Οι αστρονόμοι πανηγυρίζουν για την αξιόπιστη μέτρηση της σκοτεινής ύλης

Από σελίδα του Space.com 29-Οκτωβρίου-2001

Οι επιστήμονες είναι πιό κοντά, όσο ποτέ άλλοτε, για να βρούν την αναλογία της συνηθισμένης ύλης με την σκοτεινή. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας δύο πρόσφατων ανεξάρτητων μετρήσεων της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν που βρίσκονται σε συμφωνία. Τα αποτελέσματα τους ενισχύουν ακόμη πιό πολύ τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης για τη φύση του σύμπαντος, όπως οι αστρονόμοι την καταλαβαίνουν σήμερα.

Το σύμπαν περιέχει συνηθισμένη ατομική ύλη, αλλά εκτός από την ουσία των αστεριών, υπάρχει και η αόρατη σκοτεινή ύλη που είναι γνωστή μόνο και μόνο επειδή το σύμπαν είναι πυκνότερο από ό,τι θα ήταν αν υπήρχε μόνο η συνηθισμένη ύλη. Αυτό αποδεικνύεται από το γεγονός πώς δομές, όπως είναι οι συστάδες των γαλαξιών, συγκεντρώνονται μαζί λόγω της βαρύτητας. Ούτε όμως και οι μεμονωμένοι γαλαξίες δεν έχουν αρκετή συνηθισμένη ύλη μέσα τους -- αυτή που μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα -- για να τους συγκρατήσει, ώστε να μην χωριστούν.

Τώρα, μέσω διαφορετικών μετρήσεων των συνθηκών που υπήρχαν στην αρχή-αρχή του χρόνου, οι αστρονόμοι αρχίζουν να βλέπουν το φως.

"Υπάρχουν περισσότεροι από έναν τρόποι, για τη μέτρηση του συνολικού ποσού της ύλης στον κόσμο," λεει ένας αστρονόμος ο Brian Fields από το Κέντρο για τη Θεωρητική Αστροφυσική στο Πανεπιστήμιο του Ιλλινόις, Urbana-Champaign. "Και εάν έχετε μια ιδέα, τι ποσότητα από την συνηθισμένη ουσία υπάρχει σε όλο τον κόσμο, κατόπιν ξέρετε πόση σκοτεινή ύλη υπάρχει, επίσης."

Δημιουργία της συνηθισμένης ύλης

Όλη η 'συνηθισμένη ουσία' θεωρείται πως έχει γίνει σε δύο βήματα, ένα που εμφανίζεται όταν ο κόσμος ήταν κατά προσέγγιση ηλικίας τριών λεπτών, και ένα άλλο περίπου 300.000 έτη αργότερα.

Σύμφωνα με την κύρια θεωρία, μια τεράστια έκρηξη που αποκαλείται Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang) συνέβη 13 έως 15 δισεκατομμύρια έτη πριν. Από εκείνη τη στιγμή εμφανίστηκε το σύμπαν, ο κόσμος μας, αλλά αργότερα από τότε εμφανίστηκε σαν ένας κόσμος δισεκατομμυρίων ατάκτων νετρονίων, πρωτονίων και ηλεκτρονίων.

Η έκρηξη ήταν τόσο ενεργητική που τίποτα δεν θα μπορούσε να έλθει σε επαφή, για αρκετό καιρό, ώστε να διαμορφωθούν τα άτομα.

Αλλά το σύμπαν επεκτεινόταν και ψύχθηκε τόσο γρήγορα που μέσα σε τρία λεπτά, πρωτόνια και νετρόνια συνδέθηκαν ανά δύο και ανά τέσσερα, και διαμόρφωσαν όλους τους ατομικούς πυρήνες στον κόσμο. Αυτη η τεράστια νουκλεονοσύνθεση καθόρισε πόση συνηθισμένη ύλη θα υπήρχε για πάντα.

Ακριβώς πόση ύλη ύπήρχε τότε, μπορεί να υπολογιστεί από την παρατήρηση των προσφάτως σχηματισμένων αστεριών και γαλαξιών, επειδή τροφοδοτούνται με καύσιμα από τα άτομα του υδρογόνου που διαμορφώθηκαν από εκείνους τους αρχικούς πυρήνες.

