Σκοτεινή ύλη, 11 αναπάντητα ερωτήματα

Στη δεκαετία του 1930, ένας Ελβετός αστρονόμος ονόματι Φριτζ Τσουίκι παρατήρησε ότι οι γαλαξίες σε ένα μακρινό σμήνος περιφέρονταν ο ένας γύρω από τον άλλο πολύ πιο γρήγορα από ό,τι θα έπρεπε να τους είχε δοθεί η ποσότητα της ορατής μάζας που είχαν. Πρότεινε ότι μια αόρατη ουσία, την οποία ονόμασε σκοτεινή ύλη, μπορεί να έλκεται βαρυτικά σε αυτούς τους γαλαξίες.

Έκτοτε, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι αυτό το μυστηριώδες υλικό μπορεί να βρεθεί σε όλο τον κόσμο και ότι είναι έξι φορές πιο άφθονο από την κανονική ύλη που αποτελείται από συνηθισμένα πράγματα όπως τα αστέρια και οι άνθρωποι. Ωστόσο, παρά το γεγονός ότι βλέπουν τη σκοτεινή ύλη σε όλο το σύμπαν, οι επιστήμονες ως επί το πλείστον εξακολουθούν να προβληματίζονται γι′ αυτήν.

Στο αφιέρωμα αυτό προσπαθούμε να εξηγήσουμε τα 11 μεγαλύτερα αναπάντητα ερωτήματα σχετικά με τη σκοτεινή ύλη.

1.Τι είναι η σκοτεινή ύλη;

Πρώτον και ίσως το πιο περίεργο, οι ερευνητές παραμένουν αβέβαιοι για το τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ύλη. Αρχικά, ορισμένοι επιστήμονες υπέθεσαν ότι η μάζα που λείπει στο σύμπαν αποτελούνταν από μικρά αμυδρά αστέρια και μαύρες τρύπες, αν και λεπτομερείς παρατηρήσεις δεν έχουν βρει σχεδόν αρκετά τέτοια αντικείμενα για να εξηγήσουν την επιρροή της σκοτεινής ύλης, όπως ο φυσικός Ντον Λίνκολν του Υπουργείου των ΗΠΑ.

2. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε τη σκοτεινή ύλη;

Εάν η σκοτεινή ύλη είναι κατασκευασμένη από WIMP (σ.σ Τα ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια είναι υποθετικά σωματίδια που είναι ένας από τους προτεινόμενους υποψηφίους για τη σκοτεινή ύλη), θα πρέπει να είναι παντού γύρω μας, αόρατα και ελάχιστα ανιχνεύσιμα. Γιατί λοιπόν δεν έχουμε βρει ακόμα; Αν και δεν θα αλληλεπιδρούσαν πολύ με τη συνηθισμένη ύλη, υπάρχει πάντα μια μικρή πιθανότητα ότι ένα σωματίδιο της σκοτεινής ύλης μπορεί να χτυπήσει ένα κανονικό σωματίδιο όπως ένα πρωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο καθώς ταξιδεύει στο διάστημα.

Έτσι, οι ερευνητές κατασκεύασαν πειράματα για να μελετήσουν τεράστιους αριθμούς συνηθισμένων σωματιδίων βαθιά κάτω από το έδαφος, όπου προστατεύονται από την παρεμβαλλόμενη ακτινοβολία που θα μπορούσε να μιμηθεί μια σύγκρουση σκοτεινής ύλης-σωματιδίου. Το πρόβλημα; Μετά από δεκαετίες αναζήτησης, κανένας από αυτούς τους ανιχνευτές δεν έχει κάνει μια αξιόπιστη ανακάλυψη.

Νωρίτερα φέτος, το κινεζικό πείραμα PandaX ανέφερε την τελευταία μη ανίχνευση WIMP. Φαίνεται πιθανό ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι πολύ μικρότερα από τα WIMP ή στερούνται των ιδιοτήτων που θα τα καθιστούσαν εύκολη τη μελέτη τους, είπε ο φυσικός Χαι-Μπο Γιου από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Ρίβερσάιντ, στο Live Science εκείνη την εποχή.

