Γιατί πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη. Five Reasons We Think Dark Matter Exists

Κάθε άρθρο σχετικό με τα εναπομείναντα μυστήρια του σύμπαντος περιλαμβάνει, στις πρώτες θέσεις της λίστας των άλυτων προβλημάτων, την σκοτεινή ύλη. Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Που βρίσκεται; Πως μπορούμε να την ανιχνεύσουμε; Αυτά τα ερωτήματα βρίσκονται στην πρώτη γραμμή έρευνας της Κοσμολογίας. This image shows the distribution of dark matter, galaxies, and hot gas in the core of the merging galaxy cluster Abell 520. The result could present a challenge to basic theories of dark matter. Credit: NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)

Η σκοτεινή ύλη είναι που με την επίδραση της βαρύτητάς της επηρεάζει τις κινήσεις άστρων, γαλαξιών, ακόμη και την εξέλιξη του ίδιου του Σύμπαντος.

Κι όμως μέχρι σήμερα τα μεγάλα πειράματα (LUX, DAMA/Libra και CoGeNT και Super-CDMS) απέτυχαν να ανιχνεύσουν άμεσα την σκοτεινή ύλη και οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν καν τι είδους σωματίδια την απαρτίζουν.

Ποιοι είναι όμως οι λόγοι για τους οποίους οι περισσότεροι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι πως η σκοτεινή ύλη υπάρχει;

Ιδού πέντε λόγοι για τους οποίους πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη:

1. Γαλαξιακά σμήνη

Image credit: Paul Tankersley’s astrophotography, of the Coma Cluster of galaxies 321 million light-years away, via http://ptank.blogspot.com/2010/05/abell-1656.html.

Το 1933 ο Ελβετός αστρονόμος Φριτζ Ζουίκι, μελετώντας το κοντινό γαλαξιακό σμήνος Κόμα, ήταν ο πρώτος που παρατήρησε πως κάτι δεν πήγαινε καλά στην κίνηση των γαλαξιών. Εκτελώντας μετρήσεις της ταχύτητάς τους ο Ζουίκι υπολόγισε τη μάζα τους μέσω της θεωρίας της βαρύτητας, ενώ παράλληλα μέσω της φωτεινότητάς τους, υπολόγισε τη μάζα των άστρων που τους αποτελούσαν.

Fritz Zwicky

Αν και αυτοί οι δύο υπολογισμοί θα έπρεπε λογικά να συμπίπτουν, ο Ζουίκι διαπίστωσε πως η μάζα που είχε υπολογίσει μέσω της φωτεινότητας των άστρων ήταν αρκετές φορές μικρότερη από τη μάζα που υπολόγισε μέσω βαρύτητας, ενώ σύμφωνα με την ανάλυσή του, η «φωτεινή μάζα» των γαλαξιών δε θα έφτανε για να τους συγκρατήσει σε μία δομή. Με άλλα λόγια, αν οι γαλαξίες αποτελούνταν μόνο από τα άστρα που παρατηρούμε, γρήγορα θα διαλύονταν καθώς τα άστρα θα ξέφευγαν στο κενό. Για το λόγο αυτό, ο Ζουίκι ήταν ο πρώτος που έκανε λόγο για ενός είδους «σκοτεινή ύλη», που δρα σα συγκολλητική ουσία στους γαλαξίες.

2. Οι καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών

Observed velocities versus distance from the center of galaxy NGC 3198. The theoretical prediction before observations followed the trend labeled “disk”, but observations (black squares) showed constant, rather than decreasing velocity. Adding a contribution from a dark matter halo (center line) makes the theory match predictions. Images credit: Van Albada et al. (L), A. Carati, via arXiv:1111.5793 (R).

Παρατηρώντας την κίνηση των άστρων εντός ενός γαλαξία, θα εξάγει κανείς την ίδια ανάγκη ύπαρξης σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τη Νευτώνεια δυναμική, που είναι μία πολύ καλή προσέγγιση της θεωρίας της βαρύτητας, τα άστρα με μεγαλύτερες τροχιές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο θα έπρεπε να κινούνται πιο αργά σε σχέση με τα άστρα που βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο του Γαλαξία.

Κάτι τέτοιο όμως φαίνεται πως δεν ισχύει, όπως έγινε αντιληπτό ήδη από τη δεκαετία του ’60 όταν οι αστρονόμοι μελέτησαν την κίνηση των άστρων στη γειτονική Ανδρομέδα, βρίσκοντας μία σχετικά σταθερή ταχύτητα για τα άστρα που βρίσκονταν μετά από μία συγκεκριμένη τροχιά. Το φαινόμενο αυτό, θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν μία μεγάλη ποσότητα σκοτεινής ύλης κατοικούσε στη γαλαξιακή άλω, μία εκτεταμένη περιοχή πέρα από τα όρια της ορατής ύλης.

3. Η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου

Image credit: CMB pattern for a universe with normal matter only compared do our own, which includes dark matter and dark energy. Generated by Amanda Yoho on the Planck CMB simulator at http://strudel.org.uk/planck/#.

Ακόμη και στην πρώτη «φωτογραφία» του Σύμπαντος, στον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης θα βρει κανείς ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Κατά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, δύο αντίρροπες δυνάμεις μονομαχούσαν: από τη μία η πίεση των φωτονίων που ωθούσε το Σύμπαν στη διαστολή και από την άλλη η δύναμη της βαρύτητας που το συμπίεζε. Ο ανταγωνισμός αυτός προκάλεσε μία ταλάντωση των φωτονίων και της μάζας μεταξύ πυκνών και αραιών περιοχών. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης άφησε ένα πολύ χαρακτηριστικό ίχνος στην ακτινοβολία υποβάθρου και συνεισέφερε στη βαρυτική κατάρρευση ορισμένων περιοχών, καθώς δεν επηρεαζόταν από την πίεση των φωτονίων.

