Λύθηκε το «αίνιγμα» της σκοτεινής ύλης; Astronomers may have detected the first direct evidence of dark matter

Η ροή των αξιονίων από τον Ήλιο (μπλε) και η μετατροπή τους σε ακτίνες Χ (πορτοκαλί) οι οποίες ανιχνεύονται από το παρατηρητήριο XMM-Newton. A sketch (not to scale) showing axions (blue) streaming out from the Sun, converting in the Earth's magnetic field (red) into X-rays (orange), which are then detected by the XMM-Newton observatory. Credit: University of Leicester.

Ανακάλυψη του βρετανικού πανεπιστήμιου του Λέστερ υποδεικνύει πως η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αξιόνια, ανοίγοντας έτσι τον δρόμο για την πληρέστερη κατανόηση του σύμπαντος.

Ένα «αφύσικο» σήμα από το ευρωπαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο XMM-Newton φαίνεται να αποτελεί την πρώτη άμεση ανίχνευση σκοτεινής ύλης και να εξηγεί από ποια σωματίδια αυτή αποτελείται, υποστηρίζουν αστρονόμοι από το βρετανικό πανεπιστήμιο του Λέστερ.

Τα ευρήματα των επιστημόνων, τα οποία περιγράφονται σε άρθρο τους στην επόμενη έκδοση του περιοδικού «Monthly Notices» της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας, είναι πιθανό να χρειασθούν χρόνια για να επιβεβαιωθούν. Ωστόσο, σε μια τέτοια περίπτωση, θα πρόκειται για μια ιστορική ανακάλυψη, που θα δώσει τη δυνατότητα να κατανοηθεί το σύμπαν πολύ πληρέστερα απ’ ό,τι σήμερα.

Η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη, καθώς δεν εκπέμπει ούτε ανακλά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Παρ’ όλα αυτά παίζει καταλυτικό ρόλο στη δομή του σύμπαντος, αφού η ύπαρξή της αποτελεί τη μοναδική εξήγηση για την περιστροφική κίνηση των αστέρων που βρίσκονται στις παρυφές των γαλαξιών. Έτσι, αν και μέχρι σήμερα δεν έχει ανιχνευθεί άμεσα, υπολογίζεται πως αναλογεί στο 23% του σύμπαντος, συγκριτικά με το 4% που αντιστοιχεί στη συμβατική «ορατή» ύλη.

First direct detection of dark matter, thought to make up most of the matter in the universe, would be a historic breakthrough. Particles of dark matter called axions may stream from the core of the sun and produce x-rays when they slam into the Earth’s magnetic field. Illustration: Alamy

Το σήμα εντοπίσθηκε από τους αστρονόμους του πανεπιστημίου του Λέστερ κατά την ανάλυση των δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο XMM-Newton της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας, το οποίο καταγράφει την ακτινοβολία Χ. Πιο συγκεκριμένα, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι οι μετρήσεις παρουσίαζαν 10% αύξηση όταν το τηλεσκόπιο «σάρωνε» τα όρια του γήινου μαγνητικού πεδίου που βρίσκονται απέναντι από τον Ήλιο.

Η παρατήρηση αυτή ήταν αναπάντεχη, αφού αφαιρώντας την ακτινοβολία Χ από τις πιο ισχυρές πηγές, όπως τους αστέρες και τους γαλαξίες, κανονικά οι μετρήσεις θα έπρεπε να είναι παρόμοιες σε όλες τις περιοχές. Επειδή κανένα συμβατικό μοντέλο δεν μπορούσε να εξηγήσει την ανωμαλία, οι επιστήμονες στράφηκαν σε εναλλακτικές θεωρίες, διαπιστώνοντας πως μόνο ένας συγκεκριμένος μηχανισμός θα μπορούσε να την εξηγήσει.

Ο μηχανισμός αυτός προβλέπει την ύπαρξη των αξιονίων, θεωρητικών σωματιδίων τα οποία έχουν προταθεί εδώ και χρόνια για συστατικά της σκοτεινής ύλης. Τα αξιόνια εκπέμπονται από τον Ήλιο, προτείνουν οι επιστήμονες, αφού πρώτα παραχθούν στον πυρήνα του. «Ταξιδεύοντας» στο διάστημα, όσα σωματίδια φτάνουν στις παρυφές του γήινου μαγνητικού πεδίου εκπέμπουν ακτινοβολία Χ, κάτι που θα δικαιολογούσε την αύξησή της που παρατηρείται τοπικά.

