Γιατί είναι απαραίτητη η σκοτεινή ύλη στην εξήγηση πολλών φαινομένων

Άρθρο, Μάρτιος 2008

Ενώ πολλές φορές οι αστροφυσικοί έχουν δείξει την αναγκαιότητα της σκοτεινής ύλης για να εξηγήσουν ορισμένα φαινόμενα στο μακρινό σύμπαν, εν τούτοις υπάρχουν θεωρίες που προσπαθούν να ερμηνεύσουν τα φαινόμενα αυτά με τη βοήθεια τροποποιημένων θεωριών της βαρύτητας ή άλλων απόψεων.

Η πλειοψηφία όμως των αστροφυσικών πιστεύει στην παρουσία της σκοτεινής ύλης αν και είναι αθέατη από τα παρατηρησιακά μας όργανα. Παρακάτω θα παρουσιαστούν οι λόγοι για τους οποίους είναι απαραίτητη στην εξήγηση πολλών φαινομένων:

1. Διασπορά ταχύτητας σμήνους

Όταν κοιτάζουμε τους γαλαξίες, βρίσκουμε συχνά εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες συγκεντρωμένους μαζί, όπως στο σμήνος Κόμη (αριστερά). Μπορούμε να μετρήσουμε την ταχύτητα που κινούνται αυτοί οι γαλαξίες γύρω από το κέντρο τους, και με τη βοήθεια του νόμου της βαρύτητας μπορούμε να καθορίσουμε πόση μάζα βρίσκεται σε αυτά τα σμήνη. Όταν κάνουμε αυτούς τους υπολογισμούς, διαπιστώνουμε ότι η Ω_m, ή η ποσότητα της συνολικής ύλης στον Κόσμο, είναι περίπου 20 έως 30% της κρίσιμης τιμής της πυκνότητάς του. Ας σημειώσουμε ότι η Ω_b ή η ποσότητα της κανονικής βαρυονικής ύλης (πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια), είναι γνωστή από την πυρηνοσύνθεση κατά το Big Bang πως είναι μεταξύ 4% και 5% μόνο.

[Η κρίσιμη πυκνότητα d_critical της ύλης στον Κόσμο μπορεί να υπολογιστεί από τη γενική σχετικότητα του Einstein. Και βρίσκεται ότι είναι περίπου 5*10^-30 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό (ή 3 άτομα υδρογόνου ανά κυβικό εκατοστό). Εξαρτάται και από την τιμή της σταθεράς του Hubble (d_critical = 3H²/8πG ). Αν και είναι μικρή η τιμή της παίζει σπουδαίο ρόλο για το μέλλον του σύμπαντος. Αν η πραγματική πυκνότητα του σύμπαντος είναι ίση με την κρίσιμη τιμή το σύμπαν θα διαστέλλεται για πάντα αλλά με ένα μειούμενο ρυθμό. Αυτό αναφέρεται συχνά ως μοντέλο σύμπαντος Einstein-De Sitter. Αν η πυκνότητα της ύλης είναι αρκετά υψηλή η βαρυτική έλξη θα σταματήσει τελικά την διαστολή του σύμπαντος και θα καταρρεύσει σε μια "Μεγάλη Σύνθλιψη". Αυτό το είδος του σύμπαντος περιγράφεται ως ένα Κλειστό Σύμπαν. Αντίθετα αν η πυκνότητα του σύμπαντος είναι μικρότερη από την κρίσιμη τιμή, το σύμπαν θα διαστέλλεται για πάντα, αφού δεν υπάρχει αρκετή πυκνότητα ύλης για να προκαλέσει τέτοια βαρυτική έλξη που να σταματήσει την διαστολή. ]

2. Το ενεργειακό φάσμα του σύμπαντος

Μπορούμε να μετρήσουμε πόσοι γαλαξίες υπάρχουν σε μια δέσμη διαφορετικών θέσεων στον Κόσμο. Υπάρχουν μεγάλες έρευνες όπως η Έρευνα Γαλαξιών Πεδίου 2 Mοιρών (2-degree Field Galaxy Redshift Survey), η Ψηφιακή Έρευνα Ουρανού Sloan Sloan Digital Sky Survey, οι οποίες μας έχουν επιτρέψει να κατασκευάσουμε χάρτες, όπου είναι συγκεντρωμένοι όλοι οι γαλαξίες σε μια μεγάλη περιοχή του Κόσμου (δεξιά εικόνα, όπου κάθε σημείο αντιπροσωπεύει κι έναν γαλαξία). Μπορούμε έπειτα να καθορίσουμε, βασισμένοι στη συγκέντρωση αυτών των γαλαξιών, πόση συνολική ύλη (Ω_m) και πόση κανονική ύλη (Ω_b) υπάρχει εκεί μέσα. Έτσι, διαπιστώνουμε ότι η Ω_m είναι περίπου 23% και η Ω_b είναι περίπου 3% έως 4%.

