Σμήνη και Υπερσμήνη Γαλαξιών
2013-01-15 23:56
των Διονύση Σιμόπουλου-Αλέξη Δεληβοριά, Ευγενίδειο Πλανητάριο
Η κατανόηση του Σύμπαντος από τον άνθρωπο είναι μια διαδικασία που, αν και ξεκίνησε πριν από περίπου 2.500 χρόνια από τους προσωκρατικούς φιλοσόφους, ακόμη βρίσκεται σε αρχικό στάδιο. Γιατί, παρόλο που η επιστημονική διερεύνηση των φυσικών φαινομένων έχει όντως διευρύνει εντυπωσιακά τις γνώσεις μας για τον κόσμο και τα φυσικά φαινόμενα, και παρόλο που η εξέλιξη των ιδεών στις φυσικές επιστήμες –ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια του προηγούμενου αιώνα– υπήρξε ραγδαία, η πραγματική φύση του συντριπτικού ποσοστού της συνολικής μάζας και ενέργειας που εμπεριέχει, εξακολουθεί να μας διαφεύγει. Ας μην ξεχνάμε, άλλωστε, ότι μόλις πριν από 90 χρόνια ο Αμερικανός αστρονόμος Edwin Hubble (1889-1953) απέδειξε ότι υπάρχουν και άλλες αστρικές πολιτείες σαν τον δικό μας Γαλαξία. Σήμερα, βέβαια, γνωρίζουμε ότι το Σύμπαν περιέχει τουλάχιστον 100 δισεκατομμύρια γαλαξίες, απ’ τους οποίους άλλοι είναι μικροί και ακανόνιστοι και άλλοι έχουν σπειροειδή μορφή, όπως ο Γαλαξίας μας, ενώ κάποιοι άλλοι φαίνονται ακόμη πιο πυκνά «πακεταρισμένοι» σε μια σφαιροειδή ή ελλειπτική δομή.
Σύμφωνα με την ταξινόμηση των γαλαξιών, στην οποία κατέληξε ο ίδιος ο Hubble, αλλά και όπως αυτή εξελίχθηκε με την αστρονομική έρευνα που ακολούθησε, γνωρίζουμε ότι οι γαλαξίες, ανάλογα με τον μορφολογικό τους τύπο, διακρίνονται στις εξής 4 βασικές κατηγορίες: στους σπειροειδείς, στους ραβδωτούς σπειροειδείς, στους ελλειπτικούς και στους ανώμαλους ή ακανόνιστους. Όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, οι σπειροειδείς γαλαξίες ξεχωρίζουν χάρη στις συμμετρικές σπείρες που ξεπροβάλλουν από τον φωτεινό τους πυρήνα, ενώ στους ραβδωτούς σπειροειδείς, οι σπείρες ξεκινούν απ’ τα άκρα μιας κεντρικής «ράβδου» άστρων, αερίων και σκόνης. Οι ελλειπτικοί γαλαξίες, από την άλλη, είναι κατά κανόνα οι μεγαλύτεροι γαλαξίες του Σύμπαντος, σε αντίθεση με τους ανώμαλους, οι οποίοι δεν παρουσιάζουν εμφανή συμμετρία. Εκτός, όμως, από το σχήμα τους, η βασική διαφορά μεταξύ των σπειροειδών και των ελλειπτικών γαλαξιών είναι ότι οι δεύτεροι, αν και τις περισσότερες φορές αποτελούνται από πολύ μεγαλύτερες ποσότητες ύλης σε σχέση με τους πρώτους, δεν εμπεριέχουν σχεδόν καθόλου αέρια και σκόνη, απ’ τα οποία γεννιούνται νέα άστρα. Γι’ αυτό και οι ελλειπτικοί γαλαξίες απαρτίζονται κατά κύριο λόγο από άστρα μεγάλης ηλικίας, αλλά μικρής σχετικά μάζας, ενώ τα φαινόμενα αστρογένεσης παρατηρούνται κυρίως στους ανώμαλους και στους σπειροειδείς γαλαξίες.
