Πού πήγε η σκοτεινή ύλη και εξαφανίστηκε;
ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ
Από τον Αντώνη Κυριαζή
• Πού πήγε η σκοτεινή ύλη και δεν μπόρεσε να την εντοπίσει ο μεγάλος ανιχνευτής του πειράματος Lux (Large Underground Xenon);
• Αποτυχία του συγκεκριμένου πειράματος ή αποτυχία της ίδιας της επιστήμης;
Οι επιστήμονες έκλεισαν τον ανιχνευτή της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης Large Underground Xenon (Lux), αφού δεν μπόρεσε να ανακαλύψει τίποτα. Photo: C H Faham/PA. Πηγή: Supplied
v
ΑΠΟ ΠΑΛΙΑ οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι από το σύμπαν απουσιάζουν τα τέσσερα πέμπτα της ύλης που κανονικά έπρεπε να υπάρχει για να είναι το σύμπαν αυτό που είναι. Για να φέρουμε μια αναλογία, είναι σαν έχουμε ένα πακέτο ζάχαρη που ζυγίζει ένα κιλό, όταν όμως το ανοίξουμε να διαπιστώσουμε ότι μέσα υπάρχουν μονάχα 200 γραμμάρια. Αυτά τα 800 γραμμάρια που λείπουν, οι επιστήμονες τα αποκαλούν «σκοτεινή ύλη», λέγοντας ότι υπάρχουν αλλά εμείς δεν τα βλέπουμε.
Με πιο επιστημονικούς όρους, η σκοτεινή ύλη στην αστρονομία και στην κοσμολογία, είναι ένας υποθετικός τύπος ύλης που συνεισφέρει κατά μεγάλο ποσοστό στη συνολική μάζα του σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί απευθείας από τηλεσκόπια, καθώς δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως ή άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αντίθετα, η ύπαρξη και οι ιδιότητές της βασίζονται στις βαρυτικές επιδράσεις πάνω στην ορατή ύλη, στην ακτινοβολία και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος.
Το εκπληκτικό είναι ότι η σκοτεινή ύλη υπολογίζεται ότι συνεισφέρει κατά 84,5% στη συνολική ύλη και κατά 26,8% στο συνολικό περιεχόμενο του σύμπαντος.
Έτσι το σύμπαν συνολικά περιέχει 4,9% συνηθισμένη ύλη, 26,8% σκοτεινή ύλη και 68,3% σκοτεινή ενέργεια.
Αυτό σημαίνει ότι βλέπουμε με τα μάτια μας ή με τα επίγεια ή διαστημικά τηλεσκόπια μόλις το 4.9% της συνολικής μάζας του σύμπαντος!
v
Τα μυστήρια των γαλαξιών
Η ιστορία ξεκίνησε το 1933, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελετούσε την κίνηση μακρινών σμηνών γαλαξιών μεγάλης μάζας, όπως το σμήνος που βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης Βερενίκης που συνεχίζεται στον αστερισμό της Παρθένου.
Ο Zwicky υπολόγισε τη μάζα του κάθε γαλαξία του σμήνους βασισμένος στη λαμπρότητά του, και άθροισε όλες τις γαλαξιακές μάζες για να υπολογίσει τη συνολική μάζα του σμήνους. Στη συνέχεια έκανε ένα δεύτερο υπολογισμό ανεξάρτητο της συνολικής μάζας, που βασίστηκε στη μέτρηση των ατομικών ταχυτήτων των γαλαξιών του σμήνους. Προς μεγάλη του έκπληξη, αυτός ο δεύτερος υπολογισμός δυναμικής μάζας ήταν 400 φορές πιο μεγάλος από τον υπολογισμό που βασιζόταν στο φως των γαλαξιών!
