι εκρήξεις των ακτίνων γάμμα είναι μια φυσική συνέπεια της υπερσυμμετρικής αντίδρασης.

Όμως και οι παρατηρήσεις των εκλάμψεων έδειξαν να υποστηρίζουν τη θεωρία τους. Σύμφωνα με το μοντέλο collapsar, κάθε έκλαμψη ακτίνων γάμμα πρέπει να παραγάγει μια έκρηξη και στο ορατό φως, καθώς πίδακες της ύλης περνούν μέσα από το κατάλοιπο του άστρου. Αντίθετα, το μοντέλο υπερσυμμετρίας του Clavelll αποκλείει τέτοιες οπτικές μεταλαμπές, τις οποίες δεν έχουν δει ακόμα οι αστρονόμοι.

Το υπερσυμμετρικό μοντέλο

Όπως είδαμε πιο πάνω, οι τρεις ερευνητές - Irina Perevalova, Γεώργιος Καραθεοδωρής και Clavelli - υποστηρίζουν ότι στην πραγματικότητα κάτι πολύ παράξενο συμβαίνει σε ορισμένα υπέρπυκνα άστρα που οδηγεί στην αιφνίδια και καταστροφική έκλαμψη ακτίνων γάμμα. Σύμφωνα με τη θεωρία τους, τα άστρα αυτά 'κατατρώγονται' από μια γιγαντιαία κβαντική φυσαλίδα κενού που αναπτύσσεται στο εσωτερικό τους.

Οι κβαντικές φυσαλίδες κενού υπάρχουν χάρις στην ιδιομορφία της κβαντικής φυσικής και μάλιστα το σύμπαν θα έπρεπε να είναι γεμάτο από αυτές. Οι κβαντικές φυσαλίδες κανονικά εξαφανίζονται ενώ είναι ακόμα μικροσκοπικές, χωρίς καν να προλάβουν να προκαλέσουν καμιά καταστρεπτική δράση όπως ισχυρίζεται ο Clavelli, στο μακροσκοπικό κόσμο. Γι αυτό και οι αστροφυσικοί δεν πιστεύουν την πιο πάνω θεωρία ότι θα μπορούσαν ολόκληρα άστρα να κατατρώγονται από τέτοιες φυσαλίδες.

Ωστόσο ο Clavelli επιμένει ότι οι ιδέες του είναι σωστές χάρις στην θεωρία της υπερσυμμετρίας - μια υποψήφια θεωρία για την ενοποίηση των στοιχειωδών σωματιδίων και δυνάμεων. Στο καθιερωμένο μοντέλο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων η Απαγορευτική Αρχή του Pauli θέτει ένα όριο στη συνεχιζόμενη κατάρρευση ενός λευκού νάνου άστρου προς μια μαύρη τρύπα. Τα ηλεκτρόνια της ύλης όντας φερμιόνια δεν μπορούν να βρίσκονται στον ίδιο χώρο και γι αυτό προβάλουν τεράστια αντίσταση στην βαρυτική κατάρρευση του άστρου.

Όμως σε αυτό το στάδιο της θεωρίας παρουσιάζεται η κβαντική φυσαλίδα. Στο εσωτερικό του νεκρού άστρου δημιουργούνται διαρκώς μικρές φυσαλίδες από την τυχαία δραστηριότητα του κενού. Αν μια τέτοια φυσαλίδα φτάσει σε μια κρίσιμη διάσταση, λένε οι τρεις ερευνητές, γιγαντώνεται και εξαπλώνεται λόγω της εξαιρετικά μεγάλης πυκνότητας της ύλης που την περιβάλλει. Το πιο πιθανό σενάριο θα είναι λοιπόν η διογκωμένη φυσαλίδα να καταβροχθίσει ολόκληρο το νεκρό άστρο.

Μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα από την εμφάνιση της γιγάντιας φυσαλίδας, αυτή θα μπορούσε να 'καταπιεί' κυριολεκτικά το άστρο.

Οι υπολογισμοί των ερευνητών έδειξαν ότι η υπερσυμμετρία - που υπήρχε μεν στο πρώιμο σύμπαν αλλά καθώς το σύμπαν διαστελλόταν και ψυχόταν η υπερσυμμετρία έσπασε - μπορεί να επιζήσει στο εσωτερικό μιας φυσαλίδας κβαντικού κενού.

