Η χαμένη τιμή της μάζας του Σύμπαντος.

Πίνακας Θεμάτων

  1. Πως γνωρίζουμε για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης
  2. Μορφές της σκοτεινής ύλης

Πως γνωρίζουμε για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης

  • Ήδη από το 1930 οι φυσικοί είχαν διαπιστώσει ότι κάτι δεν πάει καλά με το ποσό της ύλης στο σύμπαν, αφού ο γαλαξίας μας, για παράδειγμα, συμπεριφερόταν σαν να περιείχε περισσότερη ύλη από όση ήταν ορατή με τα τηλεσκόπια.
    Συγκεκριμένα, σε γαλαξιακό επίπεδο παρατηρούμε ότι η περιστροφική κίνηση σπειροειδών γαλαξιών (γύρω από το κέντρο τους) είναι πιο γρήγορη από ό,τι θα αναμενόταν. Ενώ μία περιστροφή του γαλαξία γίνεται σε 108 έτη, ενώ συγχρόνως διατηρείται το σχήμα του για δισ. έτη, η 1011 ηλιακές μάζες δεν φτάνουν να εξηγήσουν την ευστάθεια του γαλαξία μας. Οι επιστήμονες δέχονται ότι ο γαλαξίας μας, περιβάλλεται από άλω σκοτεινής ύλης. Στην άλω (σαν φωτοστέφανο) βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης. Η χαμένη μάζα πρέπει να είναι 10 φορές περισσότερη από την παρατηρούμενη φωτεινή ύλη του Γαλαξία. Η θεωρία της σφαιρικής άλως αρκεί για να εξηγηθεί η σταθερότητα του Γαλαξία.
    Για να μετρήσουμε την μάζα του Γαλαξία, διαπιστώνουμε το ποσοστό της φασματικής μετατόπισης των συχνοτήτων του φωτός που προέρχεται από σώματα και αέριες μάζες σε διάφορες αποστάσεις από το κέντρο του γαλαξία, πράγμα που καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της μάζας του.

  • Για να εξηγηθούν οι κινήσεις των αστέρων κάθετα προς το γαλαξιακό επίπεδο απαιτείται συνολικό βαρυτικό πεδίο (άρα και μάζα) διπλάσιο του παρατηρουμένου.

  • Οι γαλαξίες σχηματίζουν ομάδες ή σμήνη απο χιλιάδες γαλαξίες. Στις ομάδες αυτές οι διάφορες κατανομές μάζας συνεισφέρουν αρνητική δυναμική ενέργεια και οι κινήσεις των γαλαξιών θετική κινητική ενέργεια. Αν η ενέργεια είναι συνολικά αρνητική το σύστημα είναι σταθερό και χωρικά πεπερασμένο. Αφού οι κινητικές ενέργειες των επιμέρους γαλαξιών είναι μεγάλες θα πρέπει η δυναμική ενέργεια των γαλαξιών να είναι τεράστια, αφού έχουμε σταθερότητα στο σύστημα. Και αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει 10-πλάσια μάζα από την παρατηρουμένη. Η μάζα αυτή μπορεί να είναι στην άλω ή στα μεσογαλαξιακά νέφη.

  • Τέλος το μοντέλλο του κλειστού σύμπαντος που είναι πεπερασμένο σε χώρο και ύλη, χρειάζεται 30-50 φορές περισσότερη μάζα από την παρατηρουμένη για να "κλείσουμε" το Σύμπαν.

Επιστροφή

Μορφές της σκοτεινής ύλης

Η μάζα αυτή μπορεί να είναι οργανωμένη στη μορφή καφετιών νάνων (brown dwarfs), κόκκινων νάνων, πολύ μεγάλων μαύρων οπών, μεσογαλαξιακών νεφών και σκόνης ή ακόμη και σε σκοτεινούς γαλαξίες.

