Ζύγισαν τη Γη χρησιμοποιώντας νετρίνα από το Διάστημα

στις

Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει μέχρι τώρα πολλές μεθόδους για να διασταυρώσουν το βάρος της Γης και να υπολογίσουν τι κρύβεται μέσα της – συνήθως, έχουν χρησιμοποιήσει ηχητικά κύματα και τη δύναμη της βαρύτητας για να κάνουν τους υπολογισμούς τους. Αλλά μια ομάδα ζύγισε τη Γη με έναν εντελώς νέο τρόπο: με τη μέτρηση των μυστηριωδών κοσμικών σωματιδίων που περνούν μέσα από αυτήν, τα νετρίνα.

antarctica

Μια ομάδα ισπανών ερευνητών χρησιμοποίησε νετρίνα που διέρχονται από τη Γη για να μετρήσουν τη μάζα και την πυκνότητα του πλανήτη μας. Είναι μια πολύ νέα μέθοδος, αλλά μια μέρα ίσως να γίνει χρήσιμο εργαλείο για τους επιστήμονες της Γης. Και το βάρος που πήραν ήταν πολύ κοντά στον αριθμό που υπολογίζεται από τις σύγχρονες μεθόδους.

Η φυσική των σωματιδίων είναι η μελέτη των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μέσω των δυνάμεων. Τα σωματίδια που αντιμετωπίζουν συχνά είναι τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια που σχηματίζουν τα άτομα, που αλληλεπιδρούν μέσω της βαρύτητας, του ηλεκτρομαγνητισμού, της ισχυρής πυρηνικής δύναμης (η οποία συνδέει τα συστατικά των ατομικών πυρήνων μαζί) και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης που εμφανίζεται στις μικροσκοπικές κλίμακες μήκους, εντός του ατομικού πυρήνα και είναι εν μέρει υπεύθυνη για ορισμένες πτυχές της ραδιενεργού αποσύνθεσης).

Το νετρίνο είναι ένα από τα πιο άφθονα σωματίδια του σύμπαντος (δεύτερο μετά το φωτόνιο, το σωματίδιο που δημιουργεί το φως). Αλλά τα νετρίνα είναι δύσκολο να ανιχνευθούν επειδή αλληλεπιδρούν μόνο με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Είναι ουδέτερα που περνούν συνεχώς μέσα από τη Γη, φτάνοντας σε μας τόσο από τον Ήλιο όσο και από το διάστημα. Αλληλεπιδρούν τόσο αδύναμα που οι ανιχνευτές χτίστηκαν για να τις μελετήσουν με την όψη τους προς τη Γη, μαζεύοντας νετρίνα που έχουν ταξιδέψει μέσα σε ολόκληρο τον πλανήτη.

Εν τω μεταξύ, υπάρχουν γεωφυσικοί που ελπίζουν να μελετήσουν το εσωτερικό της Γης, συμπεριλαμβανομένης της συμπεριφοράς του πυρήνα και του μανδύα και των μαγνητικών πεδίων του πλανήτη. Συνήθως, το κάνουν αυτό με έμμεσες μετρήσεις, όπως παρατηρώντας τον τρόπο με τον οποίο τα ηχητικά κύματα αλλάζουν καθώς περνούν μέσα από τον πλανήτη ή ανιχνεύουν τοπικές αλλαγές στη δύναμη της βαρύτητας.

Οι φυσικοί πίσω από τη νέα μελέτη σκέφτονταν ότι, ήδη έχουμε αυτούς τους ανιχνευτές νετρίνων και τα νετρίνα διέρχονται από τη Γη, οπότε γιατί δεν προσπαθούμε να μετρήσουμε το βάρος της Γης με τα νετρίνα;

Neutrino tomography of EarthΚαι το έκαναν. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στοιχεία από ένα Τηλεσκόπιο Παρατηρήσεων Νετρίνων στο Νότιο Πόλο που ονομάζεται IceCube, το οποίο ανιχνεύει νετρίνα που δημιουργούν φωτόνια αφού αλληλεπιδρούν με τον πάγο μέσω της ασθενούς δύναμης. Μέτρησαν λοιπόν τον αριθμό των νετρίνων ανά γωνία που έπληξαν τον ανιχνευτή του IceCube, όπου τα νετρίνα που μετακινούνταν κατευθείαν προς τα πάνω (κατακόρυφα) μέσω του ανιχνευτή θα πρέπει να περνούν από περισσότερη γη από εκείνα που χτυπούν υπό γωνία. Συγκρίθηκαν λοιπόν τα δεδομένα αυτά με τον αριθμό των νετρίνων που θα περίμενε κανείς αν η Γη δεν ήταν κάτω από τον ανιχνευτή.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα δεδομένα, μπόρεσαν να μετρήσουν τη μάζα της Γης, αν και πολύ απροσδιόριστα, και πήραν έναν αριθμό παρόμοιο με την τρέχουσα αποδεκτή τιμή που βρέθηκε χρησιμοποιώντας τη βαρύτητα. Επίσης έκαναν μέτρηση της μάζας του πυρήνα (ο αριθμός τους ήταν λίγο μεγαλύτερος από τον αποδεκτό αριθμό). Βρήκαν επίσης ότι ο πυρήνας είναι πυκνότερος από τη Γη. Ναι, το γνωρίζαμε ήδη, αλλά είναι διασκεδαστικό να το μάθουμε και πάλι χρησιμοποιώντας σωματίδια που περνούν από τη Γη από το διάστημα.

Έτσι η ζύγιση με την βοήθεια των νετρίνων έδειξε πως η μάζα της Γης είναι M=(6.0±1.3)×1024 kg. Η τιμή αυτή βρίσκεται σε πολύ καλή συμφωνία με περισσότερο ακριβείς μετρήσεις που γίνονται με την κλασική βαρυτική μέθοδο, εκ των οποίων η πιο πρόσφατη έδωσε M=(5.9722±0.0006)×1024kg.

Οι ερευνητές είναι πολύ ενημερωμένοι για το γεγονός ότι δεν εργάζονται με πολλά δεδομένα – ίσως με 10 ακόμη χρόνια παρατήρησης από το IceCube και άλλους ανιχνευτές υπό κατασκευή, η μέθοδος θα μπορούσε να γίνει χρήσιμη. Ένας ερευνητής που δεν συμμετείχε στη μελέτη, η Véronique Van Elewyck από το Πανεπιστήμιο Diderot του Παρισιού, σημείωσε ότι οι ερευνητές δεν γνωρίζουν πόσα νετρίνα χτύπησαν τη Γη και πρέπει να μάθουν περισσότερα για τις οπτικές ιδιότητες του πάγου για να μειώσουν αβεβαιότητα του πειράματος. Επιπλέον, εξακολουθεί να υπάρχει πολλή πειραματική αβεβαιότητα σχετικά με το πώς τα νετρίνα αλληλεπιδρούν με την ύλη γενικότερα, όπως έγραψε η Véronique Van Elewyck .

Αλλά με περισσότερα δεδομένα και περισσότερα πειράματα (και ίσως μια ή δύο δεκαετίες μετά), τα νετρίνα πραγματικά θα μπορούσαν να είναι ένας χρήσιμος τρόπος μέτρησης του εσωτερικού της Γης. Και η χρήση νετρίνων για τη μέτρηση του εσωτερικού της Γης είναι σχεδόν τόσο διασκεδαστική όσο η φυσική.

Πηγή

Advertisements