Η σκοτεινή ύλη σχηματίζει ένα σύμπαν φάντασμα, δείχνει μια νέα θεωρία

Από σελίδα του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, 6 Νοεμβρίου 2003

Η "σκοτεινή ύλη" που περιλαμβάνει το ένα τέταρτο του σύμπαντος, αλλά μη ανιχνευθείσα ακόμα, δεν είναι μια ομοιόμορφη κοσμική ομίχλη, λέει μια αστροφυσικός του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο  Μπέρκλεϋ, αλλά αντίθετα σχηματίζει πυκνές μάζες που κινούνται σαν τους κόκκους της γύρης, την γνωστή κίνηση Brown.

Σε μια εργασία, που υποβλήθηκε την προηγούμενη εβδομάδα για δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review, των  Chung-Pei Ma, μια καθηγήτρια της αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο στο Μπέρκλεϋ και Edmund Bertschinger, του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασαχουσέτης (MIT), απέδειξαν ότι η κίνηση των συμπαγών μαζών της σκοτεινής ύλης μπορεί να διαμορφώνεται με έναν τρόπο παρόμοιο με την κίνηση Brown της σκόνης ή της γύρης σε ένα υγρό.

Τα συμπεράσματά τους θα δώσουν στους αστροφυσικούς έναν νέο τρόπο υπολογισμού της εξέλιξης αυτού του σύμπαντος 'φάντασμα', από σκοτεινή ύλη, και να εναρμονιστεί με το αισθητό σύμπαν, λέει η Ma.

Η σκοτεινή ύλη είναι ένα μεγάλο και δύσκολο πρόβλημα για την αστρονομία για περισσότερο από 30 χρόνια. Τα αστέρια μέσα στους γαλαξίες και οι γαλαξίες μέσα στα σμήνη κινούνται με έναν τρόπο που δείχνει ότι υπάρχει περισσότερη ύλη από όσο μπορούμε να δούμε. Αυτή η απαρατήρητη ύλη φαίνεται να βρίσκεται σε έναν σφαιρικό φωτοστέφανο (ή άλως), που επεκτείνεται πιθανώς 10 φορές μακρύτερα από τον ορατό φωτοστέφανο γεμάτο άστρα γύρω από τους γαλαξίες.

Οι πρώτες προτάσεις ότι η αόρατη ύλη αποτελείται από αστέρια που έχουν τελειώσει τη ζωή τους με μια έκρηξη ή βαριά νετρίνα δεν έχουν αποδειχθεί, ενώ σήμερα τα αγαπημένα υποψήφια σωματίδια της σκοτεινής ύλης είναι εξωτικά σωματίδια, όπως νετραλίνα, axions ή άλλα υποθετικά υπερσυμμετρικά σωματίδια. Επειδή αυτά τα εξωτικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με την συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας, κι όχι μέσω των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, δεν εκπέμπουν κανένα φως.

"Βλέπουμε μόνο τα μισά από όλα τα σωματίδια," λέει η Ma. "Είναι πάρα πολύ βαριά για να παραχθούν τώρα στους επιταχυντές, έτσι δεν ξέρουμε περίπου τον μισό κόσμο."

Η εικόνα για την σκοτεινή ύλη χειροτέρεψε πριν τέσσερα χρόνια, όταν βρέθηκε ότι η "σκοτεινή ενέργεια" ήταν σε μεγαλύτερη αναλογία από όσο η σκοτεινή ύλη. Ο απολογισμός του σύμπαντος δίνει τώρα ότι η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 69% του σύμπαντος, η εξωτική σκοτεινή ύλη το 27%, η κοσμική σκοτεινή ύλη - η αμυδρή όπως τα αθέατα αστέρια - το 3%, και ό,τι βλέπουμε στην πραγματικότητα είναι μόνο το 1 τοις εκατό.

Με βάση τα μοντέλα των υπολογιστών για το πώς θα κινούνταν η σκοτεινή ύλη κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας, η Ma υπολόγισε ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι σαν μια ομοιόμορφη νέφωση που τυλίγει τα σμήνη των γαλαξιών. Αντ' αυτού του μοντέλου, η σκοτεινή ύλη σχηματίζει μικρότερες συμπαγείς μάζες που μοιάζουν επιφανειακά όπως οι γαλαξίες και τα σφαιρικά σμήνη που βλέπουμε στον ορατό κόσμο μας. Η σκοτεινή ύλη έχει μια δυναμική ζωή ανεξάρτητη της κανονικής ύλης, εξηγεί η Ma.

"Το Μικροκυματικό Κοσμικό Υπόβαθρο παρουσιάζει τις αρχικές επιδράσεις της συγκέντρωσης της σκοτεινής ύλης, και αυτές οι μάζες αυξάνονται κάτω από την βαρυτική έλξη," συνέχισε. "Αλλά κάθε μια από αυτές τις συμπαγείς μάζες της σκοτεινής ύλης, η γνωστή άλως (φωτοστέφανος) γύρω από τα σμήνη των γαλαξιών, ήταν πιθανά ομαλή. Οι άνθρωποι ήθελαν να καταλάβουν γιατί οι, υψηλής ανάλυσης, προσομοιώσεις δείχνουν το αντίθετο, ότι δηλαδή αυτές οι συγκεντρώσεις δεν είναι ομαλές, κι έχουν περίπλοκες υποδομές. Ο σκοτεινός κόσμος έχει μια δυναμική δική του ζωή."

Η Ma, ο Bertschinger και ένας σπουδαστής του Μπέρκλευ, ο Michael Boylan-Kolchin, εκτέλεσαν οι ίδιοι μερικές από αυτές τις προσομοιώσεις. Διάφορες άλλες ομάδες, κατά τη διάρκεια των δύο προηγούμενων χρόνων, έχουν παρουσιάσει επίσης παρόμοια συγκέντρωση.

