Πάλσαρ μπορούν να ρίξουν φως στη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη

Πηγή: NewScientist, 26 Φεβρουαρίου 2007

Μεγάλα κομμάτια σκοτεινής ύλης που περιπλανούνται απαρατήρητα μέσα στο Γαλαξία μας θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν μέσω προσεκτικών παρατηρήσεων των πάλσαρ, λέει μια νέα μελέτη. Στην πραγματικότητα, αποκαλυπτικά σημάδια αυτών των νεφών μπορεί ήδη να υπάρχουν, αλλά να πέρασαν απαρατήρητα, σε παλιά αστρονομικά στοιχεία - και ενδεχομένως αυτά να κρατούν το κλειδί για την κατανόηση της σύστασης της μυστήριας σκοτεινής ύλης.

Οι αστρονόμοι έχουν πολλές αποδείξεις ότι κάποιο είδος της αόρατης ύλης διαπερνά το σύμπαν. Και μας αποκαλύπτει την παρουσία της μόνο με την βαρυτική έλξη που ασκεί πάνω στη συνηθισμένη ύλη, την οποία ξεπερνά με αναλογία 6 προς 1 σε βάρος. Από τι είναι φτιαγμένη αυτή η σκοτεινή ύλη είναι μία από τις καυτές ερωτήσεις στην αστρονομία και τη φυσική.

Η επικρατούσα άποψη είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από κάποιο είδος εξωτικού υποατομικού σωματιδίου, και διάφορες θεωρίες έχουν βρει ένα πλήθος τέτοιων υποψηφίων σωματιδίων, με ονόματα όπως νετραλίνο, αξιόνια και γκραβιτίνο. Το νετραλίνο, παραδείγματος χάριν, είναι ένα προϊόν της υπερσυμμετρίας, μια θεωρία που προσπαθεί να ενοποιήσει όλες τις γνωστές δυνάμεις της φυσικής πλην της βαρύτητας και προϋποθέτει ότι τα γνωστά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα νετρίνο, έχουν κάποια βαρύτερα αντίστοιχα σωματίδια.

Όμως όλα τα αστρονομικά στοιχεία έχουν αποτύχει μέχρι τώρα να επιτρέψουν στους επιστήμονες να διακρίνουν μεταξύ αυτών των πιθανών λύσεων, και τα εργαστηριακά πειράματα σχεδιασμένα με σκοπό να ανιχνεύσουν αυτά τα μεμονωμένα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν επίσης πέσει στο κενό.

Ο Γαλαξίας μας πρέπει να περιέχει πολλές μικρές μάζες σκοτεινής ύλης, οι οποίες παρουσιάζονται ως φωτεινές σταγόνες σε ακινησία σε μια προσομοίωση στους υπολογιστές. Οι μάζες αυτές θα μπορούσαν να αποκαλύψουν την παρουσία τους με τη μετατόπιση τους μπροστά από πάλσαρ και τη διαστρέβλωση των κανονικών σημάτων που στέλνουν τα πάλσαρ στο διάστημα

Τώρα όμως επιστήμονες που καθοδηγούνται από τον Ethan Siegel του πανεπιστημίου του Wisconsin στο Μάντισον έχουν βρει έναν νέο τρόπο να αποκαλυφθούν ενδεχομένως οι 'σταγόνες' της σκοτεινής ύλης, που κατευθύνονται εδώ κοντά και ίσως να μάθουμε τι είναι μια για πάντα.

Η βάση της εργασίας τους είναι τα πυκνά αστρικά σώματα, τα πάλσαρ. Καθώς περιστρέφονται τα πάλσαρ, εκπέμπουν ραδιοπαλμούς τόσο κανονικούς που συναγωνίζονται με τα ατομικά ρολόγια στη γη.

Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, οποιοδήποτε αντικείμενο με μάζα - συμπεριλαμβανομένων και των μαζών σκοτεινής ύλης - διαστρεβλώνει το χωροχρόνο γύρω του. Αυτό σημαίνει ότι εάν περάσει μια μάζα σκοτεινής ύλης, καθώς κινείται, μπροστά από ένα πάλσαρ, όπως φαίνεται από τη Γη, τότε θα αλλάξει ελαφρώς ο χρόνος που θέλουν οι παλμοί για να φθάσουν στη γη.

