Το διαστημικό παρατηρητήριο Spitzer αναζητά τη σκοτεινή ύλη του Γαλαξία μας

Πηγή: Science Daily, 24 Φεβρουαρίου 2007

Ο  Γαλαξίας μας είναι πιο βαρύς από όσο φαίνεται, και υπεύθυνη για το πρόσθετο βάρος είναι η σκοτεινή ύλη.

Η σκοτεινή ύλη είναι ένα από τα μέγιστα μυστήρια στη σύγχρονη αστρονομία. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον όρο σαν μια ομπρέλα για όλη την αόρατη "βαριά ουσία" στον Κόσμο. Οι αστρονόμοι αυτήν την περίοδο θεωρούν ότι υπάρχουν δύο συστατικά στην σκοτεινή ύλη. Ένα μέρος της σκοτεινής ύλης αποτελείται από εξωτικά υλικά, διαφορετικά από τα συνηθισμένα σωματίδια που αποτελούν τον εξοικειωμένο κόσμο γύρω μας. Το άλλο μέρος αποτελείται από σκοτεινά ουράνια αντικείμενα -- όπως οι πλανήτες, οι μαύρες τρύπες, ή τα αποτυχημένα αστέρια -- που δεν παράγουν φως ή είναι πάρα πολύ εξασθενημένο για να το ανιχνεύσουμε από τη Γη.

Οι αστρονόμοι υποψιάζονται ότι το βάρος του μεγαλύτερου μέρους του Γαλαξία και του Κόσμου μας προέρχεται από την σκοτεινή ύλη. Για σχεδόν έναν αιώνα, έψαχναν λεπτομερώς το Γαλαξία μας και για εξωτική σκοτεινή ύλη και για σκοτεινά ουράνια σώματα με την ελπίδα να αποτελούν το ελλείπον βάρος του.

Τώρα μια έρευνα, με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Spitzer της NASA, δείχνει ότι μπορεί να είναι σε θέση να διαδραματίσει έναν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό των "αόρατων" ουράνιων σωμάτων που υπερφορτώνουν το Γαλαξία μας.

Τα εξωτικά σωματίδια MACHO

Οι αστρονόμοι αναφέρονται στα σκοτεινά ουράνια αντικείμενα, όπως είναι οι μη ανιχνευθέντες πλανήτες, οι μαύρες τρύπες και τα σώματα που απέτυχαν να γίνουν άστρα, με την ονομασία Συμπαγή Άλως με Μάζα ή MACHO, επειδή αυτά κρύβονται στα έσχατα όρια ή στην άλω των γαλαξιών.

Σχεδόν πριν μια δεκαετία, μια ομάδα αστρονόμων έψαχναν την άλω ή τον φωτοστέφανο του Γαλαξία μας για να βρουν σκοτεινά ουράνια αντικείμενα. Και ονόμασαν το πρόγραμμα τους MACHO, και με τα επίγεια τηλεσκόπια τους βρήκαν 17 από αυτά χάρις στην βαρυτική επίδραση που εξασκούσαν. Εντούτοις, η τεχνολογία εκείνη την εποχή δεν ήταν αρκετά ευαίσθητη για να πει στους επιστήμονες τι είδους αντικείμενα ήταν.

Εν συνεχεία σε μια έρευνα, ο μεταπτυχιακός Nitya Kallivayalil του Σμιθσονιτικού Κέντρου για την Αστροφυσική στο Χάρβαρντ της Βοστώνης, χρησιμοποίησε τις υπερευαίσθητες υπέρυθρες κάμερες του Spitzer για να μεγεθύνει δύο από τα προηγουμένως ανιχνευθέντα MACHO και τα προσδιόρισε ότι ήταν μικροσκοπικά αστέρια, που τα ονόμασε Μ-νάνους. Αυτά τα αστέρια έχουν περίπου 4.000 φορές πιο ασθενές φως από τον ήλιό μας και δεν μπορούν να φανούν από τη Γη με γυμνό μάτι. Ήταν δε τότε η πρώτη φορά που προσδιορίστηκε τι είδους αντικείμενα ήταν 2 από τα 14 αντικείμενα.

"Είναι μια πραγματικά συναρπαστική ανακάλυψη", αναφέρει ο Kallivayalil, η εργασία του οποίου για την ανακάλυψη αυτή δημοσιεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2006 στο Astrophysical Journal Letters.

Αν και τα MACHO είναι αόρατα στα περισσότερα τηλεσκόπια, η ομάδα MACHO τα  εντόπισε αρχικά μέσω μιας τεχνικής αποκαλούμενης "βαρυτικός μικροεστιασμός". Όλα τα αντικείμενα στον κόσμο που έχουν μάζα έχουν βαρύτητα. Όσο πιο περισσότερη μάζα έχουν τόσο περισσότερη βαρύτητα αποκτούν. Η βαρύτητα είναι χρήσιμη για τον προσδιορισμό των αόρατων αντικειμένων MACHO, επειδή στρεβλώνει το χώρο που περιβάλλει εκείνα τα αντικείμενα.

Όταν ένα MACHO κινείται μπροστά από ένα απόμακρο αστέρι, το φως από το αστέρι ταξιδεύει μέσω του στρεβλωμένου διαστήματος και ενισχύεται. Ερευνώντας την ενισχυμένη αστροφεγγιά, οι αστρονόμοι μπορούν να 'αισθανθούν' ένα MACHO.