Αν και η έρευνα άρχισε το 1933, μόλις στη δεκαετία του ’70 οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν συστηματικά αυτή τη διαφορά. Αν και θεώρησαν ότι η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης δεν θα επέλυε μόνο την έλλειψη μάζας στα σμήνη γαλαξιών, αλλά θα είχε επίσης αποτελέσματα πολύ μεγαλύτερης εμβέλειας σχετικά με την εξέλιξη και τη μοίρα του ίδιου του Σύμπαντος, σύντομα βρέθηκαν αντιμέτωποι με ένα νέο μυστήριο.
Αυτό σχετιζόταν με τις καμπύλες περιστροφής των σπειροειδών γαλαξιών. Οι σπειροειδείς γαλαξίες περιλαμβάνουν έναν τεράστιο πληθυσμό αστέρων που διαγράφουν τροχιές σχεδόν κυκλικές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Όπως συμβαίνει με τις τροχιές των πλανητών, οι αστρονόμοι περίμεναν ότι οι αστέρες με μεγαλύτερες γαλαξιακές τροχιές θα έχουν μικρότερες τροχιακές ταχύτητες (πρόκειται για απλό συμπέρασμα του τρίτου νόμου του Κέπλερ). Στην πραγματικότητα, όμως, ο τρίτος νόμος του Κέπλερ είδαν ότι εφαρμοζόταν μονάχα στους αστέρες που βρίσκονται κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία, καθώς προϋποθέτει σταθερότητα της μάζας που περιλαμβάνει η τροχιά.
v
Στους σπειροειδείς γαλαξίες, όπως ο ραβδωτός σπειροειδής γαλαξίας NGC1365, οι αστέρες στα άκρα κινούνται με τέτοιες ταχύτητες που κανονικά έπρεπε να έχουν απομακρυνθεί προ πολλού. Επειδή αυτό δεν συμβαίνει, οι επιστήμονες υποθέτουν ότι στο κέντρο των γαλαξιών αυτών υπάρχει μάζα που δεν το επιτρέπει, την οποία όμως δεν μπορούμε να τη δούμε. Photo: SSRO/PROMPT and NOAO/AURA/NSF. Πηγή: Supplied
v
Έκπληκτοι διαπίστωσαν ότι στις τροχιακές ταχύτητες των αστέρων στην περιφέρεια μεγάλου αριθμού σπειροειδών γαλαξιών, ο τρίτος νόμος του Κέπλερ (που λέει ότι τα τετράγωνα των χρόνων των αστρικών περιφορών των πλανητών είναι ανάλογα των κύβων της μέσης απόστασης αυτών από τον Ήλιο) απλώς δεν ίσχυε.
Αντί να μειώνονται σε μεγάλες ακτίνες, οι τροχιακές ταχύτητες παραμένουν απόλυτα σταθερές, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μάζα που περιλαμβάνει η τροχιά μεγάλης ακτίνας αυξάνεται, κι αυτό ισχύει για αστέρες που βρίσκονται φαινομενικά κοντά στα όρια του γαλαξία. Αν και βρίσκονται κοντά στα άκρα του φωτεινού τμήματος του γαλαξία, το τμήμα αυτό έχει περίγραμμα μάζας που φαινομενικά συνεχίζει πολύ πέρα από τις περιοχές στις οποίες κυριαρχούν αστέρες.
Με δεδομένο ότι οι αστέρες αυτοί στα άκρα των γαλαξιών έχουν τροχιακές ταχύτητες της τάξης των 200 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο, εάν ο γαλαξίας αποτελούνταν μόνο από ύλη που μπορούμε να δούμε, τότε οι αστέρες αυτοί θα τον εγκατέλειπαν σε σύντομο χρονικό διάστημα, λόγω φυγόκεντρου δύναμης, καθώς οι τροχιακές ταχύτητές τους είναι τέσσερις φορές πιο μεγάλες από την ταχύτητα διαφυγής από το γαλαξία.
Παρ’ όλα αυτά όμως, κατά ένα περίεργο τρόπο, δεν υπάρχουν γαλαξίες που έχουν διασκορπιστεί. Αυτό σημαίνει ότι στο εσωτερικό τους πρέπει να υπάρχει μάζα την οποία δεν λαμβάνουμε υπόψη όταν αθροίζουμε όλα τα τμήματα που μπορούμε να δούμε.
