Το Hubble κάνει τον τρισδιάστατο χάρτη της σκοτεινής ύλης

Πηγή: BBC, 7 Ιανουαρίου 2007

Αστρονόμοι έχουν χαρτογραφήσει τον κοσμικό ιστό της σκοτεινής ύλης πάνω στον οποίο συγκεντρώνονται τα αστέρια και οι γαλαξίες.  Η  σκοτεινή ύλη δεν ανακλά ή δεν εκπέμπει κάποιο ανιχνεύσιμο φως, όμως αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της μάζας στον Κόσμο. Η μελέτη αυτή, που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature μας έδωσε την καλύτερη απόδειξη μέχρι τώρα ότι η κατανομή των γαλαξιών ακολουθεί την κατανομή της σκοτεινής ύλης.

Το Hubble μας έφτιαξε αυτόν τον τρισδιάστατο χάρτη της σκοτεινής ύλης, που απεικονίζει τις νηματοειδείς συγκεντρώσεις της σκοτεινής ύλης που αποτέλεσαν τη 'σκαλωσιά' για το σχηματισμό των γαλαξιών. Ο χάρτης μας αποκαλύπτει ότι τα σμήνη των γαλαξιών βρίσκονται μέσα στις συμπαγείς μάζες της αόρατης σκοτεινής ύλης και ότι αυτές οι συμπαγείς μάζες συνδέονται μεταξύ τους μέσω ζεύξεων σκοτεινής ύλης, τις λεγόμενες ίνες. Οι συμπαγείς μάζες και οι ίνες διαμορφώνουν ένα χαλαρό δίκτυο σαν έναν ιστό.

Κι αυτό συμβαίνει επειδή η σκοτεινή ύλη προσελκύει τη "συνηθισμένη" ύλη μέσω της βαρυτικής έλξης. Οι επιστήμονες παρουσίασαν τις λεπτομέρειες της έρευνάς τους κατά τη διάρκεια της 209ης συνεδρίασης της Αμερικανικής Αστρονομικής Ένωσης (AAS) στο Σιάτλ της πολιτείας Ουάσιγκτον. 

Για τη μελέτη αυτή έγιναν σχεδόν 1.000 ώρες παρατηρήσεων με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, σε μια περιοχή του ουρανού που χωρίστηκε σε ένα παζλ 575 φωτογραφιών.

Σύμφωνα με έναν ερευνητή, τα συμπεράσματα αυτά δίνουν μια "όμορφη επιβεβαίωση" των καθιερωμένων θεωριών για να εξηγήσουν με ποιον τρόπο εξελίχθηκαν οι μεγάλες δομές στον Κόσμο κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών.

Η συνηθισμένη ύλη - αέρια, αστέρια, πλανήτες και γαλαξίες - αποτελεί ακριβώς το ένα έκτο όλης της ύλης στον Κόσμο. Το υπόλοιπο τμήμα είναι απαρατήρητο.

Ενώ οι προηγούμενες μελέτες της σκοτεινής ύλης στηρίχθηκαν στις προσομοιώσεις, η νέα μελέτη απαριθμεί τη μεγάλης κλίμακας κατανομή της σε έναν τρισδιάστατο χάρτη.

Για τους αστρονόμους, η πρόκληση της χαρτογράφησης του σύμπαντος είναι σαν την χαρτογράφηση μιας πόλης από  νυχτερινά εναέρια στιγμιότυπα που παρουσιάζουν μόνο τους φωτεινούς σηματοδότες.

Η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη, έτσι μόνο οι φωτεινοί γαλαξίες μπορούν να φανούν άμεσα. Οι νέες εικόνες του Hubble είναι ισοδύναμες με τη θέα μιας πόλης, με τα προάστια και τους δρόμους της στο φως της ημέρας για πρώτη φορά.

Αλλά δυστυχώς παραμένουν ακόμα οι αινιγματικές αποκλίσεις.

Κάμψη του φωτός

Ο χάρτης της κατανομής της μάζας είναι βασισμένος στις μετρήσεις περίπου μισού εκατομμυρίων γαλαξιών.

