Η αποστολή Planck βαδίζει προς το τέλος της

Το τηλεσκόπιο Planck, που στάθηκε στο διάστημα για να χαρτογραφήσει το παλαιότερο φως στο Σύμπαν, έχει εξαντλήσει το ψυκτικό υγρό ήλιο που διατηρεί σε πλήρη λειτουργία τα όργανα του.

 

Οι μηχανικοί αναμένουν να αρχίσουν να ζεσταίνονται τα συστήματα του Παρατηρητηρίου από την εξαιρετικά ψυχρή κατάσταση που βρίσκονται, εντός των προσεχών ημερών.

Είναι όμως σημαντικό ότι ο Planck έχει συγκεντρώσει πολύ περισσότερα δεδομένα από τότε που ξεκίνησε την αποστολή του το 2009, από όσο αρχικά σχεδίασαν οι ειδικοί. Αυτό αποκάλυψε ο Jan Tauber, υπεύθυνος επιστήμονας της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας για τον Planck.

Η αποστολή Planck είχε σκοπό να συλλέξει και να αναλύσει την ακτινοβολία του Κοσμικού Υπόβαθρου Μικροκυμάτων (CMB), χρησιμοποιώντας ευαίσθητους ραδιοφωνικούς δέκτες, που λειτουργούσαν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Οι δέκτες αυτοί καθορίζουν την ισοδύναμη θερμοκρασία του μέλανος σώματος   της ακτινοβολία υποβάθρου, ενώ ήταν ικανοί να διακρίνουν διακυμάνσεις θερμοκρασίας στον ουρανό, περίπου, ένα μικρο Kelvin (1 εκατομμυριοστό του Kelvin). 

Οι μετρήσεις αυτές θα χρησιμοποιηθούν για να παράγουν τους καλύτερους χάρτες της ανισοτροπίας της CMB (τις διαφορές της θερμοκρασίας και πόλωσης της ακτινοβολίας) που έγιναν ποτέ μέχρι τώρα.

Η μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου

Η μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου (CMB) είναι το «πρώτο φως» που διαδόθηκε στο χώρο 380.000 χρόνια μετά το Big-Bang, αφού το σύμπαν είχε ψυχθεί αρκετά ώστε να επιτρέπει το σχηματισμό των ατόμων υδρογόνου. 

Ο ουράνιος χάρτης του παλαιότερου φωτός στο Σύμπαν σύμφωνα με την προηγούμενη αποστολή WMAP. Τα χρώματα δείχνουν "τη θερμότερη περιοχή" (κόκκινο) και την "πιο ψυχρή" (μπλε σημεία). Η ωοειδής μορφή είναι μια προβολή για να παρουσιάσει ολόκληρο τον Ουρανό. Οι λευκές ράβδοι παρουσιάζουν την κατεύθυνση της πόλωσης του παλαιότερου φωτός, που δίνει τις ενδείξεις για τα γεγονότα που συνέβησαν στο πρώτο τρισεκατομμυριοστό του ενός δευτερολέπτου του σύμπαντος. Η μικροκυματική ακτινοβολία που συνελήφθη σε αυτή την εικόνα οφείλεται στην ακτινοβολία που γεννήθηκε 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ενώ οι χρωματικές διαφορετικές μορφές είναι οι μικροσκοπικές διαφορές της θερμοκρασίας μέσα σε αυτό το εξαιρετικά ομοιόμορφα διασκορπισμένο φως μικροκυμάτων, που λούζουν το Σύμπαν.

Πριν από εκείνη τη στιγμή, λένε οι επιστήμονες, το σύμπαν ήταν τόσο ζεστό που η ύλη και η ακτινοβολία ήταν "συνδεδεμένα" – οπότε το Σύμπαν τότε ήταν αδιαφανές.

Η CMB είναι μια ακτινοβολία διάχυτη σε όλο τον ουρανό και οι φυσικοί σε αυτήν μπορούν να μετρήσουν μικροσκοπικές μεταβολές της θερμοκρασίας, αντλώντας έτσι πληροφορίες σχετικά με την ηλικία, το περιεχόμενο και το σχήμα του σύμπαντος.

Το παρατηρητήριο Planck φτιάχνει χάρτες του ουρανού στην CMB με γωνιακή ανάλυση μεγαλύτερη από 10 λεπτά του τόξου και με μια θερμοκρασιακή ανάλυση της τάξης του 1 μέρους προς 10⁶. Η ταυτόχρονη χαρτογράφησης του ουρανού σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων θα επιτρέψει τον διαχωρισμό της Γαλαξιακής και εξωγαλαξιακής ακτινοβολίας από την αρχέγονη κοσμική ακτινοβολία.

