Εξασθένιση του φωτός από τα μακρυνά σούπερνόβα λόγω των axions

Άρθρο, Απρίλιος 2002

Περιεχόμενα

Εισαγωγή
Το σωματίδιο άξιον (axion) είναι ένα WIMP's
Πειραματικές συνδέσεις για την εύερη των άξιον
Η διαστολή του σύμπαντος

Εισαγωγή

Κατά το 1998, δύο διαφορετικές μελέτες για τα απομακρυσμένα σουπερνόβα αποκάλυψαν ότι είναι πιό εξασθενημένα από ό,τι αναμενόταν σε ένα Σύμπαν που θα επιβραδυνόταν η διαστολή του, ή με άλλα λόγια οι σουπερνόβες φαίνονται να είναι πιό απομακρυσμένες από αυτό που αναμείναμε.  Η καθιερωμένη εξήγηση αυτής της παρατήρησης είναι ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνεται παρά επιβραδύνεται. Θεωρητικά αυτό θα μπορούσε να συμβεί εάν το σύμπαν εξουσιάζεται από μια μυστήρια "σκοτεινη ενέργεια του κενού", η οποία περιλαμβάνει περίπου το 70% της ενεργειακής πυκνότητας του κόσμου. Η σκοτεινη αυτή ενέργεια του κενού θα μπορούσε είτε να είναι μια μικρή κοσμολογική σταθερά (που προτάθηκε αρχικά από τον Einstein για να καταστήσει το σύμπαν στατικό) ή ένα χρονικά εξαρτημένο πεδίο η λεγόμενη "πεμπτουσία". Καμία από αυτές τις θεωρίες δεν έχει τη δυνατότητα να είναι κομψή όπως η σημερινή θεμελιώδης - καθιερωμένη θεωρία λόγω των αφύσικα μικρών αριθμών που απαιτούνται για να ταιριάξουν τα δεδομένα: αριθμοί έως 60 δεκαδικά ψηφία, και, στην περίπτωση της πεμπτουσίας, μια μικροσκοπική μάζα (απείρως μικρότερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου, η οποία διαιρείται από το ένα ακολουθόμενο από 41 μηδενικά) και σχεδόν καμία σύζευξη με τη συνηθισμένη ύλη.

Επειδή οι παρατηρήσεις σουπερνοβών εξετάζουν διαγαλαξιακές αποστάσεις που είναι απρόσιτες σε οποιαδήποτε πειράματα φυσικής των σωματιδίων, είναι φυσικό να εξεταστούν εναλλακτικές εξηγήσεις στα δεδομένα των σουπερνοβών που δεν απαιτούν όμως την κοσμολογική επιτάχυνση.  Επιστήμονες από το Los Alamos και το Στάνφορντ (John Terning, Csaba Csaki και Nemanja Kaloper) εξέτασαν πρόσφατα ένα μοντέλο όπου η εξασθένιση των σουπερνοβών είναι βασισμένη στις ταλαντώσεις των σωματίων. Οι ταλαντώσεις των σωματίων εμφανίζονται όποτε ένας τύπος σωματίου κβαντομηχανικά να μετασχηματιστεί σε έναν άλλο τύπο σωματίου. Οι επιστήμονες αυτοί εξέτασαν ένα μοντέλο με ένα υποθετικό σωματίδιο που λέγεται axion (ένας τύπος σωματιδίου που εμφανίζεται σε πολλά μοντέλα της νέας φυσικής, συμπεριλαμβανομένης και της θεωρίας χορδών). Αυτό το axion (αξιον) συνδέεται με τα φωτόνια (τα σωματίδια του φωτός), το οποίο επιτρέπει σε ένα φωτόνιο να μετασχηματιστεί σε ένα axion παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Έτσι το φως μέσα στα διαγαλαξιακά μαγνητικά πεδία μπορεί εν μέρει να μετατραπεί σε axions, και να αποφύγει την ανίχνευση του πάνω στη Γη. Μια φωτεινή πηγή θα εμφανιζόταν τότε πιό εξασθενημένη ακόμα κι αν το σύμπαν δεν επιταχύνεται.

Οι υπολογισμοί τους δείχνουν ότι το 1/3 του φωτός των σουπεροβών μετά από την διέλευση τους μέσω μεγάλων διαγαλαξιακών αποστάσεων, θα είχε μετατραπεί σε axions. Το φαινόμενο αγγίζει πραγματικά αυτήν την τιμή, έτσι πέρα από μια ορισμένη απόσταση δεν υπάρχει καμία πρόσθετη εξασθένιση, όπως φαίνεται πραγματικά και στα στοιχεία των  σουπερνοβών.