Ο επικεφαλής συντάκτης της έρευνας Richard Massey και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν μια τεχνική, που λέγεται ασθενής βαρυτική εστίαση για να ανιχνεύσουν τη σκοτεινή ύλη. Για να φθάσει σε μας, το φως από τους γαλαξίες πρέπει να περάσει μέσω της ενδιάμεσης σκοτεινής ύλης. Αυτό το υλικό κάμπτει το φως με τον ίδιο σχεδόν τρόπο όπως το φως κάμπτεται κατά την πορεία του μέσω ενός φακού.

"Καταλαβαίνουμε στατιστικά με τι  μοιάζουν αυτοί οι γαλαξίες",  είπε ο Δρ Massey, από το Τεχνολογικό Ίδρυμα της Καλιφόρνιας (Caltech).

"Εάν βάλετε κάποια ποσότητα σκοτεινής ύλης στον δρόμο του φωτός, αυτή η σκοτεινή ύλη - μέσω της βαρύτητάς του - κάμπτει την πορεία του φωτός.

"Καθώς το φως διέρχεται, διαστρεβλώνει τη μορφή των γαλαξιών υποβάθρου. Έτσι καταλήγουμε να τους βλέπουμε με έναν διαστρεβλωμένο τρόπο, σαν να περνά το φως μέσω μικρών φακών - και κάθε ένας από αυτούς τους φακούς είναι μικρή ποσότητα σκοτεινής ύλης."

Για να προσθέσουν τις τρισδιάστατες πληροφορίες της απόστασης, οι παρατηρήσεις του Hubble συνδυάστηκαν με πολύχρωμα στοιχεία από ισχυρά επίγεια τηλεσκόπια.

Ο χάρτης της κατανομής της σκοτεινής ύλης επιβεβαιώνει ότι τα σμήνη των γαλαξιών βρίσκονται μέσα στις συμπαγείς μάζες αυτού του αόρατου υλικού. Αυτές οι συμπαγείς μάζες συνδέονται μέσω ζεύξεων σκοτεινής ύλης, που αποκαλούνται ίνες. Οι μάζες και οι ίνες διαμορφώνουν ένα χαλαρό δίκτυο - σαν έναν ιστό.

Ψυχρή και σκοτεινή

Ο Δρ Eric Linder, από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence στο Μπέρκλεϋ, ανέφερε ότι η μελέτη ήταν ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός για την κατανόηση της επίδρασης της σκοτεινής ύλης στον Κόσμο μας. "Μιλάμε για ένα μικρό ακόμα μέρος του ουρανού - κάτι σαν 2 τετραγωνικές μοίρες από τοις 40.000 τετραγωνικές μοίρες στο σύνολο. Αλλά είναι σίγουρα οι πιο καθαρές έως τώρα", είπε.

Ο καθηγητής Carlos Frenk, από το πανεπιστήμιο Durham στη Βρατανία, είπε ότι η τεχνική που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές πραγματικά είναι το μέλλον. "Στην επόμενη δεκαετία, σκέφτομαι ότι οι περισσότερες μελέτες της Μεγάλης Κλίμακας Δομής του Κόσμου θα είναι οι μελέτες των δομών της σκοτεινής ύλης. Από αυτή την άποψη, νομίζω ότι οι γαλαξίες θα παίξουν έναν δευτερογενή ρόλο." Και πρόσθεσε: "Για πρώτη φορά, μπορούμε να δούμε τι υπάρχει πραγματικά εκεί έξω."

Ο αστρονόμος του πανεπιστημίου Durham ανέφερε ότι, γενικά, τα αποτελέσματα ήταν μια "όμορφη επιβεβαίωση" της θεωρίας της ψυχρής σκοτεινής ύλης πάνω στην οποία εργάζεται. Αυτή η θεωρία είναι το κυρίαρχο πρότυπο για να εξηγήσει πώς εξελίχθηκαν οι δομές στον Κόσμο κατά τη διάρκεια της ηλικίας του σύμπαντος.

Αμέσως μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, η κρύα σκοτεινή ύλη διαμόρφωσε τις πρώτες μεγάλες δομές στον Κόσμο, που κατέρρευσαν έπειτα κάτω από το βάρος τους για να διαμορφώσουν τους τεράστιους φωτοστεφάνους ή την άλω.