Ο πλησιέστερος σε μας γιγάντιος σπειροειδής γαλαξίας είναι ο γαλαξίας της Ανδρομέδας, περίπου 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, προς την κατεύθυνση του ομώνυμου αστερισμού. Παρόλες τις εγγενείς αβεβαιότητες που υπεισέρχονται στον υπολογισμό των γαλαξιακών αποστάσεων, ο γαλαξίας της Ανδρομέδας υπολογίζεται ότι περιλαμβάνει τουλάχιστον 1 τρισεκατομμύριο άστρα, όταν ο αριθμός των άστρων του Γαλαξία μας δεν υπερβαίνει τα 400 δισεκατομμύρια. Από την άλλη, όμως, θεωρείται ότι οι μάζες των δύο γαλαξιών είναι συγκρίσιμες, και αυτό χάρη στη μεγαλύτερη ποσότητα σκοτεινής ύλης που εικάζεται ότι εμπεριέχει ο Γαλαξίας μας. Σύμφωνα, μάλιστα, με τους περισσότερους αστρονόμους, οι δύο γαλαξίες αναμένεται να συγκρουστούν σε περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια και εν τέλει να συγχωνευθούν, σχηματίζοντας έναν πραγματικά γιγάντιο ελλειπτικό γαλαξία. Τέτοιου είδους γαλαξιακές συγκρούσεις είναι ιδιαίτερα συχνές στην εξελικτική πορεία του Σύμπαντος. Πώς, όμως, συμβαδίζουν αυτές με τη μεγάλης κλίμακας διαστολή του και την ανακάλυψη από τον Hubble ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με ταχύτητες ανάλογες της μεταξύ τους απόστασης; Η απάντηση είναι ότι στην αέναη διελκυστίνδα μεταξύ της βαρυτικής έλξης –που τείνει να φέρει τον έναν γαλαξία κοντά στον άλλον– και της διαστολής του Σύμπαντος –που τείνει να τους απομακρύνει–, εάν κάποιοι γαλαξίες σχηματίστηκαν σε σχετικά μικρές αποστάσεις ο ένας από τον άλλο, αυτή που σχεδόν πάντα υπερισχύει είναι η πρώτη. Το γεγονός ότι σε σχετικά μικρές αποστάσεις, η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο ή περισσότερων γαλαξιών μπορεί τοπικά να υπερισχύει της κοσμικής διαστολής είναι και ο βασικός λόγος που οι περισσότεροι γαλαξίες πολύ σπάνια εμφανίζονται απομονωμένοι μέσα στην απεραντοσύνη του Σύμπαντος. Αντίθετα, οι γαλαξίες οργανώνονται κάτω απ’ την αμοιβαία τους βαρύτητα σε ομάδες και σμήνη, τα οποία περιλαμβάνουν από μερικές δεκάδες μέχρι και μερικές χιλιάδες γαλαξίες, ενώ τα γαλαξιακά σμήνη, με τη σειρά τους συγκροτούν τα γαλαξιακά υπερσμήνη. Γνωρίζουμε, για παράδειγμα, ότι ο Γαλαξίας μας δεν «περιπλανιέται» μόνος του στο Σύμπαν, αλλά αντιθέτως συνοδεύεται σ’ αυτό το κοσμικό του ταξίδι από τουλάχιστον 13 γαλαξίες-δορυφόρους, όπως το Μεγάλο και το Μικρό Νέφος του Μαγγελάνου, που δεν περιλαμβάνουν περισσότερα από μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια άστρα ο καθένας. Γνωρίζουμε επίσης ότι και ο γαλαξίας της Ανδρομέδας έχει τους δικούς του γαλαξίες-συνοδούς, οι οποίοι υπερβαίνουν τους 14. Έτσι, ο Γαλαξίας μας, ο γαλαξίας της Ανδρομέδας (Μ 31 ή NGC 224) και ο γαλαξίας του Τριγώνου (Μ 33 ή NGC 598) είναι οι τρεις μεγαλύτεροι γαλαξίες μίας μικρής ομάδας 50 περίπου γαλαξιών, οι οποίοι κάτω από την αμοιβαία τους βαρύτητα συγκροτούν την επονομαζόμενη Τοπική Ομάδα, που περιέχει αντιπροσωπευτικά δείγματα όλων των γαλαξιακών τύπων: σπειροειδείς, ραβδωτούς σπειροειδείς, ελλειπτικούς και ακανόνιστους γαλαξίες.