Φωτόνια (κόκκινες γραμμές) που έρχονται από ένα σουπερνόβα προς τη Γη. Ένα φωτόνιο μπορεί να αλληλεπιδράσει με το διαγαλαξιακό μαγνητικό πεδίο (πράσινη γραμμή) και να μετατραπεί σε axion (μπλε γραμμή) που δεν μπορεί να ανιχνευθεί εύκολα, και μπορεί ακόμη και να περάσει μέσω της Γης.

Το σωματίδιο άξιον (axion) είναι ένα WIMP's

Τα άξιον είναι υποθετικά σωματίδια που θεωρούνται ότι είναι η αιτία για μερικές από τις ασυμμετρίες που συμβαίνουν μεταξύ των αριστερόχειρων και δεξιόχειρων πραγμάτων στο σύμπαν.

Ο περιστασιακός μετασχηματισμός ενός φωτονίου σε ένα axion και την μετατροπή του πάλι σε φωτόνιο θα ήταν ανάλογο με την ταλάντωση ενός είδους νετρίνο σε ένα άλλο είδος και την μετατροπή του πάλι στο άλλο είδος. Στη διαδικασία ταλάντωσης τουλάχιστον ένα από τα είδη πρέπει να έχει κάποια μάζα. Τα axions θα είχαν πιθανώς μια πολύ χαμηλή μάζα, περίπου 10^-16 eV.

Ένα θεμελιώδες συμπέρασμα από την έρευνα που έχει γίνει για την σκοτεινή ύλη στο σύμπαν είναι ότι αυτή πρέπει να αποτελείται από μη- βαρυονικά στοιχειώδη σωματίδια που δεν συμπεριλαμβάνονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής σωματιδίων.

Σωματίδια υποψήφια για τη σκοτεινή ύλη μπορούν να ταξινομηθούν στις "θερμές" και "ψυχρές" ποικιλίες, μια ονοματολογία που δημιουργήθηκε από τον Dick Bond, που αυτήν την περίοδο βρίσκεται στο Καναδικό Ίδρυμα, για τη Θεωρητική Αστροφυσική, στο Τορόντο. Το πρωτότυπο ενός θερμού σωματιδίου είναι ένα σταθερό νετρίνο με μια μάζα της τάξης των 30 eV, ενώ τα παραδείγματα των ψυχρών σωματιδίων περιλαμβάνουν το νετραλίνο -neutralino- και το πολύ ελαφρύτερο άξιον -axion.

Ενώ το νετρίνο επιτρέπεται να έχει μάζα, μέσα στο Καθιερωμένο μοντέλο, τα νετραλίνα-neutralinos και τα άξιον-axions απαιτούν "νέα φυσική". Το neutralino, παραδείγματος χάριν, είναι το ελαφρύτερο σταθερό σωματίδιο που προβλέπεται από την υπερσυμμετρία, τη θεωρία που επιδιώκει να ενοποιήσει την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση και την ισχυρή πυρηνική δύναμη, επιτρέποντας σε όλα τα θεμελιώδη σωματίδια να έχουν τα "superpartners". Τα superpartners των μποζονίων (σωματίδια με spin ακέραιο αριθμό) θα ήταν φερμιόνια (που έχουν την ιδιοπεριστροφή τους ίση με ημιακέραιο αριθμό) και αντίστροφα. Τα ψυχρά σωματίδια (όπως το άξιον) αναφέρονται συχνά ως Ασθενώς Αλληλεπιδρώντας Ογκώδει Σωματίδια ή WIMPs.

Πειραματικές συνδέσεις για την εύρεση των άξιον

Ένας νέος ανιχνευτής axion βρίσκεται ήδη εν εξελίξει στο Κέντρο Πυρηνικών Μελετών και Ερευνών (CERN), που λέγεται Ηλιακό Τηλεσκόπιο Axion (CAST). Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις τους οι επιστήμονες του CERN θα είναι σε θέση να εξετάσουν σχεδόν το ήμισυ από το διαθέσιμο διάστημα που θα μπορούσε να εξηγήσει τα δεδομένα των σουπερνοβών.

Μετά από αυτό ένα άλλο πρόγραμμα αστρονομίας που λέγεται DEEP, θα προσπαθήσει να καθορίσει με ανεξάρτητο τρόπο το ρυθμό διαστολής του σύμπαντος. Υποστηρίζουν ότι θα είναι σε θέση να διακρίνουν μεταξύ των διαφορετικών τύπων σκοτεινών ενεργειών (δηλ. μεταξύ μιας κοσμολογικής σταθεράς που κάνει τον κόσμο να επιταχύνεται, ή κάτι που είναι λιγότερο εξωτικό και επιβραδύνει την διαστολή). Ένα πείραμα που προτείνεται λέγεται Supernova Acceleration Probe (Έλεγχος της ταχύτητας των σουπερνοβών) και θα ήθελε επίσης να κάνει κι αυτό μια πιό λεπτομερή μελέτη των σουπερνοβών.

