Με τα ραδιοτηλεσκόπια θα μπορούσαμε να κάνουμε ορατή την σκοτεινή ύλη

Πηγή: Space.com, 3 Ιανουαρίου 2007

Με ένα αρκετά μεγάλο ραδιοτηλεσκόπιο, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να δημιουργήσουν ένα λεπτομερή χάρτη της δομής και της κατανομής της αόρατης σκοτεινής  ύλης στον Κόσμο και με δεκαπλάσια ανάλυση από ό,τι οι προηγούμενες χαρτογραφήσεις, οι οποίες όμως έγιναν χρησιμοποιώντας τα τηλεσκόπια του ορατού φωτός.

Οι επιστήμονες πιστεύουν τα αστέρια και το καυτό αέριο ορατό στα οπτικά τηλεσκόπια αποτελεί περίπου το 10% μόνο της ύλης στον Κόσμο. Το υπόλοιπο είναι πιθανά μια μυστήρια μορφή μη φωτεινής άρα και μη ορατής ύλης, η σκοτεινή ύλη.

Όπως λέει και το όνομα της, η σκοτεινή ύλη δεν απορροφά ή δεν εκπέμπει φως, και είναι επομένως αόρατο με τα σημερινά όργανα. Ενώ δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα, η παρουσία της σκοτεινής ύλης υπονοήθηκε από την επίδραση που έχει στο φως.

Βαρυτικός εστιασμός

Εικόνα της κατανομής της μάζας σε ένα κομμάτι του ουρανού,  έκτασης περίπου στο ένα τέταρτο του μεγέθους του γεμάτου φεγγαριού. Η αριστερή εικόνα δείχνει το είδος της εικόνας που θα μπορούσε να φτιαχτεί από ένα χαμηλής συχνότητας ραδιοτηλεσκόπιο με διάμετρο 100 χιλιομέτρων, κάνοντας χρήση της διαστρέβλωσης των ραδιοκυμάτων από τη βαρύτητα. Η δεξιά εικόνα αντιπροσωπεύει το είδος της εικόνας που θα μπορούσε να παρθεί για την ίδια περιοχή του ουρανού χρησιμοποιώντας όμως ένα οπτικό τηλεσκόπιο στο διάστημα, για να μετρήσει τη διαστρέβλωση των απόμακρων εικόνων των γαλαξιών λόγω βαρύτητας.

Το φως που έρχεται από τα απόμακρα αστέρια και τους γαλαξίες κάμπτεται ελαφρώς εξ αιτίας της βαρύτητας των μεγάλων αντικειμένων (αστέρια, γαλαξίες ή μεγάλο τμήματα σκοτεινής ύλης) που συναντούν στο ταξίδι τους προς εμάς. Η κάμψη προκαλεί μια ανιχνεύσιμη διαστρέβλωση των εικόνων των απόμακρων αντικειμένων παρόμοια με τη διαστρέβλωση που παρατηρείται στις αντανακλάσεις του νερού που πάλλεται σε μια λίμνη. Με τη μέτρηση της έντασης της διαστρέβλωσης, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν τη δύναμη της βαρύτητας και τη μάζα των αντικειμένων που διαστρεβλώνουν τις ακτίνες. Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, τον βαρυτικό εστιασμό όπως λέγεται, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει χάρτες της πυκνότητας των μεγάλων αντικειμένων στον Κόσμο, συμπεριλαμβανομένων και των μαζών της σκοτεινής ύλης.

Οι προηγούμενοι χάρτες δημιουργήθηκαν με τη χρησιμοποίηση των οπτικών τηλεσκοπίων αλλά πάσχουν από ένα θόλωμα επειδή απαιτούνται πολλές απόμακρες πηγές φωτός για να φτιάξουν μια καθαρή εικόνα, και δεν υπάρχουν αρκετοί ορατοί γαλαξίες στον ουρανό για αυτό το σκοπό. Μόνο τα πολύ μεγαλύτερα κομμάτια της ύλης, που αντιστοιχούν στα πολύ μεγάλα σμήνη γαλαξιών, μπορούν να επισημανθούν με κάποια εμπιστοσύνη σε τέτοιους χάρτες.

Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι πολλά από τα ογκώδη αντικείμενα, όπως τα αρχέγονα νέφη υδρογόνου που είχαν παρουσία πριν σχηματιστούν τα πρώτα αστέρια ή οι γαλαξίες, βρίσκονται πίσω από τους γαλαξίες των οποίων οι επιστήμονες μετρούν το φως. Κατά συνέπεια, οι αρχαιότερες δομές στον Κόσμο είναι αόρατες σε πολλά από τα σημερινά όργανα. Για να δουν αυτά τα αντικείμενα, οι επιστήμονες χρειάζονται πολλύ περισσότερες απόμακρες πηγές φωτός.

Αρχαία ραδιοκύματα

Τα ραδιοκύματα όμως θα μπορούσαν να αναδείξουν αυτές τις πηγές, λένε οι Benton Metcalf και Simon White, ερευνητές στο Ίδρυμα Αστροφυσικής Max Plank στη Γερμανία.