Μεγάλο μέρος τους δηλαδή αποτελείται από σκοτεινή ύλη. Έτσι τουλάχιστον υποθέτουμε.
v
Πού πήγε η σκοτεινή ύλη;
Τον Φεβρουάριο του 2016 ανακοινώθηκε από τους επιστήμονες η επιτυχής παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων, μια εξέλιξη η οποία χαιρετίστηκε ως η μεγαλύτερη ανακάλυψη του αιώνα, καθώς θα γινόταν δυνατή η παρατήρηση αντικειμένων στο σύμπαν τα οποία δεν εκπέμπουν φως όπως οι μαύρες τρύπες και η σκοτεινή ύλη.
Ενθουσιασμένοι από τα γεγονότα, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Brown και από το Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνου σχεδίασαν το πείραμα Lux (Large Underground Xenon) για να ανιχνεύσουν –επιτέλους– την άπιαστη έως τώρα σκοτεινή ύλη.
Κατασκεύασαν έναν υπερευαίσθητο ανιχνευτή –και πανάκριβο, αφού κόστισε γύρω στα 8,5 εκατομμύρια ευρώ– και τον τοποθέτησαν μέσα σε μια μεγάλη δεξαμενή με 72.000 γαλόνια νερού υψηλής καθαρότητας. Το συγκρότημα τοποθετήθηκε μέσα σε ένα πρώην ορυχείο χρυσού στα Black Hills στη Νότια Ντακότα.
v
Η αποτυχία του αμερικανο-βρετανικού πειράματος Lux έρχεται να προστεθεί στο εξίσου άκαρπο πείραμα XENON1T (φωτο) που διενήργησαν Αμερικανοί και Ιταλοί επιστήμονες το Νοέμβριο του 2015 στο Gran Sasso Underground Laboratory στην Ιταλία. Photo: XENON1T Collaboration. Πηγή: Supplied
v
Οι επιστήμονες ήλπιζαν να συγκεντρώσουν απτές αποδείξεις της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης με τη μορφή μικρών λάμψεων φωτός που παράγονται όταν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκρούονται με άτομα xenon.
Την εβδομάδα που μας πέρασε, αντί για απτές αποδείξεις της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες απλώς ξύνουν απορημένοι τα κεφάλια τους καθώς το σύστημα απέτυχε να βρει το παραμικρή ίχνος της.
Τώρα λένε ότι θα φτιάξουν ένα νέο ανιχνευτή, 70 φορές πιο ευαίσθητο από τον υπάρχοντα, που ελπίζουν ότι θα μπορέσει να αποκαλύψει την φύση και την προέλευση της σκοτεινής ύλης. Θα τα καταφέρουν άραγε αυτή τη φορά;
Σκέφτεται κανείς πόσο δίκιο είχαν οι αρχαίοι Έλληνες κοσμολόγοι που έλεγαν ότι το σύμπαν γεννήθηκε από το σκοτάδι: τη Νύχτα και τον Τάρταρο ή από τον Άδη και το Χάος – δηλωτικά όλα αυτά της σκοτεινής ύλης.
Το σύμπαν είναι φθαρτό, πεπερασμένο, διατηρείται όμως επειδή βρίσκεται βουτηγμένο στον Χρόνο που είναι αιώνιος.
Στην αρχή ήταν αόρατο (κρυμμένο), μετά όμως έγινε ορατό. Αυτό το ονόμαζαν Φάνη. Δηλαδή το σύμπαν έλαμψε και έγινε φανερό.
Φαίνεται όμως πως έγινε φανερό μόνο ένα κομμάτι του. Το υπόλοιπο εξακολουθεί και βρίσκεται βυθισμένο στο σκοτάδι, σε ένα σκοτάδι που έχει συνείδηση και το οποίο οι παλιοί κοσμολόγοι, όπως ο Ηράκλειτος, αποκαλούσαν Αιώνα…
