Original Post

Πλήρες Κείμενο:

Πόσο κενό είναι το κενό του Διαστήματος;

---------------------------------------------------------------- Όταν κοιτάζουμε τον νυχτερινό ουρανό, το διάστημα ανάμεσα στα άστρα φαίνεται απολύτως κενό.

Η εικόνα αυτή είναι σε μεγάλο βαθμό σωστή, τουλάχιστον αν συγκρίνουμε το Διάστημα με την ατμόσφαιρα της Γης.

Δεν είναι όμως πλήρης.

Ανάμεσα στους πλανήτες, στα άστρα και στους γαλαξίες υπάρχουν άτομα, ιόντα, ηλεκτρόνια, κόκκοι σκόνης, φωτόνια, νετρίνα, κοσμικές ακτίνες και ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Ακόμη βαθύτερα, η κβαντική θεωρία περιγράφει το κενό ως τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση των φυσικών πεδίων και όχι ως την απόλυτη απουσία τους.

Επομένως, το ερώτημα «πόσο κενό είναι το Διάστημα;» δεν έχει έναν μοναδικό αριθμό ως απάντηση.

Η πυκνότητα διαφέρει δραματικά ανάμεσα στο διαπλανητικό, το διαστρικό και το διαγαλαξιακό περιβάλλον.

Το κενό κοντά στη Γη είναι πολύ διαφορετικό από το κενό ανάμεσα σε δύο γαλαξίες ή στο εσωτερικό ενός μεγάλου κοσμικού κενού.

Σε ένα κυβικό εκατοστό αέρα, κοντά στην επιφάνεια της Γης και σε συνηθισμένη θερμοκρασία, υπάρχουν περίπου 2,5 × 10¹⁹ μόρια.

Πρόκειται για περίπου 25 δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια μόρια μέσα σε έναν όγκο μικρότερο από ένα συνηθισμένο ζάρι.

Στο διαπλανητικό Διάστημα, κοντά στην τροχιά της Γης, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική.

Ο χώρος δεν είναι άδειος, αλλά διασχίζεται συνεχώς από τον ηλιακό άνεμο, ένα αραιό και ταχύτατο πλάσμα που εκτοξεύεται από τον Ήλιο.

Σε απόσταση μίας αστρονομικής μονάδας από τον Ήλιο, δηλαδή περίπου στην απόσταση της Γης, η συνηθισμένη πυκνότητα του ηλιακού ανέμου είναι περίπου πέντε ιόντα ανά κυβικό εκατοστό.

Τα περισσότερα είναι πρωτόνια, συνοδευόμενα από ηλεκτρόνια, πυρήνες ηλίου και μικρότερες ποσότητες βαρύτερων ιόντων.

Η τυπική ταχύτητα του ηλιακού ανέμου είναι περίπου 400 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο, ενώ κατά τις στεμματικές εκτινάξεις μάζας η πυκνότητα και η ταχύτητά του μπορούν να αυξηθούν σημαντικά.

Η σύγκριση είναι εντυπωσιακή.

Στο ίδιο κυβικό εκατοστό όπου ο αέρας περιέχει περίπου 25.000.000.000.000.000.000 μόρια, ο ηλιακός άνεμος κοντά στη Γη περιέχει κατά μέσο όρο μόλις περίπου πέντε θετικά ιόντα, μαζί με τα αντίστοιχα ηλεκτρόνια.

Ως προς τον αριθμό των βαρέων σωματιδίων, το διαπλανητικό περιβάλλον είναι περίπου πέντε δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια φορές αραιότερο από τον αέρα που αναπνέουμε.

Παρά την εξαιρετικά μικρή πυκνότητά του, ο ηλιακός άνεμος έχει πραγματικές φυσικές συνέπειες.

Αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο της Γης, προκαλεί πολικά σέλαα, διαμορφώνει τη μαγνητόσφαιρα και μπορεί να επηρεάσει δορυφόρους, ηλεκτρικά δίκτυα και τηλεπικοινωνίες.

Η μικρή πυκνότητα αντισταθμίζεται εν μέρει από τη μεγάλη ταχύτητα των σωματιδίων.

Πέρα από την περιοχή κυριαρχίας του Ήλιου βρίσκεται το διαστρικό μέσο, το υλικό που καταλαμβάνει τον χώρο ανάμεσα στα άστρα του Γαλαξία.

Αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο, με πολύ μικρότερες ποσότητες βαρύτερων στοιχείων και κοσμικής σκόνης.