Αλλά αυτό θα οδηγούσε αναγκαστικά στη μετατροπή των ηλεκτρονίων σε s-ηλεκτρόνια - υπερεταίρος του ηλεκτρονίου στη θεωρία υπερσυμμετρίας. Τα ηλεκτρόνια είναι φερμιόνια που υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή του Pauli, αλλά τα s-ηλεκτρόνια είναι μποζόνια με ακέραιο σπιν. Τα τελευταία δεν υπακούουν στην Απαγορευτική Αρχή με αποτέλεσμα να μπορούν να συμπιεστούν απεριόριστα χωρίς να υπόκεινται στους περιορισμούς της Αρχής του Pauli. Παύουν λοιπόν αυτά να αντιστέκονται στη βαρύτητα. Οι τεράστιες βαρυτικές δυνάμεις βγαίνουν νικητές στη μάχη με τα s-ηλεκτρόνια και αναγκάζουν το άστρο να συμπιεστεί ακόμα περισσότερο, προκαλώντας τη δημιουργία μιας μαύρης τρύπας.

Εν τω μεταξύ, ο λευκός νάνος βγάζει μια επιθανάτια λάμψη υπό τη μορφή ακτίνων γάμμα για μερικά δευτερόλεπτα, προτού χαθεί οριστικά μέσα στο βαρυτικό τούνελ. Ευτυχώς, η γιγάντια κβαντική φυσαλίδα δεν συνεχίζει να επεκτείνεται, εξαιτίας του τεράστιου μεσο-αστρικού κενού που περιβάλλει τον λευκό νάνο. Λόγω της πρακτικά μηδενικής πυκνότητας στο διαστημικό περιβάλλον, η φυσαλίδα δεν θα μπορούσε να διαδοθεί παραπέρα.

Συμπεράσματα από τον δορυφόρο SWIFT

Και μέχρι σήμερα, καμία ανιχνεύσιμη οπτική μεταλαμπή δεν ήταν ορατή μέχρι και τα δύο τρίτα των  των εκρήξεων των ακτίνων γάμμα. Οι υποστηρικτές του μοντέλου collapsar υποστήριξαν ότι αυτό μπορεί να οφείλεται στις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα, που εκρήγνυνται στις γεμάτες σκόνη περιοχές του διαστήματος κρύβοντας το ορατό φως. Αλλά οι περισσότεροι από αυτούς θεώρησαν ότι τα τηλεσκόπιά τους δεν ήταν αρκετά γρήγορα ώστε να ανιχνεύσουν την πολύ γρήγορα εξασθενίζουσα μεταλαμπή.

Όσο οι αστρονόμοι πετυχαίνουν να στρέφουν πολύ γρήγορα τα τηλεσκόπια τους προς τις περιοχές των εκρήξεων ακτίνων γάμμα, λίγες στιγμές μετά την έκρηξη, τόσο ο αριθμός των 'σκοτεινών' εκρήξεων έχει πέσει. Εντούτοις, πολλές μεταλαμπές παραμένουν πιο αμυδρές από όσο οι αστρονόμοι αναμένουν και περίπου 1 σε κάθε 5 έκρηξη ακτίνων γάμμα παραμένει συνολικά σκοτεινή.

Ο Clavelli αποδέχεται ότι υπάρχουν άφθονα προβλήματα που πρέπει να υπερνικηθούν προτού να γίνει αποδεκτή η θεωρία του.

Τα τηλεσκόπια, για παράδειγμα, αποκαλύπτουν τις εκρήξεις των ακτίνων γάμμα σαν ευθείες γραμμές, ενώ στο μοντέλο των ακτίνων γάμμα του Clavelli πρέπει να μοιάζουν σαν έναν πίδακα που κατευθύνεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Για να εξηγήσει αυτή την απόκλιση, η ομάδα του έχει αναπτύξει μια προσομοίωση σε υπολογιστή ενός λευκού νάνου που 'καταπίνεται' από μια διάσπαση του κενού. Και βρήκαν κάτι που είναι ενθαρρυντικό. Οποιαδήποτε διακύμανση στην πυκνότητα των selectrons μέσα στο λευκό νάνο ενισχύεται καθώς αυτό εκπέμπει ακτίνες γάμμα. Καθώς δε αυτές οι ακτίνες γάμμα περνούν από το περιβάλλον μέσον των selectron αυτές υποκινούν κι άλλη εκπομπή στην ίδια κατεύθυνση. Υπενθυμίζοντας τον τρόπο με τον οποίο προκύπτει το φως ως μια στενή ακτίνα από ένα λέιζερ. Αυτό δείχνει ότι οι εκρήξεις ακτίνων γάμμα θα έτειναν να κερδίσουν σε ισχύ σε μια ιδιαίτερη κατεύθυνση. Η ομάδα του πρέπει να ασχοληθεί κι άλλο με τις λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας.