3. Το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.

Η ακτινοβολία κατάλοιπο από το  Big Bang είναι θερμοκρασίας περίπου 2.725 βαθμούς Kelvin, και είναι σχεδόν ίδια παντού. Αλλά μερικά σημεία είναι λίγο πιο θερμά  ή λίγο πιο ψυχρά (της τάξης 10 μικρο-Κέλβιν). Μπορούμε να μάθουμε πολλά από αυτές τις ανισοτροπίες της θερμοκρασίας, όπως για παράδειγμα για την ποσότητα της σκοτεινής και της κανονικής ύλης που υπάρχει στο σύμπαν. Τελικά υπολογίστηκε ότι η ποσότητα της συνολικής ύλης είναι περίπου 27% και η ποσότητα της κανονικής ύλης είναι 4-5%,

4. Δεδομένα από τον βαρυτικό εστιασμό

Πριν δύο χρόνια βρέθηκε ότι το σμήνος Σφαίρα (Bullet Cluster) σχηματίστηκε από τη σύγκρουση δύο ξεχωριστών σμηνών πριν από 100 εκατομμύρια χρόνια. Από αυτή τη σύγκρουση διαχωρίστηκε η ορατή ύλη (στα δύο κόκκινα σφαιρικά νέφη δεξιά και αριστερά) από την σκοτεινή ύλη (οι δύο μπλε περιοχές).

Διαπιστώσαμε λοιπόν ότι εκεί μέσα έχουμε ύλη που ασκεί βαρυτική δύναμη εκεί που δεν υπάρχει καμιά ορατή κανονική ύλη. Και φυσικά δεν υπάρχει καμία θεωρία τροποποιημένης βαρύτητας που να μπορεί να εξηγήσει αυτές τις παρατηρήσεις χωρίς να συμπεριλάβει την σκοτεινή ύλης.

Το ίδιο φαινόμενο παρατηρήθηκε και στα σμήνη Abell 520 και CL0024+17.

5. Περιστροφή των σπειροειδών γαλαξιών

Όταν ένας σπειροειδής γαλαξίας περιστρέφεται, θα περιμέναμε, εάν δεν υπήρχε σκοτεινή ύλη, τα εξωτερικά μέρη του γαλαξία (άστρα) να περιστρέφονται γύρω από το κέντρο με μια πολύ πιο αργή ταχύτητα από ό,τι τα εσωτερικά μέρη, ακριβώς όπως οι εξωτερικοί πλανήτες του ηλιακού συστήματός μας περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο με πιο αργές ταχύτητες από ό,τι οι εσωτερικοί πλανήτες (τρίτος νόμος του Kepler).

Εντούτοις, δεν βλέπουμε τέτοια κατάσταση. Στην πραγματικότητα οι ταχύτητες των περιστρεφόμενων γαλαξιών παραμένουν σταθερές ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι ένα σημείο από το κέντρο του γαλαξία. (η εικόνα αριστερά δείχνει ότι η ταχύτητα είναι σταθερή).

Αυτό σημαίνει ότι είτε οι νόμοι της βαρύτητας κάνουν λάθος για τους γαλαξίες ή υπάρχει κάποια πρόσθετη μάζα, όπως η σκοτεινή ύλη. Αλλά εάν νομίζετε ότι οι νόμοι της βαρύτητας κάνουν λάθος, γιατί τότε δεν προβλέπουν τις προηγούμενες παρατηρήσεις του 4ου σημείου;

Μάλιστα τα άστρα κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία κινούνται γενικά με τροχιακές ταχύτητες της τάξης των 200 km/sec. Αν ο σπειροειδής γαλαξίας αποτελούταν μόνο από την συνήθη ύλη, που μπορούμε να παρατηρήσουμε με τη βοήθεια της ακτινοβολίας, τότε τα άστρα αυτά θα τον εγκατέλειπαν πολύ γρήγορα δεδομένου ότι οι τροχιακές ταχύτητες τους είναι τετραπλάσιες από την ταχύτητα διαφυγής από αυτόν. Δεν έχουν παρατηρηθεί όμως γαλαξίες που να έχουν διαλυθεί με τέτοιο τρόπο. Επομένως στο εσωτερικό τους πρέπει να υπάρχει επιπλέον ύλη (δηλαδή σκοτεινή ύλη) την οποία δεν έχουμε λάβει υπ' όψιν στους υπολογισμούς όταν αθροίσαμε όλους τους αστέρες.

