Νετρίνα: αγγελιοφόροι από τον κάτω κόσμο

Τα νετρίνα, τα πιο φευγαλέα σωματίδια, θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν την προέλευση της Γης καθώς και την εσωτερική λειτουργία της – αλλά μόνο αν μπορούσαμε να πιάσουμε αρκετά από αυτά με σύγχρονους ανιχνευτές.

Ανίχνευση νετρίνων

Ο William McDonough δεν μασάει τα λόγια του για τις προσπάθειες μας να ασχοληθούμε με το κομμάτι του βράχου που ονομάζουμε Γη. "Σκεφτείτε την σαν την ιστορία με τους τυφλούς που πιάνουν ένα ελέφαντα για να τον γνωρίσουν”, λέει. Ενώ μαθαίνουμε όλο και περισσότερο από άλλους κόσμους έξω από το ηλιακό μας σύστημα, η εικόνα που έχουμε για τη Γη κάτω από τα πόδια μας παραμένει εκπληκτικά ατελής. Από τι ακριβώς είναι αυτή φτιαγμένη; Πώς σχηματίστηκε; Ψάχνουμε συνεχώς για απαντήσεις.

Ο McDonough, ένας γεωχημικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland, έχει ως στόχο να το αλλάξει αυτό. Στόχος του είναι να ρίξει φως στις πιο μυστηριώδη περιοχή του πλανήτη – τον μανδύα της Γης που βρίσκεται μεταξύ του καυτού πυρήνα και του λεπτού εξωτερικού φλοιού. Αντί να χρησιμοποιήσει φως ο McDonough σχεδιάζει να πάρει τις απαντήσεις του χρησιμοποιώντας τα νετρίνα. Όσο απίθανο και αν ακούγεται, αυτά τα απομονωμένα σωματίδια θα μπορούσαν να είναι ακριβώς αυτό που θα μας δώσει απαντήσεις για το παρελθόν και το παρόν του πλανήτη μας. Υπάρχει μόνο μία προϋπόθεση: πρέπει να πιάσουμε αρκετά από αυτά πρώτα πρώτα.

Δεν είναι ότι δεν γνωρίζουμε απολύτως τίποτα για τον ‘ελέφαντα’ που κρύβεται εκεί κάτω. Γνωρίζουμε ότι περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, σε ένα εξωτερικό σπειροειδή βραχίονα του Γαλαξία μας, ένα πυκνό νέφος αερίου υδρογόνου και σκόνης άρχισε να καταρρέει προς το κέντρο του. Το κέντρο του αναφλέγει για να φτιάξει τον ήλιο, ενώ κάπου λίγο πιο μακριά κόκκοι σκόνης σιγά-σιγά συγχωνεύτηκαν για να σχηματίσουν όλο και μεγαλύτερα στερεά σώματα, τους πρωτοπλανήτες. Μερικά εκατομμύρια χρόνια αργότερα, μερικά από αυτά είχαν μεγαλώσει αρκετά ώστε να σχηματίσουν τους βραχώδεις πλανήτες.

Γνωρίζουμε, επίσης, τι περίπου χρειάστηκε για την παραγωγή αυτών των πλανητών. Ο ήλιος αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο, πτητικά στοιχεία που δεν θα μπορούσαν να έχουν συμβάλει και πολύ για το σχηματισμό ενός βραχώδους πλανήτη. Όμως φασματοσκοπικές μελέτες της επιφάνειας του ήλιου αποκαλύπτουν, επίσης, κάποια βαρύτερα και λιγότερο ασταθή στοιχεία, μεταξύ των οποίων και το οξυγόνο, άνθρακα, σίδηρο, πυρίτιο, αργίλιο και μαγνήσιο. Μετεωρίτες – ότι έχει απομείνει δηλαδή από τα πλανητικά ‘κατασκευαστικά’ έργα – περιοδικά πέφτουν σαν βροχή πάνω μας και περιέχουν σε μεγάλο βαθμό παρόμοια συστατικά. Τα υλικά αυτά, λοιπόν, είναι η ουσία του πλανήτη μας.

