Δεν μπορούμε να μελετήσουμε ένα αστέρι στο εργαστήριο…σωστά;

Όταν ήμουν μικρό παιδί και ερχόμουν για πρώτη φορά σε επαφή με την αστρονομία και την αστροφυσική αυτή ήταν μια πρόταση που συναντούσα συχνά στα βιβλία: “Δεν μπορούμε να μελετήσουμε ένα αστέρι στο εργαστήριο”.

Φυσικά, οι συγγραφείς αυτών των βιβλίων ήθελαν να εξηγήσουν στους αναγνώστες ότι το μοναδικό εργαλείο που είχαμε πάντα στη διάθεσή μας για να κατανοήσουμε τις τεράστιες, θερμές μάζες πλάσματος που φωτίζουν τον ουρανό μας ήταν η μελέτη της πληροφορίας που μεταφέρει το φως τους: η έντασή του, η συχνότητά του, η πόλωσή του, η χρονική μεταβολή του…

Τις τελευταίες δεκαετίες, όμως, έχουμε δει σημαντική πρόοδο στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για να ερευνηθεί ένα φυσικό σύστημα, όπως είναι η αριθμητική προσομοίωση με υπολογιστές και η παρατήρηση βαρυτικών κυμάτων και κοσμικών νετρίνων. Αλλά και πάλι, αυτή η ανάλυση των αστροφυσικών συστημάτων βασίζεται στις ίδιες τις απόμακρες πηγές, σε σπάνια γεγονότα ή σε υπολογιστές, των οποίων οι προσομοιώσεις είναι εξαιρετικά χρονοβόρες και κοστοβόρες. 

Και κάπου εδώ έρχεται η εργαστηριακή αστροφυσική (laboratory astrophysics). Χρησιμοποιώντας τις κατάλληλες εργαστηριακές διατάξεις μπορούμε πλέον να προσομοιώσουμε αστροφυσικά φαινόμενα μέσα στο εργαστήριο! 

Ο τομέας της εργαστηριακής αστροφυσικής μελετά ριζικά διαφορετικά περιβάλλοντα από αυτά που συναντάμε στη Γη: ψυχρά μοριακά νέφη που γεννάνε άστρα, πίδακες πρωτοαστέρων, αστέρες νετρονίων και πολλά άλλα. Για κάθε σύστημα η εργαστηριακή διάταξη είναι εξειδικευμένη, με τις πιο ενδιαφέρουσες εξ αυτών να κάνουν χρήση των πιο ισχυρών λέιζερ του κόσμου! Εργαστήρια όπως το LULI, που βρίσκεται στην École Polytechnique στη Γαλλία, και το SPring-8 στην Ιαπωνία, διαθέτουν λέιζερ που εκπέμπουν παλμούς διάρκειας μόλις μερικών νανοδευτερολέπτων ικανούς να θερμάνουν υλικά διαστάσεων μικρότερων από μερικά χιλιοστά σε θερμοκρασία εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Έτσι, είναι δυνατόν να προσομοιώσουν μερικά από τα πιο βίαια φαινόμενα στο Σύμπαν, ενώ παράλληλα είναι ίσως τα μοναδικά εργαστήρια αστροφυσικής στον κόσμο με τη δυνατότητα χρήσης μαγνητικών πεδίων με ένταση μέχρι και 30 Tesla (!!) στις πειραματικές διατάξεις τους. 

Πώς είναι δυνατόν, όμως, να προσομοιώσουμε στη Γη τα βίαια φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο Σύμπαν, που πολλές φορές έχουν διαστάσεις ετών φωτός μέσα σε διατάξεις διαμέτρου μερικών μέτρων; Η απάντηση βρίσκεται στο λεγόμενο “plasma scaling” ή “κλιμάκωση πλάσματος”. Αυτή η ιδιότητα του πλάσματος μας λέει πως παρά τις όποιες τεράστιες διαφορές στην κλίμακα μεταξύ δύο συστημάτων, η συμπεριφορά του πλάσματος παραμένει ίδια ή όμοια. Το γεγονός αυτό κάθε άλλο παρά μόνο θεωρητικό είναι: το plasma scaling έχει δει πολυάριθμες εφαρμογές, από την αεροναυτική μέχρι και την πυρηνική σύντηξη.

Τι πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί, λοιπόν, σε αυτές τις εγκαταστάσεις; Ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον πείραμα από αυτά, μελετά την εξέλιξη του ωστικού κύματος ενός υπερκαινοφανούς με και χωρίς την παρουσία ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Η εργασία αυτή επιβεβαίωσε τις θεωρητικές προβλέψεις για τη μορφή του νεφελώματος που προκύπτει υπό αυτές τις συνθήκες και τις συνδέει με παρατηρησιακά δεδομένα. Το αποτέλεσμα αυτό επιτεύχθηκε από τη στόχευση του ισχυρότατου λέιζερ LULI2000 σε μια κυλινδρική καρφίτσα από γραφίτη μεγέθους 0,3 χιλιοστών μέσα σε θάλαμο γεμάτο άζωτο σε χαμηλή πίεση. Το ωστικό κύμα που δημιουργήθηκε από την εξάχνωση της καρφίτσας προσομοιώνει το ωστικό κύμα που δημιουργείται κατά την έκρηξη ενός υπερκαινοφανούς.

Η διεξαγωγή ενός άλλου πειράματος έδειξε πως ο σχηματισμός σταθερών και στενών πιδάκων κατά τα πρώτα στάδια της γέννησης ενός αστέρα μπορεί να εξηγηθεί με την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου συγκεκριμένης γεωμετρίας. Τα 20 νανοδευτερόλεπτα που διήρκησε το πείραμα αντιστοιχούν σε 6 χρόνια στο φυσικό περιβάλλον και προέκυψαν από την εκπομπή ενός παλμού διάρκειας 0,5 νανοδευτερολέπτων σε έναν πλαστικό στόχο. 

Αυτός ο τομέας της μελέτης αστροφυσικών φαινομένων είναι ακόμη νέος και εξελίσσεται ταχύτατα. Νέες εγκαταστάσεις που χτίζονται αυτή τη στιγμή στη Γαλλία θα μας επιτρέψουν σύντομα να μελετήσουμε ακόμη πιο εξωτικά και βίαια φαινόμενα, όπως είναι οι εκλάμψεις ακτίνων γάμμα. Έτσι, λοιπόν, η απάντησή μας στο ερώτημα είναι: “Ναι! Μπορούμε να μελετήσουμε ένα αστέρι στο εργαστήριο!”