Μια συνηθισμένη τιμή για τη μέση πυκνότητα του διαστρικού αερίου είναι περίπου ένα άτομο ανά κυβικό εκατοστό.

Αυτό αντιστοιχεί σε περίπου ένα εκατομμύριο άτομα ανά κυβικό μέτρο.

Ακόμη και αυτή η πυκνότητα είναι περίπου 10¹⁹ φορές μικρότερη από την πυκνότητα των μορίων του αέρα.

Το διαστρικό μέσο, ωστόσο, δεν είναι ομοιόμορφο.

Υπάρχουν ψυχρά μοριακά νέφη με πολύ μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ύλης, μέσα στα οποία σχηματίζονται άστρα.

Υπάρχουν επίσης θερμές, ιονισμένες περιοχές με πυκνότητες πολύ μικρότερες από ένα σωματίδιο ανά κυβικό εκατοστό.

Ένας χώρος μπορεί επομένως να είναι σχεδόν τέλειο κενό με γήινα κριτήρια και ταυτόχρονα να θεωρείται σχετικά πυκνό νέφος με αστρονομικά κριτήρια.

Οι μετρήσεις του διαστημοπλοίου New Horizons έδειξαν ότι στην άμεση διαστρική γειτονιά του Ηλιακού Συστήματος η πυκνότητα του ουδέτερου υδρογόνου κοντά στο όριο της ηλιόσφαιρας είναι περίπου 0,127 άτομα ανά κυβικό εκατοστό.

Πρόκειται για περίπου 127.000 άτομα ουδέτερου υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο.

Ο αριθμός μοιάζει μεγάλος, αλλά σε έναν κυβικό μέτρο αέρα υπάρχουν περίπου 2,5 × 10²⁵ μόρια.

Το γεγονός ότι το διαστρικό μέσο είναι τόσο αραιό δεν σημαίνει ότι είναι ασήμαντο.

Οι αποστάσεις ανάμεσα στα άστρα είναι τεράστιες.

Ακόμη και ελάχιστη ποσότητα ύλης ανά κυβικό εκατοστό, όταν αθροιστεί σε όγκους διαμέτρου δεκάδων ή εκατοντάδων ετών φωτός, σχηματίζει τεράστια νέφη με μάζες ίσες με χιλιάδες ή και εκατομμύρια Ήλιους.

Το ακόμη βαθύτερο κενό ανάμεσα στους γαλαξίες

-------------------------------------------------------- Το διαγαλαξιακό Διάστημα είναι γενικά αραιότερο από το εσωτερικό των γαλαξιών.

Η συνηθισμένη ύλη δεν είναι κατανεμημένη ομοιόμορφα στο Σύμπαν.

Συγκεντρώνεται σε γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών, αέρια νέφη και τεράστια νήματα που σχηματίζουν τον κοσμικό ιστό.

Ανάμεσα στα νήματα βρίσκονται μεγάλες περιοχές πολύ χαμηλής πυκνότητας, τα κοσμικά κενά.

Από τις κοσμολογικές παραμέτρους που μετρήθηκαν από την αποστολή Planck προκύπτει ότι η μέση πυκνότητα της συνηθισμένης βαρυονικής ύλης στο σημερινό Σύμπαν αντιστοιχεί περίπου σε 0,25 πρωτόνια ή νετρόνια ανά κυβικό μέτρο.

Με άλλα λόγια, αν η συνηθισμένη ύλη του Σύμπαντος απλωνόταν απολύτως ομοιόμορφα, θα αντιστοιχούσε κατά μέσο όρο σε ένα μόνο βαρυόνιο μέσα σε τέσσερα κυβικά μέτρα χώρου.

Η πραγματική κατανομή είναι πολύ πιο ανομοιόμορφη.

Στους γαλαξίες και στα κοσμικά νήματα η πυκνότητα είναι πολύ μεγαλύτερη από τον κοσμικό μέσο όρο.

Στα βαθύτερα κοσμικά κενά είναι μικρότερη.

Ένας κυβικός μέτρος μέσα σε μια εξαιρετικά αραιή διαγαλαξιακή περιοχή μπορεί να μην περιέχει ούτε ένα πρωτόνιο τη δεδομένη στιγμή.

Αυτό δεν σημαίνει ότι ο χώρος θα παραμείνει για πάντα χωρίς σωματίδια.

Φωτόνια, νετρίνα, κοσμικές ακτίνες και αραιά άτομα τον διασχίζουν συνεχώς.