Τι βρίσκεται από κάτω

Αλλά πόση ποσότητα υπάρχει από κάθε τέτοιο στοιχείο, και πού βρίσκονται; Μελέτες του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη μας, και των σεισμικών κυμάτων που διέρχονται από τον πυρήνα της Γης, δείχνουν ότι πρόκειται για ένα εν μέρει λιωμένο μίγμα από σίδηρο και νικέλιο. Διάφορες έρευνες βαθειά στο φλοιό της Γης δείχνουν ότι αποτελείται κυρίως από διαφορετικές περιεκτικότητες σε οξείδιο και πυριτικά ορυκτά



Μέχρι τώρα καλά. Αλλά τι βρίσκεται μεταξύ του πυρήνα και του φλοιού, στο μεγάλο όγκο του μανδύα της Γης; Ο μανδύας είναι περίπου τα δύο τρίτα της συνολικής μάζας του πλανήτη. Αν γνωρίζουμε τη σύνθεσή του θα βελτιώσει αφάνταστα την γνώση που έχουμε για την απογραφή των χημικών στοιχείων της Γης και θα μας δώσει ενδείξεις για τις συνθήκες, όταν αυτή δημιουργήθηκε. Ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, θα έχουν συμπυκνωθεί ποικίλες ποσότητες των διαφόρων στοιχείων, από το ηλιακό νεφέλωμα, σε στερεή ύλη. Γνωρίζοντας δε το πώς κατανέμονται στο μανδύα τώρα τα στοιχεία αυτά – ομοιογενώς ή σε στρώματα – θα μας πει επίσης αν το σύνολο του μανδύα είναι μια μάζα που συνεχώς δημιουργεί ανακατανομή ύλης και θερμότητας. Και τέλος αυτό θα μας δώσει μια καλύτερη γνώση για το τι οδηγεί κάποιες διαδικασίες, όπως είναι η κίνηση των τεκτονικών πλακών και η ηφαιστειακή δραστηριότητα.

Οι ενδείξεις σχετικά με τη σύνθεση του μανδύα επί του παρόντος περιορίζονται στα δείγματα των πετρωμάτων που εκτινάχθηκαν από τα ηφαίστεια ή όταν κάποια εκτεθειμένα τμήματα των τεκτονικών πλακών δεν γλιστρούν ξανά προς τα κάτω, το ένα κάτω από το άλλο στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Αυτά τα πετρώματα τα βλέπουμε σε κάποιες οροσειρές προς τα όρια των ηπείρων, όπως είναι τα Πυρηναία στην Ευρώπη και τις ιαπωνικές Άλπεις. Αλλά είναι αντιπροσωπευτικά όλου του μανδύα ή απλά στρώματα του πάνω μέρος του; Για να το μάθουμε, χρειαζόμαστε έναν τρόπο ανάλυσης του υλικού πέρα ​​από τους θαλάμους του μάγματος των ηφαιστείων ή τα όρια από τα τρυπάνια μας.

Εισαγωγή – ή μάλλον έξοδος – των νετρίνων

Τα νετρίνα είναι τα ουδέτερα, σωματίδια σχεδόν χωρίς μάζα που έχουν μπει στα πρωτοσέλιδα των εφημερίδων τον τελευταίο χρόνο για το υποτιθέμενο σπάσιμο του κοσμικού ορίου της ταχύτητας. Αλλά αυτά – ή ακριβέστερα μια εκδοχή τους που ονομάζεται αντινετρίνα ηλεκτρονίων – επίσης, διασκορπίζονται προς τα έξω από το εσωτερικό της Γης, σε τεράστιους αριθμούς που προέρχονται από τις αλυσίδες των ραδιενεργών διασπάσεων, που συμβαίνουν στους πυρήνες του ουρανίου και του θορίου, στους βράχους στο εσωτερικό της Γης.

