Βρέθηκε επιτέλους η σκοτεινή ύλη; 

Από σελίδα του NewScientist, Οκτώβριος 2003

Ενδεχομένως ανακαλύφθηκε η ταυτότητα της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος. Ερευνητές από την Αγγλία και τη Γαλλία, ισχυρίζονται ότι ακτίνες γ που έρχονται από το κέντρο του γαλαξία μας, δείχνουν  σημάδια αυτών των σωματίων φάντασμα, όπως τουλάχιστον προτείνονται από την πιο πειστική θεωρία που έχει διατυπωθεί γι αυτά. 

Η έρευνα αυτή μόλις δημοσιοποιήθηκε, κι έτσι η ομάδα των ερευνητών περιμένει ανταπόκριση και από άλλους ειδικούς περί την σκοτεινή ύλη. Αν και οι ερευνητές είναι επιφυλακτικοί δεν κρύβουν ωστόσο τον ενθουσιασμό τους. "Παράτησα κάθε τι άλλο για να δουλέψω σ' αυτό", λέει ο Dan Hooper του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης. "Είμαστε πραγματικά ενθουσιασμένοι", προσθέτει η συνάδελφός του Céline Boehm, επίσης από την Οξφόρδη. "Είμαι επιφυλακτική αλλά είναι έκπληξη που κάθε τι ταιριάζει τόσο καλά". 

Η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται, σε αυτή την εικόνα ενός σμήνους γαλαξιών, ως φωτοστέφανος σε μπλε χρώμα, ενώ η ορατή ύλη χρωματίστηκε κόκκινη.

Η ταυτότητα της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος, η οποία είναι τουλάχιστον επταπλάσια της ορατής ύλης, είναι το κατ' εξοχήν μυστήριο της σύγχρονης αστρονομίας. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι πρέπει να υπάρχει γιατί η βαρύτητά της επηρεάζει τον τρόπο που αλληλοσυγκρατούνται και κινούνται οι γαλαξίες.  Αλλά τα σωματίδιά της δεν εκπέμπουν καθόλου ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κι έτσι δεν έχουν ποτέ ανιχνευτεί απευθείας. Κανείς δεν ξέρει με τι μοιάζουν τα σωματίδια αυτά, ή πως κατανέμονται ακριβώς. 

Παρόλα αυτά, επειδή η σκοτεινή ύλη αισθάνεται τη δύναμη της βαρύτητας με τον ίδιο τρόπο που την αισθάνεται και η συνηθισμένη ορατή ύλη, κανείς θα μπορούσε να στοιχηματίσει με σχετική ασφάλεια ότι πρέπει να υπάρχουν μεγάλες συγκεντρώσεις από αυτήν στο κέντρο του γαλαξία. Έτσι η ομάδα έστεψε την προσοχή της σε ένα διακριτό σχηματισμό ακτίνων γ που έρχεται από το κέντρο του γαλαξία. Το οξύ σήμα σε ενέργεια 511 keV, που έρχεται από εκεί, πιστεύεται ότι οφείλεται στην εξαΰλωση ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων. Τα ποζιτρόνια είναι τα αντισωματίδια των ηλεκτρονίων. 

Μυστηριώδες νέφος. Η κατανομή των ακτίνων γ από το κέντρο του Γαλαξία μας ταιριάζει με την υπόθεση ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι 10 έως 1000 φορές ελαφρύτερα από το πρωτόνιο

Εικονική ακινησία

Από που προέρχονται όμως αυτά τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια; Οι επιστήμονες εικάζουν ότι η πηγή τους θα μπορούσε να είναι οτιδήποτε: από τα ωστικά κύματα ενός "υπέρ-νόβα", δηλαδή ενός πάρα πολύ ισχυρού σούπερ-νόβα, έως ένα αστέρι νετρονίων ή μια μαύρη τρύπα. "Καμιά όμως εξήγηση δεν μοιάζει ικανοποιητική," λέει ο Hooper.  