Η βαρυτική έλξη αυτών των φωτοστεφάνων πάνω στην συνηθισμένη ύλη έδωσε το έναυσμα για το σχηματισμό των γαλαξιών.

"Γυμνές" συγκεντρώσεις μαζών

Ο χάρτης του Hubble: Η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι αόρατη αλλά είναι το μεγαλύτερο μέρος της συνολικής μάζας. Η βαρυτική της έλξη δρα σαν ένα επίστρωμα, έλκοντας την κανονική ύλη - τα άστρα στους γαλαξίες τους κατά ομάδες – σε δομές μεγάλης κλίμακας που μπορούμε να δούμε με τα τηλεσκόπια. Η μελέτη αυτή μας έδειξε λεπτές διαστρεβλώσεις στο φως των γαλαξιών, λόγω του βαρυτικού εστιασμού που προκαλεί η σκοτεινή ύλη

Όμως οι αστρονόμοι θα πρέπει να βρουν τις ασυμφωνίες που υπάρχουν στην κατά τα άλλα στενή σύνδεση που υπάρχει μεταξύ της παρουσίας της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής "ουσίας".  Έχουν δηλαδή προσέξει στον χάρτη μερικές περιοχές που εμφανίζονται να παρουσιάζουν αποκλίσεις μεταξύ της κατανομής της σκοτεινής και της συνηθισμένης ύλης.

Μερικές περιοχές του χάρτη παρουσιάζουν συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης που δεν έχουν γαλαξίες σε αυτές, γεγονός που λέει ότι θα μπορούσαν να είναι το αποτέλεσμα της πίεσης από υπερκαινοφανείς που 'καθαρίζουν' τη συνηθισμένη ύλη από μερικές τέτοιες περιοχές. Στις μεγάλες κλίμακες, η σκοτεινή ύλη αποκρίνεται μόνο στη δύναμη της βαρύτητας, κι έτσι δεν αισθάνεται αυτήν την πίεση.

Άλλες δε περιοχές του χάρτη παρουσιάζουν συγκεντρώσεις της συνηθισμένης ύλης χωρίς τις αντίστοιχες μάζες σκοτεινής ύλης. Κι αυτό αποτελεί ένα γρίφο για όλους. γιατί δεν έχουν καμιά καλή εξήγηση για το πώς συμβαίνει αυτό.

"Αυτό δεν απαγορεύεται αλλά είναι λίγο ανησυχητικό, επειδή νομίζουμε ότι τα δύο είδη μάζας πρέπει να πάνε μαζί", είπε ο Δρ Linder.

Και ο Carlos Frenk σχολίασε: "Η ανακάλυψη αυτού που ονομάζω "γυμνές" συγκεντρώσεις μαζών σκοτεινής ύλης, όπου εκεί δεν υπάρχει κανένας γαλαξίας με κανονική ύλη είναι για μένα πολύ παράξενη. Όλες οι συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης ικανοποιητικού μεγέθους πρέπει να έχουν κοντά τους γαλαξίες - εάν αυτό που γνωρίζουμε είναι σωστό."

Προς το παρόν, κανένας δεν μιλά ότι πρέπει να αναθεωρηθούν τα κοσμολογικά μοντέλα, αλλά ο καθηγητής Frenk είπε ότι όλα κρέμονται στο μέγεθος αυτών των ανωμαλιών.

"Θα ήταν τεράστιος γρίφος αν βρεθούν μεγάλοι, φωτεινοί γαλαξίες εκεί έξω στη μέση του πουθενά χωρίς καμιά σκοτεινή ύλη γύρω τους. Αυτό πραγματικά θα ήταν συγκλονιστικό."

Οι αποκλίσεις όμως θα μπορούσαν να οφείλονται σε 'θόρυβο' πάνω στα στοιχεία. Αλλά, λέει ο Carlos Frenk, θα μπορούσαν να είναι και πραγματικές.

Ο Δρ Massey είπε ότι οι ανωμαλίες ήταν βασανιστικές  και ότι η ομάδα του ήταν πρόθυμη να τις ερευνήσει περισσότερο. Αλλά, όπως τόνισε, "οι αποκλίσεις δεν είναι ακόμα σε επίπεδο μεγάλης σημασίας, όπου θα είμαι οριστικά πεπεισμένος ότι είναι κάτι εκτός από θόρυβο ή απομονωμένες ατέλειες στην ανάλυσή μας."