Μόλις είναι γνωστή η θέση ενός MACHO, τότε οι αστρονόμοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα υπέρυθρα μάτια του Spitzer για να ανιχνεύσουν τη θερμότητα που προέρχεται από το αντικείμενο και να την προσδιορίσουν. Ο Kallivayalil χρησιμοποίησε το Spitzer για να προσδιορίσει δύο MACHO γνωστά στους αστρονόμους ως LMC- 5 και LMC-20 σαν μικρά, αμυδρά Μ-νάνους αστέρια.

"Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τι μπορεί να είναι ένα MACHOs, και ποια είναι η συμβολή τους στη σκοτεινή ύλη μέσα στον Γαλαξία μας", λέει ο Kallivayalil, ο οποίος είναι αυτήν την περίοδο στο στάδιο της ανάλυσης των παρατηρήσεων του Spitzer για τις άλλες 15 πηγές MACHO που ανιχνεύτηκαν προηγουμένως.

Ζυγίζοντας το Γαλαξία

Υπάρχουν δύο τρόποι για να υπολογίσουμε το βάρος ενός γαλαξία, και που χρησιμοποιούνται συνήθως από τους αστρονόμους. Ένας τρόπος είναι να εξετάσουμε τη φωτεινότητα του του γαλαξία και να τη μετατρέψουμε σε μάζα, ή βάρος. Ο άλλος τρόπος είναι να παρακολουθηθούν οι μετακινήσεις των αστεριών αυτού του γαλαξία.

Οτιδήποτε στον Κόσμο κινείται. Στο Γαλαξία μας η Γη μας κινείται γύρω από τον ήλιο και ο ήλιος όπως και τα άστρα γύρω από το κέντρο του Γαλαξία. Μετρώντας πόσο γρήγορα κινούνται τα αστέρια στην άκρη του Γαλαξία, οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν το βάρος του Γαλαξία. Όσο γρηγορότερα κινούνται τα εξωτερικά άστρα, τόσο βαρύτερος είναι ο Γαλαξίας.

Προβλήματα άρχισαν να παρουσιάζονται όταν οι αστρονόμοι του εικοστού αιώνα σύγκριναν τα αποτελέσματα αυτών των δύο υπολογισμών για πολλούς γαλαξίες -- έτσι παρατήρησαν ότι οι αριθμοί για το βάρος ταιριάζουν μεταξύ τους. Ο υπολογισμός με τη φωτεινότητα έδειξε ότι οι γαλαξίες ήταν ελαφρύτεροι από τον αριθμό που παίρναμε μετρώντας την κίνηση των άστρων.

Δεδομένου ότι και οι δύο αυτές τεχνικές έχουν αποδειχθεί επιτυχείς για τον καθορισμό του βάρους ενός αντικειμένου, οι αστρονόμοι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι πρέπει να υπάρχουν περισσότερα αντικείμενα - άρα πιο πολύ βάρος - σε έναν γαλαξία από όσο δείχνει τα φωτεινά αντικείμενα ή υπάρχουν και σκοτεινά αντικείμενα που συνεισφέρουν στο βάρος των γαλαξιών. Και έτσι αυτά τα σκοτεινά αόρατα αντικείμενα αναφέρθηκαν ως "σκοτεινή ύλη."

Οι προτάσεις για την σύνθεση της σκοτεινής ύλης είναι αρκετές: Η μία είναι ότι αποτελείται από ψυχρά WIMP (Ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα), που ρέουν μέσα στο διάστημα και αλληλεπιδρούν ελάχιστα με την υπόλοιπη ύλη (άτομα, ηλεκτρόνια, φωτόνια), πχ να διέρχονται από τη Γη χωρίς να αλληλεπιδράσουν με κανένα άτομο. Αυτή η ομάδα σωματιδίων δεν έχουν φορίο και δεν είναι βαρυονικά σωματίδια.

Μια άλλη πρόταση είναι να είναι θερμή ύλη και να έχει τη μορφή νετρίνων με μάζα. Το νετρίνο μπορεί να έχει ελάχιστη μάζα - περίπου 1eV/c²  - αλλά το πλήθος τους είναι τεράστιο, η έστω και ελάχιστη μάζα του, φτάνει για να δώσει την μάζα που λείπει.

Μπορεί η σκοτεινή ύλη να έχει τη μορφή των MACHO (συμπαγή αντικείμενα που σχηματίζουν την Άλω των γαλαξιών). Η άλως των γαλαξιών είναι το κεντρικό σφαιρικό τμήμα των γαλαξιών και πιστεύεται ότι περιέχουν μικρούς πλανήτες στο μέγεθος του Δία ή ψυχρούς καφέ ή κόκκινους νάνους ή μικρές αστρικές μαύρες τρύπες.

Επίσης, μπορεί να είναι με τη μορφή μεσογαλαξιακών νεφών και σκόνης ή ακόμη σκοτεινών γαλαξιών.

Η σκοτεινή ύλη πρέπει να έχει παίξει επίσης κάποιο σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό των γαλαξιών κατά την εξέλιξη του Σύμπαντος, αλλά και να ελέγχει ακόμη και τώρα την πορεία του κόσμου. Η ύπαρξή της δηλαδή θα είναι αποφασιστική για τη μοίρα του Σύμπαντος, γιατί η εξέλιξη του σύμπαντος εξαρτάται από την ολική μάζα του Σύμπαντος.