Φυσικά και υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες που μπορούν να εξηγήσουν μερικά από αυτά τα ζητήματα, και ακόμη μπορούν να υπάρξουν εναλλακτικές λύσεις στη γενική σχετικότητα, όπως η θεωρία Tensor Vector Scalar του Bekenstein, που μπορεί ενδεχομένως να εξηγήσει τα σημεία 1, 2, 3, και 5 χωρίς σκοτεινή ύλη. Αλλά το σημείο 4 είναι πραγματικά ο δολοφόνος των απόψεων αυτών.

Τέλος, υπάρχουν κι άλλες παρατηρήσεις που αποδεικνύουν την παρουσία της σκοτεινής ύλης, αλλά οι πέντε ανωτέρω λόγοι πρέπει να πείσουν τον κάθε σκεπτικιστή των γεγονότων αυτών.

Από το 1932 ο αστρονόμος Jan Oort έχει δημοσιεύσει την υπόθεση, πως με βάση την κίνηση των άστρων του γαλαξία μας, η ολική ποσότητα της μάζας τους πρέπει είναι διπλάσια από την ορατή μάζα που φαίνεται με τα τηλεσκόπια. Μια άλλη ένδειξη για την ύπαρξη αόρατης ύλης, είναι το γεγονός ότι βλέπουμε τους γαλαξίες στο δικό μας τοπικό σμήνος, να κινούνται ο ένας προς τον άλλο.

Για πρώτη φορά προτάθηκε η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης στις αρχές της δεκαετίας του '30 από τον Ελβετό φυσικό Fritz Zwicky, που υπολόγισε ότι οι ακτινικές ταχύτητες οκτώ γαλαξιών στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης, ήταν 400 φορές μεγαλύτερες από αυτήν που αναμενόταν από την κοινή βαρύτητα της ορατής ύλης σε αυτούς τους γαλαξίες. Δηλαδή η ταχύτητα τους ήταν 7.000 χιλ. ανά δευτερόλεπτο από μας, που σήμαινε ότι θα διαλύονταν εκτός κι αν περιείχαν δεκαπλάσια μάζα από την ορατή.

Η εξήγηση που δόθηκε από τον Zwicky στην εξαίρετη ανακάλυψη του ήταν ότι υπάρχει αυτό που ονόμασε ο ίδιος σκοτεινή ύλη, ή ύλη που δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα αλλά μπορεί να προκύψει έμμεσα από την βαρυτική επίδραση της στην ορατή ύλη.

Η Vera Rubin ερευνώντας τον γαλαξία της Ανδρομέδας -περίπου 2,2 εκατομμύρια έτη φωτός από το δικό μας γαλαξία- διαπίστωσε πως τα άστρα της εξωτερικής σπείρας αυτού του Γαλαξία, αντί να κινούνται πιο αργά από τα άστρα των εσωτερικών σπειρών, κινούνται με την ίδια ταχύτητα με αυτά. Η αστρονόμος για ν' απαντήσει στα πιο πάνω προβλήματα, υπέδειξε πως έπρεπε το 90% των σπειροειδών γαλαξιών να αποτελείται από μια παράξενη, εξωτική, σκοτεινή ύλη που σαν άλω ή σαν περίβλημα εμποδίζει την εσωτερική σπείρα της Ανδρομέδας, να διασπαστεί.

Ομοίως ο γαλαξίας αυτός έρχεται προς το μέρος μας, με ταχύτητα περίπου 200.000 μιλίων την ώρα. Αυτό συμβαίνει μόνο με την επίδραση της βαρυτικής έλξης. Η μάζα όμως που παρατηρούμε δεν είναι αρκετά μεγάλη για να ασκήσει μια τέτοια έλξη. Η μάζα αυτή λοιπόν που λείπει, πρέπει να βρίσκεται στο χώρο μεταξύ των δύο γαλαξιών, και εκτιμάται ότι είναι περίπου 10 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του γαλαξία μας, με τη μορφή της 'σκοτεινής ύλης'.

Σε άλλη περίπτωση οι αστρονόμοι μετρούν την πίεση του θερμού αερίου, που γεμίζει τον χώρο μεταξύ των γαλαξιών ενός σμήνους, και το οποίο ακτινοβολεί στην περιοχή των ακτίνων-Χ. Από αυτή τη μέτρηση (όπως θα δούμε παρακάτω) μπορούν να συμπεράνουν την ποσότητα της επιπλέον αόρατης ύλης, που πρέπει να υπάρχει κατανεμημένη στο σμήνος, χάρη στο βαρυτικό πεδίο της οποίας, το αέριο δεν μπορεί να δραπετεύσει και παραμένει παγιδευμένο στο εσωτερικό του σμήνους.