Τα συμπεράσματα αυτά προέρχονται από το Κοσμικό Πρόγραμμα Ερευνών Εξέλιξης (Cosmos) - το μεγαλύτερο που έχει γίνει ποτέ με το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.

Οι πάνω εικόνες από το Hubble φτάνουν χρονικά πίσω ως τη μισή ηλικία του σύμπαντος και μας παρουσιάζουν τρεις 'φέτες' στην εξελισσόμενη κατανομή της σκοτεινής ύλης. Το σύνολο των δεδομένων δημιουργήθηκε διαχωρίζοντας τον πληθυσμό των γαλαξιών υποβάθρου σε τρεις ιδιαίτερες εποχές του χρόνου (όπως κόβονται τα γεωλογικά στρώματα), κοιτάζοντας πίσω προς το παρελθόν. Κάθε επίπεδο αντιπροσωπεύει μια περιοχή του ουρανού εννέα φορές τη γωνιακή διάμετρο του γεμάτου φεγγαριού. Η κάτω εικόνα είναι ένας τρισδιάστατος χάρτης της σκοτεινής ύλης στον Κόσμο, που φτιάχτηκε με το συνδυασμό από αυτές τις φέτες. Ας σημειωθεί πως η συγκέντρωση της σκοτεινής ύλης γίνεται εντονότερη, κινούμενοι από δεξιά προς τα αριστερά πάνω στον τρισδιάστατο χάρτη, από το πρώιμο (παλαιότερο) σύμπαν προς τον πρόσφατο Κόσμο.

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν εδώ και 70 χρόνια ότι η βαρύτητα της κανονικής ύλης δεν φτάνει για να συγκρατήσει τους γαλαξίες από τη διάλυση, καθώς οι γαλαξίες περιστρέφονται με μεγάλες ταχύτητες. Υπολογίστηκε δε ότι η ταχύτητα της διαστολής του σύμπαντος συγκρατείται από μια δύναμη μεγαλύτερη από τη βαρύτητα της κανονικής ορατής ύλης. Επίσης, διαπιστώσαμε ότι το φως μακρινών γαλαξιών μέχρι να έρθει σε μας υφίσταται μικρές διαστρεβλώσεις - φαινόμενο βαρυτικού εστιασμού. Και τα τρία φαινόμενα υποδεικνύουν την ύπαρξη μιας πρόσθετης αόρατης μέχρι τώρα ύλης που δεν εκπέμπει καμιά ακτινοβολία.

Ο ελβετός φυσικός Fritz Zwicky στις αρχές της δεκαετίας του '30 υπολόγισε ότι οι ταχύτητες οκτώ γαλαξιών στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης ήταν 400 φορές μεγαλύτερες αυτής που αναμενόταν με βάση την βαρύτητα από τη συνηθισμένη ορατή ύλη των οκτώ αυτών γαλαξιών. Η ταχύτητα τους υπολογίστηκε ότι ήταν 7.000 χλμ ανά δευτερόλεπτο και φυσικά οι γαλαξίες θα διαλύονταν, εκτός κι αν περιείχαν αόρατη μάζα δεκαπλάσια της κανονικής ορατής μάζας. Έπρεπε λοιπόν να περιμένουμε 70 χρόνια για την χαρτογράφηση αυτής της αόρατης σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με κάποιες θεωρίες οι πρώτες μεγάλες δομές που σχηματίστηκαν στο Σύμπαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη ήταν μικρά νέφη από τη μυστήρια σκοτεινή ύλη. Πριν λίγα χρόνια παρατηρήσεις με το διαστημικό παρατηρητήριο Spitzer οδήγησαν τους επιστήμονες στο συμπέρασμα ότι όχι μόνο είναι απαραίτητη η σκοτεινή ύλη για τον σχηματισμό ενός γαλαξία, αλλά είναι απαραίτητη μια μικρή ποσότητα της για να ξεκινήσει η διαμόρφωση του γαλαξία.