Όσο εισχωρούμε όμως όλο και πιο πολύ στα άδυτα του Σύμπαντος, το σκοτάδι παραμερίζεται από το αμυδρό φως τόσων γαλαξιών όσα είναι και τ' άστρα του Γαλαξία μας. Έχουμε φτάσει δηλαδή στην περιοχή που κυριαρχείται από τον κόσμο των γαλαξιακών σμηνών, το πλησιέστερο από τα οποία είναι το Σμήνος της Παρθένου, 54 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, προς την κατεύθυνση του ομώνυμου αστερισμού. Στο κέντρο περίπου του σμήνους αυτού βρίσκεται ένας από τους μεγαλύτερους γαλαξίες που έχουμε εντοπίσει στο «τοπικό» μας Σύμπαν: ο γιγάντιος ελλειπτικός γαλαξίας Παρθένος Άλφα ή M 87. Στεφανωμένος με περισσότερα από 10.000 σφαιρωτά αστρικά σμήνη, με συνολικό αριθμό άστρων, που ανέρχεται σε αρκετά τρισεκατομμύρια και με μία κολοσσιαία μαύρη τρύπα στον πυρήνα του, 6 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη απ’ τη μάζα του Ήλιου, ο γιγάντιος αυτός γαλαξίας υπολογίζεται ότι έχει συνολική μάζα, η οποία μπορεί να είναι ακόμη και δεκάδες φορές μεγαλύτερη απ’ αυτήν του Γαλαξία μας. Ο γαλαξίας Μ 87 είναι μια από τις ισχυρότερες πηγές ραδιοακτινοβολιών, ακτίνων Χ και φωτεινής ενέργειας, ενώ ένας πίδακας πλάσματος ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων εκτινάσσεται με τεράστιες ταχύτητες από τον πυρήνα του, σε απόσταση που αγγίζει τα 5.000 έτη φωτός.
Σύμφωνα με τις έως τώρα μελέτες, το Σμήνος της Παρθένου αποτελείται από τουλάχιστον 2.000 γαλαξίες και βρίσκεται στον πυρήνα μιας πολύ μεγαλύτερης γαλαξιακής συγκέντρωσης, γνωστής ως το Υπερσμήνος της Παρθένου ή το Τοπικό Υπερσμήνος, στις παρυφές του οποίου βρίσκεται η Τοπική Ομάδα και κατά συνέπεια ο Γαλαξίας μας. Το υπερσμήνος της Παρθένου περιλαμβάνει τουλάχιστον 100 γαλαξιακές ομάδες και σμήνη (συνολικά περισσότερους από 47.000 γαλαξίες), συγκεντρωμένα σε μία περιοχή με διάμετρο που φτάνει τα 110 εκατομμύρια έτη φωτός. Έρευνες, μάλιστα, των επιστημόνων καταδεικνύουν ότι πολλά γαλαξιακά σμήνη, συμπεριλαμβανομένου και του δικού μας, παρασύρονται σαν ένα τεράστιο γαλαξιακό ποτάμι προς την κατεύθυνση των Αστερισμών της Ύδρας και του Κενταύρου, κάτω από την αδυσώπητη βαρυτική έλξη μιας κολοσσιαίας συσσώρευσης μάζας σε απόσταση κάπου 250 εκατομμυρίων ετών φωτός, με το επιβλητικό όνομα ο Μέγας Ελκυστής (Great Attractor). Αστρονομικές παρατηρήσεις αποδεικνύουν ότι η ορατή ύλη, που αντιστοιχεί στον Μέγα Ελκυστή, δεν είναι αρκετή προκειμένου να δικαιολογήσει τη μαζική αυτή γαλαξιακή «μετανάστευση», γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη τεραστίων ποσοτήτων σκοτεινής ύλης. Όλες αυτές οι χιλιάδες των γαλαξιών φαίνονται λοιπόν να μετακινούνται προς την ίδια κατεύθυνση, με ταχύτητα που φτάνει τα 600 km/s, επηρεασμένοι από τις βαρυτικές δυνάμεις αυτού του γαλαξιακού υπερσμήνους, η μελέτη του οποίου δυσχεραίνεται σημαντικά από το γεγονός ότι «κρύβεται» πίσω από τη σκόνη που ενυπάρχει στον δίσκο του Γαλαξία μας. Σύμφωνα με τις σχετικές έρευνες, στο κέντρο της περιοχής αυτής βρίσκεται το γαλαξιακό σμήνος Abell 3627, που αποτελείται από τουλάχιστον 600 γαλαξίες.
