Η θερμή σκοτεινή ύλη λύνει το μυστήριο των γιγάντιων μαύρων οπών

Πηγή: NewScientist, 13 Σεπτεμβρίου 2007

Η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από γρήγορα, ελαφριά σωματίδια σαν τα γκραβιτίνα - αντίθετα με την ευρύτατα αποδεκτή θεωρία, σύμφωνα με μια νέα προσομοίωση σε υπολογιστές. Αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει την παράδοξη καθαρή χημική κατασκευή μερικών άστρων στο Γαλαξία μας, και την τεράστια μάζα των μαύρων οπών που ζουν στις καρδιές των μεγάλων γαλαξιών.

Σύμφωνα δηλαδή με τους υπεύθυνους αστρονόμους της προσομοίωσης η σκοτεινή ύλη έπαιξε καθοριστικό ρόλο στη γέννηση των πρώτων άστρων, ενώ μπορεί να είναι και 'μητέρα' των μαύρων οπών. Διευκρινίζουν δε ότι αν η σκοτεινή ύλη είναι σχετικά θερμή, τότε επιζούν ακόμα πολλά από τα πρώτα άστρα στο σύμπαν και πιθανόν μερικά από αυτά είναι και στο κέντρο του δικού μας γαλαξία.

Δεξιά: Μακριές ίνες σκοτεινής ύλης και αερίου σχηματίζονται σε προσομοιώσεις ψυχρής και σκοτεινής ύλης

Επειδή η σκοτεινή ύλη αποκαλύπτεται μόνο από τη βαρύτητά της, οι αστρονόμοι έχουν λίγες ενδείξεις για τη φύση της. Το δημοφιλέστερο μοντέλο είναι η ψυχρή σκοτεινή ύλη: βαριά υποατομικά σωματίδια που τείνουν να κινηθούν πολύ αργά.

Μια άλλη πιθανότητα είναι το μοντέλο της θερμής σκοτεινής ύλης: ελαφρύτερα σωματίδια που κινούνται γρηγορότερα. Η γρήγορη κίνηση αυτών των σωματιδίων λειαίνει τους μικρούς πυκνούς κόμβους της ύλης, που ειδάλλως θα σχηματίζονταν στους πυρήνες των γαλαξιών, και υπάρχουν κάποιοι υπαινιγμοί ότι τέτοιοι πυκνοί κόμβοι πράγματι χάνονται.

Οι Liang Gao και Tom Theuns του πανεπιστημίου Durham έχουν φτιάξει μια προσομοίωση για να συγκρίνουν τη συμπεριφορά της ψυχρής και θερμής σκοτεινής  ύλης στις πρώτες στιγμές του σύμπαντος. Αρχικά οι δύο κατηγορίες συμπεριφέρονται ίδια, καταρρέοντας κάτω από τη βαρύτητα σε ένα δίκτυο ινών που 'σταυρώνουν' όλο το σύμπαν.

Αλλά η ψυχρή σκοτεινή ύλη συγχωνεύεται έπειτα σε μεγάλες σταγόνες, ή τους φωτοστεφάνους, όχι όμως και η θερμή σκοτεινή ύλη. Η τυχαία κίνηση των σωματιδίων της λειαίνει αυτές τις σταγόνες, κι έτσι οι ίνες της θερμής σκοτεινής ύλης συνεχίζουν μόλις που συγκρούονται και γίνονται πυκνότερες έως ότου υπάρξει ένας στενός σωλήνας της ύλης, με τυπικό μήκος 10.000 έτη φωτός με μια μάζα 10 εκατομμυρίων ήλιων.

Αριστερά: Οι λεπτές ίνες αερίου στην παραπάνω εικόνα παρουσιάζονται σε έναν πιο πρόσφατο χρόνο σε μια προσομοίωση της θερμής σκοτεινής ύλης. Η θερμή σκοτεινή ύλη σχηματίζει πυκνές ίνες στις οποίες σχηματίζονται άστρα διαφορετικού μεγέθους. Κάποια από αυτά θα είναι μικρά αστέρια που καίνε τα καύσιμα τους αργά, κι έτσι μερικά τέτοια καθαρά αστέρια (με υδρογόνο και ήλιο), που σχηματίστηκαν σε αυτές τις ίνες, θα μπορούσαν να λάμπουν ακόμα και σήμερα.