Ο Clavelli επισημαίνει ότι το μοντέλο του είναι υπό επεξεργασία ακόμα. Αλλά απέτυχε να επηρεαστεί από τον Woosley. "Η φυσική σωματιδίων μπορεί να είναι ενδιαφέρουσα, αλλά το μοντέλο των εκρήξεων ακτίνων γάμμα δεν είναι και τόσο καλό", λέει.

Ο Clavelli παραμένει προκλητικός: "Οι αστρονόμοι μιλούν για πράγματα όπως κεντρικές μηχανές χωρίς να εξηγήσουν τις λεπτομέρειες για το πώς λειτουργούν αυτά τα πράγματα. Για μένα φαίνεται πιο θεωρητικό αυτό που κάνουν από το μοντέλο της υπερσυμμετρίας".

Οι αστρονόμοι θα ξέρουν εάν το μοντέλο του Clavelli αξίζει τον κόπο να ασχοληθούν μαζί του, μετά τις παρατηρήσεις του SWIFT την επόμενη διετία. Τα επόμενα χρόνια αναμένουν οι αστρονόμοι να έχει συλλάβει το παρατηρητήριο ακτίνες γάμμα, ακτίνες X, υπεριώδεις ακτίνες και οπτικό φως από εκατοντάδα εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Εάν βρεθούν οπτικές μεταλαμπές, το SWIFT θα τις δει. Και εάν ο αριθμός των οπτικών μεταλαμπών υπολείπεται αρκετά των προσδοκιών, τουλάχιστον το μοντέλο του collapsar θα χρειαστεί σοβαρή αναθεώρηση.

Αυτό μπορεί να χρειάζεται ο Clavelli για να πάρουν οι αστρονόμοι την ιδέα του στα σοβαρά.

Διακυμάνσεις του κενού και εικονικά σωματίδια

Αριστερά: Διάγραμμα ενός βαθμωτού πεδίου Φ παγιδευμένου σε ένα ψευδοκενό. Η ενέργεια Ε είναι υψηλότερη στο ψευδοκενό από ό,τι στο απόλυτο κενό ή στο αληθινό κενό. Το φράγμα μεταξύ των δύο ελαχίστων (αληθινού και ψευδοκενού) μπορεί να υπερπηδηθεί είτε από σωματίδια υψηλής ενέργειας είτε μέσω του κβαντικού φαινομένου σήραγγος.

• Στον καθημερινό κόσμο, η ενέργεια είναι πάντα σταθερή. Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας είναι ο ακρογωνιαίος λίθος της κλασσικής φυσικής. Αλλά στον κβαντικό μικρόκοσμο, η ενέργεια μπορεί να εμφανιστεί και να εξαφανιστεί από το πουθενά με έναν αυθόρμητο και απρόβλεπτο τρόπο.

• Η Αρχή της Αβεβαιότητας υπονοεί ότι μπορούν να γεννηθούν σωματίδια για μικρά χρονικά διαστήματα ακόμα και όταν δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια για να τα δημιουργήσει. Στην πραγματικότητα, δημιουργούνται από τις αβεβαιότητες στην ενέργεια (Αρχής της Αβεβαιότητας του Heisenberg). Η αδυναμία να προσδιορίσουμε με ακρίβεια το ενεργειακό απόθεμα μιας οποιασδήποτε μικρής περιοχής χώρου και χρόνου έχει ως συνέπεια να εμφανίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα τα εικονικά σωματίδια. Όσο μάλιστα συντομότερο είναι αυτό το διάστημα, τόσο μεγαλύτερη είναι η αβεβαιότητα της ενέργειας.

• Έτσι, κάποιος θα μπορούσε να πει ότι "δανείζονται" για λίγο την ενέργεια που απαιτείται για τη δημιουργία τους, και έπειτα, λίγο αργότερα, πληρώνουν το "χρέος" τους πίσω και εξαφανίζονται πάλι. Επειδή αυτά τα σωματίδια δεν έχουν μόνιμη ζωή, λέγονται εικονικά σωματίδια.

