Όταν ο πάγος «χορεύει» στο πλάσμα: Η ανακάλυψη που αλλάζει την αστροφυσική

Σε ένα εργαστήριο του Caltech μια ομάδα ερευνητών κατάφερε κάτι που θυμίζει σκηνή από το Διάστημα: δημιούργησε κόκκους πάγου που αιωρούνται, χορεύουν και στροβιλίζονται μέσα σε πλάσμα, αψηφώντας φαινομενικά τη βαρύτητα. Η ανακάλυψη αυτή αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση των μυστηρίων της αστροφυσικής, από τους δακτυλίους του Κρόνου μέχρι τη γέννηση των πλανητών.

Όταν η επιστήμη μιμείται το Σύμπαν

Μέχρι σήμερα, όταν οι επιστήμονες προσπαθούσαν να μοντελοποιήσουν τη "σκονισμένη" ύλη του Διαστήματος, χρησιμοποιούσαν συχνά μικροσκοπικά πλαστικά σφαιρίδια. Η λογική ήταν απλή, αλλά όπως αποδείχθηκε, ελλιπής. Στο αληθινό Διάστημα, η ύλη δεν είναι τέλεια σφαιρική.

Ο καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής Paul Bellan και ο μεταπτυχιακός φοιτητής André Nicolov αποφάσισαν να προσομοιώσουν τις πραγματικές συνθήκες του Διαστήματος. Αντί για πλαστικό, χρησιμοποίησαν νερό. Στο πείραμά τους, έψυξαν ηλεκτρόδια σε κρυογονικές θερμοκρασίες μέσα σε θάλαμο κενού και εισήγαγαν υδρατμούς, δημιουργώντας ένα πλάσμα – την τέταρτη κατάσταση της ύλης που αποτελείται από ιονισμένο αέριο.

Το αποτέλεσμα ήταν απρόσμενο: οι υδρατμοί σχημάτισαν αυθόρμητα μικροσκοπικούς κόκκους πάγου. Το πιο εντυπωσιακό όμως δεν ήταν η δημιουργία τους, αλλά η μορφή τους. Δεν ήταν σφαιρικοί, αλλά "χνουδωτοί" (fluffy) και φρακταλικοί, με περίπλοκες διακλαδώσεις που θυμίζουν νιφάδες χιονιού σε μικρογραφία.

Ο "χορός" του πλάσματος

Αυτή η "χνουδωτή" δομή άλλαξε τα πάντα. Καθώς το πλάσμα περιέχει ελεύθερα ηλεκτρόνια και ιόντα, τα ηλεκτρόνια, όντας πιο ελαφριά και γρήγορα, προσκολλήθηκαν στους κόκκους πάγου, φορτίζοντάς τους αρνητικά.

Λόγω της παράξενης γεωμετρίας τους, οι κόκκοι πάγου άρχισαν να συμπεριφέρονται με τρόπους που οι απλές σφαίρες δεν θα μπορούσαν ποτέ. Αιωρούνταν μέσα στο θάλαμο, στροβιλίζονταν και κινούνταν πάνω-κάτω, δημιουργώντας δίνες και χαοτικά μοτίβα που αψηφούσαν την απλή πτώση λόγω βαρύτητας. Όπως εξήγησε η ερευνητική ομάδα, η υφή τους τούς επιτρέπει να αλληλεπιδρούν με το αέριο "σαν φτερό στον άνεμο", σε αντίθεση με μια συμπαγή πέτρα που απλώς θα έπεφτε.

Αλλάζοντας τα αστροφυσικά μοντέλα

Η σημασία του πειράματος εκτείνεται πολύ πέρα από τους τέσσερις τοίχους του εργαστηρίου στην Καλιφόρνια. Αυτή η συμπεριφορά προσφέρει μια νέα ματιά στο πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται τα ουράνια σώματα.

Στους δακτυλίους του Κρόνου ή στα μοριακά νέφη από τα οποία γεννιούνται νέα αστέρια, η σκόνη και ο πάγος κυριαρχούν. Αν οι κόκκοι εκεί έξω είναι όντως "χνουδωτοί" και φρακταλικοί όπως στο πείραμα του Caltech, τότε οι αλληλεπιδράσεις τους – ο τρόπος που συγκρούονται, ενώνονται και τελικά σχηματίζουν πλανήτες – είναι πολύ διαφορετικές από αυτές που υπολόγιζαν τα μέχρι τώρα μοντέλα.

Ο συμβιβασμός της φυσικής, που θέλει τα σωματίδια να προσεγγίζονται ως τέλειες σφαίρες για ευκολία στους υπολογισμούς, φαίνεται πως πρέπει να θυσιαστεί στο βωμό της ακρίβειας. Οι ερευνητές απέδειξαν ότι η μορφολογία της ύλης καθορίζει τη μοίρα της μέσα στα ηλεκτρικά φορτισμένα περιβάλλοντα του Σύμπαντος.

Μια ματιά στο μέλλον

Το πείραμα των Bellan και Nicolov ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της αστροφυσικής σκόνης. Με την ανθρωπότητα να κοιτάζει ξανά προς το Διάστημα και την εξερεύνηση παγωμένων κόσμων όπως η Ευρώπη (δορυφόρος του Δία) και ο Εγκέλαδος (του Κρόνου), η γνώση για το πώς συμπεριφέρεται ο πάγος σε συνθήκες πλάσματος είναι πιο επίκαιρη από ποτέ.