Εκτός από τα σμήνη και υπερσμήνη που περιγράψαμε ως τώρα, γνωρίζουμε ότι υπάρχουν εκατομμύρια άλλα, που κρύβουν μέσα τους γαλαξίες γεμάτους μυστήριο και υποσχέσεις νέων ανακαλύψεων. Το γαλαξιακό σμήνος του Ηρακλή, για παράδειγμα, περίπου 500 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά προς την κατεύθυνση του ομώνυμου αστερισμού, ένα σμήνος που δεν μοιάζει όμως με τα περισσότερα γειτονικά μας γαλαξιακά σμήνη. Πραγματικά, το σμήνος του Ηρακλή, εκτός από το γεγονός ότι το σχήμα του είναι ακανόνιστο και όχι σφαιρικό, περιέχει πολλούς σπειροειδείς γαλαξίες μικρής σχετικά ηλικίας, στο εσωτερικό των οποίων παρατηρείται μια «έξαρση» αστρογένεσης, ενώ δεν διαθέτει κανέναν γιγάντιο ελλειπτικό γαλαξία. Όπως, μάλιστα, αποδείχτηκε με τη βοήθεια των δεδομένων που συνέλεξε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου, πολλοί από τους γαλαξίες του σμήνους αυτού αλληλεπιδρούν βαρυτικά μεταξύ τους. Αυτό το διαγαλαξιακό «τανγκό» μεταξύ αλληλεπιδρώντων γαλαξιών οδηγεί αρχικά στη στρέβλωση της σπειροειδούς δομής τους και εν τέλει στη συγχώνευσή τους, με το τέλος της οποίας σχηματίζονται μεγαλύτεροι ελλειπτικοί γαλαξίες. Οι αστρονόμοι, λαμβάνοντας υπόψη την παντελή απουσία ελλειπτικών γαλαξιών, τον μεγάλο αριθμό «ενεργών» σπειροειδών γαλαξιών, στο εσωτερικό των οποίων παρατηρείται έντονη αστρογένεση, και τον μεγάλο αριθμό των γαλαξιών που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, θεωρούν ότι το γαλαξιακό σμήνος του Ηρακλή έχει μικρή σχετικά ηλικία, σε αντίθεση με τα αρχαιότερα γαλαξιακά σμήνη, που έχουν εντοπιστεί σε παρόμοιες, μικρές για αστρονομικά δεδομένα, αποστάσεις. Το σμήνος αυτό, με τη σειρά του, ανήκει στο γιγάντιο υπερσμήνος του Ηρακλή. Με τη βοήθεια, άλλωστε, των μεγάλων μας τηλεσκοπίων, έχουμε ανακαλύψει και πολλά άλλα υπερσμήνη, τα οποία συγκροτούν ορισμένες από τις μεγαλύτερες δομές που υπάρχουν στο Σύμπαν, όπως τα υπερσμήνη Shapley, της Μεγάλης Άρκτου, του Περσέα-Ιχθύων, της Κόμης κ.ά..
