Το αίνιγμα της Σκοτεινής Ύλης

Πάνω από το 90% του σύμπαντος αποτελείται από ανεξιχνίαστες ακόμα μορφές μάζας και ενέργειας. Η Σκοτεινή Ύλη είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά αινίγματα.

Ένα φάντασμα αιωρείται και διαπερνά όλη τη γνωστή ύλη του σύμπαντος. Το φάντασμα αυτό δεν είναι φτιαγμένο από άυλα αιθέρια στοιχεία αλλά από... αόρατη ύλη. Γι' αυτό οι κοσμολόγοι και οι θεωρητικοί φυσικοί το βάφτισαν Σκοτεινή Ύλη, εμμένοντας στην άποψη ότι είναι τόσο υπαρκτή όσο και οποιαδήποτε άλλη μορφή ύλης.

Παρόλο που οι επιστήμονες δεν τη βλέπουν, νιώθουν έντονα την παρουσία της βασιζόμενοι σε νέες παρατηρήσεις και θεωρητικές αποδείξεις. Πράγματι, εύκολα μπορούμε να εξακριβώσουμε την ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης. Αρκεί να παρατηρήσουμε την κίνηση των γαλαξιών στο σύνολό τους, την ταχύτητα με την οποία απομακρύνονται σ' ένα συνεχώς διαστελλόμενο σύμπαν, για να αντιληφθούμε ότι πρέπει να υπάρχει κάτι περισσότερο απ' αυτό που βλέπουμε με τα τηλεσκόπια.

Το ερεβώδες σύμπαν...

Σκοτεινοί αστέρες, Σκοτεινή Ύλη, σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή κοσμολογική εποχή. Αυτά υποστηρίζει η σύγχρονη φυσική ότι είναι τα βασικά συστατικά της άλλης, αόρατης πλευράς του σύμπαντος. Θεωρείται μάλιστα βέβαιο ότι η συνήθης ορατή ύλη, αυτή που συγκροτεί τη Γη, τη Σελήνη, τα αστέρια και τα σώματά μας, αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της συνολικής μάζας του σύμπαντος, ενώ η ανεξιχνίαστη, Σκοτεινή Ύλη καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της.

Ίσως τα πιο γνωστά και κατανοητά σήμερα παραδείγματα Σκοτεινής Ύλης είναι τα σκοτεινά άστρα, δηλαδή οι Μαύρες Τρύπες. Οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι δεν αποτελούν εξαίρεση αλλά πρόκειται για συνηθισμένο φαινόμενο τόσο στο κέντρο του γαλαξία μας όσο και στους υπόλοιπους γαλαξίες.   

Υπολογίζοντας την ταχύτητα με την οποία περιστρέφονται τα άστρα, συνάγουμε ότι απαιτείται η ύπαρξη μιας μεγαλύτερης ποσότητας μάζας από εκείνη που είναι ορατή ή μιας επιπλέον ενέργειας που δεν έχει ακόμα μετρηθεί, η οποία φαίνεται ότι επιταχύνει την περιστροφή.

"Οι νόμοι της φυσικής καθορίζουν με ακρίβεια τη συνολική ποσότητα της μάζας που απαιτείται για να εξισορροπηθούν οι κινήσεις των ουρανίων σωμάτων και δημιουργεί αμηχανία το ότι η τιμή της συνολικής μάζας του σύμπαντος που έχει μετρηθεί είναι κατά πολύ κατώτερη από την τιμή της μάζας που απαιτείται" εξηγεί ο Μορντεχάι Μίλγκρομ, θεωρητικός φυσικός του Ινστιτούτου Weizmann στο Ισραήλ, ο οποίος έχει προτείνει μια πρωτότυπη υπόθεση σχετικά με το αίνιγμα της μάζας που λείπει.

Ενδείξεις και αποδείξεις

Σχετικά με την ύπαρξη αυτής της επιπλέον ύλης υπάρχουν και θεωρητικές αποδείξεις που μας οδηγούν στην επανεξέταση του καθιερωμένου μοντέλου δημιουργίας του σύμπαντος. Όπως μας εξηγεί ο αστροφυσικός κ. Στράτος Θεοδοσίου, "πριν διαμορφωθούν οι γαλαξίες το σύμπαν αποτελούνταν από πλάσμα, μια ιονισμένη μορφή ύλης, ένα νέφος από πυρήνες ατόμων και υποατομικών σωματιδίων. Με το πέρασμα του χρόνου το πλάσμα συσσωρεύτηκε εξαιτίας των διακυμάνσεων της πυκνότητάς του και δημιούργησε τα αστέρια και τους γαλαξίες".

Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα σ' αυτή τη θεωρία. Σύμφωνα με τον Μίλγκρομ, δεν έχει περάσει από τότε αρκετός χρόνος ώστε αυτές οι διακυμάνσεις να μπορέσουν να δημιουργήσουν τους γαλαξίες. "Μόνο αν υποθέταμε την ύπαρξη πολύ μεγαλύτερης ποσότητας ύλης από εκείνης που διαπιστώνουμε με την παρατήρηση, την ύπαρξη δηλαδή Σκοτεινής Ύλης, θα ξεπερνιόταν αυτό το δίλημμα".

Εξάλλου οι ίδιες αστρονομικές παρατηρήσεις που μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε τη βρεφική ηλικία του σύμπαντος μας επιτρέπουν να κάνουμε εκτιμήσεις για την τωρινή σύνθεσή του. Υπολόγισαν λοιπόν ότι το σύμπαν αποτελείται μόνο κατά 4% από ορατή ύλη, τα γνωστά άτομα, κατά 23% από Σκοτεινή Ύλη -περιλαμβάνει επίσης γνωστές αλλά μη ορατές μορφές ύλης- και κατά 73% από σκοτεινή ενέργεια. Πρόκειται για μια επίσης άγνωστη μορφή ενέργειας που ωθεί το σύμπαν να διαστέλλεται με όλο και πιο ταχείς ρυθμούς.