Παρακολουθώντας εκείνο το ‘πρώτο φως’ σήμερα είναι σαν να βλέπουμε το Σύμπαν όπως ήταν 380 000 χρόνια μετά το Big Bang. Όταν όμως ελευθερώθηκε το ‘πρώτο φως’ της CMB, το σύμπαν ήταν πολύ μικρότερο από ό,τι είναι τώρα. Κατά συνέπεια, τα κύματα του πρωταρχικού φωτός ήταν πολύ πιο συμπιεσμένα, δηλαδή, η συχνότητά τους ήταν πολύ υψηλή και το μήκος κύματος πολύ πιο μικρό. Από τότε ο Κόσμος μας έχει επεκταθεί κατά πολύ και μαζί του τα κύματα αυτής της πρωταρχικής ακτινοβολίας ‘τεντώθηκαν’ ή για να το πούμε αλλιώς η συχνότητα της CMB είναι τώρα πολύ χαμηλότερη από ό,τι στο παρελθόν. Γι αυτό και τώρα ανήκουν στο φάσμα των μικροκυμάτων.

Δύο αμερικανικοί δορυφόροι (COBE και WMAP) ήδη είχαν δουλέψει με αυτήν την ακτινοβολία, όμως ο Planck ήταν πολύ πιο ευαίσθητος και μπορεί να κάνει πολύ πιο λεπτομερείς χάρτες, φυσικά με  υψηλότερη ανάλυση.

Ο πρώτος προκάτοχος του Planck ήταν το Cosmic Background Explorer (COBE) που ξεκίνησε στις 18 Νοεμβρίου 1989. Το COBE βρήκε ότι η μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB) παρουσίαζε μια ανισοτροπία της τάξεως 1 μέρος προς 10⁵ και έδειξε ότι το φάσμα της CMB αντιστοιχούσε σε ένα μέλαν σώμα με θερμοκρασία 2,725 K ± 2 mK.

Το δεύτερο αντίστοιχο διαστημόπλοιο ήταν το WMAP που ξεκίνησε στις 30 Ιουνίου του 2001 και έχει πραγματοποιήσει τέτοιες μετρήσεις της CMB, που επέτρεψαν την δημιουργία ενός χάρτη της ανισοτροπίας της μικροκυματικής αρχέγονης ακτινοβολίας με πολύ μεγαλύτερη χωρική και θερμοκρασιακή ανάλυση, ενώ  και η βελτίωση της ακρίβειας σε σχέση με το COBE ήταν τρομερή.

Αυτός ο βαθμός ακρίβειας στη μέτρηση μπορεί να μας φαίνεται αρκετά καλός, αλλά είναι απαραίτητες πολύ πιο ακριβείς μετρήσεις. Οι επιστήμονες γνωρίζουν, από τις προηγούμενες παρατηρήσεις τους, ότι εμφανίζονται στον ουρανό ‘μπαλώματα’, με αλλού λίγο ψυχρότερες και αλλού λίγο θερμότερες περιοχές (διαφέρουν κατά ένα παράγοντα ένα μέρος προς 100.000). Και πάλι, αυτό μπορεί να μας φαίνεται σαν μια πολύ μικρή διαφορά, αλλά αυτές οι διαφορές στη θερμοκρασία δεν είναι τίποτα λιγότερο από τα αποτυπώματα που έμειναν στην CMB από τους πρώιμους "σπόρους" των σημερινών τεράστιων συγκεντρώσεων της ύλης – δηλαδή τα σμήνη των γαλαξιών και τους γαλαξίες.

Πιο αναλυτικά οι διαφορές αυτές στην θερμοκρασία οφείλονται στην απειροελάχιστη διαφορά πυκνότητας των πρωταρχικών συστατικών του σύμπαντος, κυρίως του υδρογόνου, που είχαν διαχυθεί σε όλο το Σύμπαν όταν απελευθερώθηκε η ακτινοβολία. Γι αυτό και η διαφορά της θερμοκρασίας αντικατοπτρίζει τα ίχνη των περιοχών όπου στη συνέχεια δημιουργήθηκαν οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών.

Η ψύξη των οργάνων

Για να καταφέρει αυτή την υψηλή ανάλυση, οι ανιχνευτές του έπρεπε να λειτουργούν στην εκπληκτικά χαμηλή θερμοκρασία των μείον 273.05 C – μόλις ένα δέκατο του βαθμού πάνω από το "απόλυτο μηδέν", τη χαμηλότερη θερμοκρασία που θεωρητικά είναι δυνατή στο Σύμπαν. Το δε σύστημα ψύξης είχε χρησιμοποιήσει  ένα μίγμα από δύο ισότοπα του ηλίου (ήλιο-3 και ήλιο-4) για να επιτευχθεί εκείνη η βαθειά ψύξη.

Όμως τώρα το ήλιο-3 πάνω στο Planck έχει στερέψει και οι μηχανικοί έχουν ενημερώσει την επιστημονική ομάδα του Planck ότι δεν θα λειτουργεί αυτές τις ημέρες ένα ευαίσθητο όργανο, το HFI (High Frequency Instrument μια σειρά από ανιχνευτές με χρήση μικροκυμάτων). Χωρίς αυτό, δεν μπορούμε να δούμε τη CMB σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων της.