Από τις ποσότητες του δευτερίου που βλέπουμε βγαίνει το συμπέρασμα ότι η σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος δεν μπορεί να είναι πάνω από 10-15 φορές περισσότερη από την παρατηρουμένη φωτεινή μάζα, ποσότητα που δεν φτάνει για να κλείσει το Σύμπαν. Μά άλλη πρόταση αφορά τη μάζα των νετρίνων. Επειδή το νετρίνο έχει ελάχιστη μάζα περίπου 1eV/c2, αλλά το πλήθος τους είναι τεράστιο, η έστω και ελάχιστη μάζα του, φτάνει για να κλείσει το Σύμπαν.

Πάντως σήμερα η έρευνα για να εντοπιστεί η φύση της σκοτεινής ύλης έχει μεταφερθεί και στο εργαστήριο, όπου δοκιμάζονται οι συνέπειες θεωριών που προβλέπουν ασυνήθιστα και εξωτικά σωματίδια, τα οποία, αν υπάρχουν, θα βοηθούσαν στη διαλεύκανση του μυστηρίου. Για παράδειγμα θεωρίες δέχονται την ύπαρξη παράξενων σωματιδίων, όπως είναι το φωτίνο των υπερσυμμετρικών θεωριών βαρύτητας, το άξιον των ενοποιημένων θεωριών των ασθενών, των ηλεκτρομαγνητικών και των ισχυρών αλληλεπιδράσεων, και τέλος τα υπερβαρέα σωματίδια της θεωρίας των υπερχορδών.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ακόμα σε μία ομάδα σωματιδίων όχι φορτισμένων και μη βαρυονικών, που συνολικά ονομάζονται WIMPS (Weakly interacting massive particles). Τέτοια σωματίδια προβλέπονται κυρίως από θεωρίες που ξεπερνούν τα πλαίσια του καθιερωμένου μοντέλου της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων και τα οποία στηρίζονται συνήθως στην έννοια της υπερσυμμετρίας ανάμεσα στους δύο βασικούς τύπους σωματιδίων (με βάση το σπιν), τα μποζόνια και τα φερμιόνια.

Ένα σωματίδιο που θα μπορούσε εδώ να παίξει σημαντικό ρόλο είναι το νετραλίνο, το υπερσυμμετρικό σωματίδιο του νετρίνου, το οποίο (αν υπάρχει) θα πρέπει να έχει μάζα ανάμεσα σε 20GeV και 1.000GeV (20 έως 1.000 φορές τη μάζα του πρωτονίου!). Σε διάφορα πειράματα που λαμβάνουν χώρα σε διάφορα σημεία του κόσμου γίνεται προσπάθεια σε μεγάλες υπόγειες δεξαμενές να εντοπιστούν τέτοια εξωτικά σωματίδια, τα οποία μπορεί να υπάρχουν ως υπολείμματα του Big Bang.

Τέτοια πειράματα είναι το Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), το ιταλικό DAMA, το UK Dark Matter Collaboration (UDMMC) στη Μ. Βρετανία. Πάντως πρόσφατα η έρευνα δέχτηκε ένα πλήγμα, καθώς δύο ερευνητικές ομάδες μοιάζουν να διαφωνούν για τη σημασία των ευρημάτων της έρευνας στα WIMP.

Συγκεκριμένα, μία ομάδα από το Stanford University στο Berkeley αμφισβήτησε τα αποτελέσματα της ιταλικής έρευνας στο DAMA. Κατά τους ερευνητές του Stanford, σε 13 πιθανές περιπτώσεις ανίχνευσης σωματιδίων WIMP, οι περισσότερες πρέπει να προκλήθηκαν από συνηθισμένα σωματίδια, π.χ., νετρόνια, και άρα τα αντίστοιχα αποτελέσματα από τα ιταλικά πειράματα δεν είναι πειστικά. Πάντως, ο Pierluigi Belli από το Πανεπιστήμιο της Ρώμης τόνισε το γεγονός ότι η συχνότητα με την οποία εντοπίστηκαν γεγονότα WIMP και στο Stanford και στην Ιταλία ήταν ανάλογη, και αυτό πρέπει να προβληματίσει, διότι δεν μπορεί να είναι τυχαίο.

Έτσι το πρόβλημα της χαμένης ή σκοτεινής ύλης παραμένει και αναζητά τη λύση του.
Home