3. Η σκοτεινή ύλη αποτελείται από περισσότερα από ένα σωματίδια;

Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από καθημερινά σωματίδια όπως πρωτόνια και ηλεκτρόνια, καθώς και από έναν ολόκληρο «ζωολογικό κήπο» από πιο εξωτικά σωματίδια όπως τα νετρίνα, τα μιόνια και τα πιόνια. Έτσι, ορισμένοι ερευνητές αναρωτήθηκαν εάν η σκοτεινή ύλη, η οποία αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν, μπορεί επίσης να είναι εξίσου περίπλοκη. «Δεν υπάρχει καλός λόγος να υποθέσουμε ότι όλη η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν είναι κατασκευασμένη από έναν τύπο σωματιδίου», δήλωσε ο φυσικός Άνρτρει Κάτζ του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ στο Space.com, τον αδελφό ιστότοπο του Live Science.

Τα σκοτεινά πρωτόνια θα μπορούσαν να συνδυαστούν με τα σκοτεινά ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν σκοτεινά άτομα, δημιουργώντας διαμορφώσεις τόσο διαφορετικές και ενδιαφέρουσες όσο αυτές που βρίσκονται στον ορατό κόσμο, είπε ο Κάτζ.

4. Υπάρχουν σκοτεινές δυνάμεις;

Μερικοί ερευνητές έψαξαν για «σκοτεινά φωτόνια», τα οποία θα ήταν σαν τα φωτόνια που ανταλλάσσονται μεταξύ κανονικών σωματιδίων που προκαλούν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, με τη διαφορά ότι θα γίνονται αισθητά μόνο από τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης.

Οι φυσικοί στην Ιταλία ετοιμάζονται να «συνθλίψουν» μια δέσμη ηλεκτρονίων και τα αντισωματίδιά τους, γνωστά ως ποζιτρόνια, σε ένα διαμάντι, όπως ανέφερε προηγουμένως το Live Science.

Εάν υπάρχουν σκοτεινά φωτόνια, τα ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων θα μπορούσαν να εκμηδενίσουν και να παράγουν ένα από τα περίεργα σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη, ανοίγοντας ενδεχομένως έναν ολοκαίνουργιο τομέα του σύμπαντος.

5. Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από αξιόνια;

Καθώς οι φυσικοί ολοένα και περισσότερο «ερωτεύονται» τα WIMP, άλλα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αρχίζουν να κερδίζουν εύνοια. Μία από τις κορυφαίες αντικαταστάσεις είναι ένα υποθετικό σωματίδιο γνωστό ως άξιον, το οποίο θα ήταν εξαιρετικά ελαφρύ, ίσως μόλις 10 ανυψωμένο στην 31η ισχύ λιγότερο μάζα από ένα πρωτόνιο.

Τα Άξιονς αναζητούνται τώρα σε μερικά πειράματα. Πρόσφατες προσομοιώσεις σε υπολογιστή έχουν αυξήσει την πιθανότητα ότι αυτά τα άξιον θα μπορούσαν να σχηματίσουν αντικείμενα σαν αστέρια, τα οποία θα μπορούσαν να παράγουν ανιχνεύσιμη ακτινοβολία που θα ήταν αρκετά παρόμοια με μυστηριώδη φαινόμενα γνωστά ως γρήγορες εκρήξεις ραδιοφώνου, όπως ανέφερε προηγουμένως το Live Science.

6. Ποιες είναι οι ιδιότητες της σκοτεινής ύλης;

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν τη σκοτεινή ύλη μέσω των βαρυτικών αλληλεπιδράσεών της με τη συνηθισμένη ύλη, υποδηλώνοντας ότι αυτός είναι ο κύριος τρόπος της να κάνει γνωστή την παρουσία της στο σύμπαν. Αλλά όταν προσπαθούν να κατανοήσουν την αληθινή φύση της σκοτεινής ύλης, οι ερευνητές έχουν εντυπωσιακά λίγα να προχωρήσουν. Σύμφωνα με ορισμένες θεωρίες, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να είναι τα δικά τους αντισωματίδια, που σημαίνει ότι δύο σωματίδια σκοτεινής ύλης θα εκμηδενίζονταν μεταξύ τους όταν συναντηθούν.