Τι άραγε θα μας βοηθήσουν όλα αυτά; Επειδή όπως το πυρίτιο και όλα τα άλλα στοιχεία, έτσι και το ουράνιο και το θόριο ήταν παρόντα, αν και σε μικρότερες ποσότητες, στο ηλιακό νεφέλωμα, και θα είχαν συμπυκνωθεί σε διαφορετικά ποσά σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Αν ξέραμε πόσο ουράνιο και πόσο θόριο ήταν παρών στη διαδικασία κατασκευής της Γης, θα γνωρίζαμε τότε ποιές ήταν αυτές οι συνθήκες και θα μπορούσαν έτσι να βοηθήσουν ώστε να καταλάβουμε πολλά άλλα για το τι κρύβεται εκεί μέσα. Εντοπίζοντας την κατανομή του ουρανίου και του θορίου που έχουμε στο μανδύα, μπορούμε επίσης να αρχίσουμε να κατανοούμε τις ‘μηχανορραφίες’ στο εσωτερικό του πλανήτη μας . «Το κλειδί για την κατανόηση των μοντέλων της Γης είναι να μάθουμε πού και πόσο ουράνιο και θόριο είναι στο μανδύα», λέει ο γεωφυσικός Steve Dye του Πανεπιστημίου της Χαβάης.

Και δεν υπάρχει καλύτερος τρόπος να το κάνουμε αυτό παρά με τον υπολογισμό των "γεωνετρίνων" που παράγουν οι διασπάσεις τους. Επειδή αυτά σχεδόν δεν αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη, τα σωματίδια αυτά κινούνται απρόσκοπτα μέσα στο εσωτερικό της Γης, επιτρέποντας στους ανιχνευτές κοντά στην επιφάνεια να τα ‘μετρούν’ όπως φεύγουν.

Κατ ‘αρχήν, τουλάχιστον. Στην πράξη, τα εκκεντρικά γεωνετρίνα είναι πολύ πιο πιθανό να διαπεράσουν μέσα από τους ανιχνευτές μας χωρίς να καταμετρηθούν, κι έτσι το κυνήγι τους θέλει πολλή υπομονή.

Ευτυχώς, στην τελευταία δεκαετία έχουμε αναπτύξει αρκετά τους ανιχνευτές, είναι ο ιαπωνικός ανιχνευτής αντινετρίνων  KamLAND, που τέθηκε σε λειτουργία κοντά στην πόλη Hida το 2002, και περιέχει 1000 τόνους ενός διαφανούς υγρού διαλύματος που, όταν ‘κτυπάται’ από ένα νετρίνο, εκπέμπει μια λάμψη του φωτός. Βρίσκεται 1000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια, για να κόβονται οι κοσμικές ακτίνες μιονίων, των οποίων τα σήματα μιμούνται εκείνα των νετρίνων.

Το 2005, το KamLAND είδε το πρώτο, εξασθενημένο σήμα του αντινετρίνο ηλεκτρονίου από τα έγκατα της Γης, αλλά πνίγηκε μέσα σε μια θάλασσα αντινετρίνων που παράγονται από κοντινά εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας. Το 2007, η αναβάθμιση του ανιχνευτή και η προσωρινή διακοπή της λειτουργίας ενός από τα μεγαλύτερα πυρηνικά εργοστάσια επέτρεψε να λάμψει το σήμα. Μέχρι το τέλος του 2009, είχε καταγράψει το KamLAND 106 αντινετρίνα ηλεκτρονίων με την σωστή ενέργεια, δηλαδή να δείχνει ότι προέρχεται από διασπάσεις του ουρανίου και του θορίου στο εσωτερικό της Γης.

