Η σκοτεινή ύλη είναι WIMPs ή CHAMPs;

Πηγή: NewScientist, 9 Σεπτεμβρίου 2008

Η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη - που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος - μπορεί στην πραγματικότητα να έχει ηλεκτρικό φορτίο, προτείνει μια νέα μελέτη. Αν έχουν έτσι τα πράγματα τότε θα βοηθήσει στην εξήγηση του γιατί οι αστρονόμοι βλέπουν τόσο λίγους νάνους γαλαξίες σε τροχιά γύρω από μεγαλύτερους γαλαξίες.

Η σκοτεινή ύλη εντοπίζεται λόγω της έλξης της πάνω στο φως και την ορατή ύλη, έτσι οι αστροφυσικοί έχουν σε μεγάλο βαθμό υποθέσει ότι αλληλεπιδρά κυρίως μέσω της δύναμης της βαρύτητας - και όχι μέσω του ηλεκτρομαγνητισμού, για παράδειγμα. Πράγματι, το κυρίως υποψήφιο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, που είναι γνωστό ως ασθενώς αλληλεπιδρών σωματίδιο με μάζα, ή WIMP, είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Οι γραμμές του του μαγνητικού πεδίου του γαλαξία φαίνεται να είναι οριζόντιες,  ευρισκόμενες στο ίδιο επίπεδο με τον γαλαξιακό δίσκο. Αυτό θα μπορούσε να κρατήσει φορτισμένα σωματίδια σκοτεινής ύλης εκτός του δίσκου, και χωρίς να ανιχνεύονται από πειράματα στη Γη

Αλλά θεωρητικοί σαν τους Leonid Chuzhoy και Rocky Kolb του Πανεπιστημίου του Σικάγου λένε ότι μπορεί να είναι καιρός να εξετάσουμε το ενδεχόμενο η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από σωματίδια με μάζα και φορτίο, ή CHAMPs. Αυτό θα σήμαινε ότι τα μαγνητικά πεδία θα μπορούσαν να εκτρέψουν ή να ωθήσουν την σκοτεινή ύλη - προσθέτοντας έτσι και άλλο τρόπο για να αλληλεπιδράσει αυτή με το γνωστό σύμπαν.

Η ιδέα για τα CHAMPs δεν είναι νέα - είχε απορριφθεί πάνω από μία δεκαετία πριν, μετά την αποτυχία πειραμάτων στους υπόγειους ανιχνευτές σωματιδίων να ανακαλύψουν κανένα σημάδι αυτών των υποψηφίων σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

Τώρα, μια νέα ανάλυση δείχνει ότι μπορεί να υπάρχουν αυτά τα σωματίδια - μόνο που βρίσκονται στη δική μας Γαλαξιακή γειτονιά. Αυτό συμβαίνει γιατί το σχήμα του μαγνητικού πεδίου του Γαλαξία μας θα μπορούσε να εμποδίσει τα CHAMPs να εισέλθουν στο γαλαξιακό δίσκο των άστρων, όπου βρίσκεται και η Γη.

'Πρόωρη απόρριψη'

Κάθε σωματίδιο CHAMP στον γαλαξιακό δίσκο θα είχε αποβληθεί από καιρό προς τα έξω, όπως το βόλι από μια σφεντόνα, από τα μαγνητικά πεδία των διαστελόμενων κατάλοιπων των υπερκαινοφανών άστρων, εξηγεί η ομάδα.

"Πρέπει να έχουμε ανοικτό μυαλό για το τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη," λέει ο Kolb. "Νομίζω ότι είναι μια λαμπρή ιδέα που θα μπορούσαν να έχει απορριφθεί πρόωρα."

Ο Avi Loeb του Κέντρου Αστροφυσικής στο Harvard, συμφωνεί ότι αξίζει αυτή η ιδέα να παραμένει ανοιχτή. "Η φύση της σκοτεινής ύλης δεν είναι γνωστή, επομένως είναι πάντοτε υγιές και σημαντικό να διερευνήσουμε ασυνήθιστες δυνατότητες",  τόνισε.

Αν η σκοτεινή ύλη είναι ηλεκτρικά φορτισμένη, τότε θα ήταν πιο πιθανό να υπάρχει σύγκρουση με την κανονική ύλη. Αυτό συμβαίνει γιατί θα μπορούσε να ζευγαρώσει με την απλή ύλη μέσω των μαγνητικών πεδίων. Η κανονική ύλη θα μπορούσε επίσης να ΄αναπηδήσει' στα ηλεκτροστατικά πεδία της, σαν τη μπάλα του μπιλιάρδου.

Τεράστια σωματίδια

Οι ερευνητές μελετούν τώρα τι ιδιότητες πρέπει να έχουν τα σωματίδια CHAMPs, για να εξηγήσει τις παρατηρήσεις της σκοτεινής ύλης.