Οι ερευνητές αναρωτήθηκαν αν τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια θα μπορούσαν να προέρχονται από σωματίδια σκοτεινής ύλης και των αντισωματιδίων τους στο κέντρο του γαλαξία. αλλά για να παραχθεί μια οξεία γραμμή στα 511 keV - η οποία ΄εκφράζει την ενέργεια ηρεμίας ενός ηλεκτρονίου - τα ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια πρέπει να επιβραδυνθούν σχεδόν μέχρι ακινησίας πριν να εξαϋλωθούν, αποκλείοντας έτσι ν' αποτελείται η σκοτεινή ύλη από πολύ βαριά σωματίδια, όπως περίμεναν οι περισσότεροι ερευνητές. 

"Τα βαριά σωματίδια σκοτεινής ύλης θα παρήγαγαν τότε και ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας" λέει ο Hooper. "Καθώς είναι δύσκολο να φανταστούμε πως θα μπορούσαν αυτά να επιβραδυνθούν μέχρι ακινησίας, αναγκαστήκαμε να υποθέσουμε ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από ιδιαίτερα ελαφρά σωματίδια". 

Λέγοντας ελαφρά, οι ερευνητές εννοούν 1 έως 100 MeV, δηλαδή μεταξύ 1000 και 10 φορές ελαφρύτερα από ένα πρωτόνιο. ένα τέτοιο σωματίδιο προκαλεί έκπληξη, διότι οι επιταχυντές σωματιδίων δημιουργούν εύκολα σωματίδια με τέτοιες μάζες, κι έτσι τα σωμάτια αυτά θα είχαν αποκαλυφθεί και σε πειράματα στο εργαστήριο. 

"Για να διαφεύγουν της παρατήρησής μας, πρέπει να αλληλεπιδρούν πολύ ασθενικά", λέει ο Hooper. 

Συγκέντρωση λαμπρότητας

Για να ελέγξουν την ιδέα τους οι ερευνητές κοίταξαν στις παρατηρήσεις του Integral, δηλαδή του τηλεσκοπίου ακτίνων-γ της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας. Από τον Οκτώβριο του 2002 που τέθηκε σε λειτουργία, το Integral έχει κάνει τις πιο ακριβείς μετρήσεις στη γραμμή των 511keV, και έχει απεικονίσει τις μεταβολές στη λαμπρότητα της κεντρικής περιοχής στο γαλαξία μας. Η ομάδα βρήκε ότι ο χάρτης της λαμπρότητας συμφωνούσε ακριβώς με την κατανομή που θα αναμενόταν βάσει των ελαφρών σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.  

Αν η σκοτεινή ύλη, είναι πραγματικά φτιαγμένη από τέτοια ελαφρά σωματίδια, κάθε κυβικό εκατοστόμετρο του διαστήματος στη γειτονιά της Γης πρέπει να περιέχει μερικές δεκάδες από αυτά. Έτσι θα μπορούσαμε να τα ανιχνεύσουμε σε εργαστηριακά πειράματα επί της Γης. 

"Ο ισχυρισμός αυτός θα γινόταν περισσότερο ενδιαφέρων, αν ένα πείραμα σωματιδιακής ή πυρηνικής φυσικής, βρει ένα σωματίδιο με τις ιδιότητες που υποθέτει η ομάδα", λέει ο Ben Allanach του CERN, (του Ευρωπαϊκού κέντρου σωματιδιακής φυσικής.)

Οι ομάδες που "κυνηγούν" την σκοτεινή ύλη, συνήθως εστιάζουν την έρευνά τους σε πιο μεγάλης μάζας σωματίδια, - μεγαλύτερη από 10 GeV ­ προσπαθώντας να ανιχνεύσουν την ανάκρουση ενός ατομικού πυρήνα όταν χτυπηθεί από ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης. 

Ο Hooper, η Boehm και οι συνεργάτες τους ψάχνουν τώρα αν κάποιο από τα υπάρχοντα πειράματα θα μπορούσε να δώσει ενδείξεις για το νέο σωματίδιο ή αν με κάποια τροποποίηση των πειραμάτων αυτών θα μπορούσαν να το ανιχνεύσουν.