Το πείραμα του Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό αναζητά τα ενδεικτικά σημάδια αυτής της εκμηδένισης από το 2011 και έχει ήδη ανιχνεύσει εκατοντάδες χιλιάδες γεγονότα. Οι επιστήμονες εξακολουθούν να μην είναι σίγουροι αν αυτά προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη και το σήμα πρέπει να τους βοηθήσει να εντοπίσουν ακριβώς τι είναι η σκοτεινή ύλη.

7. Υπάρχει σκοτεινή ύλη σε κάθε γαλαξία;

Επειδή η σκοτεινή ύλη υπερτερεί τόσο πολύ της συνηθισμένης ύλης, λέγεται συχνά ότι είναι η ελεγκτική δύναμη που οργανώνει μεγάλες δομές όπως οι γαλαξίες και τα γαλαξιακά σμήνη. Έτσι, ήταν περίεργο όταν, νωρίτερα φέτος, οι αστρονόμοι ανακοίνωσαν ότι βρήκαν έναν γαλαξία με το όνομα NGC 1052-DF2 που φαινόταν να μην περιέχει σχεδόν καθόλου σκοτεινή ύλη.

«Η σκοτεινή ύλη προφανώς δεν είναι προϋπόθεση για το σχηματισμό ενός γαλαξία», είπε ο Πιέτερ Βαν Ντόκουμ του Πανεπιστημίου Γέιλ στο Space.com εκείνη την εποχή. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, μια ξεχωριστή ομάδα δημοσίευσε μια ανάλυση που υποδηλώνει ότι η ομάδα του Βαν Ντόκουμ είχε μετρήσει λάθος την απόσταση από τον γαλαξία, πράγμα που σημαίνει ότι η ορατή ύλη του ήταν πολύ πιο αμυδρή και ελαφρύτερη από τα πρώτα ευρήματα και ότι περισσότερη μάζα του βρισκόταν στη σκοτεινή ύλη από ό,τι ήταν προτάθηκε προηγουμένως.

8. Τι συμβαίνει με τα αποτελέσματα DAMA/LIBRA;

Ένα μακροχρόνιο μυστήριο στη σωματιδιακή φυσική είναι τα αινιγματικά αποτελέσματα ενός ευρωπαϊκού πειράματος γνωστού ως DAMA/LIBRA. Αυτός ο ανιχνευτής - που βρίσκεται σε ένα υπόγειο ορυχείο κάτω από το βουνό Γκλάν Σάσσο στην Ιταλία - έψαχνε για μια περιοδική ταλάντωση σε σωματίδια σκοτεινής ύλης.

Αυτή η ταλάντωση θα πρέπει να προκύψει καθώς η Γη κινείται στην τροχιά της γύρω από τον ήλιο ενώ πετάει μέσα από το γαλαξιακό ρεύμα της σκοτεινής ύλης που περιβάλλει το ηλιακό μας σύστημα, που μερικές φορές ονομάζεται άνεμος της σκοτεινής ύλης. Από το 1997, ο DAMA/LIBRA ισχυρίστηκε ότι βλέπει ακριβώς αυτό το σήμα, αν και κανένα άλλο πείραμα δεν έχει δει κάτι τέτοιο.

9. Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να έχει ηλεκτρικό φορτίο;

Ένα σήμα από την αρχή του χρόνου οδήγησε ορισμένους φυσικούς να προτείνουν ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να έχει ηλεκτρικό φορτίο. Ακτινοβολία με μήκος κύματος 21 εκατοστών εκπέμπεται από αστέρια στη βρεφική ηλικία του σύμπαντος, μόλις 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Στη συνέχεια απορροφήθηκε από ψυχρό υδρογόνο που υπήρχε την ίδια στιγμή. Όταν αυτή η ακτινοβολία εντοπίστηκε τον Φεβρουάριο του τρέχοντος έτους, η υπογραφή της υποδηλώνει ότι το υδρογόνο ήταν πολύ πιο ψυχρό από ό,τι είχαν προβλέψει οι επιστήμονες.