Μία από τις μεγαλύτερες, όμως, γνωστές δομές που έχουν εντοπιστεί ως τώρα στο Σύμπαν είναι το Μεγάλο Τείχος, μία σχετικά λεπτή νηματοειδής κατανομή γαλαξιών, γαλαξιακών σμηνών και υπερσμηνών, περίπου 300 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη, με μήκος και πλάτος που υπερβαίνει τα 500 και 300 εκατομμύρια έτη φωτός αντίστοιχα, αλλά με πάχος που μόλις φτάνει τα 16 εκατομμύρια έτη φωτός. Το Μεγάλο Τείχος ανακαλύφθηκε το 1989 από τους Margaret Geller (1947-) και John Huchra (1948-2010) και γνωρίζουμε σήμερα ότι περιέχει μεταξύ άλλων και τα υπερσμήνη του Ηρακλή, της Κόμης και του Λέοντα. Μπορεί, μάλιστα, να είναι και ακόμα μεγαλύτερο από τις διαστάσεις που προαναφέραμε, γιατί η σκόνη και τα αέρια του Γαλαξία μας εμποδίζουν τις παρατηρήσεις μας, και έτσι οι αστρονόμοι δεν είναι απολύτως σίγουροι εάν το Μεγάλο Τείχος εκτείνεται περισσότερο από όσο μπορούν να παρατηρήσουν με τα αστρονομικά τους όργανα. Στις 20 Οκτωβρίου 2003, μάλιστα, αστρονόμοι του Πανεπιστημίου Princeton, ανακοίνωσαν την ανακάλυψη μίας ακόμη μεγαλύτερης δομής, γνωστής ως το Μεγάλο Τείχος Sloan. Το μήκος της, που φτάνει τα 1,38 δισεκατομμύρια έτη φωτός, την κατέταξε μέχρι τον Ιανουάριο του 2013 στη μεγαλύτερη κοσμική δομή που είχε ανακαλυφθεί στο Σύμπαν.
Σε αντίθεση, όμως, με αυτές τις τεράστιες συσσωρεύσεις ύλης που προαναφέραμε, οι αστρονόμοι άρχισαν να ανακαλύπτουν, ήδη από το 1978, και τεράστιες περιοχές του Διαστήματος, οι οποίες εμπεριείχαν ελάχιστους ή ακόμη και κανέναν γαλαξία. Έτσι, με την βοήθεια των επισκοπήσεων που πραγματοποιήθηκαν έως τώρα, καθώς και με αυτές που συνεχίζουν να διεξάγονται στην προσπάθεια των επιστημόνων να χαρτογραφήσουν τη δομή του Σύμπαντος, άρχισε σιγά-σιγά να συνειδητοποιείται ότι όσα περιγράψαμε πιο πάνω δεν είναι παρά μια μικρογραφία του Σύμπαντος. Μια μικρογραφία, η οποία επαναλαμβανόμενη σε όλο και μεγαλύτερα διαστήματα σχηματίζει δομές πολύ μεγάλης κλίμακας, οι οποίες αποκτούν πλέον εμφάνιση παρόμοια με αυτήν του αφρού. Ένα αχανές σύμπλεγμα, δηλαδή, από γιγαντιαίες «φυσαλίδες», που περιέχουν ελάχιστους ή και καθόλου γαλαξίες, στων οποίων την επιφάνεια είναι συγκεντρωμένοι οι νηματοειδείς σχηματισμοί των γαλαξιών, ενώ τα υπερσμήνη των γαλαξιών εμφανίζονται διάσπαρτα εδώ κι εκεί ως «κόμβοι» συσσωρευμένης μάζας. Απ’ όσα, δηλαδή, είπαμε ως τώρα, είναι εμφανές ότι οι δομές μικρής και μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν «χτίζονται» ιεραρχικά: τα άστρα σχηματίζουν γαλαξίες, οι γαλαξίες οργανώνονται σε ομάδες και σμήνη, που με τη σειρά τους συγκροτούν υπερσμήνη και νηματοειδείς δομές, οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από τεράστιες κενές «φυσαλίδες» Διαστήματος.