The senior author on the study, George Fraser, died the day after the report was submitted to the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. In the paper, he wrote: “It appears plausible that axions – dark matter particle candidates – are indeed produced in the core of the sun and do indeed convert to x-rays in the magnetic field of the Earth.” Professor George Fraser (1955-2014), late Director of the University of Leicester Space Research Centre. Credit: University of Leicester.

Όπως είναι φυσικό, για να αποκλειστεί οποιαδήποτε άλλη πιθανή εξήγηση, η θεωρία θα πρέπει να επαληθευτεί από επόμενα ανεξάρτητα πειράματα. «Πάντως, η ανακάλυψη θέτει σοβαρή υποψηφιότητα να επιδράσει με καταλυτικό τρόπο όχι μόνο στην καλύτερη κατανόηση των πηγών ακτινοβολίας Χ στο σύμπαν, αλλά και στον προσδιορισμό της φύσης της σκοτεινής ύλης», σημειώνει στο σάιτ του βρετανικού πανεπιστημίου ο καθηγητής και επικεφαλής της έρευνας Άντι Ριντ.

Την ίδια άποψη συμμερίζεται ο Μάρτιν Μπάρστοου, πρόεδρος της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας και επίσης καθηγητής στο Λέστερ. «Πρόκειται για ένα συναρπαστικό αποτέλεσμα. Αν επιβεβαιωθεί, θα πρόκειται για την πρώτη φορά που εντοπίσθηκαν άμεσα και ταυτοποιήθηκαν τα σωματίδια σκοτεινής ύλης, με τεράστιες συνέπειες για τις θεωρίες μας για το σύμπαν».

Πηγές: naftemporiki.gr – /www.ras.org.uk

Φρέσκος πάγος φωτογραφήθηκε στον καυτό Ερμή. First Photos of Water Ice on Mercury Captured by NASA Spacecraft

Αριστερά, ο κρατήρας Καντίνσκι σε εικόνες ορατού φωτός. Η ρύθμιση της αντίθεσης και της φωτεινότητας στη δεξιά εικόνα αποκαλύπτει αποθέσεις πάγου. Polar stereographic about the north pole, with 180° E to the top. Kandinsky crater is located near Mercury's north pole and shows evidence for hosting water ice. The floor of Kandinsky is in permanent shadow and never receives direct sunlight, keeping it very cold. However, by using sunlight scattered off the crater's walls and the WAC broadband clear filter, MDIS was able to capture this image that reveals the details of the shadowed surface! The WAC broadband image is shown on the left, outlined in yellow and overlain on an MDIS polar mosaic. The view on the right shows the same image but with the brightness and contrast stretched to show the details of the crater's shadowed floor. Read more about the recently published study using this image and others in this news story. Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Η επιφάνεια του Ερμή, του πλησιέστερου στον Ήλιο πλανήτη, είναι αρκετά ζεστή για να λιώσει μολύβι. Κι όμως, στους πόλους αυτού του καυτού κόσμου υπάρχουν περιοχές βυθισμένες στο αιώνιο σκοτάδι, περιοχές που έκρυβαν έναν άσπρο θησαυρό: πάγο νερού, που φαίνεται μάλιστα να περιέχει οργανικές ουσίες.

Οι πρώτες ενδείξεις για τον πάγο του Ερμή ήρθαν από επίγεια διαπλανητικά ραντάρ που σάρωσαν τον πλανήτη πριν από περίπου 20 χρόνια. Μέχρι σήμερα, όμως, όλες οι ενδείξεις ήταν έμμεσες. Τώρα, οι υπεύθυνοι της αποστολής Messenger της NASA, της πρώτης που τίθεται σε τροχιά γύρω από τον μικρό Ερμή, παρουσιάζουν τις πρώτες πραγματικές φωτογραφίες του πάγου -εικόνες στο φάσμα του ορατού φωτός.

Ο πάγος βρίσκει... τρόπο

The top image shows a view of Berlioz crater, with the areas that contain radar-bright material marked in yellow and persistent shadows marked in red. The middle image, acquired a few hours later, shows details within the shadowed crater. A distinctively darker region sits on the crater's floor, which corresponds well with the radar-bright and shadowed regions as shown in the bottom image. Image released Oct. 15, 2014. Credit: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington

Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς το νερό παραμένει παγωμένο σε έναν κόσμο όπου η επιφανειακή θερμοκρασία φτάνει τους 430 βαθμούς τη διάρκεια της ημέρας (λόγω της έλλειψης ατμόσφαιρας το θερμόμετρο πέφτει στους -170 τη νύχτα).