Το παράδοξο των φωτονίων

------------------------------------------- Αν μετρήσουμε μόνο άτομα και ιόντα, ο διαγαλαξιακός χώρος φαίνεται σχεδόν απόλυτα κενός.

Αν όμως μετρήσουμε φωτόνια, η εικόνα αλλάζει.

Ολόκληρο το Σύμπαν διαπερνάται από την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, το ψυχρό κατάλοιπο της πρώιμης θερμής φάσης του.

Η θερμοκρασία της είναι περίπου 2,725 K και η αριθμητική πυκνότητά της είναι περίπου 411 φωτόνια ανά κυβικό εκατοστό, δηλαδή περισσότερο από 410 εκατομμύρια φωτόνια ανά κυβικό μέτρο.

Έτσι, ένας κυβικός μέτρος μέσα σε ένα κοσμικό κενό μπορεί να μην περιέχει ούτε ένα άτομο, αλλά την ίδια στιγμή διασχίζεται από εκατοντάδες εκατομμύρια φωτόνια της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου.

Τα φωτόνια αυτά έχουν πολύ μικρή ενέργεια και δεν διαθέτουν μάζα ηρεμίας, γι’ αυτό δεν κάνουν τον χώρο να μοιάζει με αέριο ή με συνηθισμένη ύλη.

Υπάρχει επίσης το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων, το οποίο σύμφωνα με το καθιερωμένο κοσμολογικό πρότυπο αποτελεί κατάλοιπο ακόμη παλαιότερης εποχής του Σύμπαντος.

Τα νετρίνα αλληλεπιδρούν τόσο ασθενώς με την ύλη, ώστε περνούν σχεδόν ανεμπόδιστα μέσα από πλανήτες, άστρα και ανθρώπινα σώματα.

Επομένως, η φράση «δεν υπάρχει τίποτε εκεί» εξαρτάται από το τι ακριβώς μετράμε.

Μπορεί να μην υπάρχει ούτε ένα άτομο μέσα σε έναν συγκεκριμένο μικρό όγκο, αλλά ο ίδιος όγκος περιέχει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και διασχίζεται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς.

Πώς μπορεί ένα σχεδόν κενό αέριο να είναι καυτό;

----------------------------------------------------------------- Στην αστροφυσική συναντάμε συχνά αέρια με θερμοκρασίες εκατομμυρίων βαθμών και ταυτόχρονα εξαιρετικά μικρές πυκνότητες.

Αυτό φαίνεται αντιφατικό μόνο αν συγχέουμε τη θερμοκρασία με τη συνολική ποσότητα θερμότητας.

Η θερμοκρασία συνδέεται με τη μέση κινητική ενέργεια κάθε σωματιδίου.

Αν υπάρχουν ελάχιστα σωματίδια, καθένα από αυτά μπορεί να κινείται πολύ γρήγορα και να αντιστοιχεί σε υψηλή θερμοκρασία, ενώ η συνολική ενέργεια ανά κυβικό μέτρο παραμένει μικρή.

Ένας άνθρωπος δεν θα αισθανόταν ένα τέτοιο αέριο όπως αισθάνεται τον καυτό αέρα, επειδή θα υπήρχαν ελάχιστα σωματίδια για να μεταφέρουν ενέργεια στο σώμα του.

Η κατάσταση αυτή είναι συνηθισμένη σε θερμά διαστρικά και διαγαλαξιακά πλάσματα.

Η λέξη «θερμό» περιγράφει την ενέργεια των μεμονωμένων σωματιδίων και όχι απαραίτητα μια μεγάλη θερμική ισχύ ή πυκνότητα ενέργειας.

Το κβαντικό κενό

----------------------------------- Ακόμη και αν μπορούσαμε να αφαιρέσουμε από μια περιοχή όλα τα άτομα, τα μόρια, τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια και τα υπόλοιπα πραγματικά σωματίδια, δεν θα είχαμε το απόλυτο φιλοσοφικό τίποτε.

Στην κβαντική θεωρία πεδίου, κάθε είδος σωματιδίου αντιστοιχεί σε ένα πεδίο που εκτείνεται σε ολόκληρο τον χώρο.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, το ηλεκτρονικό πεδίο, τα πεδία των κουάρκ και τα υπόλοιπα κβαντικά πεδία δεν παύουν να υπάρχουν όταν δεν υπάρχουν ανιχνεύσιμα σωματίδια.

Το κβαντικό κενό είναι η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας αυτών των πεδίων.

