physics4u - Νέα θεωρία του Στέλιου Καζαντζίδη εξηγεί τους μυστήριους σκοτεινούς γαλαξίες

Αόρατοι γαλαξίες που αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από σκοτεινή ύλη βρίθουν σαν κουκίδες στο σύμπαν. Αντίθετα από τους κανονικούς γαλαξίες, αυτά τα ακραία συστήματα περιέχουν πολύ λίγα αστέρια και είναι σχεδόν απαλλαγμένα από αέριο. Το μεγαλύτερο μέρος της φωτεινής ύλης, που τόσο συνηθισμένη είναι στους περισσότερους γαλαξίες, έχει απομακρυνθεί, αφήνοντας πίσω τη σκιά της σκοτεινής ύλης. Αυτοί οι παράξενοι νάνοι γαλαξίας - που είναι γνωστοί ως νάνοι σφαιροειδείς γαλαξίες - είναι τόσο εξασθενημένοι που, αν και οι ερευνητές θεωρούν ότι υπάρχουν σε όλο τον Κόσμο, έχουν παρατηρηθεί μόνο αυτοί που είναι σχετικά κοντά στη Γη.

Όλοι δε οι ορατοί γαλαξίες στον Κόσμο πρέπει θεωρητικά να περιβάλλονται από αυτούς τους μικρούς, αόρατους γαλαξίες που αποτελούνται από τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη. Αυτή η άποψη στηρίζεται σε προσομοιώσεις που έγιναν σε υπερ-υπολογιστές και δείχνουν με ποιό τρόπο προέκυψαν αυτοί οι νάνοι σφαιροειδείς σχεδόμ αόρατοι γαλαξίες.

Επίσης, τώρα μπορεί να εξηγηθεί γιατί αυτοί οι μικροσκοπικοί γαλαξίες γύρω από το Γαλαξία και την Ανδρομέδα είναι τόσο πλούσιοι σε σκοτεινή ύλη. Το κλειδί φαίνεται να είναι οι μεγαλύτεροι και φωτεινότεροι γαλαξίες της γειτονιάς μας. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι τα στέμματα θερμοκρασίας εκατομμυρίων βαθμών γύρω από αυτούς τους μεγαλύτερους γαλαξίες θα μπορούσαν να έχουν απορροφήσει ένα μεγάλο μέρος του ορατού αερίου από τους νεαρούς γείτονές τους αφήνοντας τους μόνο με τη σκοτεινή ύλη.

Αυτοί οι πιο σκοτεινοί γαλαξίες στον Κόσμο, φτιαγμένο σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη, που οι ερευνητές νομίζουν ότι δεν επιδρούν σχεδόν καθόλου στην κανονική ύλη, τώρα μπορούν να εξηγηθούν με ένα νέο επιστημονικό μοντέλο που ρίχνει φως στην παράξενη ύπαρξή τους.

Η κανονική ύλη από την οποία αποτελούνται τα αστέρια, οι πλανήτες, τα φεγγάρια και οι άνθρωποι αποτελεί μόνο το ένα έκτο όλης της ύλης στον Κόσμο. Το υπόλοιπο είναι σκοτεινή ύλη, η ύπαρξη της οποίας προκύπτει μόνο από τα αποτελέσματα της βαρύτητας που έχει πάνω στο φως και την κανονικό ύλη.

Οι επιστήμονες έχουν προτείνει ότι λίγο ή περισσότερη σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη πολύ ασθενώς, που σημαίνει ότι μπορεί να περάσει μέσα μας και από τον πλανήτη με καμία ουσιαστικά επίδραση. Θεωρείται ότι υπάρχουν τουλάχιστον 10.000 σωματίδια σκοτεινής ύλης σε οποιοδήποτε κυβικό μέτρο του χώρου στο ηλιακό σύστημα.