Στους πόλους, όμως, υπάρχουν κρατήρες των οποίων ο πυθμένας δεν δέχεται ποτέ τη λιακάδα (χάρη στο γεγονός ότι ο άξονας περιστροφής του πλανήτη είναι σχεδόν κάθετος στο επίπεδο της τροχιάς του, περιορίζοντας έτσι το φως που φτάνει στους πόλους). Πάγος έχει ανακαλυφθεί εξάλλου και σε αιώνια σκοτεινούς κρατήρες στους πόλους της Σελήνης.

Το 2012, το Messenger επιβεβαίωσε τις υποψίες για την παρουσία πάγου με φασματοσκοπικές παρατηρήσεις που αποκάλυψαν την παρουσία υδρογόνου, συστατικού του νερού. Τώρα, όμως, οι ερευνητές της αποστολής παρουσιάζουν εικόνες ορατού φωτός από την ευρυγώνια κάμερα του σκάφους. «Οι εικόνες δείχνουν εκτεταμένες περιοχές με χαρακτηριστικές ανακλαστικές ιδιότητες» εξηγεί η Νάνσι Σάμποτ, μέλος της ομάδας οργάνων του Messenger στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς και πρώτη συγγραφέας της νέας δημοσίευσης στην επιθεώρηση «Geology».

Τα χαρακτηριστικά

NASA's Messenger Mission to Mercury (Infographic). Credit: Karl Tate, SPACE.com Infographics Artist

Επιπλέον, οι αποθέσεις πάγου δείχνουν να είναι σχετικά νέες, αφού καλύπτουν υποκείμενους κρατήρες και άρα πρέπει να είναι νεότερες από αυτούς. Επιπλέον, σε αρκετές περιοχές ο πάγος περιέχει σκούρες αποθέσεις, πιθανότατα από παγωμένα οργανικά υλικά. Το περίγραμμα των αποθέσεων είναι καθαρό και όχι θολωμένο όπως θα περίμενε κανείς αν οι αποθέσεις είχαν αναμειχθεί με τον γύρο πάγο από τη διάβρωση ή προσκρούσεις αστεροειδών.

It has been estimated that there may be up to 1 trillion metric tons of water ice on Mercury. Scientist David Lawerence explains how NASA's MESENGER mission's neutron spectroscopy data contributed to the find.

Στη Σελήνη, ο πάγος νερού που έχει ανακαλυφθεί στους πόλους έχει εντελώς διαφορετικά χαρακτηριστικά, πιθανώς επειδή είναι πολύ αρχαιότερος. Η μελέτη του πάγου στον Ερμή θα μπορούσε τώρα να προσφέρει νέα στοιχεία για την κατανομή το νερού, ίσως και των οργανικών υλικών στα οποία βασίζεται η ζωή, σε ολόκληρο το Ηλιακό Σύστημα. Παραμένει ωστόσο άγνωστος πώς ο καυτός Ερμής απέκτησε νερό -αυτό είναι ένα ερώτημα που μένει τώρα να απαντηθεί.

Τα μιτοχόνδρια των κυττάρων μας «ήταν κάποτε παράσιτα». Cells' powerhouses were once energy parasites: Study upends current theories of how mitochondria began

Εντυπωσιακή ανακάλυψη για την πορεία της ζωής στα πρώτα χρόνια της ύπαρξης της στη Γη. Parasitic bacteria were the first cousins of the mitochondria that power cells in animals and plants -- and first acted as energy parasites in those cells before becoming beneficial, according to a new study. Artist's 3-D rendering of mitochondria (stock illustration). Credit: © Mopic / Fotolia

Μια εξέλιξη κεφαλαιώδους σημασίας για την πορεία της ζωής συνέβη στη Γη πριν από δύο δισεκατομμύρια χρόνια: τα κύτταρα των προγόνων μας απορρόφησαν βακτήρια και τα στρατολόγησαν για την παραγωγή ενέργειας. Μια νέα μελέτη υποστηρίζει τώρα ότι η σχέση αυτή ξεκίνησε αντίστροφα, με τα βακτήρια να κλέβουν πολύτιμη ενέργεια.

