Η σκοτεινή ύλη ως υπερρευστό. Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid

A different kind of dark matter could help to resolve an old celestial conundrum. Credit: Markos Kay for Quanta Magazine

O όρος σκοτεινή ύλη χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από περίπου 80 χρόνια από τον αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνειδητοποίησε πως απαιτείται κάποια αόρατη βαρυτική δύναμη για να μην διαφεύγουν οι μεμονωμένοι γαλαξίες από τα γιγάντια σμήνη γαλαξιών. Αργότερα, η Vera Rubin και ο Kent Ford χρησιμοποίησαν την έννοια της αόρατης σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν πως οι ίδιοι οι γαλαξίες συγκρατούν τα συστατικά τους και δεν διαλύονται εξαιτίας της γρήγορης περιστροφής τους.

Παρότι χρησιμοποιούμε κατά κόρον την έννοια της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουμε διάφορες καταστάσεις που παρατηρούμε, στην ουσία δεν κατανοούμε την πραγματική φύση της σκοτεινής ύλης. Ένα απλό θεωρητικό μοντέλο που επιχειρεί να ερμηνεύσει την φύση της υποστηρίζει πως η σκοτεινή ύλη συνίσταται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την ύλη και κινούνται αργά υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτή η αποκαλούμενη «ψυχρή» σκοτεινή ύλη περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια τις δομές μεγάλης κλίμακας όμως τα σμήνη γαλαξιών. Όμως, δυστυχώς μάλλον αποτυγχάνει στην περιγραφή των καμπυλών περιστροφής των μεμονωμένων γαλαξιών. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται πως λειτουργεί διαφορετικά στην κλίμακα αυτή.

Justin Khoury, a physicist at the University of Pennsylvania, co-developed the dark matter superfluid model. Credit: Perimeter Institute

Σε μια πρόσφατη προσπάθεια επίλυσης αυτού του αινίγματος, δυο φυσικοί υποστηρίζουν πως η σκοτεινή ύλη έχει την δυνατότητα μετατροπών φάσης σε διαφορετικές κλίμακες. Οι φυσικοί Justin Khoury, στο πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας και ο Lasha Berezhiani, στο πανεπιστήμιο του Πρίνστον ισχυρίζονται ότι στο ψυχρό και πυκνό περιβάλλον της γαλαξιακής άλω η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται σε ένα υπερρευστό – μια εξωτική κβαντική κατάσταση της ύλης με μηδενικό ιξώδες. Αν η σκοτεινή ύλη μετασχηματίζεται σε υπερρευστό στην γαλαξιακή κλίμακα, τότε υπεισέρχεται μια νέα δυναμική που θα ερμήνευε τις παρατηρήσεις που αδυνατεί να εξηγήσει το μοντέλο της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Στην τεράστια κλίμακα των σμηνών γαλαξιών απουσιάζουν οι ειδικές συνθήκες που απαιτούνται για την δημιουργία μιας υπέρρευστης κατάστασης και η σκοτεινή ύλη συμπεριφέρεται όπως η συμβατική ψυχρή σκοτεινή ύλη.

«Είναι μια κομψή ιδέα» λέει ο Tim Tait, φυσικός στοιχειωδών σωματιδίων σε πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας. Υπάρχουν δυο διαφορετικές φάσεις της σκοτεινής ύλης και αυτή η ιδέα θα μπορούσε να ερευνηθεί σύντομα πειραματικά. Μπορεί τελικά ο γαλαξίας μας να πλέει μέσα σε μια θάλασσα υπερρευστού.

Η απίστευτη συμπεριφορά των υπερρευστών

This illustration shows quantum vortices on the surface of a nano-droplet of superfluid helium. In the background is a wheel-shaped superfluid helium drop. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory

Tα υπερρευστά δημιουργούνται στα εργαστήρια από το 1938 και απαιτούνται πολύ χαμηλές θερμοκρασίες για να εκδηλωθούν μακροσκοπικά οι κβαντικές τους ιδιότητες. Ο πρώτος που παρατήρησε υπερρευστό στο εργαστήριο ήταν ο Ολλανδός φυσικός Kamerlingh Onnes. Στα πειράματά του παρατήρησε πως το υγρό ήλιο κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ εμφάνιζε εξωτικές ιδιότητες. Ο βρασμός του ηλίου σταματούσε και το υγρό παρέμενε εντελώς ακίνητο. Οι ιδιότητές του άλλαζαν δραματικά, για παράδειγμα το ιξώδες του μειωνόταν απότομα κατά ένα εκατομμύριο φορές! Το υγρό ήλιο κάτω από την κρίσιμη αυτή θερμοκρασία μπορεί να ανεβαίνει στα τοιχώματα του δοχείου που το περιέχει και να χύνεται από το χείλος του προς τα έξω, και αντιστρόφως.

