Μπορεί ένα μόνο σωματίδιο σκοτεινής ύλης να έχει μέγεθος μερικά έτη φωτός;

Από το Scientific American, Σεπτέμβριος 2004

Το 1996 το περιοδικό Discover έγραψε σαν πρωταπριλιάτικο αστείο για την ύπαρξη γιγάντιων σωματιδίων τα οποία ήταν υπεύθυνα για όλα τα ανερμήνευτα φαινόμενα. Τώρα φαίνεται πως η πραγματικότητα μιμείται την τέχνη και μερικοί φυσικοί προτείνουν ότι η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη του σύμπαντος αποτελείται από πολύ μεγάλα σωματίδια με διαστάσεις της τάξης των ετών φωτός ή και ακόμη μεγαλύτερα.

Ανάμεσα σ' αυτά τα γιγάντια σωματίδια, η συνηθισμένη ύλη φαίνεται σαν μικρά ζωάκια στα πόδια δεινοσαύρων. 

Η ιδέα αυτή δημιουργήθηκε για να εξηγήσει ένα αίνιγμα της σκοτεινής ύλης. Αν και αυτή συγκεντρώνεται στις πολύ μεγάλες κλίμακες δημιουργώντας συστήματα όπως τα σμήνη γαλαξιών, μοιάζει συγχρόνως να αντιστέκεται στην συγκέντρωση στις μικρότερες κλίμακες. Οι αστρονόμοι παρατηρούν πολύ λιγότερους μικρούς γαλαξίες και σύννεφα ενδογαλαξιακής σκόνης, απ' όσα θα συμπεραίναμε αν προεκτείναμε τις παρατηρήσεις μας επί των σμηνών. Πολλοί υποστηρίζουν λοιπόν ότι τα σωματίδια που αποτελούν την σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρούν μεταξύ τους όπως τα μόρια των αερίων, δημιουργώντας μια πίεση που αντισταθμίζει την έλξη της βαρύτητας.  

Οι μικροί γαλαξίες όπως ο NGC 3109 είναι πιο αραιοί και λιγότερο συμπαγείς απ' όσο θα ήταν αν η ύλη συγκεντρωνόταν ελεύθερα, ίσως γιατί παρεμβαίνουν κολοσσιαία σωματίδια τα οποία μπορεί να αποτελούν την μάζα του σύμπαντος που λείπει και η οποία αντιστέκεται στη συγκέντρωση της ύλης.

Η υπόθεση για το σωματίδιο-γίγας ακολουθεί μια άλλη προσέγγιση. Αντί να προσθέσουν μια νέα ιδιότητα στα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, εκμεταλλεύονται την τάση κάθε κβαντικού σωματιδίου να αντιστέκεται στον περιορισμό του σε μικρό χώρο. Αν προσπαθήσετε να συμπιέσετε κάποιο από αυτά, θα ελαττώσετε την απροσδιοριστία της θέσης του, αλλά θα αυξήσετε την απροσδιοριστία της ορμής του. Δηλαδή ουσιαστικά η συμπίεση αυξάνει την ταχύτητα του σωματιδίου, προκαλώντας μια πίεση που εναντιώνεται στην δύναμη που εφαρμόζετε για να το συμπιέσετε. Η κβαντική αυτή "κλειστοφοβία" γίνεται σημαντική σε αποστάσεις συγκρίσιμες με το αντίστοιχο μήκος κύματος του σωματιδίου. Η εναντίωση λοιπόν στη συγκέντρωση λόγω βαρύτητας, θα απαιτούσε ένα μήκος κύματος μερικών δεκάδων ετών φωτός. 

Τι είδος σωματιδίου θα μπορούσε να έχει αυτές τις αστρονομικές διαστάσεις; Οι φυσικοί προβλέπουν ότι αρκετά ενεργειακά πεδία έχουν ως αντίστοιχα σωματίδια τόσο μεγάλου μεγέθους. Τα πεδία αυτά είναι βαθμωτά πεδία. Τέτοια πεδία είναι απόρροια, τόσο του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής, όσο και της θεωρίας χορδών. Αν και οι πειραματικοί δεν έχουν βρει ακόμα κανένα, οι θεωρητικοί είναι σίγουροι ότι υπάρχουν. 