Αυτή η εικόνα που δημιουργήθηκε από μια προσομοίωση σε υπερυπολογιστές δείχνει δορυφόρους από σκοτεινή ύλη σαν φωτεινές συγκεντρώσεις (στέμμα), που μπορούν να βρεθούν γύρω από το Γαλαξία μας. Η κεντρική περιοχή αντιστοιχεί στη φωτεινή ύλη (αέριο και αστέρια) του Γαλαξία. Η εικόνα επεξηγεί μία από τις πιθανές προκλήσεις που αντιμετωπίζει το κυρίαρχο κοσμολογικό μοντέλο με την κοσμολογική σταθερά Λ αυτήν την περίοδο. Αυτό το μοντέλο γενικά προβλέπει ότι οι φωτοστέφανοι σκοτεινής ύλης είναι "άμορφοι," γεμάτοι με εκατοντάδες μικρούς, πυκνούς, συνδεδεμένους κατά βαρυτικό τρόπο δορυφόρους από σκοτεινή ύλη. Αντίθετα, ο τυπικός αριθμός φωτεινών δορυφορικών γαλαξιών που βρίσκονται κοντά στο Γαλαξία είναι πολύ μικρότερος. Αυτή η απόκλιση ονομάζεται συχνά "πρόβλημα χαμένων δορυφόρων." Η μελέτη, που πραγματοποιήθηκε από τον ερευνητή Στέλιο Καζαντζίδη του Στάνφορντ και τους συνεργάτες του, μπορεί να βοηθήσει ώστε να επιλυθεί αυτό το σημαντικό ζήτημα.

Οι 'αιθερικοί' αυτοί γαλαξίες που αποτελούνται σχεδόν εντελώς από σκοτεινή ύλη είναι γνωστοί πως είναι σε τροχιά γύρω από τον Γαλαξία και τον γειτονικό γαλαξία της Ανδρομέδας. Αυτοί οι αόρατοι γαλαξίες, γνωστοί ως νάνοι σφαιροειδείς, έχουν 'γδυθεί' από τη φωτεινή ύλη για να γίνουν σκιές σκοτεινές ύλης, είναι δε σχεδόν απαλλαγμένοι αερίου και κατέχουν πολύ λίγα αστέρια.

Παραδείγματος χάριν, ενώ ένας τυπικός νάνος γαλαξίας μπορεί να περιέχει αρκετά δισεκατομμύρια αστέρια, και ο Γαλαξίας μας 200 έως 400 δισεκατομμύριο αστέρια, "ένας τυπικός σφαιροειδής νάνος περιλαμβάνει μόνο λίγα εκατομμύρια αστέρια," εξηγεί ο κοσμολόγος Στέλιος Καζαντζίδης του πανεπιστημίου Στάνφορντ. "Πρόσφατα έχουν ανακαλυφθεί διάφορα παρόμοια συστήματα με ακόμη λιγότερα αστέρια κοντά στο Γαλαξία μας."

Οι νάνοι σφαιροειδείς γαλαξίες είναι πιθανόν πανταχού παρόντες σε όλο τον Κόσμο. "Εντούτοις, είναι τόσο εξασθενημένοι που μόνο αυτοί στη γαλαξιακή γειτονιά μας, γνωστή ως τοπική ομάδα γαλαξιών, έχουν παρατηρηθεί ποτέ", προσθέτει ο Καζαντζίδης.

Η προέλευση των γαλαξιών που εξουσιάζονται από την σκοτεινή ύλη είναι ένα μυστήριο για τους επιστήμονες. Τώρα ο Καζαντζίδης και οι συνάδελφοί του έχουν αναπτύξει ένα επιστημονικό μοντέλο για να εξηγήσουν τη δημιουργία τους.

"Η σημαντικότερη επίπτωση αυτών των συμπερασμάτων είναι το γεγονός ότι η κατανόηση περί της προέλευσης των σφαιροειδών νάνων μπορεί σύντομα να οδηγήσει στις θεμελιώδεις ιδέες για τη φύση της σκοτεινής ύλης", λέει ο Καζαντζίδης. "Η διευκρίνιση της φύσης της είναι μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σύγχρονης επιστήμης σήμερα."