Οι θεωρίες εξήγησαν ότι νέα αστέρια, όπως ο Ήλιος μας, συντήκουν μόλις τώρα εκείνο το αρχικό υδρογόνο προς ήλιο, ενώ τα παλαιότερα αστέρια συντήκουν το ήλιο προς το οξυγόνο και τον σίδηρο.

Επειδή τα καύσιμα του υδρογόνου δεν έχουν ακόμη μετατραπεί, σε άλλα άτομα, οι επιστήμονες είναι σε θέση να μετρήσουν το ποσοστό της αρχικής συνηθισμένης ύλης προς τη σκοτεινή ύλη.

"Τα αστέρια αλλάζουν το ποσό του υδρογόνου και του ηλίου στο Σύμπαν," είπε ο Brian Fields , "και θέλουμε να ξέρουμε πως το έκανε η Μεγάλη Έκρηξη. Έτσι πρέπει να βρούμε τις θέσεις, όπου η 'ρύπανση' από τα αστέρια είναι ελάχιστη", για να υπολογίσουμε τα αρχικά ποσά της συνηθισμένης ή κανονικής ύλης καθώς και της σκοτεινής.

Αλλά πριν  ξεκινήσουν να διαμορφώνονται οποιαδήποτε αστέρια,  έπρεπε να υπάρξουν τα άτομα του υδρογόνου. Αυτή η διαδικασία τράβηξε 300.000 έτη μετά από το Big Bang, γιατί έπρεπε το σύμπαν να ψυχθεί αρκετά, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μπορούν να δεσμευτούν με τους πυρήνες.

Μόλις συνέβη αυτό, υπήρξε μια περίεργη παρενέργεια: η δημιουργία του φωτός στον κόσμο.

Μέχρι την εποχή που η θερμοκρασία στο σύμπαν ήταν περίπου 3.000 Κ, η ύλη ήταν αρκετά ιοντισμένη, αποτελουμένη από ελεύθερα ηλεκτρόνια, ιόντα υδρογόνου και ηλίου. Τα φωτόνια αντιδρούσαν με τα ιόντα και η ζωή τους ήταν συνεχείς απορροφήσεις και επανεκπομπές. Το σύμπαν ήταν αδιαφανές (μη διαπερατό) στα φωτόνια, τα οποία λόγω των συνεχών αλληλεπιδράσεων, βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία με την ύλη. 

Αδέσμευτα ηλεκτρόνια διασκόρπισαν την UV ακτινοβολία από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης, αλλά μόλις δεσμεύθηκαν τα ηλεκτρόνια στους πυρήνες και σχηματίσθηκαν ουδέτερα άτομα, έπαψε το σύμπαν να είναι αδιαφανές κι έγινε διαπερατό στα φωτόνια, τα οποία επηρεάζονται πλέον, μόνον από το χώρο αλλά όχι κι από την ύλη του.

Τελικά την εποχή που το νέο σύμπαν είχε θερμοκρασία 3.000Κ, η ύλη διαχωρίζεται από την   ακτινοβολία ή λέμε ότι τα φωτόνια υφίστανται την τελευταία τους σκέδαση.

Αυτό το φως υπάρχει από τότε, ταξιδεύοντας απ' άκρη σε άκρη του σύμπαντος, αλλαγμένο και αποδυναμωμένο, προς μια μετρήσιμη ακόμη ακτινοβολία μικροκυμάτων, που καλείται Κοσμική Ακτινοβολία Μικροκυμάτων Υποβάθρου, ή όπως την καλούν αστρονόμοι Cosmic Microwave Background (CMB).

Αδύνατη έλξη

Κατά την διάρκεια της αρχικής ελευθέρωσης του φωτός, η σκοτεινή ύλη είχε συναθροιστεί σε όγκους, οι οποίοι δημιούργησαν μικρά πεδία της βαρύτητας, που τελικά ωθήθηκαν σε κανονική ύλη επίσης.