Ο αστροφυσικός Χούλιαν Μουνιόυ από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ υπέθεσε ότι η σκοτεινή ύλη με ηλεκτρικό φορτίο θα μπορούσε να έχει τραβήξει τη θερμότητα μακριά από το πανταχού διεισδυτικό υδρογόνο, κάτι σαν παγάκια που επιπλέουν στη λεμονάδα, όπως είπε τότε στο Live Science. Όμως η εικασία δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί.

10. Μπορούν τα συνηθισμένα σωματίδια να διασπαστούν σε σκοτεινή ύλη;

Τα νετρόνια είναι σωματίδια κανονικής ύλης με περιορισμένη διάρκεια ζωής. Μετά από περίπου 14,5 λεπτά, ένα μοναχικό νετρόνιο που δεν είναι αγκυροβολημένο από ένα άτομο θα διασπαστεί σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και νετρίνο.

Ωστόσο, δύο διαφορετικές πειραματικές ρυθμίσεις δίνουν ελαφρώς διαφορετική διάρκεια ζωής για αυτή τη διάσπαση, με τη διαφορά μεταξύ τους περίπου 9 δευτερόλεπτα, σύμφωνα με πειράματα που αναφέρονται σε μια μελέτη του Ιουλίου στο περιοδικό Physical Review Letters. Νωρίτερα αυτό το έτος, οι φυσικοί πρότειναν ότι εάν το 1 τοις εκατό του χρόνου, ορισμένα νετρόνια διασπώνται σε σωματίδια σκοτεινής ύλης, θα μπορούσε να ευθύνεται για αυτήν την ανωμαλία.

Ο Κρίστροφερ Μόρις από το Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος, στο Νέο Μεξικό, και η ομάδα του παρακολούθησαν τα νετρόνια για ένα σήμα που θα μπορούσε να είναι σκοτεινή ύλη, αλλά δεν ήταν σε θέση να ανιχνεύσει τίποτα. Πρότειναν ότι άλλα σενάρια αποσύνθεσης μπορεί να είναι ακόμα πιθανά, σύμφωνα με τη μελέτη.

11. Υπάρχει πράγματι η σκοτεινή ύλη;

Δεδομένων των δυσκολιών που αντιμετώπισαν οι επιστήμονες προσπαθώντας να ανιχνεύσουν και να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, ένας εύλογος ερωτών μπορεί να αναρωτηθεί αν το κάνουν λάθος. Για πολλά χρόνια, μια φωνητική μειοψηφία φυσικών έχει προωθήσει την ιδέα ότι ίσως οι θεωρίες μας για τη βαρύτητα είναι απλώς εσφαλμένες και ότι η θεμελιώδης δύναμη λειτουργεί διαφορετικά σε μεγάλες κλίμακες από ό,τι περιμένουμε.

Συχνά γνωστές ως «τροποποιημένη δυναμική του Νεύτωνα» ή μοντέλα MOND, αυτές οι προτάσεις υποστηρίζουν ότι δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη και οι εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες με τις οποίες τα αστέρια και οι γαλαξίες φαίνεται να περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο είναι συνέπεια της συμπεριφοράς της βαρύτητας με εκπληκτικούς τρόπους. «Η σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να είναι ένα μη επιβεβαιωμένο μοντέλο», έγραψε ο φυσικός Ντον Λίνκολν σε μια επεξήγηση για το Live Science. Ωστόσο, οι επικριτές δεν έχουν ακόμη πείσει το ευρύτερο πεδίο των ιδεών τους. Και τα τελευταία στοιχεία; Υποδηλώνει επίσης ότι η σκοτεινή ύλη είναι πραγματική.

Πηγή: Livescience