Εν τω μεταξύ και το πείραμα Borexino στο Gran Sasso στην κεντρική Ιταλία, πήρε κατάλληλα σήματα. Τα συνδυασμένα στοιχεία από τα δύο πειράματα ήταν αρκετά για να παραχθούν οι πρώτες συγκεκριμένες γεωφυσικές προβλέψεις από τα γεωνετρίνα: ότι δηλαδή η διάσπαση του ουρανίου και θορίου στο μανδύα και τον φλοιό συμβάλλει περίπου με 20 terawatts (TW) στη θερμότητα που διαφεύγει από το εσωτερικό της Γης.

Αυτοί είναι οι αριθμοί που χρειαζόμαστε αν θέλουμε να αρχίσουμε να σκιαγραφούμε για το τι κρύβεται από κάτω. Η Γη εκπέμπει περίπου 46 TW θερμότητας μέσω της επιφάνειάς της, από δύο πηγές: την "ραδιενεργή" θερμότητα που παράγεται από τις ραδιενεργές διασπάσεις, και την "αρχέγονη" θερμότητα που αποθηκεύθηκε κατά τη διάρκεια σχηματισμού της Γης, όταν συγκρούστηκαν τα σωματίδια και ο σίδηρος βυθίστηκε στον πυρήνα. Ο υπολογισμός της επιφανειακής θερμότητας που προέρχεται από κάθε πηγή έχει μεγάλη επιπτώσεις για την εικόνα της Γης μας. Για παράδειγμα, εάν το υλικό του μανδύα κινείται αργά, ή σε στρώματα με περιορισμένη μεταφορά θερμότητας μεταξύ τους, τότε θα μεταφέρεται από τα σπλάχνα της Γης στην επιφάνειά της μια μικρή αρχέγονη θερμότητα. Αν όντως αυτό συμβαίνει, τότε το μερίδιο του λέοντος της ροής της θερμότητας της Γης – 30 TW ή και περισσότερο – πρέπει να είναι ραδιενεργής προέλευσης. Τα πειράματα των νετρίνων δείχνουν ότι ο πραγματικός αριθμός είναι χαμηλότερος, πράγμα που σημαίνει ότι ο μανδύας είναι αναμεμιγμένος σχετικά καλά.

Κρυφά παζλ

Η ραδιενεργή ροή θερμότητας δείχνει επίσης ότι ο πλανήτης έχει μια συνολική περιεκτικότητα σε ουράνιο περίπου 20 μέρη ανά δισεκατομμύριο. Εκτεθειμένοι στην επιφάνεια βράχια από τον μανδύα περιέχουν παρόμοιες ποσότητες ουρανίου, γεγονός που υποδηλώνει ότι είναι πράγματι αντιπροσωπευτικό του μανδύα, και πάλι επιβεβαιώνει την ιδέα ότι η ανάμειξη όλου του μανδύα είναι ικανοποιητική. Αλλά κρύβει επίσης κι έναν γρίφο. Τα εκτεθειμένα πετρώματα του μανδύα κυριαρχούνται από ολιβίνη, ένα ορυκτό πυριτικού σιδήρου και μαγνησίου, ενώ η περιεκτικότητα τους σε ουράνιο είναι αισθητά υψηλότερη από εκείνο των μετεωριτών που ονομάζονται ενστατίτες χονδρίτες. Αυτοί οι μετεωρίτες εδώ και πολύ καιρό πιστεύεται ότι είναι αντιπροσωπευτικοί του υλικού που έφτιαξε τη Γη, και κυριαρχούνται από ένα άλλο πυριτικό υλικό, το πυροξένιο. Αυτό θέτει το ερώτημα εάν αυτό το πυροξένιο είναι κρυμμένο βαθιά μέσα στον μανδύα Ή είναι η σύνθεση της Γης διαφορετική από εκείνη των πιο πάνω χονδριτών;

Η αναλογία του ολιβίνη με το πυροξένιο στο μανδύα της Γης έχει ζωτική σημασία για το πού και πότε σχηματίστηκε ο πλανήτης στο ηλιακό νεφέλωμα. Ο ολιβίνης θα είχε κατακρημνιστεί σε ελαφρώς υψηλότερη θερμοκρασία από ότι το πυροξένιο, οπότε θα υπήρχε περισσότερο πιο κοντά στον ήλιο, ή και νωρίτερα στην πλανητικό διαδικασία κατασκευής, όταν οι θερμοκρασίες τότε ήταν υψηλότερες.