Η συνηθισμένη εικόνα σύμφωνα με την οποία «ζεύγη εικονικών σωματιδίων εμφανίζονται από το τίποτε και εξαφανίζονται αμέσως» είναι μια διαισθητική αλλά υπεραπλουστευμένη περιγραφή.

Τα εικονικά σωματίδια αποτελούν κυρίως μαθηματικά στοιχεία των διαταρακτικών υπολογισμών και δεν είναι μικροσκοπικά, άμεσα παρατηρήσιμα σώματα που κυκλοφορούν ανεξάρτητα μέσα στο κενό.

Το ουσιαστικό φυσικό γεγονός είναι ότι η κατάσταση κενού έχει κβαντικές συσχετίσεις και διακυμάνσεις.

Οι συνθήκες που επιβάλλουν υλικά σώματα ή μεταβαλλόμενα όρια μπορούν να επηρεάσουν τις επιτρεπόμενες καταστάσεις των πεδίων.

Το φαινόμενο Casimir αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας μετρήσιμης κβαντικής δύναμης ανάμεσα σε πολύ κοντινές επιφάνειες.

Η ερμηνεία του, ωστόσο, δεν απαιτεί να θεωρήσουμε ότι το κενό είναι γεμάτο από πραγματικά σωματίδια που γεννιούνται και πεθαίνουν αδιάκοπα.

Είναι το κενό πραγματικά άδειο;

--------------------------------------------- Το Διάστημα είναι ασύλληπτα άδειο σε σύγκριση με οποιοδήποτε συνηθισμένο περιβάλλον στη Γη. Σε ένα κυβικό εκατοστό αέρα υπάρχουν περίπου 2,5 × 10¹⁹ μόρια.

Στον ηλιακό άνεμο κοντά στη Γη υπάρχουν κατά μέσο όρο περίπου πέντε ιόντα.

Στη διαστρική γειτονιά του Ήλιου υπάρχουν περίπου 0,1 άτομα ουδέτερου υδρογόνου.

Στον μέσο κοσμικό χώρο η βαρυονική ύλη αντιστοιχεί περίπου σε 2,5 × 10⁻⁷ σωματίδια ανά κυβικό εκατοστό.

Και όμως, ακόμη και ο βαθύτερος διαγαλαξιακός χώρος δεν ταυτίζεται με το απόλυτο τίποτε.

Περιέχει ή διασχίζεται από ακτινοβολία, νετρίνα, κοσμικές ακτίνες και αραιή ύλη.

Βρίσκεται μέσα σε βαρυτικά και ηλεκτρομαγνητικά πεδία και, σε θεμελιώδες επίπεδο, αποτελεί κατάσταση των κβαντικών πεδίων.

Το κοσμικό κενό είναι επομένως σχεδόν άδειο από συνηθισμένη ύλη, αλλά φυσικά ενεργό.

Το εντυπωσιακό δεν είναι μόνο πόσο λίγα σωματίδια περιέχει.

Είναι ότι ακόμη και αυτά τα ελάχιστα σωματίδια, απλωμένα σε αστρονομικές αποστάσεις, μπορούν να σχηματίσουν άστρα, γαλαξίες και ολόκληρο τον κοσμικό ιστό.

Πηγές

---------------------- Aghanim, N. et al. (Planck Collaboration) (2020) ‘Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters’, Astronomy & Astrophysics, 641, A6. doi: 10.1051/0004-6361/201833910. Ahrens, C. (2021) ‘Lunar Surface, Interaction of the Solar Wind with Upper Regolith’, NASA Goddard Space Flight Center. Fixsen, D.J. (2009) ‘The temperature of the cosmic microwave background’, The Astrophysical Journal, 707(2), pp. 916–920. doi: 10.1088/0004-637X/707/2/916. Jaffe, R.L. (2005) ‘Casimir effect and the quantum vacuum’, Physical Review D, 72, 021301. doi: 10.1103/PhysRevD.72.021301. Klessen, R.S. and Glover, S.C.O. (2016) ‘Physical processes in the interstellar medium’, in Revaz, Y. et al. (eds.) Star Formation in Galaxy Evolution: Connecting Numerical Models to Reality. Berlin: Springer, pp. 85–249. doi: 10.1007/978-3-662-47890-5_2. Swaczyna, P. et al. (2020) ‘Density of neutral hydrogen in the Sun’s interstellar neighborhood’, The Astrophysical Journal, 903(1), 48. doi: 10.3847/1538-4357/abb80a.

Η επιλογή των posts/links γίνεται με ένα στατιστικό μοντέλο και μπορεί να μην απεικονίζει επακριβώς τη σειρά δημοτικότητάς τους