Το νέο μοντέλο εξετάστηκε μέσω προσομοιώσεων του σχηματισμού γαλαξιών που κράτησε μήνες σε αρκετούς υπερυπολογιστές σε όλο τον κόσμο. Αυτό απαιτεί έναν συνδυασμό κοσμικών υπεριωδών ακτίνων, μια διαγαλαξιακή έκδοση της αντίστασης του αέρα και παλίρροιες της βαρύτητας.

Η προέλευση των σφαιροειδών νάνων γαλαξιών άρχισε κατά προσέγγιση πριν 10 δισεκατομμύρια έτη όταν ο Κόσμος ήταν ακόμα καυτός με εκπομπή υπεριώδους ακτινοβολίας από τους αρχέγονους γαλαξίες και τα πολύ μεγάλα αστέρια, προτείνει το μοντέλο.

Οι πρόγονοι των νάνων σφαιροειδών γαλαξιών άρχισαν τη ζωή τους ως κανονικούς γαλαξίες, εξηγεί ο Καζαντζίδης. Η κοσμική υπεριώδης ακτινοβολία θέρμανε τα αέριά τους, κι έτσι ήταν πολύ πιο εύκολο να απογυμνωθούν από αέριο ή αστέρια. Καθώς αυτοί οι γαλαξίες πρόγονοι που μελέτησαν οι ερευνητές μπήκαν σε τροχιά γύρω από τον πιο μεγάλο Γαλαξία μας, δοκίμασαν μια πίεση, ή κάποια "αντίσταση του ανέμου," από το αέριο μέσα στο Γαλαξία μας, είπε. Συγχρόνως, οι γαλαξίες πρόγονοι αντιμετώπισαν συντριπτικές δυνάμεις βαρύτητας από το Γαλαξία, ο οποίος απομάκρυνε τα φωτεινά αστέρια μακριά.

Κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών σε τροχιά γύρω από τους μεγάλους γαλαξίες, σχεδόν όλη η κανονική ύλη απομακρύνθηκε μακριά από τους γαλαξίες προγόνους των νάνων σφαιροειδών, αφήνοντας πίσω τους μόνο τη σκοτεινή ύλη που δεν επιδρά είτε με την κοσμική υπεριώδη ακτινοβολία είτε με την πίεση του αερίου, τόνισε ο Καζαντζίδης. Και το παλιρροιακό κύμα κλονισμού που δοκίμασε η σκοτεινή ύλη δεν ήταν αρκετά ισχυρή για να τραβήξει μακριά μεγάλο ποσό από αυτήν.

Η έρευνα προτείνει ότι πολλοί περισσότεροι μικροί σκοτεινοί γαλαξίες μπορούν να περιβάλουν τους μεγάλους γαλαξίες, όπως τον Γαλαξία μας από όσο παρατηρείται αυτήν την περίοδο, λύνοντας ενδεχομένως το πρόβλημα των χαμένων γαλαξιακών δορυφόρων."

"Αυτοί οι γαλαξίες είναι πάρα πολύ σκοτεινοί για να ανιχνευτούν", προσθέτει ο Καζαντζίδης.

Υπάρχουν όμως και μυστήρια που πρέπει να λυθούν σχετικά με τους γαλαξίες της σκοτεινής ύλης, προσθέτει ο Καζαντζίδης. "Ο νάνος σφαιροειδής γαλαξίας Tucana αντιπροσωπεύει τη μεγαλύτερη πρόκληση στο μοντέλο μου επειδή βρίσκεται μακριά από οποιοδήποτε ογκώδη γαλαξία", είπε. "Αν προταθεί ένα μοντέλο για τη διαφώτιση της προέλευσης των απομονωμένων νάνων σφαιροειδών γαλαξιών απαιτεί και παρατηρήσεις και θεωρητικές προβλέψεις."