Είμαστε ακόμα μακριά από τις απαντήσεις. Με τους αριθμούς των γεωνετρίνων που εντοπίζονται ακόμη μικρούς, υπάρχει μεγάλη αβεβαιότητα στην εκτίμηση της ραδιενεργής ροής θερμότητας: ο αριθμός 20 TW έρχεται με ένα εισαγωγικό σφάλμα περίπου ± 9 TW, γεγονός που καθιστά δύσκολο να απορριφθεί κάθε σενάριο της σύνθεσης του μανδύα ή της ανάμιξη. Οι ανιχνευτές KamLAND και Borexino δεν είναι αρκετοί γι αυτό και ο τρίτος ανιχνευτής SNO+, που αναμένεται να ξεκινήσει το 2013, θα μπορούσε να κάνει την αποφασιστική διαφορά.

Ο νέος ανιχνευτής SNO+  βρίσκεται κάπου 2.000 μέτρα βαθιά κάτω στη Γη στο παρατηρητήριο Sudbury Neutrino στο Οντάριο. Έχει περίπου το ίδιο μέγεθος με το KamLAND, αλλά επειδή είναι πολύ βαθειά θα είναι περισσότερο προστατευμένος από τα μιόνια των κοσμικών ακτίνων. Και, υπάρχουν πολύ λιγότεροι πυρηνικοί αντιδραστήρες στο Οντάριο από ό,τι στην Ιαπωνία. Έτσι, με χαμηλότερα επίπεδα υποβάθρου, ο ανιχνευτής SNO+ θα πρέπει να παρατηρεί αρκετά γεωνετρίνα, πιθανώς 25 γεωνετρίνα ανά έτος. Έτσι, σε μερικά χρόνια, το σφάλμα στην μέτρηση της ραδιενεργής θερμότητας μπορεί να συρρικνωθεί  και θα αρχίσει να δημιουργείται κάποια βεβαιότητα.

Αυτό το σχέδιο είναι μόνο η αρχή. Στην ιδανική περίπτωση, θέλουμε να χαρτογραφήσουμε την προέλευση των γεωνετρίνων, και έτσι να πάρουμε μια καλύτερη εικόνα της κατανομής του ουρανίου και του θορίου καθώς και την τυχόν ομοιογένεια και τη ανάμιξη του μανδύα. Αυτό σημαίνει ότι θέλουμε να μειώσουμε τα γεωνετρίνα από άλλες πηγές, όπως από τον φλοιό και τον πυρήνα, και θα απαιτηθεί ένα δίκτυο ανιχνευτών που θα ψάχνει για νετρίνα τα οποία έρχονται από διάφορα μέρη της Γης και με διαφορετικές γωνίες. 

Θα μας επιτρέψει έτσι να μάθουμε περισσότερα για περίεργες περιοχές του μανδύα, όπως κάτω από την Αφρική και τον Ειρηνικό Ωκεανό, όπου υπάρχουν ανώμαλες περιοχές της ηφαιστειακής δραστηριότητας. Η ταχύτητα των σεισμικών κυμάτων μειώνεται δραματικά μέσα σε αυτές τις περιοχές, κάτι που υποδηλώνει ότι ο μανδύας είναι λιγότερο παχύρρευστος και ως εκ τούτου ίσως θερμότερος. Το γεγονός αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στις μεγαλύτερες ποσότητες ουρανίου και θορίου. Αν είναι σωστό αυτό που αναφέραμε, θα πρέπει να έχουμε έντονες πηγές γεωνετρίνων.

New Scientist

 physics4u