Εάν, όμως, αντί να εστιάζουμε σε μικρές σχετικά περιοχές του Σύμπαντος, μπορούσαμε να δούμε το παρατηρήσιμο Σύμπαν στο «σύνολό» του, αυτή η επαναλαμβανόμενη και «άνιση» κατανομή της ύλης σε δομές όλο και μεγαλύτερης κλίμακας θα «χανόταν» μέσα στην απεραντοσύνη του και το Σύμπαν θα έμοιαζε παντού και προς κάθε κατεύθυνση το ίδιο, δηλαδή ομοιογενές και ισότροπο. Με άλλα λόγια, ενώ σε μικρές κλίμακες η έλλειψη ομοιογένειας και ισοτροπίας στην κατανομή της ύλης είναι εμφανής, το Κοσμολογικό Αξίωμα, δηλαδή η θεμελιώδης παραδοχή ότι στις μέγιστες κλίμακες το Σύμπαν είναι ομοιογενές και ισότροπο, φαίνεται να επιβεβαιώνεται... με μία επιφύλαξη!
Γιατί, μόλις τον Ιανουάριο του 2013, μία διεθνής ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου Central Lancashire της Αγγλίας, ανακάλυψε μία δομή τόσο αχανή σε έκταση, που μοιάζει να θέτει εν αμφιβόλω το ίδιο το Κοσμολογικό Αξίωμα. Η δομή αυτή, η μεγαλύτερη που έχει ανακαλυφθεί έως τώρα, συγκροτείται από μια ομάδα 73 κβάζαρ και υπολογίζεται ότι έχει μήκος που φτάνει τα 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Τα κβάζαρ είναι οι ενεργοί πυρήνες απομακρυσμένων γαλαξιών, οι οποίοι εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ακτινοβολίας, καθώς μεγάλες ποσότητες από την ύλη που περιβάλλει τον πυρήνα τους, στροβιλίζονται γύρω από τις τεράστιες μαύρες τρύπες που υπάρχουν στο κέντρο του, προτού χαθούν για πάντα στο εσωτερικό τους. Σύμφωνα, όμως, με το Κοσμολογικό Αξίωμα και τη σύγχρονη κοσμολογική θεωρία, οι μεγαλύτερες δομές που θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε στο Σύμπαν, προτού κυριαρχήσει η ομοιογένεια και η ομοιομορφία του, δεν θα έπρεπε να υπερβαίνουν τα 1,2–1,3 δισεκατομμύρια έτη.
Διαπιστώνουμε, δηλαδή, ακόμη και τώρα, ότι οι γνώσεις μας για όλους αυτούς τους γαλαξίες, για όλες αυτές τις δομές, για όλα όσα εμπεριέχει το Σύμπαν, αντιστοιχούν στο απειροελάχιστο μόνο τμήμα της πραγματικότητας. Ο Νεύτωνας είχε, σίγουρα, περιγράψει ακριβέστερα το μέγεθος της άγνοιάς μας αυτής, όταν έλεγε: «... στα δικά μου μάτια φαίνομαι απλά σαν ένα αγόρι που παίζει στην ακροθαλασσιά: πού και πού διασκεδάζω, ανακαλύπτοντας ένα πιο λείο βότσαλο ή ένα κοχύλι πιο όμορφο από τα συνηθισμένα, ενώ ο μεγάλος ωκεανός της αλήθειας απλώνεται ανεξερεύνητος εμπρός μου». Παρ’ όλο λοιπόν που γνωρίζουμε ήδη αρκετά για τον κοσμικό χωρόχρονο στον οποίο ζούμε, μόλις πρόσφατα αρχίσαμε να κατανοούμε πόσα ακόμη έχουμε να μάθουμε. Στα ερχόμενα χρόνια, με τη βοήθεια των νέων επίγειων και διαστημικών μας τηλεσκοπίων, θα καταφέρουμε να «δούμε» ακόμη πιο πίσω στον χρόνο, συλλέγοντας το αρχέγονο φως από τα βάθη του Σύμπαντος, συνεχίζοντας έτσι την υπερδισχιλιετή προσπάθεια του ανθρώπινου γένους να αποκρυπτογραφήσει τα μυστικά του.