Διαστημικές και Φυσικές Εξελίξεις που πρέπει να περιμένουμε το 2021

Δυστυχώς, οι δημοσιογράφοι της επιστήμης γενικά δεν κουβαλούν κρυστάλλινες μπάλες ως μέρος του οπλοστασίου τους και αν το 2020 μας δίδαξε κάτι, δεν είναι πάντα ασφαλές να προβλέψουμε τι θα φέρει το επόμενο έτος. Με αυτά τα λόγια, υπάρχουν κάποιες εξελίξεις στο χώρο και τη φυσική που μπορούμε να είμαστε αρκετά βέβαιο ότι θα συμβεί το 2021.

Αυτά είναι τα ZME Science's συμβουλές για τα κορυφαία γεγονότα διαστημικής επιστήμης και φυσικής που έχουν προγραμματιστεί να πραγματοποιηθούν το 2021.

Περιεχόμενα

• 1 Επιστροφή στην αρχή με την εκκίνηση του James Webb
• 2 JET θα έχουν Star Power
• 3 Επιστροφή στη Σελήνη το 2021
• 4 Επιστροφή με έκρηξη:Το LHC Ξαναπυροδοτείται

Επιστροφή στην αρχή με την εκκίνηση του James Webb

Είναι σχεδόν αδύνατο να μιλήσουμε για το μέλλον της αστρονομίας χωρίς να αναφέρουμε το επικείμενο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) της NASA. Το να αποκαλούμε την κυκλοφορία του Webb «πολύ αναμενόμενο» είναι μια μεγάλη κατανόηση.

Ο λόγος που οι αστρονόμοι ενθουσιάζονται τόσο πολύ με το JWST είναι η ικανότητά του να βλέπει πιο πέρα ​​μέσα στο Σύμπαν, και επομένως πιο πίσω στην ιστορία του από οποιοδήποτε τηλεσκόπιο που έχει ποτέ επινοηθεί. Αυτό θα επιτρέψει στους αστρονόμους να παρατηρήσουν τις βίαιες και ταραχώδεις συνθήκες στο βρεφικό Σύμπαν. Έτσι, είναι έτοιμο να βελτιώσει κατά πολύ τις γνώσεις μας για το σύμπαν και την εξέλιξή του.

Μέρος του λόγου για την εντυπωσιακή παρατηρητική δύναμη του JWST έγκειται στην απίστευτη ευαισθησία του στο υπέρυθρο φως–με μεγαλύτερα μήκη κύματος από το φως ορατό με το ανθρώπινο μάτι.

Η ικανότητα παρατήρησης του πρώιμου Σύμπαντος θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση της σύγχυσης σχετικά με το τι σημείο της ιστορίας του άρχισαν να σχηματίζονται γαλαξίες. Ενώ η τρέχουσα συναίνεση είναι ότι οι γαλαξίες άρχισαν να σχηματίζονται σε μεταγενέστερες εποχές, μια πληθώρα πρόσφατων ερευνών υποδηλώνει ότι οι γαλαξίες θα μπορούσαν να είχαν σχηματιστεί πολύ νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε παλαιότερα.

«Οι γαλαξίες, πιστεύουμε, αρχίζουν να δημιουργούνται σε τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και κάπως την εφηβεία στα 1 έως 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Προσπαθούμε να διερευνήσουμε αυτές τις πρώιμες περιόδους», εξηγεί ο Daniel Eisenstein, καθηγητής αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και μέλος της JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). "Πρέπει να το κάνουμε αυτό με ένα βελτιστοποιημένο υπέρυθρο τηλεσκόπιο επειδή η διαστολή του σύμπαντος προκαλεί αύξηση του μήκους κύματος του φωτός καθώς διανύει την τεράστια απόσταση για να φτάσει σε εμάς."

Ο λόγος που το υπέρυθρο είναι τόσο σημαντικό για την παρατήρηση του πρώιμου Σύμπαντος είναι ότι παρόλο που τα αστέρια εκπέμπουν φως κυρίως σε οπτικά και υπεριώδη μήκη κύματος, διανύοντας αυτές τις απίστευτες αποστάσεις σημαίνει ότι το φως μετατοπίζεται στο υπέρυθρο.

Μετά από χρόνια αποτυχιών και καθυστερήσεων και εκτιμώμενου κόστους 8,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων, το JWST πρόκειται να ξεκινήσει από τη Γαλλική Γουιάνα, Νότια Αμερική, στις 31 Οκτωβρίου 2021.

Το JET θα έχει Star Power

Ο αγώνας είναι σε εξέλιξη για την επίτευξη ισχύος σύντηξης ως πρακτικής πηγής ενέργειας εδώ στη Γη. Η πυρηνική σύντηξη είναι ήδη η διαδικασία που τροφοδοτεί τα αστέρια, αλλά οι επιστήμονες προσπαθούν να την κάνουν πηγή ενέργειας πολύ πιο κοντά στο σπίτι.