Το σύμπαν φάντασμα της σκοτεινής ύλης είναι ένα πρότυπο για τον ορατό κόσμο, εξηγεί η ίδια. Η σκοτεινή ύλη είναι 25 φορές αφθονότερη από την απλή ορατή ύλη, έτσι η ορατή ύλη θα πρέπει να συγκεντρώνεται οπουδήποτε βρίσκονται τα σμήνη της σκοτεινής ύλης.

Εκεί λοιπόν βρίσκεται το πρόβλημα, εξηγεί η Ma. Οι προσομοιώσεις των υπολογιστών της εξέλιξης της σκοτεινής ύλης προβλέπουν πολύ περισσότερες συγκεντρώσεις μαζών σκοτεινής ύλης σε μια περιοχή που υπάρχουν μάζες της ορατής ύλης. Εάν η φωτεινή ύλη ακολουθεί την σκοτεινή ύλη, πρέπει να υπάρχουν σχεδόν ίσοι αριθμοί από την κάθε μορφή ύλης.

"Ο Γαλαξίας μας, έχει μια δωδεκάδα δορυφόρους, αλλά στις προσομοιώσεις βλέπουμε χιλιάδες δορυφόρους με σκοτεινή ύλη," ανέφερε. "Η σκοτεινή ύλη μέσα στο Γαλαξία είναι ένα δυναμικό, ζωηρό περιβάλλον στο οποίο χιλιάδες μικρότερων δορυφόρων σκοτεινής ύλης συρρέουν γύρω από έναν μεγάλο γονικό φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης, αλληλεπιδρώντας συνεχώς και διαταράσσοντας ο ένας τον άλλο."

Επιπλέον, οι αστροφυσικοί που προσομοίωναν την κίνηση της σκοτεινής ύλης ήταν περίεργοι να δουν αν κάθε συμπαγής μάζα σκοτεινής ύλης είχε μια πυκνότητα που αυξανόταν στο κέντρο και μειωνόταν προς τις άκρες με τον ίδιο ακριβή τρόπο, ανεξάρτητα από το μέγεθός της. Αυτό το καθολικό πρότυπο της πυκνότητας, εντούτοις, εμφανίζεται να είναι σε σύγκρουση με τις παρατηρήσεις μερικών νάνων γαλαξιών που έγιναν από ένα συνάδελφο της Ma, τον καθηγητή της  αστρονομίας του Μπέρκλευ Leo Blitz, και την ερευνητική του ομάδα.

Η Ma  ελπίζει ότι ένας νέος τρόπος παρατήρησης της κίνησης της σκοτεινής ύλης θα επιλύσει αυτά τα προβλήματα και θα ευθυγραμμίσει τη θεωρία με την παρατήρηση. Σε ένα άρθρο της, στο περιοδικό Physical Review, που συζητήθηκε σε μια συνεδρίαση της American Physical Society στις αρχές του τρέχοντος έτους, απέδειξε ότι η κίνηση της σκοτεινής ύλης μπορεί να θεωρηθεί σαν την κίνηση Brown, που ο βοτανολόγος Robert Brown περιέγραψε το 1828 και ο Αλβέρτος Einstein εξήγησε σε μία εργασία του το 1905, η οποία τον βοήθησε να πάρει το βραβείο Νόμπελ του 1921 στη φυσική.

Η κίνηση Brown περιγράφηκε αρχικά ως μια κίνηση ζικ ζακ από ένα κόκκο γύρης που επιπλέει στο νερό, και που ωθείται από τα μόρια του νερού που συγκρούονται με αυτήν. Το φαινόμενο αναφέρεται με τον ίδιο τρόπο και στην κίνηση της σκόνης στον αέρα και στην κίνηση των πυκνών συμπαγών μαζών της σκοτεινής ύλης, στο σύμπαν της σκοτεινής ύλης, εξηγεί η ίδια αστροφυσικός.

Άλλοι αστρονόμοι, όπως ο καθηγητής της  αστρονομίας του Μπέρκλευ Ivan King, έχουν χρησιμοποιήσει τη θεωρία της, της κίνησης Brown, για να φτιάξουν ένα μοντέλο της μετακίνησης εκατοντάδων χιλιάδων  αστεριών μέσα στα σμήνη των αστεριών, αλλά τώρα αυτό, λέει η Ma , "είναι η πρώτη φορά που έχει εφαρμοστεί αυστηρά σε μεγάλες κοσμολογικές κλίμακες. Η ιδέα είναι ότι δεν νοιαζόμαστε που ακριβώς είναι οι συμπαγείς μάζες, αλλά μάλλον, πώς συμπεριφέρονται οι μάζες στατιστικά στο σύστημα, πώς δηλαδή  διασκορπίζονται βαρυτικά."

Η Ma σημείωσε ότι η κίνηση Brown των συμπαγών μαζών κυβερνάται από μια εξίσωση, την εξίσωση Fokker-Planck, η οποία χρησιμοποιείται σε στοχαστικά ή πιθανοκρατικά μοντέλα, συμπεριλαμβανομένου και του χρηματιστηρίου.

Η Ma  και οι συνεργάτες της δουλεύουν αυτήν την περίοδο στην επίλυση αυτής της εξίσωσης για την κοσμολογική σκοτεινή ύλη.

"Είναι εκπληκτικό και ευχάριστο ότι η εξέλιξη της σκοτεινής ύλης, η εξέλιξη των συμπαγών μαζών, υπακούει σε μια απλή, παλαιά εξίσωση 90 χρόνων," είπε η Ma.

Η εργασία υποστηρίχθηκε από την Εθνική Αεροναυτική και Διαστημική Διοίκηση (NASA).