Κι όμως ο Onnes δεν ανακοίνωσε την μεγάλη αυτή ανακάλυψη, ίσως γιατί δεν πίστευε αυτό που έβλεπε.

Το υπερρευστό ήλιο και η συμπύκνωση Bose

Δείτε την εξωτική συμπεριφορά του υπερρευστού ηλίου. Helium becomes superfluid and displays amazing properties.

Τα μυστηριώδη φαινόμενα που εμφανίζει το υπερρευστό ήλιο έχουν την βάση τους στον διαχωρισμό των βασικών σωματιδίων της ύλης σε φερμιόνια (ημιακέραιο σπιν) και μποζόνια (ακέραιο σπιν). Τα φερμιόνια (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια και γενικότερα τα σωματίδια της «ύλης») υπακούουν στην απαγορευτική αρχή του Pauli, κάτι που αρνούνται πεισματικά τα μποζόνια ( π.χ. φωτόνια, γλοιόνια και γενικότερα οι φορείς των δυνάμεων). Ο ινδός φυσικός Sateyndra Bose (εξού και το όνομα μποζόνια), σε συνεργασία με τον Albert Einstein το 1924 διατύπωσαν την θεωρία της συμπύκνωσης των μποζονίων στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση: κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, τα μποζόνια «συμπυκνώνονται» χωρίς την επενέργεια ελκτικών δυνάμεων. Αρχικά το φαινόμενο αυτό θεωρήθηκε πως ήταν εντελώς θεωρητικό, μέχρι το 1938 όταν οι πειραματικοί τόλμησαν να δημοσιεύσουν τις παρατηρήσεις τους σχετικά με το υγρό ήλιο. Το ήλιο περιέχει στον πυρήνα του δυο πρωτόνια και δυο νετρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια με ημιακέραιο σπιν.

Συνολικά όμως το σπιν του ⁴He είναι ακέραιος αριθμός, συνεπώς συμπεριφέρεται ως μποζόνιο. Οι ιδιότητες του υγρού ηλίου κάτω από την θερμοκρασία των 2 Κ είναι αποτέλεσμα της «συμπύκωνσης» των ατόμων του ηλίου στην χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Τότε όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, κι αυτό εμφανίζεται στην συμπεριφορά τους ως μια μορφή «συνεργασίας» προκαλώντας τις εξωτικές ιδιότητές. Δεν είναι τίποτε άλλο παρά άλλη μια εκδήλωση των ιδιομορφιών της κβαντικής στον μακρόκοσμο.

Αξίζει να σημειωθεί και η περίπτωση του ισοτόπου του ηλίου ³He που στον πυρήνα του περιέχει δυο πρωτόνια και ένα νετρόνιο. Διαθέτει λοιπόν ημιακέραιο σπιν και συμπεριφέρεται ως φερμιόνιο. Πράγματι λοιπόν κάτω από την θερμοκρασία των 2,17 Κ δεν εμφανίζει την υπερρευστότητα του ⁴He. Όμως, στην εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία των 0,002 Κ εμφανίζεται μια νέα μορφή υπερρευστότητας εξαιτίας της συμπύκνωσης Bose. Πως γίνεται τα φερμιόνια να συμπυκνώνονται σαν μποζόνια; Απλά, στην χαμηλή αυτή θερμοκρασία οι ασθενέστατες ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των ατόμων του ηλίου ³He είναι ικανές να δημιουργούν ζεύγη ατόμων ηλίου ³He, τα οποία συνολικά έχουν ακέραιο σπιν, οπότε συμπεριφέρονται ως μποζόνια!

Τα υπερρευστά μπορεί να μην εμφανίζονται στην καθημερινή ζωή, εμφανίζονται όμως στο εσωτερικό των άστρων νετρονίων και κάποιοι φυσικοί υποθέτουν πως ο χωροχρόνος μπορεί να συμπεριφέρεται ως υπερρευστό.