Το μυστήριο

Όλοι οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, από τα φύκια μέχρι τον άνθρωπο, βασίζονται στα μιτοχόνδρια για την παραγωγή ενέργειας. Mitochondria are considered to be the power center of the cell. Their origin 2 billion years ago, however, is unclear. Recent studies have shown that mitochondria were energy parasites before they became useful to their hosts. (Photo: Commons)

Από τις αρχές του 20ού αιώνα, οι βιολόγοι προσπαθούν να δώσουν απάντηση σε ένα μεγάλο μυστήριο που αφορά την εξέλιξη των λεγόμενων ευκαρυωτικών οργανισμών, όπως ο άνθρωπος, τα φυτά και τα ζώα, οι οποίοι διαφέρουν σε κυτταρικό επίπεδο από τους λεγόμενους προκαρυωτικούς οργανισμούς όπως τα βακτήρια.

Το μυστήριο αφορά τα μιτοχόνδρια, δομές που μετατρέπουν τις τροφές σε χημική ενέργεια μέσα σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Τα οργανίδια αυτά διαθέτουν το δικό τους γενετικό υλικό και η σύστασή τους παραπέμπει περισσότερο σε βακτήρια.

Σύμφωνα με την κρατούσα θεωρία, τα μιτοχόνδρια θυμίζουν βακτήρια επειδή στην πραγματικότητα προέρχονται από βακτήρια που απορροφήθηκαν από τους προγόνους των ευκαρυωτικών κυττάρων και με κάποιο τρόπο κατάφεραν να επιζήσουν στο εσωτερικό τους.  Είναι η λεγόμενη θεωρία της ενδοσυμβίωσης, σύμφωνα με την οποία αυτή η ιδιόμορφη κατάσταση συγκατοίκησης ήταν ωφέλιμη και για τις δύο πλευρές: τα βακτήρια απέκτησαν ένα ασφαλές σπίτι, ενώ τα ευκαρυωτικά κύτταρα βρήκαν έναν πιο αποτελεσματικό τρόπο να παράγουν ενέργεια.

Το καινούργιο σενάριο

Study suggests new theory for how cellular mitochondria evolved to power plant and animal cells. Researchers say the went from parasites to power plants. The findings were published in the journal PLOS ONE. (Photo : Kelvinsong, Wikipedia, Creative Commons

Η νέα θεωρία, την οποία διατυπώνουν αμερικανοί ερευνητές στην επιθεώρηση «PLoS ONE», είναι ουσιαστικά ένα εναλλακτικό σενάριο στη θεωρία της ενδοσυμβίωσης. «Υποστηρίζουμε ότι οι σημερινές θεωρίες [...] είναι πιθανώς λανθασμένες» λέει ο Μάρτιν Γου του Πανεπιστημίου της Βιρτζίνια, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. «Εμείς πιστεύουμε ότι η σχέση ήταν ανταγωνιστική -ότι τα βακτήρια ήταν παρασιτικά και έγιναν ωφέλιμα πολύ αργότερα» εξηγεί.

Με άλλα λόγια, τα βακτήρια από τα οποία προήλθαν τα μιτοχόνδρια ζούσαν αρχικά κλέβοντας ενέργειας από τον ξενιστή τους. Αργότερα, όμως, η διαδικασία αντιστράφηκε, και τα σημερινά μιτοχόνδρια τροφοδοτούν τα ευκαρυωτικά κύτταρα με ενέργεια υπό τη μορφή μορίων ATP -το ενεργειακό νόμισμα των περισσότερων μορφών ζωής.

Οι ερευνητές βασίζουν την υπόθεσή τους στην ανάλυση των γονιδιωμάτων 18 ειδών βακτηρίων που θεωρούνται στενοί συγγενείς των μιτοχονδρίων. «Ανακατασκευάσαμε το γονιδιακό περιεχόμενο των μιτοχονδριακών προγόνων, αναλύοντας το DNA των στενών συγγενών τους, και προβλέψαμε ότι επρόκειτο για παράσιτα που έκλεβαν ενέργεια από τον ξενιστή τους στη μορφή του ATP -ακριβώς το αντίθετο από ό,τι συμβαίνει σήμερα» αναφέρει ο Δρ Γου.

Η θεωρία απέχει βέβαια πολύ από το να επιβεβαιωθεί, ωστόσο τα ευρήματα της μελέτης θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κατανόηση ανθρώπινων ασθενειών που οφείλονται σε δυσλειτουργίες των μιτοχονδρίων. Θα μπορούσε επίσης να επηρεάσει την πορεία των ερευνών για ένα άλλο οργανίδιο των σύγχρονων οργανισμών που πιστεύεται ότι προέρχεται από συμβιωτικά βακτήρια: τους χλωροπλάστες, τα οργανίδια των φυτών που αναλαμβάνουν τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης.