Δύο θεωρητικοί προβλέπουν ένα νέο τύπο σκοτεινής ύλης από σφαίρες μέχρι 20 εκατοστών

Πηγή: PhysicsWeb, 6 Δεκεμβρίου 2005

Ένας νέος τύπος σκοτεινής ύλης φτιαγμένος από συγκεντρώσεις ατόμων, σε σχήμα σφαιρών μεγέθους μέχρι 20 εκατοστών, έχει προβλεφθεί από δύο θεωρητικούς στη Σκωτία και τη Δανία. Οι σφαίρες, που θα μπορούσαν να ζυγίζουν περίπου 10¹¹ κιλά η κάθε μία, είναι δύσκολο να ανιχνευθούν αλλά μπορούν να υπάρξουν μέσα στα βαριά άστρα. Οι φυσικοί νομίζουν ότι οι σφαίρες μπορεί να καταναλώσουν όλο το άστρο και να απελευθερώσουν αρκετή ενέργεια για να το κάνουν να εκραγεί ως σουπερνόβα. Θεωρούν δε ότι μπορεί να υπάρξει, κατά μέσον όρο, μια τέτοια σφαίρα σκοτεινής ύλης μέσα σε έναν όγκο του διαστήματος, στο μέγεθος του ηλιακού συστήματός μας (Phys. Rev. Lett. 95 231301).

Η σκοτεινή ύλη προτάθηκε αρχικά για να εξηγήσει γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται πολύ γρηγορότερα από όσο μπορεί να εξηγηθεί από την ποσότητα της ορατής ύλης που περιέχουν. Αυτή η μυστήρια μορφή της ύλης δεν εκπέμπει ή δεν απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία -- γι αυτό και το όνομα "σκοτεινή" -- και μπορεί να ανιχνευθεί μόνο από τη βαρυτική επίδραση της στη συνηθισμένη ύλη. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο πρότυπο της κοσμολογίας, το σύμπαν θεωρείται ότι περιέχει περίπου 5% από συνηθισμένη ύλη, 25% από σκοτεινή ύλη και το 70% από σκοτεινή ενέργεια. Η φύση αυτής της σκοτεινής ύλης και ενέργειας είναι το μεγαλύτερο μυστήριο στην κοσμολογία σήμερα.

Αριστερά: Με τη βοήθεια προγραμμάτων προσομοίωσης στους υπολογιστές φτιάχνουμε μοντέλα για να αναλυθούν τα δεδομένα των παρατηρήσεων. Στο σχήμα κοσμικοί ιστοί σκοτεινής ύλης, αναπαριστάνονται σε ένα χώρο διαστάσεων 1 δις έτη φωτός. Οι εξασθενημένες κίτρινες γραμμές δείχνουν πόσες  φωτεινές ακτίνες από τους μακρινούς γαλαξίες θα μπορούν να καμφθούν (παραμορφωθούν) από την βαρυτική επίδραση της αφανούς σκοτεινής ύλης.

Σε αντίθεση με μερικές άλλες πρόσφατες θεωρίες το νέο μοντέλο για τη σκοτεινή ύλη, που έχει προταθεί από τους Colin Froggatt του πανεπιστημίου της Γλασκώβης και του Holger Nielsen  του Ινστιτούτου Niels Bohr στην Κοπεγχάγη, δεν απαιτεί οποιαδήποτε νέα θεμελιώδη σωματίδια ή αλληλεπιδράσεις πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Το νέο μοντέλο προβλέπει επίσης μια αναλογία της σκοτεινής ύλης προς τη συνηθισμένη ύλη που συμφωνεί με τη τιμή που λήφθηκε από τον δορυφόρο WMAP της NASA το 2003. Εντούτοις, η νέα θεωρία υποθέτει την ύπαρξη ενός "εναλλακτικού κενού" που έχει την ίδια ενεργειακή πυκνότητα -- ή "κοσμολογική σταθερά" -- με το συνηθισμένο κενό μας.

Οι Froggatt και Nielsen υπολογίζουν ότι οι δύο διαφορετικοί τύποι του κενού διαχωρίστηκαν σε διαφορετικές περιοχές του διαστήματος αρκετά νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος από "τοιχώματα των περιοχών", που διαμορφώθηκαν στις υψηλές θερμοκρασίες που επικρατούσαν εκείνη την εποχή. Κατά προσέγγιση ένα δευτερόλεπτο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, λένε οι ερευνητές, αυτά τα τοιχώματα σχημάτισαν σφαίρες που τοποθέτησαν την ύλη μέσα σε κομμάτια του εναλλακτικού κενού. Όλα τα νουκλεόνια μπορεί να έχουν συλληφθεί με αυτόν τον τρόπο, οδηγώντας στο σχηματισμό των πρώτων ελαφριών πυρήνων, όπως το ήλιο, καθώς οι σφαίρες περιορίστηκαν γρήγορα.

Αυτή η συστολή συνεχίστηκε έως ότου οι πυρήνες του ηλίου συντήχθηκαν μαζί για να σχηματίσουν τους βαρύτερους πυρήνες και η ενέργεια που απελευθερώθηκε τότε στις επόμενες αλυσιδωτές αντιδράσεις απέβαλε νουκλεόνια από τις σφαίρες. Σύμφωνα με το νέο μοντέλο, το ένα έκτο των νουκλεονίων ελευθερώθηκε με αυτόν τον τρόπο, εισερχόμενα στο συνηθισμένο κενό ενώ έτσι έγινε κανονική ύλη. Τα υπόλοιπα νουκλεόνια παρέμειναν παγιδευμένα ως σκοτεινή ύλη μέσα στις σφαίρες του εναλλακτικού κενού.

Η ομάδα θεωρεί ότι μερικές από αυτές τις σφαίρες της σκοτεινής ύλης μπορεί να έχουν συγκεντρωθεί στο εσωτερικό των βαρέων άστρων. Στις αρκετά υψηλές θερμοκρασίες και τις πυκνότητες που επικρατούν εκεί μέσα, θα μπορούσαν να έχουν αρχίσει την καταστροφή του άστρου, κι έτσι όταν ελευθερωθεί αρκετή ενέργεια το κάνουν να εκραγεί προς μια σουπερνόβα. Οι ίδιες οι σφαίρες θα μπορούσαν ακόμη και να συμπιεστούν ελευθερώνοντας ενέργεια, και επομένως να δώσουν έναν τρόπο να παραχθούν οι υπερβολικά υψηλές ενεργειακές κοσμικές ακτίνες από τις φαινομενικά κενές θέσεις, που βλέπουμε τώρα στο σύμπαν. Οι ερευνητές, επίσης, λένε ότι η θεωρία τους μπορεί να εξηγήσει γιατί η ποσότητα του λιθίου στο σύμπαν είναι 2 έως 3 φορές λιγότερη απ' ό,τι προβλέπεται από το καθιερωμένο μοντέλο του Big Bang για τη νουκλεοσύνθεση.