Πρόσφατες έρευνες αποκάλυψαν την ύπαρξη μεγάλης ποσότητας βαρυονίων κοντά σε ομάδες γαλαξιών γειτονικούς στο δικό μας. Αυτό το υλικό των βαρυονίων δημιουργεί ένα είδος θερμής ομίχλης που περιβάλλει εξωτερικά τόσο το δικό μας όσο και τους γειτονικούς γαλαξίες. Σύμφωνα μ' αυτή την έρευνα, το εν λόγω νέφος έχει συνολική μάζα που αντιστοιχεί περίπου στα δύο τρίτα της μάζας του γαλαξία μας και των γειτονικών του. Πώς γεννήθηκε αυτή η Σκοτεινή Ύλη; Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι είναι ό,τι απέμεινε από τη διαδικασία δημιουργίας των γαλαξιών.

Η άλως των Wimp 

Πριν από δύο δεκαετίες οι φυσικοί πίστευαν ότι η Σκοτεινή Ύλη ήταν τελικά συνήθης ύλη: αποτελούνταν από τα συνήθη σωματίδια (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) σε κάποια όχι άμεσα παρατηρήσιμη μορφή. Πρόσφατα όμως οι έρευνες σχετικά με τη γένεση των γαλαξιών οδήγησαν σε διαφορετικά συμπεράσματα. Το μεγαλύτερο μέρος της Σκοτεινής Ύλης μπορεί να οφείλεται σε πολύ ελαφρά στοιχειώδη σωματίδια (αξιόνια και νετρίνα) ή σε πολύ εξωτικά είδη σωματιδίων όπως είναι τα Ασθενώς Αλληλεπιδρόντα Βαριά Σωματίδια Wimp (Weakly Interactive Massive Particle).

Αυτά τα βαριά σωματίδια, περίπου πενήντα φορές πιο βαριά από ένα πρωτόνιο, βρίσκονται διάσπαρτα παντού στο σύμπαν και δεν παρουσιάζουν καμιά αλληλεπίδραση με τη συνήθη ύλη, αλλά τη διαπερνούν. Σύμφωνα με κάποιες αξιόπιστες κοσμολογικές θεωρίες, η Σκοτεινή Ύλη είναι ψυχρή, δηλαδή αποτελείται από σωματίδια με μεγάλη μάζα και μικρή κινητική ενέργεια, τα οποία σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σύμφωνα μ' αυτό το σενάριο, ο γαλαξίας μας περιβάλλεται από μια αχλύ ή άλω βαρέων σωματιδίων.

Έτσι το ηλιακό μας σύστημα, που κινείται με 230 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο μέσα στο γαλαξιακό σύστημα, βρίσκεται συνεχώς εκτεθειμένο σ' έναν άνεμο από Wimp, που ποικίλλει ανάλογα με τη θέση που έχει η Γη σε σχέση με τον Ήλιο. Απευθείας μετρήσεις των Wimp είναι δύσκολο να γίνουν, γιατί η ύλη μέσα σ' αυτά είναι σχεδόν διαφανής.

Αναθεώρηση της βαρύτητας

Η μελέτη των Wimp, των πολυποίκιλων βαρέων σωματιδίων, των Λευκών Νάνων και των αστέρων νετρονίων, δεν αρκεί για να εξηγήσει τη δημιουργία όλης της Σκοτεινής Ύλης. Έτσι μερικοί ερευνητές προχώρησαν σε άλλες εκπληκτικές υποθέσεις.

Η πιο επαναστατική απ' αυτές είναι εκείνη του Μίλγκρομ, ο οποίος υποστηρίζει ότι αρκεί να τροποποιήσουμε το Νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα για να εξηγήσουμε όσα δεν κατανοούμε, χωρίς να προσφύγουμε στην ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης. Αυτή η τροποποίηση αποκαλείται MOND (Modified Newtonian Dynamics) και αναφέρεται στο δεύτερο νόμο του Νεύτωνα που συνδέει τη δύναμη με τη μεταβολή της ταχύτητας, δηλαδή την επιτάχυνση. Αυτό που τροποποιείται είναι η σχέση μεταξύ δύναμης και επιτάχυνσης, όταν η επιτάχυνση είναι πολύ μικρή.

"Σ' αυτή την περίπτωση η αναγκαία δύναμη, προκειμένου να επιτευχθεί μια δεδομένη επιτάχυνση, είναι πάντα μικρότερη απ' όση απαιτείται από τη νευτώνεια δυναμική" εξηγεί ο Μίλκγκρομ. Έτσι, για να εξηγηθούν οι παρατηρούμενες επιταχύνσεις των γαλαξιών είναι αναγκαία μια μικρότερη ποσότητα ύλης.

Μ' αυτό τον τρόπο περιορίζεται η ανάγκη προσφυγής στη Σκοτεινή Ύλη. Ωστόσο ο Μίλγκρομ παραδέχεται ότι η υπόθεση αυτή μπορεί να εφαρμοστεί για όλο το σύμπαν εκτός από τις κεντρικές περιοχές των γαλαξιών, που παρουσιάζουν και τις πιο πλούσιες συγκεντρώσεις ύλης. Σ' αυτές πρέπει να κρύβονται σημαντικές ποσότητες μισοσκότεινης ύλης, διαφορετικά η τροποποίηση MOND δεν είναι σωστή και το μυστήριο παραμένει.



sciencemag