Το καυτό αέριο αποκαλύπτει την ψυχρή σκοτεινή ύλη

Από σελίδα του CERN, Ιούλιος 2003

Αριστερά: Το Σμήνος γαλαξιών EMSS 1358+6245, που βρίσκεται σε απόσταση 4 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Αυτή η εικόνα που λήφθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο Chandra ακτίνων Χ της NASA, δείχνει την ακτινοβολία του θερμότατου αερίου που καταλαμβάνει το χώρο ανάμεσα στους γαλαξίες του σμήνους. Η φωτογραφία αυτή βοήθησε τους αστρονόμους να υπολογίσουν ότι η ποσότητα σκοτεινής ύλης σ' αυτό το σμήνος είναι τετραπλάσια της φωτεινής ύλης (αέριο και αστέρια στους γαλαξίες).

Μια μακροχρόνια διαμάχη μεταξύ των μοντέλων της ψυχρής και της καυτή σκοτεινής ύλης πλησιάζει γρήγορα σε ένα τέλος. Μια πρόσφατη μελέτη της εκπομπής καυτού αερίου στην περιοχή των ακτίνων-X σε ένα τεράστιο σμήνος γαλαξιών έχει επιτρέψει στους αστρονόμους να καθορίσουν την κατανομή της περιεχόμενης  σκοτεινής ύλης του. Η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης εμφανίζεται να αυξάνεται προς το κέντρο του σμήνους σε συμφωνία με τις προβλέψεις του μοντέλου της ψυχρής σκοτεινής ύλης.

Η ανακάλυψη ότι η κατανομή της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να είναι στενά περιορισμένη οφείλεται στην  υψηλή ανάλυση του παρατηρητήριου Chandra των ακτίνων X της NASA και στην επιλογή ενός συνηθισμένου και ανενόχλητου σμήνους γαλαξιών, που ονομάζεται Abell 2029. Αυτό το σμήνος βρίσκεται  δισεκατομμύριο έτη φωτός από τη Γη, και αποτελείται από χιλιάδες γαλαξίες που τυλίγονται σε ένα γιγαντιαίο νέφος καυτού αερίου. Στο κέντρο είναι ένας τεράστιος ελλειπτικός γαλαξίας που θεωρείται ότι έχει διαμορφωθεί από τη συγχώνευση διάφορων μικρότερων γαλαξιών.

Το καυτό αέριο συγκρατείται στο σμήνος με τη βαρύτητα, αλλά η μάζα των γαλαξιών στο σμήνος δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει την παρουσία αυτού του αερίου. Απαιτούνται κι άλλα τεράστια ποσά πρόσθετης, αόρατης ύλης που με τη βαρύτητα τους να ισορροπήσουν την πίεση του αερίου, το οποίο είναι σε μια θερμοκρασία περισσότερων από 10 εκατομμυρίων βαθμών. Αυτή η ελλείπουσα μάζα με την άγνωστη φύση είναι αυτό που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη.

Φαίνεται ότι η κατανομή του καυτού αερίου καθορίζεται κυρίως από την κατανομή της σκοτεινής ύλης, κι όχι από την κατανομή της ορατής και συνηθισμένης ύλης στους γαλαξίες. Επομένως, μετρώντας με ακρίβεια την κατανομή της εκπομπής των ακτίνων X από το καυτό αέριο, ο Aaron Lewis του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας και οι συνάδελφοι ήταν σε θέση να κάνουν ακόμη καλύτερη μέτρηση της κατανομής της σκοτεινής ύλης στην εσωτερική περιοχή ενός σμήνους γαλαξιών.

Τα στοιχεία των εκπομπών των ακτίνων X δείχνουν ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης αυξάνει ομαλά προχωρώντας προς το κέντρο του σμήνους των γαλαξιών. Αυτό συμφωνεί με τις προβλέψεις των μοντέλων της ψυχρής σκοτεινής ύλης και είναι αντίθετη προς τα άλλα μοντέλα της σκοτεινής ύλης που προβλέπουν μια σταθερή πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στο κέντρο του σμήνους.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να έχουν την ιδιότητα της αλληλεπίδρασης το ένα με το άλλο και με την "κανονική" βαρυονική ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας. Αυτά τα αποκαλούμενα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντας Σωματίδια με Μάζα (Wimp's) είναι δύσκολο να ανιχνευθούν και είναι αόριστα μέχρι τώρα.

Τα νετρίνα με μάζα είναι ένα πιθανό υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, που συνήθως ονομάζεται καυτή σκοτεινή ύλη επειδή ταξιδεύουν κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Λόγω αυτής της υψηλής ταχύτητας, τα μοντέλα της καυτής σκοτεινής ύλης του αρχικού Σύμπαντος δημιουργούν μεγάλες δομές στο μέγεθος των σμηνών των γαλαξιών πρώτα, τα οποία αργότερα τεμαχίζονται για να σχηματίσουν τους γαλαξίες.

Σε αντίθεση, τα πιο αργά σωματίδια της ψυχρής σκοτεινής ύλης δεν μπορούν να ταξιδέψουν μακριά και έτσι σχηματίζουν πρώτα τους μικρούς γαλαξίες, οι οποίοι συγχωνεύουν έπειτα για να σχηματίσουν τις μεγαλύτερες δομές όπως είναι τα σμήνη των γαλαξιών.

Εδώ και λίγα χρόνια έχουν υπάρξει πρόσθετα στοιχεία υπέρ του μοντέλου της ψυχρής σκοτεινής ύλης. Ο περίφημος Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) έδειξε ότι η "κανονική" βαρυονική ύλη αποτελεί μόνο το 17% της συνολικής ύλης του σύμπαντος, το υπόλοιπο είναι ψυχρή σκοτεινή ύλη άγνωστης φύσης.

Η μελέτη που παρουσιάζεται εδώ υποστηρίζει αυτό με τον καθορισμό της κατανομής αυτής της ύλης στα σμήνη των γαλαξιών, αλλά οι αστρονόμοι περιμένουν ακόμα τους σωματιδιακούς φυσικούς για να καθορίσουν τη φύση των αόριστων σωματιδίων της ψυχρής σκοτεινής ύλης.