• Ακόμα κι αν δεν μπορούμε να τα δούμε, ξέρουμε ότι αυτά τα εικονικά σωματίδια είναι "πραγματικά εκεί" στο κενό διάστημα, επειδή αφήνουν πίσω τους ένα ανιχνεύσιμο ίχνος της δραστηριότητας τους. Ένα γνωστό φαινόμενο των εικονικών φωτονίων, παραδείγματος χάριν, είναι η μικροσκοπική μετατόπιση στα ενεργειακά επίπεδα των ατόμων. Προκαλούν επίσης μια εξίσου μικροσκοπική αλλαγή στη μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων. Αυτές οι μικρές αλλά σημαντικές αλλαγές έχουν μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές τεχνικές. Η αναμενόμενη επίδραση τους είναι πολύ λεπτή - η αλλαγή είναι της τάξεως του 1 προς 1.000.000.000, αλλά ακόμα κι αυτή έχει επιβεβαιωθεί από τους πειραματιστές. Το 1953 ο Willis Lamb μέτρησε αυτή τη διεγερμένη ενεργειακή κατάσταση για ένα άτομο υδρογόνου και γι αυτό ονομάστηκε μετατόπιση Lamb. Η ενεργειακή διαφορά που προβλέπεται από τα αποτελέσματα της δράσης του κενού στα άτομα είναι τόσο μικρή που είναι ανιχνεύσιμη μόνο ως μετάβαση στις συχνότητες των μικροκυμάτων. Στη συνέχεια ο Lamb έλαβε το βραβείο Νόμπελ για την εργασία του. Έτσι, καμία αμφιβολία δεν μένει ότι τα εικονικά σωματίδια είναι πραγματικά εκεί μέσα στο κενό. Ακόμη και στο πιο τέλειο κενό, δημιουργούνται συνεχώς και καταστρέφονται ζευγάρια εικονικών σωματιδίων.

• Το νέο κβαντικό κενό μπορεί να υποστεί ακόμη και αλλαγές φάσης, όπως το νερό. Αλλά το κβαντικό κενό είναι πράγματι ένα είδος υλικού διότι η ενέργεια που περιέχει αντιστοιχεί σε μια ισοδύναμη μάζα, όπως απαιτεί η αρχή της ισοδυναμίας μάζας - ενέργειας. Θα μπορούσαμε δηλαδή να φανταστούμε το κβαντικό κενό σαν ένα ρευστό που αναβράζει διαρκώς, αλλά ο αναβρασμός του περιορίζεται σε εξαιρετικά μικρές διαστάσεις ώστε να παραμένει αόρατος και κρυμμένος από τον κόσμο της καθημερινής εμπειρίας.

• Αλλά το κβαντικό κενό ή ρευστό φαίνεται ότι στη θεμελιώδη του κατάσταση υφίσταται σε πολλές μορφές. Αυτές οι μορφές, ή οι φάσεις του κενού, μπορεί να βρίσκονται σε ακόμη χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις από εκείνη στην οποία βρίσκεται το συνηθισμένο κενό που συναντούμε γύρω μας.

• Αυτό οφείλεται στο ότι η τιμή της μηδενικής ενέργειας στη θεωρία πεδίου δεν είναι πλέον ένας απλός αριθμός αλλά γίνεται μια συνάρτηση του ίδιου του πεδίου και επομένως μπορεί να έχει πολλά τοπικά ελάχιστα. Οι περισσότερες από τις διάφορες θεωρίες πεδίου που έχουν προταθεί κατά καιρούς είναι έντονα μη γραμμικές με αποτέλεσμα η ενέργεια μηδενικού σημείου να μη βρίσκεται στο απόλυτο αλλά σε κάποιο σχετικό ελάχιστο με υψηλότερη ενέργεια από τη χαμηλότερη δυνατή. Μια τέτοια κατάσταση του κενού ονομάζεται ψευδοκενό, επειδή ακριβώς η στάθμη της Ενέργειας Μηδενικού Σημείου δεν βρίσκεται στη χαμηλότερη δυνατή τιμή, αλλά σε κάποια άλλη που τοπικά εμφανίζεται ελάχιστη.

• Θα μπορούσε όμως να δημιουργηθούν τοπικά οι απαραίτητες συνθήκες ώστε το κενό να αλλάξει φάση και να περάσει σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας. Η κβαντική μηχανική επιτρέπει να συμβεί κάτι τέτοιο εξαιτίας του φαινομένου σήραγγας όπου υπάρχει πάντοτε μια μικρή πιθανότητα για την υπερπήδηση ενός φράγματος δυναμικού. Εάν αυτό συμβεί, τότε η διαταραχή αυτή θα ήταν δυνατό να διαδοθεί ακαριαία με τη μορφή μιας σφαίρας που αλλάζει τα πάντα στο πέρασμα της. Στην πραγματικότητα, μια τέτοια εξαπλούμενη φυσαλίδα κενού θα άλλαζε ακόμη και τις ίδιες τις φυσικές σταθερές, με άλλα λόγια θα μεταμόρφωνε το σύμπαν στο εσωτερικό της σε κάποιο άλλο ελαφρά ή και πολύ διαφορετικό στο οποίο θα ίσχυε κάποια διαφορετική φυσική και επομένως θα κατέστρεφε κάθε μορφή ζωής αποσυνθέτοντας τα ίδια τα μόρια της ύλης, προκαλώντας καταστροφή στο διάβα της φυσαλίδας του κενού.