Η διαστολή του σύμπαντος

Στις αρχές του 1990 υπήρχε ένα πρόβλημα σχετικά με την ηλικία του σύμπαντος, την οποία υπολογίζαμε σε δώδεκα δισεκατομμύρια χρόνια. Ορισμένα όμως αστέρια φαίνονταν μεγαλύτερα από την ηλικία αυτή, φαίνονταν σαν 15 δισεκατομμυρίων ετών. Μέχρι τότε ο υπολογισμός της ηλικίας του σύμπαντος προέκυπτε από τον υπολογισμό της ταχύτητας με την οποία οι γαλαξίες συστέλλονται και από την απόσταση από αυτούς τους γαλαξίες.

Το πρόβλημα αυτό έπρεπε να προσεγγιστεί διαφορετικά. Έτσι δύο ομάδες αστρονόμων, μία υπό τον Robert Kirschner του Χάρβαρντ και μία υπό τον Saul Permutter από την Καλιφόρνια, έριξαν την ιδέα να μελετηθεί ένας τύπος αστεριού που έχει εκραγεί. Ο συγκεκριμένος τύπος ονομάστηκε 1Α σουπερνόβα. Πρόκειται για δυαδικά αστέρια, όπου το ένα αστέρι τραβάει μάζα από το άλλο. Οταν το πρώτο αστέρι φτάσει ένα συγκεκριμένο κρίσιμο μέγεθος, εκρήγνυται. Αυτό σημαίνει ότι το μέγεθος και η λάμψη της έκρηξης είναι η ίδια σε κάθε αστέρι 1Α σουπερνόβα.

Οταν οι ερευνητές μελέτησαν αυτά τα αποτελέσματα ανακάλυψαν κάτι αλλόκοτο. Παρά τις προβλέψεις και την παραδοχή ότι το ωμέγα ισούτα με ένα (ωμέγα είναι ο λόγος της πραγματικής πυκνότητας προς την κρίσιμη πυκνότητα), η διαστολή του σύμπαντος επιταχυνόταν. Ετσι λύθηκε όμως το πρόβλημα της ηλικίας του. Τα αντικείμενα είναι πιο απομακρυσμένα από ό,τι είχαμε υπολογίσει και φαίνονται γηραιότερα, γιατί το φως καθυστερεί -λόγω της απόστασης- να φτάσει σε εμάς. Η επίσημη ηλικία του σύμπαντος είναι τώρα 13,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ενώ τα αρχαιότερα αστέρια υπολογίζονται 11,5 δισεκατομμυρίων ετών. Ετσι όμως αντικαταστάθηκε ένα μυστήριο από ένα άλλο.

Ευτυχώς, η ωμέγα υπόθεση δεν χρειάζεται να εγκαταλειφθεί. Το Διάστημα είναι στην πραγματικότητα επίπεδο και το συνολικό υλικό που περιέχει όντως είναι στην κρίσιμη ισορροπία. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι τα δύο τρίτα του σύμπαντος που μας «έλειπαν» είναι μία μορφή ενέργειας, η οποία αν και ισορροπεί το άθροισμα και κρατάει το σύμπαν επίπεδο, σπρώχνει τα πράγματα σε διαχωρισμό.

Δύο ερμηνείες γι' αυτήν τη σκοτεινή ενέργεια (η οποία αναπαριστάται πάλι με ένα ελληνικό γράμμα, το λάμδα) έχουν υποστηριχθεί. Η πρώτη τη βλέπει ως μία ωχρή αναπαράσταση της δύναμης που προκαλεί τη διαστολή, ένας τύπος βαρύτητας που απωθεί. Ο Αϊνστάιν την ονόμασε κοσμολογική σταθερά. Η ύλη που απαιτείται για να προκληθεί αυτή η δύναμη προέρχεται από ένα άλλο συμπέρασμα της αρχής της απροσδιοριστίας, σύμφωνα με το οποίο το άδειο σύμπαν δεν είναι και τόσο άδειο... Δυστυχώς όμως οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η δύναμη που θα παραγόταν από τα μικροσωματίδια, η λάμδα δηλαδή, θα απείχε πολύ από το να είναι τόσο υψηλή.

Η άλλη πιθανότητα είναι η σκοτεινή ενέργεια να είναι κάτι τελείως νέο. Αυτό βέβαια δεν είναι τίποτα περισσότερο από την παραδοχή ότι κανείς δεν έχει θεμελιωμένη άποψη για το τι ακριβώς είναι. Παρ' όλα αυτά, ο Paul Steinhardt του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, αποφάσισε να φορέσει μια ετικέτα στο άγνωστο νέο υλικό, ονομάζοντάς το «πεμπτουσία». Οπως και στην περίπτωση της διαστολής, ένα όνομα είναι μία κάποια αρχή. Παρατηρήστε αυτό το Διάστημα, ό,τι και αν το συγκροτεί...