Στη δεκαετία του 1930, ένας Ελβετός αστρονόμος ονόματι Fritz Zwicky 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. Αυτό που μπόρεσε να εικάσει ήταν 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, όταν καλούνται να δώσουν μία εμπεριστατωμένη απάντηση στα παρακάτω 10 θεμελιώδη ερωτήματα, ως επί το πλείστον, ξύνουν το κεφάλι τους.
Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Πρώτον και ίσως το πιο περίεργο, οι ερευνητές παραμένουν αβέβαιοι για το τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ύλη. Αρχικά, υπέθεσαν ότι η μάζα που «λείπει» αποτελούνταν από μικρά αμυδρά αστέρια και μαύρες τρύπες, αν και λεπτομερείς παρατηρήσεις δεν έχουν βρει αρκετά τέτοια αντικείμενα για να εξηγήσουν την επιρροή της σκοτεινής ύλης, όπως ο φυσικός Don Lincoln του Υπουργείου των ΗΠΑ.
Ο κύριος «υπαίτιος» για τον μανδύα της σκοτεινής ύλης είναι ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται Weakly Interacting Massive Particle ή WIMP, το οποίο θα συμπεριφερόταν κάπως σαν νετρόνιο, εκτός από το ότι θα ήταν μεταξύ 10 και 100 φορές βαρύτερο από ένα πρωτόνιο. Ωστόσο, αυτή η εικασία έχει οδηγήσει μόνο σε περισσότερα ερωτήματα – για παράδειγμα…
Εάν η σκοτεινή ύλη είναι κατασκευασμένη από WIMP, 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 θα μπορούσε 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.
Η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από καθημερινά σωματίδια όπως πρωτόνια και ηλεκτρόνια, καθώς και μια συλλογή από τα πιο εξωτικά σωματίδια όπως νετρίνα, μιόνια και 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 κανένας καλός λόγος να υποθέσουμε ότι όλη η σκοτεινή ύλη στο σύμπαν αποτελείται από έναν τύπο σωματιδίου», σχολιασε ο φυσικός Andrey Katz του Πανεπιστημίου Χάρβαρντ στο Space.com.
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 Katz. Ενώ τέτοιες προτάσεις παραμένουν στην σφαίρα της φαντασίας των εργαστηρίων φυσικής, καθώς, ακόμα διαφεύγει των επιστημόνων κάποιος αξιόπιστος τρόπος επιβεβαίωσης ή διάψευσης τους.
Υπάρχουν σκοτεινές δυνάμεις;
Μαζί με πρόσθετα σωματίδια σκοτεινής ύλης, υπάρχει η πιθανότητα η σκοτεινή ύλη να βιώνει δυνάμεις ανάλογες με εκείνες που «αισθάνεται» η κανονική ύλη. 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. Εάν υπάρχουν σκοτεινά φωτόνια, τα ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων θα μπορούσαν να παράγουν ένα από τα περίεργα σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη, ανοίγοντας ενδεχομένως ένα ολοκαίνουργιο κεφάλαιο στον τομέα του σύμπαντος.
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 παραθέσουν.
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 συναντούνταν. 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.
Υπάρχει σκοτεινή ύλη σε κάθε γαλαξία;
Επειδή η σκοτεινή ύλη υπερτερεί σε μεγάλο βαθμό της συνηθισμένης ύλης, συχνά λέγεται ότι είναι η ελεγκτική δύναμη που οργανώνει μεγάλες δομές όπως οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών. Έτσι, ήταν περίεργο όταν, το 2018, 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», είχε δηλώσει ο Pieter van Dokkum του Πανεπιστημίου Yale στο Space.com. Μία άλλη ομάδα αστρονόμων είχε δημοσιεύσει μια ανάλυση που υποδήλωνε ότι η ομάδα του van Dokkum 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 η κυρίαρχη μάζα του βρισκόταν στη σκοτεινή ύλη από ό,τι είχε προταθεί προηγουμένως.
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 Gran Sasso στην Ιταλία – αναζητούσε 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.
Θα μπορούσε η σκοτεινή ύλη να έχει ηλεκτρικό φορτίο;
Ορισμένοι φυσικοί ισχυρίζονται 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, το υδρογόνο ήταν πολύ πιο ψυχρό από ό,τι είχαν προβλέψει οι επιστήμονες. Ο αστροφυσικός Julian Muñoz 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 στο Live Science. Όμως η εικασία δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί.
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 ενδείξεις «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.
Ο Κρίστοφερ Μόρις από το Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος, στο Νέο Μεξικό, και η ομάδα του παρακολούθησαν τα νετρόνια ανιχνεύοντας μία ένδειξη ότι αποτελούν σκοτεινή ύλη, αλλά δεν διαπίστωσαν κάτι νέο. Πρότειναν ότι άλλα σενάρια αποσύνθεσης μπορεί να είναι πιο πιθανά.
Υπάρχει πράγματι η σκοτεινή ύλη;
Δεδομένων των δυσκολιών που αντιμετώπισαν οι επιστήμονες προσπαθώντας να ανιχνεύσουν και να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, θα μπορούσε εύλογα κάποιος να αναρωτηθεί μήπως τα κάνουν όλα λάθος.
Για πολλά χρόνια, μια μειοψηφία φυσικών είχε προωθήσει το ενδεχόμενο οι θεωρίες για τη βαρύτητα να ήταν απλώς εσφαλμένες και ότι η θεμελιώδης δύναμη λειτουργεί διαφορετικά σε μεγαλύτερες κλίμακες από ό,τι περίμεναν. 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 Don Lincoln σε ένα άρθρο του στο Live Science. Ωστόσο, οι επικριτές του δεν έχουν ακόμη πείσει για το ευρύτερο πεδίο των ιδεών τους. Με τα τελευταία στοιχεία να υποδηλώνουν επίσης ότι η σκοτεινή ύλη είναι πραγματική.
Με πληροφορίες από Space και Live Science
με Αριθμό Μητρώου 12691
