Μήπως η σκοτεινή ύλη δημιούργησε τα πρώτα άστρα;

Πηγή: Ινστιτούτο Max Planck, 15 Μαρτίου 2006

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να είχε διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στη δημιουργία των άστρων στο πρώιμο σύμπαν. Εντούτοις, εάν πράγματι αυτό συμβαίνει, τότε η σκοτεινή ύλη πρέπει να αποτελείται από τα σωματίδια που ονομάζονται "άγονα νετρίνα". Ο Peter  Biermann του Ινστιτούτου Max Planck για τη ραδιοαστρονομία στη Βόννη, και ο Alexander Kusenko, του πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες, έχουν δείξει ότι όταν η άγονα νετρίνα διασπώνται, τότε επιταχύνεται η δημιουργία του μοριακού υδρογόνου. Αυτή η διαδικασία θα μπορούσε να έχει βοηθήσει να φτιαχτούν τα πρώτα αστέρια 20 έως 100 εκατομμύρια έτη μόνο μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αυτή η πρώτη γενεά των αστεριών ιόνισε έπειτα το αέριο που τα περιέβάλε, περίπου 150 έως 400 εκατομμύριο έτη μετά από το big bang. Όλα αυτά δίνουν μια απλή εξήγηση σε μερικές μάλλον αινιγματικές παρατηρήσεις σχετικά με τη σκοτεινή ύλη, τα αστέρια νετρονίων, και την αντιύλη.

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα μέσω των πειραμάτων ταλάντωσης των νετρίνων. Αυτό οδήγησε στη διατύπωση ότι τα "άγονα" νετρίνα υπάρχουν - που επίσης είναι γνωστά ως δεξιόχειρας νετρίνα. Δεν συμμετέχουν στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις άμεσα, αλλά αλληλεπιδρούν μέσω της μίξης τους με τα συνηθισμένα νετρίνα. Ο συνολικός αριθμός των άγονων νετρίνων στον κόσμο είναι ασαφής. Εάν ένα άγονο νετρίνο έχει μάζα μερικών keV μόνο (1 keV είναι ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου), τότε αυτό και μόνο θα εξηγούσε την τεράστια, ελλείπουσα μάζα στον κόσμο, που ονομάζεται μερικές φορές και "σκοτεινή ύλη". Οι αστροφυσικές παρατηρήσεις υποστηρίζουν την άποψη ότι η σκοτεινή ύλη είναι πιθανό να αποτελείται από αυτά τα άγονα νετρίνα.

Η θεωρία των Biermann και Kusenko ρίχνουν φως σε διάφορους αλλά ακόμα ανεξήγητους αστρονομικούς γρίφους. Καταρχήν, κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, η μάζα των νετρίνων που δημιουργήθηκαν στο Big Bang θα ήταν ίση με αυτή που απαιτείται ότι έχει η σκοτεινή ύλη. Δεύτερον, αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να είναι η λύση στο από μακροχρόνιο πρόβλημα, του γιατί τα πάλσαρ κινούνται τόσο γρήγορα.

Τα πάλσαρ είναι άστρα νετρονίων που περιστρέφονται με μια πολύ υψηλή ταχύτητα. Δημιουργούνται μετά τις εκρήξεις σουπερνόβα και κανονικά εκτινάσσονται σε μια κατεύθυνση. Η έκρηξη τους δίνει μια "ώθηση", όπως μια μηχανή ενός πυραύλου. Τα πάλσαρ μπορούν να έχουν ταχύτητες εκατοντάδων χιλιομέτρων ανά δευτερόλεπτο - ή και κάποιες φορές ακόμη και χιλιάδες. Η προέλευση αυτών των ταχυτήτων παραμένει άγνωστη, αλλά η εκπομπή των άγονων νετρίνων θα εξηγούσε την ισχύ των παλμών ενός πάλσαρ.

Άποψη του "Νεφελώματος Guitar ". Ο σχηματισμός αυτός περιέχει ένα πάλσαρ που κινείται πολύ γρήγορα ακολουθούμενο από μια ουρά του αερίου. Οι απόψεις των Biermann και Kusenko για τη σκοτεινή ύλη θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις αινιγματικά υψηλές ταχύτητες των πάλσαρ, οι οποίες οδηγούν σε τέτοια κωνικά σχήματα. Οι εικόνες είναι από την Πλανητική Κάμερα στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble το 1994 (αριστερά) και το 2001 (δεξιά).

Το νεφέλωμα Guitar (Κιθάρα) περιέχει πολύ γρήγορα πάλσαρ. Εάν η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που επαναιόνισαν το σύμπαν - όπως προτείνουν οι Biermann και Kusenko  - τότε η κίνηση των πάλσαρ θα μπορούσε να έχει δημιουργήσει αυτήν την κοσμική Κιθάρα.

Τρίτον, τα άγονα νετρίνα βοηθούν στην εξήγηση της απουσίας αντιύλης στον κόσμο. Στον πρώιμο κόσμο, τα άγονα νετρίνα θα μπορούσαν να έχουν "κλέψει" τον "λεπτονικό αριθμό" από το πλάσμα. Σε μια πιο πρόσφατη εποχή, η έλλειψη λεπτονικού αριθμού μετατράπηκε σε έναν βαρυονικό αριθμό διαφορετικό από το μηδέν. Η προκύπτουσα ασυμμετρία μεταξύ των βαρυονίων (όπως τα πρωτόνια) και αντιβαρυονίων (όπως τα αντιπρωτόνια) θα μπορούσε να είναι ο λόγος για τον οποίο το σύμπαν δεν έχει αντιύλη.

"Ο σχηματισμός των κεντρικών γαλαξιακών μαύρων οπών, καθώς επίσης και η δομή στις υπο-γαλαξιακές κλίμακες, ευνοούν την άποψη ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από άγονα νετρίνα, και αυτό προκύπτει από τα δεδομένα της έρευνας", λέει ο Peter Biermann.

Η εργασία δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters με τίτλο "άγονα νετρίνα και επαναϊονισμός"