Οι κοσμολόγοι ήδη αποδίδουν τον κοσμικό πληθωρισμό και ίσως την σκοτεινή ενέργεια, με την οποία προς το παρόν εξηγούμε την επιτάχυνση της διαστολής, σε βαθμωτά πεδία. Στα πλαίσια αυτά, τα πεδία έχουν τον ρόλο της απλούστερης γενίκευσης για την κοσμολογική σταθερά του Einstein. Αν ένα βαθμωτό πεδίο αλλάζει αργά, μοιάζει με  μια σταθερά, τόσο ως προς το σταθερό της μέγεθος όσο και ως προς την έλλειψη κάποιας κατεύθυνσης. Είναι δηλαδή ομογενές. Η θεωρία της σχετικότητας προβλέπει τότε ότι θα παράγει μια βαρυτική άπωση. Αν όμως το πεδίο μεταβάλλεται ή ταλαντώνεται αρκετά γρήγορα, παράγει μια βαρυτική έλξη, όπως η συνηθισμένη ύλη ή η σκοτεινή ύλη. Οι φυσικοί πρότειναν την ύπαρξη βαθμωτών σωματιδίων ήδη από το 1960 και η ιδέα ανασύρθηκε πάλι στο τέλος της δεκαετίας του 1980, αλλά μόλις πριν από 4 χρόνια άρχισε  να καθιερώνεται. 

Δυο άνθρωποι που ηγούνται στο πεδίο αυτό είναι οι Tonatiuh Matos Chassin του κέντρου έρευνας και προχωρημένων σπουδών στην πόλη του Μεξικού, και ο Luis Ureρa Lσpez του πανεπιστημίου του Guanajuato. Σ' ένα σεμινάριο στο πανεπιστήμιο της Las Villas (UCLV) στην Κούβα τον Ιούνιο, περιέγραψαν πως μπορούν τα βαθμωτά σωματίδια να εξηγήσουν την εσωτερική δομή των γαλαξιών : όταν τα σωματίδια συγκεντρώνονται σε γαλαξιακές κλίμακες, επικαλύπτονται και σχηματίζουν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein --μια γιγάντια εκδοχή της συσσώρευσης ψυχρών ατόμων που οι πειραματικοί πέτυχαν να δημιουργήσουν την προηγούμενη δεκαετία. Το συμπύκνωμα που προβλέπει η θεωρία τους έχει χαρακτηριστικά μάζας και πυκνότητας που ταιριάζουν με αυτά των πραγματικών γαλαξιών. 

Το γεγονός ότι ο πληθωρισμός, η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη, μπορούν να τοποθετηθούν στα πλαίσια βαθμωτών πεδίων, σημαίνει ότι πιθανόν συνδέονται μεταξύ τους. Ο Israel Quiros του UCLV σχολίασε στο σεμινάριο, ότι το ίδιο πεδίο θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο τόσο για τον πληθωρισμό, όσο και για την σκοτεινή ενέργεια. Άλλοι φυσικοί έχουν δουλέψει για να συνδέσουν αυτές τις δύο σκοτεινές ποσότητες. Όπως λέει ο Robert Scherrer του πανεπιστημίου Vanderbilt " Μέχρι τώρα χρειαζόταν να δεχτούμε αξιωματικά ένα άγνωστο και αναζητούμενο σωματίδιο ως υπεύθυνο για την σκοτεινή ύλη και μια άγνωστη πηγή σκοτεινής ενέργειας. Το μοντέλο που προτείνω καταφέρνει να εξηγήσει και τα δύο με ένα μοναδικό πεδίο."  

Όλα όμως τα μοντέλα αυτά πάσχουν από ένα πρόβλημα. Επειδή το μήκος κύματος ενός σωματιδίου είναι αντίστροφα ανάλογο με τη μάζα του, ένα αστρονομικό μέγεθος αντιστοιχεί με μια σχεδόν απαράδεκτα μικρή μάζα, της τάξης των 10^-23 electron volts (συγκρινόμενη με τη μάζα π.χ. του πρωτονίου που είναι 10⁹ electron volts). Αυτό απαιτεί από τους νόμους της φυσικής να έχουν μια συμμετρία την οποία ούτε καν υποπτευόμαστε. "Τέτοιες συμμετρίες δεν αποκλείονται, αν και εμφανίζονται εν μέρει ως αμφισβητούμενες" λέει ο φυσικός Sean Carroll του πανεπιστημίου του  Chicago.Επιπλέον, το βασικό κίνητρο για την επινόηση των γιγαντιαίων σωματιδίων, που είναι η αντίστασή τους στην συγκέντρωση της ύλης, είναι πλέον λιγότερο αναγκαστικό τώρα που οι κοσμολόγοι έχουν βρει ότι πιο πεζά φαινόμενα, όπως ο σχηματισμός των άστρων μπορούν να μας δώσουν τη λύση.
Καθώς οι φυσικοί ψάχνουν για κάποιες εξηγήσεις στα μυστήρια της σκοτεινής ύλης, είναι αναπόφευκτο ότι κάποιες καλές μεγάλες ιδέες θα γεννηθούν στα μυαλά τους.