Όσον αφορά τη μεταφορά της δύναμης των αστεριών στη Γη, το Joint European Torus (JET) –το μεγαλύτερο tokamak του κόσμου– πρωτοπορεί, που φιλοξενεί πλάσμα θερμότερο από οπουδήποτε αλλού στο ηλιακό σύστημα, χωρίς τον Ήλιο.

Το tokamak είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να παγιδεύσει το πλάσμα, περιορίζοντας το σε σχήμα που μοιάζει με ντόνατ. Η συγκράτηση και ο έλεγχος αυτών των πλάσματος είναι το κλειδί για την παραγωγή ενέργειας μέσω της διαδικασίας σύντηξης. Μέσα στο πλάσμα, τα σωματίδια συγκρούονται με αρκετή ενέργεια για να συντηχθούν σχηματίζοντας νέα στοιχεία και απελευθερώνοντας ενέργεια.

Η διαδικασία είναι πιο καθαρή και πιο αποτελεσματική από τη δύναμη σχάσης, η οποία διασπά τα άτομα των στοιχείων, απελευθερώνοντας ενέργεια αφήνοντας πίσω ραδιενεργά απόβλητα.

Το ίδιο το JET δεν είναι σταθμός παραγωγής ενέργειας, αλλά σχεδιάστηκε για να διεξάγει πειράματα με περιορισμό πλάσματος και να μελετά τη σύντηξη σε συνθήκες που προσεγγίζουν αυτές που θα βρεθούν σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας σύντηξης. Έτσι, ενώ ο Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας (ITER) –που πρόκειται να είναι ο μεγαλύτερος tokamak στον κόσμο– είναι ακόμα υπό κατασκευή και δεν θα είναι λειτουργικός τουλάχιστον μέχρι το 2025, φέτος πρόκειται να είναι μια σημαντική χρονιά για το πείραμα που τον ενέπνευσε .

Μετά τις αναβαθμίσεις που πραγματοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του 2020, η JET έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει πειράματα με ένα ισχυρό μείγμα των ισοτόπων υδρογόνου δευτερίου και τριτίου (D-T). Αυτό το καύσιμο δεν έχει χρησιμοποιηθεί από το 1997 λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζει ο χειρισμός του τριτίου – ενός σπάνιου και ραδιενεργού ισοτόπου υδρογόνου με πυρήνα ενός πρωτονίου και δύο νετρονίων.

Η ομάδα του JET θα επιδιώξει να επιτύχει μια ισχύ παρόμοια με τα 16 μεγαβάτ ισχύος που επιτεύχθηκε το ’97, αλλά για μια πιο διαρκή περίοδο και με λιγότερη εισροή ενέργειας. Η αρχική δοκιμή στα τέλη του 20ου αιώνα κατανάλωνε περισσότερη ενέργεια από όση παρήγαγε.

Επιστροφή στη Σελήνη το 2021

Το 2021 θα σηματοδοτήσει την 52η επέτειο της ιστορικής προσγείωσης της NASA σε φεγγάρι και θα δει την εκτόξευση πολλών αποστολών πίσω στον φυσικό δορυφόρο της Γης, καθώς και τις συνεχείς προσπάθειες για να στείλει ανθρώπους να ακολουθήσουν τα βήματα του Άρμστρονγκ και του πληρώματος του Apollo 11.

Ως μέρος του συστήματος εξερεύνησης του βαθέος διαστήματος της NASA, η Artemis I είναι η πρώτη από μια σειρά όλο και πιο περίπλοκων αποστολών που έχουν σχεδιαστεί για να επιτρέψουν την ανθρώπινη εξερεύνηση της Σελήνης και πέρα ​​από αυτήν.

Το Artemis I θα ξεκινήσει το ταξίδι του με το διαστημόπλοιο Orion, το οποίο κατά την εκτόξευσή του τον Νοέμβριο θα είναι το πιο ισχυρό διαστημικό σκάφος που εκτοξεύτηκε ποτέ από την ανθρωπότητα, παράγοντας εκπληκτικά 8,8 εκατομμύρια λίβρες ώθησης κατά την απογείωση. Αφού εγκαταλείψει την τροχιά της Γης με τη βοήθεια ηλιακών συστοιχιών και το Ενδιάμεσο Στάδιο Κρυογονικής Προώθησης (ICPS), ο Orion θα κατευθυνθεί στη Σελήνη αναπτύσσοντας έναν αριθμό μικρών δορυφόρων, γνωστών ως CubeSats.

Μετά από ένα ταξίδι τριών εβδομάδων από και προς το φεγγάρι και έξι εβδομάδες σε τροχιά γύρω από τον δορυφόρο, ο Orion θα επιστρέψει στο σπίτι του το 2022, ολοκληρώνοντας έτσι ένα συνολικό ταξίδι περίπου 1,3 εκατομμυρίων μιλίων.