4. Δομές Μεγάλης Κλίμακας

Image credit: “Sloan Digital Sky Survey 1.25 Declination Slice 2013 Data” by M. Blanton and the Sloan Digital Sky Survey.

Το προηγούμενο συμπέρασμα σχετίζεται και με τη διαπίστωση πως στο Σύμπαν υπάρχουν ορισμένες δομές που είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που μπορούν να εξηγηθούν εάν λάβει κανείς υπόψη την ηλικία του. H παρουσία της σκοτεινής ύλης, όπως εξηγήσαμε, δημιούργησε εκτεταμένες περιοχές με υψηλή πυκνότητα που θα μπορούσαν να επιταχύνουν το φαινόμενο της συγκέντρωσης περισσότερης μάζας γύρω από αυτές και συνεπώς των Δομών Μεγάλης Κλίμακας που παρατηρούνται στο σημερινό Σύμπαν.

5. Βαρυτικοί φακοί

Image composite credit: X-ray: NASA / CXC / CfA / M.Markevitch et al.; Optical: NASA / STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA / STScI; ESO WFI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe et al.

Παρατηρήσεις του γαλαξιακού σμήνους της Σφαίρας από τα διαστημικά τηλεσκόπια Χαμπλ και Τσάντρα σε οπτικό μήκος κύματος και σε ακτίνες χ αντίστοιχα, αποτελούν μία ακόμη ένδειξη για τη σκοτεινή ύλη. Το συγκεκριμένο γαλαξιακό σμήνος αποτελείται στην ουσία από δύο σμήνη που συγκρούστηκαν μεταξύ τους, απελευθερώνοντας ένα εξαιρετικά θερμό κύμα αερίων, που αποτελεί το 90% περίπου της φωτεινής τους μάζας.

Βίντεο: Προσομοίωση της γιγαντιαίας σύγκρουσης στο σμήνος της σφαίρας.

Παρατηρήσεις της ίδιας περιοχής με το τηλεσκόπιο Χαμπλ, έδειξαν ένα έντονο φαινόμενο βαρυτικού φακού, το οποίο συμβαίνει όταν μία μεγάλη συγκέντρωση μάζας συγκεντρώνει γύρω της ακτίνες φωτός, όπως ένας μεγεθυντικός φακός συγκεντρώνει τις ακτίνες του Ήλιου. Η φωτεινή μάζα στο σμήνος της Σφαίρας, δεν επαρκεί για να εξηγήσει το βαρυτικό φακό που ανίχνευσε το Χαμπλ, διαφωνία που η ύπαρξη σκοτεινής ύλης παρακάμπτει.

Αυτά είναι πέντε από τα κυριότερα επιχειρήματα υπέρ της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης.

Μια εναλλακτική λύση

To γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη δεν έχει ανιχνευθεί ακόμη δημιουργεί αυθόρμητα το ερώτημα: «μήπως τελικά δεν κατανοούμε σωστά την βαρύτητα; μήπως υπάρχει μια διαφορετική προσέγγιση της βαρύτητας που δεν θα είχε ανάγκη την έννοια της σκοτεινής ύλης;»

Υπάρχουν πολλές ερευνητικές ομάδες που διερευνούν τέτοιες προσεγγίσεις, όπως η θεωρία MOND (MOdified Newtonian Dynamics), η οποία έχει εμφανίσει κάποιες επιτυχίες στην ερμηνεία των κινήσεων γαλαξιών, αλλά δεν μπορούμε να πούμε ακόμα ότι ερμηνεύει το όλο το σύμπαν.

Οι θεωρίες «τροποποιημένης βαρύτητας» αποτελούν ένα αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας σήμερα και κάποιες από αυτές εξακολουθούν να απαιτούν την ύπαρξη σκοτεινής ύλης.

Αλλά περιμένετε, υπάρχουν κι άλλοι λόγοι!

Images credit: NASA / WMAP science team, Gary Steigman (L), of Big Bang Nucleosynthesis and the baryon-to-photon ratio; Michael Murphy, Swinburne U.; HUDF: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) et al. (R), of the Lyman-alpha forest from intervening intergalactic clumps of non-luminous matter.

Οι πέντε λόγοι που αναπτύχθηκαν παραπάνω δεν είναι όλα τα παρατηρησιακά δεδομένα που υποδεικνύουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί της σύνθεσης των πυρήνων που πραγματοποιήθηκε στα πρώτα λεπτά αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη, εξηγούν μεν τις περιεκτικότητες των ελαφρών πυρήνων όπως το Ήλιο που περιέχονται στο σύμπαν, αλλά μας λένε επίσης πως η αφθονία της βαρυονικής ύλης δεν αντιπροσωπεύει το συνολικό περιεχόμενο της μάζας του σύμπαντος που προκύπτει από τις αστρονομικές παρατηρήσεις.

Με λίγα λόγια, η σκοτεινή ύλη υπάρχει και δεν αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια.

Οι παρατηρήσεις απορρόφησης του φωτός γαλαξιών και κβάζαρς από μοριακά μεσοαστρικά νέφη – κυρίως από ουδέτερο αέριο υδρογόνου – μας δίνουν πληροφορίες σχετικά με τη θέση της σκοτεινής ύλης, ακόμη και την επιτρεπόμενη ενέργεια των σωματιδίων της.

Σχεδόν σε οποιοδήποτε σημείο και να κοιτάξουμε, το σύμπαν υπαινίσσεται την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

Η άμεση ανίχνευσή της είναι το επόμενο λογικό βήμα.

Πηγή: medium.com (Amanda Yoho)