Γιατί λοιπόν και η σκοτεινή ύλη να μην εμφανίζει επίσης μια υπερρευστή φάση;

Ένα διαφορετικό είδος σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λύσει ένα παλιό αστροφυσικό αίνιγμα. Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Για να δημιουργηθεί ένα υπερρευστό από μια συλλογή σωματιδίων απαιτούνται δυο πράγματα: η συσσώρευση των σωματιδίων σε πολύ μεγάλες πυκνότητες και η ψύξη τους σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Στο εργαστήριο οι φυσικοί περιορίζουν τα σωματίδια σε μια ηλεκτρομαγνητική παγίδα και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας λέιζερ ελαττώνουν την κινητική ενέργεια των σωματιδίων, μειώνοντας έτσι την θερμοκρασία λίγο πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Μέσα στους γαλαξίες, τον ρόλο της ηλεκτρομαγνητικής παγίδας, θα μπορούσε να παίξει η βαρυτική έλξη του γαλαξία, η οποία θα μπορούσε να συμπυκνώσει την σκοτεινή ύλη τόσο ώστε να ικανοποιεί την συνθήκη πυκνότητας των υπερρευστών. Η απαίτηση για πολύ χαμηλή θερμοκρασία μπορεί ικανοποιείται εύκολα. Ο θερμοκρασία του διαστήματος είναι από μόνη της  πολύ χαμηλή.

Όμως τι το σημαντικό προσφέρει η θεώρηση της σκοτεινής ύλης ως υπερρευστό; Πως μπορεί αυτή η ειδική φάση-κατάσταση να αλλάξει τον τρόπο που η σκοτεινή ύλη φαίνεται να συμπεριφέρεται;

Αυτή η προσέγγιση είναι μοναδική γιατί δείχνει πως το υπερρευστό μπορεί να οδηγήσει σε μια έξτρα δύναμη.

Στη φυσική αν «διαταράξετε» ένα πεδίο είναι πιθανό να δημιουργήσετε ένα κύμα. «Ανακινείστε» μερικά ηλεκτρόνια, π.χ. σε μια κεραία και θα πάρετε ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Διαταράξτε ένα βαρυτικό πεδίο με δυο συγκρουόμενες μαύρες τρύπες και θα δημιουργήσετε βαρυτικά κύματα.

Ο «δεύτερος ήχος» στο υπερρευστό ήλιο. A 1963 film by Alfred Leitner demonstrating the remarkable properties of liquid helium when cooled below the lambda point (the superfluid state). Heat is conducted at 20 M/s in a way which is totally different to convention heat conduction.

Παρομοίως αν διαταράξετε ένα υπερρευστό, θα παραχθούν φωνόνια – ηχητικά κύματα στο ίδιο το υπερρευστό. Στο υπερρευστό ήλιο, για παράδειγμα, έχουν παρατηρηθεί ηχητικά κυματοπακέτα, δηλαδή τοπικές διαταραχές πυκνότητας, ενώ συνολικά η πυκνότητα δεν μεταβάλλεται. Το φαινόμενο ονομάστηκε «δεύτερος ήχος».

Αυτά τα φωνόνια είναι που δημιουργούν μια επιπλέον δύναμη, εκτός από τη βαρύτητα, που είναι ανάλογη με την ηλεκτροστατική δύναμη των φορτισμένων σωματιδίων. Σύμφωνα με τον Khoury, «η εμφάνιση της δύναμης αυτής, εγγενώς συνδεδεμένης με την σκοτεινή ύλη, θα μπορούσε να εξηγήσει την αινιγματική της συμπεριφορά στους γαλαξίες».

Ένα διαφορετικό σωματίδιο σκοτεινής ύλης

The laws of physics work both forward and backward in time. So why does time seem to move in only one direction? One potential answer may also reveal the secrets of the universe’s missing mass. Credit: Matthew DiVito; modified for Quanta Magazine

Οι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης προσπαθούν εδώ και χρόνια να ανιχνεύσουν τα υποθετικά σωματίδια σκοτεινής ύλης, τα WIMPs. Πρόκειται για σωματίδια με μάζα που αλληλεπιδρούν ασθενώς με την ύλη, η ύπαρξη των οποίων θα μπορούσε να εξηγηθεί με θεωρίες πέραν του καθιερωμένου Προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Όμως, δυστυχώς μέχρι σήμερα, κανείς δεν είδε κανένα WIMP. Καθώς περνάει ο χρόνος, οι ελπίδες ανίχνευσής τους εξανεμίζονται και οι φυσικοί στρέφονται σε άλλες ερμηνείες για την συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που θα έκαναν την ιδέα της υπερρευστότητας της σκοτεινής ύλης να λειτουργήσει σίγουρα δεν είναι τα WIMPs. Τα WIMPs έχουν πολύ μεγάλη μάζα (100 φορές την μάζα του πρωτονίου), ενώ για να δουλέψει το σενάριο του Khoury τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να έχουν ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη μάζα. Οπότε θα πρέπει να υπάρχουν δισεκατομμύρια φορές περισσότερα σωματίδια σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, έτσι ώστε να δημιουργούν τα βαρυτικά φαινόμενα και την συμπύκνωση που απαιτείται για τον σχηματισμό υπερρευστού. Εκτός αυτού τα WIMPs δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, ενώ τα σωματίδια της υπερρευστής σκοτεινής ύλης απαιτεί έντονα αλληλεπιδρώντα μεταξύ τους σωματίδια.