Θα εξακολουθούν όμως να λειτουργεί το LFI (Low Frequency Instrument δηλαδή μια σειρά από ραδιοφωνικούς δέκτες) σε ελαφρώς υψηλότερες θερμοκρασίες (-269.15C), γι αυτό και θα συνεχίσει τη συλλογή των δεδομένων για άλλους έξι έως εννέα μήνες. Αυτές οι πληροφορίες θα χρησιμοποιηθούν για να βελτιωθούν κι άλλο οι χάρτες της CMB, ο πρώτος των οποίων θα πρέπει να δημοσιοποιηθεί τον Ιανουάριο του 2013.

Η αποστολή έχει υπερβεί κατά πολύ τις ελάχιστες αρχικές απαιτήσεις. Στην αρχή θεωρούσαν ότι ο ουρανός θα σαρωθεί μόνο δύο φορές για την κατασκευή του χάρτη της CMB. Χάρη όμως στις αδιάκοπες προσπάθειες από τον Αύγουστο του 2009, ο Planck έχει κάνει πέντε σαρώσεις όλου του ουρανού.

Τι περιμένουμε από την ανάλυση των δεδομένων του Planck

Η επιστημονική κοινότητα των φυσικών αναμένει με ανυπομονησία την ανάλυση της CMB από τον Planck. Κι επειδή οι πρωτοπόροι στη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας μικροκυμάτων έχουν κερδίσει βραβεία Νόμπελ, υπάρχει μεγάλη αισιοδοξία ότι η υπερ-ευαισθησία του Planck θα προχωρήσει αυτό τον τομέα σημαντικά.

Πολλοί μάλιστα ελπίζουν ότι ο δορυφόρος Planck θα μπορούσε να βρει σαφείς αποδείξεις για τον «πληθωρισμό», μια φάση στις απαρχές του Σύμπαντος όπου αυτό επεκτάθηκε πιο γρήγορα και από την ταχύτητα που ταξιδεύει το φως.

Η θεωρία προβλέπει ότι αυτό το γεγονός θα έπρεπε να αφήσει το αποτύπωμά του στην πόλωση του αρχαίου φωτός. Η παρατήρηση όμως της υπογραφής του πληθωρισμού στην πόλωση είναι ένα επίπονο έργο και καμία οριστική απόδειξη δεν είναι πιθανό να προέλθει από την ομάδα του Planck πριν από το 2014.

Οι πληροφορίες που συγκέντρωσε το παρατηρητήριο Planck έγκειται στα μοτίβα που σχηματίζονται από αυτές τις ελαφρώς θερμότερες και ψυχρότερες περιοχές, που ονομάζονται "ανισοτροπίες’ ή ‘ανομοιογένειες’ (δείτε την παραπάνω εικόνα). Κατά συνέπεια, οι ανιχνευτές του Planck επειδή είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι έπρεπε να εργάζονται σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν, διαφορετικά η δική τους εκπομπή θερμότητας θα αλλοίωνε τις μετρήσεις.

Τα ερωτήματα στα οποία αναζητούμε απαντήσεις μέσω του Planck περιλαμβάνουν:

• Τις ακριβείς τιμές πολλών κοσμολογικών θεμελιωδών παραμέτρων, όπως η σταθερά του Hubble, η πυκνότητα ύλης στο σύμπαν κλπ
• Την σαφή απάντηση στο αν το Σύμπαν έχει περάσει στις απαρχές της ιστορίας του μια πληθωριστική φάση
• Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ύλης που μπορεί να αντιστοιχεί σε πάνω από το 90% του συνολικού ποσού της ύλης στο Σύμπαν, αλλά δεν είχε ποτέ ανιχνευθεί άμεσα;
• Το Σύμπαν θα συνεχίσει την διαστολή του για πάντα, ή θα καταρρεύσει σε μια ‘Μεγάλη Σύνθλιψη’;
• Ποιά είναι η ηλικία του Σύμπαντος;
• Ποια είναι η φύση της σκοτεινής ενέργειας, μιας υποθετικής μορφής ενέργειας που μπορεί να ευθύνεται για την διαστολή του σύμπαντος με επιταχυνόμενο ρυθμό;

Ο Planck ξεκίνησε το ταξίδι του μαζί με το διαστημικό τηλεσκόπιο Herscel στις 14 Μαΐου 2009. Και τα δύο απεστάλησαν στο δεύτερο σημείο Lagrange στο σύστημα του Ήλιου-Γης  (L2). Το διαστημόπλοιο κινείται σε μια τροχιά Lissajous γύρω από το σημείο L2 με μέσο πλάτος περίπου 400.000 km. Η δε θέση του L2 είναι 1.500.000 χιλιόμετρα από τη Γη.

Το δεύτερο τηλεσκόπιο Herschel εξέτασε το σύμπαν στα υπέρυθρα μήκη κύματος με σκοπό να μελετήσει το ψυχρό αέριο και τα νέφη της σκόνης που είναι τα φυτώρια για νέα άστρα και γαλαξίες. Κι αυτού τα όργανα πρέπει ομοίως να λειτουργούν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά η μεγαλύτερη ποσότητα υγρού ήλιου που διαθέτει αντέχει για περίπου ένα ακόμα έτος.

 physics4u

 

http://logioshermes.blogspot.com/2012/01/planck.html