•  Η κβαντική θεωρία πεδίου προσφέρει όμως και τη φυσική ασπίδα προστασίας απέναντι σε ένα τόσο καταστροφικό γεγονός. Μόνον σε συνθήκες ανάλογες με εκείνες που επικράτησαν τα πρώτα δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θα μπορούσε να λάβει χώρα ένα τέτοιο φαινόμενο. Είναι δυνατόν στον κενό χώρο γύρω μας να εμφανιστούν τέτοιες φυσαλίδες αλλά ο χρόνος ζωής τους θα είναι εξαιρετικά μικρός και η ακτίνα στην οποία φτάνουν τόσο απειροελάχιστη ώστε να είναι πρακτικώς απαρατήρητες.

• Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί κι ένα είδος καταστροφολογίας γύρω από το θέμα με αφορμή την κατασκευή του νέου μεγάλου επιταχυντή LHC (Large Hadron Collider) στο CERN, όπως και πιο πριν, το 1999, με την κατασκευή του αντίστοιχου RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven της Ν. Υόρκης. Κάποιοι υποστήριξαν δημόσια ότι ορισμένα από τα πειράματα θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μέσα στον επιταχυντή τις συνθήκες για αλλαγή φάσης του κενού, οδηγώντας στην κατάρρευση του σύμπαντος. Τόσο όμως η υπάρχουσα θεωρία όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι είναι εντελώς απίθανο να συμβεί κάτι τέτοιο, τουλάχιστον στο γήινο περιβάλλον.

• Τώρα όμως, ο Louis Clavelli έρχεται να ταράξει και πάλι τα νερά υποστηρίζοντας ότι αυτό που είναι αδύνατον να συμβεί στη Γη μπορεί κάλλιστα να συμβαίνει συνεχώς στα πιο μακρινά άστρα που τελειώνουν τη ζωή τους με εντυπωσιακό τρόπο.

Η ενέργεια των εκρήξειων ακτίνων γάμμα στο μοντέλο collapsar

Παρατηρήσεις εδώ και μια δεκαετία στα οπτικά και άλλα μήκη κύματος έδειξαν ότι οι εκλάμψεις είναι κοντά στην άκρη του ορατού σύμπαντος. Αυτό σημαίνει ότι η παρατηρούμενη λαμπρότητα των ακτίνων γάμμα εδώ στη Γη, μεταφράζεται σε τρομακτικά ποσά ενέργειας στην πηγή των ακτίνων. Το σύνολο είναι περίπου 10⁵⁴ έργια (ergs). Σε πιο συνήθεις όρους, οι πηγές αυτές εκπέμπουν σε μερικά δευτερόλεπτα 1.000 φορές πιο πολλή ενέργεια από αυτή που ο ήλιος μας θα παραγάγει στα 10 δισεκατομμύρια έτη της ζωής του. Ο αριθμός αυτός είναι, επίσης, ίσος με την ενέργεια που θα ελευθερωνόταν εάν η μάζα όλου του ήλιου μετατραπεί σε ενέργεια.

Η συνολική ενέργεια 10⁵⁴ ergs προϋποθέτει ότι η έκρηξη δεν ακτινοβολείται σε δέσμες αλλά είναι ισοτροπική ή αλλιώς κατανέμεται ομοιόμορφα, σύμφωνα με το μοντέλο. Αλλά εάν η ενέργεια ακτινοβολείται με πίδακες που εκρήγνυνται από τους πόλους, τότε η έκρηξη απαιτεί "μόνο" το 1% της ενέργειας ή 10⁵² ergs (ή, μόνοι 10 φορές τη συνολική ενέργεια του ήλιου μας), και βέβαια μόνο το 1% του ουρανού θα 'φωτιστεί' από την έκλαμψη κι όχι όλος. Η τελευταία υπόθεση, επίσης υπονοεί ότι οι εκρήξεις είναι 100 φορές πιο συνηθισμένες από όσο ανιχνεύουμε, επειδή μόνο 1 έκλαμψη στις 100 θα φτάσει στη Γη.

Πηγές: New Scientist, NASA, Wikipedia, Η Θεωρία της υπερσυμμετρίας, Περισκόπιο  κλπ

Home