Το συνηθισμένο αέριο συσσωρεύεται από τη σκοτεινή ύλη, και τελικά σχηματίζουν την πρώτη μορφή αστεριών. Αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από υδρογόνο και ήλιο, τα δύο κύρια στοιχεία που δημιουργήθηκαν στη Μεγάλη Έκρηξη.

Με την ψυχρή σκοτεινή ύλη, ένα μεγάλο άστρο σχηματίζεται στη μέση κάθε μεγάλου φωτοστεφάνου. Αυτά τα μεγάλα αστέρια καίνε γρήγορα τα αρχικά υλικά τους, συντήκοντας το υδρογόνο και το ήλιο σε βαρύτερα στοιχεία. Εξαντλούν σύντομα τα καύσιμά τους και εκρήγνυνται έπειτα για να σπείρουν τον Κόσμο με πυκνότερα στοιχεία, τα οποία μεταβιβάζονται στην επόμενη γενεά των αστεριών. Έτσι, κανένα τέτοιο καθαρό αστέρι με υδρογόνο και ήλιο δεν επιζεί σήμερα.

Αλλά στις πυκνές ίνες που διαμορφώνονται από θερμή σκοτεινή ύλη, ο σχηματισμός είναι πιθανό να είναι πιο χαοτικός, και να σχηματίζονται αστέρια διαφορετικών μεγεθών από τυχαίου μεγέθους κομμάτια ινών. Μερικά από αυτά θα ήταν μικρά αστέρια, που καίνε αργά τα καύσιμα τους, κι έτσι θα μπορούσαν ακόμα και σήμερα να υπάρχουν μερικά καθαρά αστέρια, που διαμορφώθηκαν σε αυτές τις ίνες .

Πριν λίγα χρόνια, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν πράγματι μικρά αστέρια στο Γαλαξία με πολύ χαμηλή ποσότητα βαρέων στοιχείων. "Υποδηλώνει ότι ίσως η σκοτεινή ύλη είναι θερμή", λέει ο Theuns. Εάν οι αστρονόμοι βλέπουν ένα αστέρι με απολύτως κανένα βαρύ στοιχείο, αυτά θα είναι καλά αποδεικτικά στοιχεία για τη θερμή σκοτεινή ύλη, υποστηρίζει.

Δεξιά: Σε μια προσομοίωση της ψυχρής σκοτεινής ύλης, οι ίνες κόβονται σε πολυάριθμους, σχεδόν σφαιρικούς φωτοστεφάνους (λευκές σφαίρες). Ένα μεγάλο άστρο σχηματίζεται στη μέση κάθε τέτοιου μεγάλου φωτοστεφάνου. Αυτά τα μεγάλα άστρα καίγονται γρήγορα και πεθαίνουν πολύ νέα, κι έτσι ώστε κανένα καθαρό αστέρι από υδρογόνο και ήλιο δεν επιζεί σήμερα.

Αυτές οι ίνες μπορούν επίσης να είναι καλές και στην παραγωγή των μεγάλων μαύρων οπών. Αν και πολλά από τα απομονωμένα αστέρια που δημιουργούνται από ψυχρή σκοτεινή ύλη θα γεννούσαν μαύρες τρύπες, θα είχαν μερικές μόνο φορές τη μάζα του ήλιου, που φαίνεται πάρα πολύ μικρή για να σπείρει τις δισεκατομμύρια μαύρες τρύπες με μάζα σαν του ήλιου μας, που είναι γνωστό πως κρύβονται σε πολλούς γαλαξίες.

Αλλά κάθε ίνα από θερμή σκοτεινή ύλη θα πρέπει τελικά να καταρρεύσει κατά μήκος του μήκους της, λένε οι Gao και Theuns, αναγκάζοντας τα αστέρια, τα νέφη αερίου και τις μικρές μαύρες τρύπες να πλησιάσουν κοντά σε ένα τέλειο περιβάλλον για την ανάπτυξη των πολύ μεγαλύτερων μαύρων οπών.

Στην προσομοίωσή τους, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι υπάρχει ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με ακριβώς το 0,6% της μάζας του ηλεκτρονίου. Αυτό θα ταίριαζε με το γκραβιτίνο - ένα σωματίδιο που προβλέπεται από την υπερσυμμετρική θεωρία - αν και οποιοδήποτε σωματίδιο τόσο ελαφρύ θα είχε μια παρόμοια τέτοια επίδραση.