Η NASA δεν είναι η μόνη διαστημική υπηρεσία που σκοπεύει στο φεγγάρι το 2021. Ο Ινδικός Οργανισμός Διαστημικής Έρευνας (ISRO) θα εκτοξεύσει το σεληνιακό προσεδάφιο Chandrayaan-3 κάποια στιγμή το 2021. Θα σηματοδοτήσει την τρίτη αποστολή σεληνιακής εξερεύνησης από την ISRO μετά την αποτυχία του Chandrayaan-2 να κάνει μια ομαλή προσγείωση στη σεληνιακή επιφάνεια λόγω ενός snafu επικοινωνίας.

Το Chandrayaan-3 θα είναι μια επανάληψη αυτής της αποστολής, συμπεριλαμβανομένης μιας μονάδας προσεδάφισης και ρόβερ, αλλά χωρίς τροχιακό. Αντίθετα, θα βασίζεται στο τροχιακό του προκατόχου του, το οποίο εξακολουθεί να λειτουργεί καλά παρά το ατυχές crash lander της μητρικής του μονάδας. Εάν το Chandrayaan-3 πετύχει, θα καταστήσει το ISRO της Ινδίας μόνο τον τέταρτο διαστημικό οργανισμό στην ιστορία που θα πραγματοποιήσει ομαλή προσγείωση στη σεληνιακή επιφάνεια.

Back with a Blast:The LHC Fires Up Again

Ο μεγαλύτερος, ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) σταμάτησε να λειτουργεί το 2018 και φέτος, μετά από αναβαθμίσεις υψηλής φωτεινότητας, θα αρχίσει και πάλι να συγκρούεται σωματίδια.

Κατά τη διάρκεια της πρώτης σειράς συγκρούσεων από το 2008 έως το 2013, οι φυσικοί ανακάλυψαν με επιτυχία το μποζόνιο Higgs, ολοκληρώνοντας έτσι το τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Καθώς ο αριθμός των συγκρούσεων αυξάνεται σημαντικά, με τη σειρά του, αυξάνοντας την πιθανότητα εντοπισμού νέου φαινομένου, οι ερευνητές θα αναζητήσουν ενδείξεις φυσικής πέρα ​​από το τυπικό μοντέλο.

Η λειτουργία του LHC είναι να επιταχύνει τα σωματίδια και να τα καθοδηγεί με ισχυρούς μαγνήτες τοποθετημένους σε έναν κυκλικό θάλαμο που εκτείνεται για 17 μίλια κάτω από τα γαλλο-ελβετικά σύνορα. Όταν αυτά τα σωματίδια συγκρούονται, παράγουν βροχές από «κόρη» σωματίδια, μερικά που μπορούν να υπάρχουν μόνο σε υψηλά επίπεδα ενέργειας.

Αυτά τα θυγατρικά σωματίδια διασπώνται εξαιρετικά γρήγορα –μέσα σε κλάσματα δευτερολέπτου– και έτσι ο εντοπισμός τους αποτελεί μια τεράστια πρόκληση για τους ερευνητές.

Η φωτεινότητα όταν χρησιμοποιείται ως επιταχυντές σωματιδίων αναφέρεται στον αριθμό των σωματιδίων που η μηχανή μπορεί να επιταχύνει και έτσι να συγκρουστεί. Περισσότερες συγκρούσεις σημαίνουν περισσότερα θυγατρικά σωματίδια που δημιουργούνται και περισσότερες πιθανότητες να εντοπίσουμε εξωτικά και σπάνια σωματίδια και φαινόμενα που δεν έχουν ξαναδεί. Έτσι, υψηλή φωτεινότητα σημαίνει περισσότερα σωματίδια και περισσότερες συγκρούσεις.

Για να βάλουμε αυτές τις αναβαθμίσεις στο πλαίσιο, κατά τη διάρκεια του 2017 ο LHC παρήγαγε περίπου 3 εκατομμύρια σωματίδια μποζονίου Higgs. Όταν αρχίσει να λειτουργεί ο LHC υψηλής φωτεινότητας (HL-LHC), οι ερευνητές στο cern υπολογίζουν ότι θα παράγει περίπου 15 εκατομμύρια μποζόνια Higgs ετησίως.

Δυστυχώς, παρά το γεγονός ότι άνοιξε για τρίτη φορά μετά από αυτές τις αναβαθμίσεις υψηλής φωτεινότητας, υπάρχει ακόμα δουλειά που πρέπει να γίνει πριν ο LHC γίνει HL-LHC.

Η διακοπή λειτουργίας που ολοκληρώνεται –που αναφέρεται από την ομάδα του CERN ως Long Shutdown 2 (LS2)– ήταν μόνο μέρος των μακρών λειτουργιών που απαιτούνται για την ενίσχυση της φωτεινότητας του LHC. Το έργο ξεκίνησε το 2011 και δεν αναμένεται να ολοκληρωθεί τουλάχιστον μέχρι το 2027.

Αυτό δεν σημαίνει ότι η τρίτη σειρά του πιο τολμηρού επιστημονικού πειράματος της ανθρωπότητας δεν θα συλλέξει δεδομένα που αποκαλύπτουν εκπληκτικά γεγονότα σχετικά με τη φυσική που διέπει αυτόν τον κόσμο. Και αυτή η διαδικασία συλλογής θα ξεκινήσει το 2021.