Ο καλύτερος υποψήφιος είναι το αξιόνιο, ένα υποθετικό σωματίδιο με μάζα 10.000 τρισ. τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από την μάζα του ηλεκτρονίου. Σύμφωνα με τον Chanda Prescod-Weinstein, θεωρητικό φυσικό στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, τα αξιόνια θα μπορούσαν να δημιουργήσουν συμπύκνωμα Bose-Einstein.

Όμως το κλασικό αξιόνιο δεν ανταποκρίνεται στις ανάγκες του μοντέλου των Khoury και Berezhiani. Στο μοντέλο τους τα σωματίδια θα πρέπει να αισθάνονται μια ισχυρή απωστική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Τα συνηθισμένα μοντέλα αξιονίων περιλαμβάνουν αλληλεπιδράσεις ασθενείς και ελκτικές. Το ζήτημα αυτό είναι ακόμα υπό διερεύνηση.

Πειραματική επιβεβαίωση της υπερρευστής σκοτεινής ύλης

Κβαντικοί στρόβιλοι στο υπερρευστό ήλιο. Visualization of quantized vortices in superfluid helium using frozen particles done at the University of Maryland. Video by Enrico Fonda

Το επόμενο βήμα για τους Khoury και Berezhiani είναι να βρεθεί ένας τρόπος πειραματικού ελέγχου του μοντέλου τους – να ανιχνευθεί κάποιο σημάδι που θα διέκρινε την ιδέα της υπερρευστής ύλης από την συνήθη ψυχρή σκοτεινή ύλη.

Μια τέτοια δυνατότητα θα μπορούσε να δώσει ο στροβιλισμός της σκοτεινής ύλης. Στο εργαστήριο, τα περιστρεφόμενα υπερρευστά δημιουργούν στροβίλους που συνεχίζουν χωρίς ποτέ να χάνεται ενέργεια. Η υπερρευστή σκοτεινή ύλη στην άλω ενός γαλαξία πρέπει να περιστρέφεται αρκετά γρήγορα παράγοντας συστοιχίες στροβίλων. Αν οι στροβιλισμοί ήταν τεράστιοι και ισχυροί θα μπορούσαμε να τους ανιχνεύσουμε άμεσα.

Δυστυχώς όμως αυτό μάλλον είναι απίθανο. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστές δείχνουν ότι οι δίνες της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης είναι πολύ αδύναμες. Ίσως διαμέσου του φαινομένου του βαρυτικού φακού να μπορούσε κανείς να δει κάποια φαινόμενα σκέδασης, παρόμοια με αυτά που προκαλεί ένας κρύσταλλος που σκεδάζει το φως των ακτίνων Χ που διέρχονται μέσα από αυτόν.

Οι αστρονόμοι θα μπορούσαν επίσης να αναζητήσουν έμμεσες ενδείξεις της υπέρρευστης σκοτεινής ύλης παρατηρώντας συγχωνεύσεις γαλαξιών.

Η ταχύτητα σύγκρουσης των γαλαξιών θα έπρεπε να επηρεάζεται από την επονομαζόμενη δυναμική τριβή. Όταν ένα μεγάλο σώμα διασχίζει μια «θάλασσα» σωματιδίων, τότε τα σωματίδια παρασύρονται και το μεγάλο σώμα επιβραδύνεται λίγο. Αν όμως η σκοτεινή ύλη των γαλαξιών βρίσκεται σε υπερρευστή κατάσταση τότε δεν θα υπάρχει τέτοια τριβή. Η απουσία της δυναμικής τριβής θα άφηνε την «υπογραφή» της στην εξέλιξη της συγχώνευσης των γαλαξιών, αποδεικνύοντας έμμεσα την ύπαρξη της υπερρευστότητας.

Τελικά, ίσως τέτοιου είδους θεωρίες, όπως της υπερρευστής σκοτεινής ύλης, να μας αποπροσανατολίζουν και να μην βλέπουμε κάτι πιο θεμελιώδες, όμως αξίζει να διερευνηθούν μέχρι τέλους. Θα ήταν πράγματι πολύ εντυπωσιακό τα υπερρευστά που δημιουργήθηκαν τεχνητά στο εργαστήριο να υπάρχουν στη φύση σε γαλαξιακή κλίμακα.

Πηγές: «Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid», Jennifer Ouellette - physicsgg