Οι εικόνες της CMB είναι επομένως ομαλές συνήθως, αλλά έχουν σημεία ή κυματισμούς, μικρών παραλλαγών, που είναι ένα αποτέλεσμα της σκοτεινής και της κανονικού ύλης που συγκεντρώθηκε μαζί.

"Η φύση αυτών των 'κυματισμών' βασικά μας λέει με ποιό τρόπο η κανονική ύλη αποκρινόταν σε αυτή τη τρελλή σκοτεινή ύλη," εξήγησε ο Brian Fields, "ενισχύοντας τις θέσεις της, όπου υπήρχε ακραία πυκνότητα."

Η CMB που μετρήθηκε πρόσφατα μέσω ιδιαίτερα ευαίσθητων ελέγχων στην Ανταρκτική, μας δίνει επομένως ένα λεπτομερές μέτρο του ποσοστού της κανονικής προς την σκοτεινή ύλη.

Φαινομενικά, και οι μετρήσεις των νέων γαλαξιών και του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων έδειξαν ότι η κανονική ή συνηθισμένη ύλη αποτελεί ακριβώς το ένα δέκατο του σύμπαντος. Το υπόλοιπο πρέπει να είναι σκοτεινό ύλη, λένε οι ερευνητές.

Ο Fields, που έγραψε για αυτήν την αστρονομική συμφωνία στην έκδοση της 19ης Οκτωβρίου 2001, στο περιοδικό Science , εξήγησε γιατί αυτό το ποσοστό αναγκάζει τους αστρονόμους   "να βρουν τι υπάρχει κάτω από το αφρό."

"Δεν έπρεπε να είναι αληθινό," εξηγεί ο Brian Field, "επειδή είναι απολύτως ανεξάρτητα πράγματα. Είναι τόσο πανέμορφο ότι συμφωνούν το ένα με το άλλο."

Οι προηγούμενες μελέτες είχαν δείξει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελούσε οπουδήποτε το 85 έως το 95 τοις εκατό του σύμπαντος.

Μόνο τώρα οι δύο διαφορετικές μετρήσεις της σκοτεινής ύλης συμφωνούν. Τώρα, τα 90 τοις εκατό του σύμπαντος είναι γνωστά πως δεν είναι κάτι ουσιαστικό.

Εικόνες

Το σμήνος των γαλαξιών EMSS 1358+6245 είναι περίπου 4 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, στον αστερισμό του Draco.
Όταν φωτογραφήθηκε με το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X , οι επιστήμονες καθόρισαν ότι η μάζα της σκοτεινής ύλης είναι εκεί τέσσερις φορές μεγαλύτερη από την κανονική ύλη.

Οι επιστήμονες της NASA αναμένουν έναν χάρτη όπως αυτόν, από τον δορυφόρο Microwave Anisotropy Probe (MAP),  ο οποίος άρχισε να χαρτογραφεί το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, αυτό το μήνα με την υψηλότερη ανάλυση που έγινε ποτέ.
Οι παραλλαγές στο CMB θα βοηθήσουν να επιλύσουν πόση σκοτεινή ύλη είναι στον σύμπαν. Το κόκκινο χρώμα αντιπροσωπεύει τις εκπομπές μικροκυμάτων στο γαλαξία μας (Milky Way), όχι την εκπομπή μικροκυμάτων του κοσμικού υποβάθρου (CMB).

Ο γαλαξίας UGC 10214 έχει ένα ρεύμα υλικού που ρέει προς τα δεξιά που εμφανίζεται με έναν άλλο γαλαξία, αν και δεν υπάρχει τίποτα εκεί. Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το ρεύμα ωθείται πραγματικά από τη βαρυτική έλξη της αόρατης σκοτεινής ύλης.

Οι αστρονόμοι πιστεύουν πως το Big Bang παρήγαγε αρχικά τους   ατομικούς πυρήνες στα πρώτα τρία λεπτά του σύμπαντος.
300.000 έτη αργότερα, διαμορφώθηκαν τα άτομα και απελευθερώθηκε το φως. Σήμερα μπορούμε ακόμα να παρατηρήσουμε τα στοιχεία αυτών των αρχέγονων αντιδράσεων.