Οι διαδικασίες στον κόσμο μετά από το Big Bang. Τα ραδιοκύματα είναι πολύ παλαιότερα από το φως των γαλαξιών. Από τη διαστρέβλωση των εικόνων (κυρτές γραμμές) - που προκαλούνται από τη βαρύτητα του υλικού που βρίσκεται μεταξύ μας και των πηγών του φωτός - είναι δυνατό να υπολογίσουμε και να χαρτογραφήσουμε ολόκληρη τη μάζα σε πρώτο πλάνο

Το ορατό φως από τα αστέρια και τους γαλαξίες είναι μια σχετικά πρόσφατη εξέλιξη στην ιστορία του Κόσμου. Προτού να λάμψει το πρώτο αστέρι και ο πρώτος γαλαξίας, ο Κόσμος ήταν στο σκοτάδι, διαποτισμένος από την ύλη και την ενέργεια αλλά χωρίς κανένα φως. Όμως, αρχαιότερα από το ορατό φως είναι μόνο τα ραδιοκύματα, μερικά από τα οποία μπορούν να επισημανθούν πίσω στον παρελθόν, πριν και από τους γαλαξίες.

Υπάρχουν επίσης πολλύ περισσότερες πηγές ραδιοκυμάτων στον Κόσμο. Αν κοιτάξουμε σε οποιαδήποτε κατεύθυνση στον ουρανό, υπάρχουν μέχρι και 1.000 ραδιοπηγές σε διαφορετικές αποστάσεις σε ευθεία γραμμή.

Περίπου 400.000 χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, διαπότισαν το Σύμπαν τα άτομα του υδρογόνου και του ηλίου. Κατά τη διάρκεια μερικών εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, η βαρύτητα ανάγκασε αυτά τα αέρια να συγκεντρωθούν μαζί για να σχηματίσουν πυκνά σύννεφα. Τελικά, αυτά τα σύννεφα συγχωνεύτηκαν στα πρώτα αστέρια και τους γαλαξίες η ακτινοβολία των οποίων έβαλε ένα τέλος στη Σκοτεινή Εποχή ή στον Κοσμικό Μεσαίωνα του Κόσμου.

Η θεωρία αυτή προβλέπει ότι το υπεριώδες φως από αυτούς τους πρώτους ουράνιους σχηματισμούς θέρμανε το υδρογόνο και το ήλιο και ανάγκασε έτσι τα άτομα του υδρογόνου να εκπέμψουν και να απορροφήσουν ραδιοκύματα ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος: 21 εκατοστά. Και καθώς το σύμπαν επεκτάθηκε, αυτό το μήκος κύματος έπαθε  επίσης διαστολή, και πρέπει σήμερα να είναι περίπου 2 έως 20 μέτρα.

Ένα νέο είδος ραδιο τηλεσκοπίου

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε σε μια έκδοση της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας, ο Metcalf μαζί με τον White έδειξαν ότι ένα αρκετά μεγάλο ραδιοτηλεσκόπιο που θα μετρά το βαρυτικό εστιασμό αυτών των πρώτων-πρώτων ραδιοκυμάτων του Κόσμου, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει έναν χάρτη της πυκνότητας του Κόσμου που θα συναγωνίζεται, ή ακόμα και θα είναι καλύτερο , των καλύτερων σημερινών οπτικών τηλεσκοπίων. Οι ερευνητές προβλέπουν ότι ένα τέτοιο τηλεσκόπιο θα μπορούσε να επισημάνει το φως από ένα αντικείμενο με μια μάζα παρόμοια με το Γαλαξία μας, από την εποχή που το Σύμπαν ήταν μόνο 685 εκατομμυρίων ετών, ή περίπου 5% της σημερινής ηλικίας του.

Εντούτοις, αυτό το είδος της απεικόνισης υψηλής ευκρίνειας απαιτεί μια εξαιρετικά μεγάλη σειρά ραδιοτηλεσκοπίων. "Για να χαρτογραφήσετε τους μεμονωμένους γαλαξίες, πρέπει να έχετε ραδιοτηλεσκόπια έκτασης 100 χλμ", λέει ο Metcalf. "Θα μπορούσατε να έχετε και πιο μικρά, αλλά δεν θα παίρνατε τόσο καλή ανάλυση".

Βέβαια κανένα ραδιοτηλεσκόπιο τόσο μεγάλο δεν προγραμματίζεται αυτήν την περίοδο, αλλά υπάρχει ένα μικρότερο πρόγραμμα, που ονομάζεται Δίκτυο Χαμηλής Συχνότητας, ή LOFAR, που κατασκευάζεται στην Ολλανδία και τη Γερμανία, το οποίο θα μπορούσε να δώσει παρόμοιο, αν και χαμηλότερης ανάλυσης ραδιοεικόνες του ουρανού. Το LOFAR θα είναι σε συστάδες και θα διασκορπιστεί σε μια μεγάλη περιοχή, περίπου, 350 χλμ. Εντούτοις, το πιο ευαίσθητο κομμάτι του θα έχει διάμετρο μόνο 7 χλμ, συμπληρώνει ο Metcalf.