Για παράδειγμα, τα CHAMPs πρέπει να συναντούν την κανονική ύλη αρκετά σπάνια ώστε να δημιουργηθεί η κοσμική εικόνα, σαν του Bullet Cluster και MACS J0025. Σε αυτές τις συγκρούσεις ανάμεσα σε σμήνη γαλαξιών, η συνηθισμένη ύλη συγκρούεται μεταξύ της, αλλά η σκοτεινή ύλη συνεχίζει την πορεία της ανεμπόδιστη.

Η ανακάλυψη των CHAMPs μπορεί να αποδειχθεί δύσκολη. Τα προτεινόμενα σωματίδια θα ζυγίζουν τουλάχιστον 100.000 φορές τη μάζα των πρωτονίων, πολύ μεγάλη δηλαδή για να δημιουργηθεί στον πιο ισχυρό επιταχυντή σωματιδίων μέχρι σήμερα, τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων, που ήδη έχει ξεκινήσει τη λειτουργία του.

Το βάρος τους θα μπορούσε επίσης να δυσκολεύει την παρατήρηση στο διάστημα. Φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια εκπέμπουν ακτινοβολία όταν επιταχύνονται από μαγνητικά πεδία, αλλά τα CHAMPs θα είχαν μεγάλη μάζα για να παράγουν πολύ φως, λέει η ομάδα.

Ακόμα, οι ουδέτερες εκδόσεις των σωματιδίων θα μπορούσαν να βρεθούν στη Γη, παρατηρεί ο Chuzhoy. Αν τα CHAMPs είναι αρνητικά φορτισμένη, αυτά ενδεχομένως μπορεί να δεσμευθούν με το σίδηρο και άλλα στοιχεία για να δημιουργήσουνε υπερβαρέες ποικιλίες, που θα μπορούσαν να ανιχνευθούν από το βάρος τους. Αυτά τα στοιχεία θα μπορούσαν να απορροφήσουν και να εκπέμψουν ακτίνες Χ, που μπορούσαν να παρατηρηθούν από τα τηλεσκόπια.

Χαμένοι νάνοι γαλαξίες

Η φορτισμένη σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να βοηθήσει ώστε να εξηγηθεί και κάποιο κοσμικό αίνιγμα.

Επειδή τα CHAMPs θα συγκρούονται πιο συχνά με την κανονική ύλη, θα μπορούσαν να εκτοξεύεται αέριο από τους αναπτυσσόμενους νάνους γαλαξίες. Αυτό θα μπορούσε να αναστείλει τον σχηματισμό των άστρων και να εξηγήσει έτσι γιατί οι αστρονόμοι βλέπουν τόσο λίγους νάνους γαλαξίες σε τροχιά γύρω από το Γαλαξία μας και γειτονικούς γίγαντες γαλαξίες.

Δεδομένου ότι τα CHAMPs μπορεί να επιταχυνθούν από τα μαγνητικά πεδία στις αστρικές εκρήξεις, τα σωματίδια αυτά θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν γιατί φαίνεται να υπάρχει λιγότερη σκοτεινή ύλη στα κέντρα των νάνων γαλαξιών από όσο προβλέπουν οι προσομοιώσεις.

Όμως ο Loeb σημειώνει ότι τα μαγνητικά πεδία του η Γαλαξία μας μπορεί να μην εμποδίζουν τα CHAMPs από το να φθάσουν στον πλανήτη μας.

Κι αυτό γιατί κάποια φορτισμένα σωματίδια πέρα από τον Γαλαξία καταφέρνουν να φτάσουν στη Γη. Μυστηριώδεις κοσμικές ακτίνες πολύ υψηλής ενέργειας, για παράδειγμα, φαίνεται να εισέρχονται στον Γαλαξία μέσω  «ανοικτών» γραμμών του μαγνητικού πεδίου.

Ο Chuzhoy δείχνει ότι ορισμένες από αυτές τις κοσμικές ακτίνες θα μπορούσαν πράγματι να είναι σωματίδια σκοτεινής ύλης CHAMPs.

Εξομάλυνση

Αν η σκοτεινή ύλη είναι φορτισμένα σωματίδια, αυτό το γεγονός θα μπορούσε να έχει δραστική επίδραση στο σύμπαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Όταν το σύμπαν ήταν πολύ πυκνό, τα σωματίδια του φωτός ή φωτόνια, εξομάλυναν ανεπαίσθητους κυματισμούς της συνηθισμένης ύλης. Όμως η σκοτεινή ύλη, υποτίθεται ότι παρέμεινε συγκεντρωμένη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, δημιουργώντας έτσι μικρούς θύλακες μάζας που ενώθηκαν μαζί με το περιβάλλον υλικό για να σχηματίσουν μεγαλύτερες δομές, όπως είναι οι γαλαξίες.

Αν λοιπόν τα φωτόνια μπορεί να συγκρούονται με τα CHAMPs, αυτό μπορεί να κάνει την σκοτεινή ύλη το ίδιο ομαλή.

"Δεν θα ήταν σε θέση αλλιώς να κάνουν σε μεταγενέστερο χρόνο γαλαξίες," τονίζει ο Loeb. "Οι ερευνητές έχουν όμως πολύ δουλειά να κάνουν για να γίνει μια βιώσιμη θεωρία.