Αν λοιπόν μετρήσουμε το χρόνο άφιξης των παλμών ενός πάλσαρ με πολύ μεγάλη ακρίβεια, πρέπει να είναι δυνατό να ανιχνευθεί η παρουσία αυτών των μαζών σκοτεινής ύλης, λέει η ομάδα Siegel. "Αυτό είναι κάτι που μπορεί ήδη να έχει συμβεί και να βρίσκονται οι χρόνοι αυτοί ήδη στα αποθηκευμένα στοιχεία, αλλά κανένας δεν έχει ψάξει μέχρι τώρα γι αυτά", αναφέρει ο Siegel.

Απομονωμένα τμήματα ύλης

Η σκοτεινή ύλη άρχισε να συσσωρεύεται αμέσως μετά από το big bang. Πολλές από αυτές τις μάζες συγχωνεύτηκαν διαμορφώνοντας μεγαλύτερες δομές, όπως μεγάλα νέφη σκοτεινής ύλης στα οποία ενσωματώνονται οι γαλαξίες.

Αλλά πολλές από τις μικρότερες μάζες που δεν συγχωνεύτηκαν ποτέ πρέπει ακόμα να τριγυρνάνε γύρω από το Γαλαξία μας, τονίζει ο Siegel. Ό ίδιος υπολογίζει ότι περίπου 100 τρισεκατομμύρια από αυτές τις αόρατες μάζες, που η κάθε μία έχει μάζα μεταξύ του 20 και μερικές χιλιάδες φορές τη μάζα της Γης, μπορούν να τριγυρνάνε γύρω από το Γαλαξία.

"Αναμένουμε να υπάρχουν περισσότερες τέτοιες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης από όσα αστέρια υπάρχουν στο Γαλαξία", είπε ο ίδιος.

Ίσως το πιο ερεθιστικό είναι ότι οι παρατηρήσεις των πάλσαρ να μας αποκαλύψουν τη σύνθεση της σκοτεινής ύλης. Κι αυτό επειδή η μάζα των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης καθώς και η ροπή τους προς αλληλεπίδραση το ένα με το άλλο έχει επιπτώσεις στην πυκνότητα των συγκεντρώσεων της σκοτεινής ύλης.

Όσο πυκνότερο είναι το αντικείμενο σκοτεινής ύλης, τόσο γρηγορότερη είναι η αλλαγή του σήματος του πάλσαρ. Παραδείγματος χάριν, τα αξιόνια μπορούν να είναι σε θέση να διαμορφώσουν πυκνότερες μάζες από όσο τα νετραλίνα. "Υπό αυτή την έννοια, θα μπορούσαμε ενδεχομένως, με την τρέχουσα ευαισθησία, να είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε εάν έχουμε σκοτεινή ύλη από αξιόνια ή όχι", εξηγεί ο Siegel.

Η κατανομή μεγέθους των συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης εξαρτάται επίσης από το είδος από το οποίο αποτελούνται, με τα υπερσυμμετρικά σωματίδια - όπως είναι τα νετραλίνο - να παράγουν ένα ευδιάκριτο όριο, κάτω από περίπου 20 γήινες μάζες.

Όμως ο ειδικός Joseph Taylor του Πανεπιστημίου του Πρίνσετον στο Νιου Τζέρσεϋ, λέει ότι η ανίχνευση των συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης με αυτό τον τρόπο θα ήταν δύσκολο. "Ο συγχρονισμός του πάλσαρ σε αυτό το επίπεδο δεν είναι εύκολος", λέει. "Δεν νομίζω ότι είναι δυνατόν να παραγάγει μια πειστική ανίχνευση."

Ακόμα, ο ίδιος λέει ότι είναι "κατανοητό" ότι τέτοιες παρατηρήσεις, ακόμη και χωρίς καμιά ανίχνευση, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να θέσουν ένα όριο στον τρόπο με τον οποίο μια συγκέντρωση σκοτεινής ύλης είναι στο Γαλαξία μας.

Ο Frederick Jenet του πανεπιστημίου του Τέξας στο Brownsville, που μελετά τον τρόπο που τα κύματα βαρύτητας θα διαστρέβλωναν τα σήματα ενός πάλσαρ, συμφωνεί. "Μπορούμε να κάνουμε επιστημονικά πειράματα με αυτό το γεγονός - μπορούμε δηλαδή να βάλουμε όρια στο ποσοστό που συμβαίνουν αυτά τα γεγονότα".

Και τέλος ο Jeremiah Ostriker του Princeton λέει: "Οποιαδήποτε μέθοδος που έχει έστω και μια μικρή πιθανότητα να μας καθορίσει τη φύση της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι τεράστιας σπουδαιότητας."