|
Η σκοτεινή ύλη φαίνεται να είναι ακόμα εξαφανισμένη στο
σκοτάδι. Πέρυσι, οι ερευνητές πίστευαν ότι μπορούν να εντοπίσουν την
υπογραφή της, όταν το πείραμα ATIC που έγινε με τη βοήθεια ενός ειδικού
μπαλονιού, εντόπισε ένα περίεργα υψηλό αριθμό ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας
να κινείται σαν ρεύμα από το διάστημα.
Αλλά τώρα, το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi της NASA δεν βρήκε
κανένα τέτοιο υψηλό - μόνο κάποιες λεπτές υπόνοιες για μια ελαφρά αύξηση,
γεγονός που υποδηλώνει ότι η σκοτεινή ύλη δεν αφήνει κανένα φανερό ίχνος
στα φορτισμένα σωματίδια που εντοπίστηκαν από το διάστημα.
Με τις νέες παρατηρήσεις του Fermi οι επιστήμονες λένε ότι
δεν αποκλείεται να υπάρχει η σκοτεινή ύλη, αλλά η απόδειξη για την ύπαρξη
της φαίνεται ότι θα αργήσει
Κάποια μοντέλα της σκοτεινής ύλης προτείνουν ότι η σύγκρουση
δύο σωματιδίων της σκοτεινής ύλης θα παρήγαγε - μεταξύ των άλλων -
ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια. Σε ένα πείραμα πέρυσι, το ερευνητικό αερόστατο
ATIC είχε παρατηρήσει ότι η ροή ποζιτρονίων και ηλεκτρονίων που φτάνει
μέχρι τη γήινη ατμόσφαιρα κορυφώνεται σε ενέργειες 300 έως 800 GeV, που
σύμφωνα με τους ερευνητές ήταν σε συμφωνία με τις θεωρητικές τιμές της
μάζας ορισμένων σωματιδίων σκοτεινής ύλης.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi της NASA δεν είδε καμιά ένδειξη υψηλής
συγκέντρωσης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας όπως είδε το πείραμα ATIC
Μπορεί κανείς να μην ξέρει ακριβώς τι είναι η σκοτεινή ύλη, αλλά τα
κυρίαρχα θεωρητικά μοντέλα θεωρούν ότι αποτελούνται από σωματίδια που ονομάζονται WIMPs
(σωματίδια με μάζα που αλληλεπιδρούν ασθενώς). Όταν δύο WIMP συγκρούονται,
η θεωρία λέει, ότι εξαϋλώνονται και παράγουν ακτινοβολία καθώς και ένα
καταρράχτη σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων και ηλεκτρονίων.
Έτσι οι ερευνητές ενθουσιάστηκαν τον περασμένο Νοέμβριο, όταν μια
ομάδα μελετώντας δεδομένα από δύο πτήσεις αερόστατων ATIC πάνω από την
Ανταρκτική ανέφεραν ότι βρήκαν πολλά περισσότερα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας
από ό,τι αναμενόταν με ενέργεια, περίπου, 600 GeV. Λιγότερο
εξωτικά αντικείμενα, όπως είναι τα πάλσαρ και κατάλοιπα σουπερνόβα, επίσης,
επιταχύνουν φορτισμένα σωματίδια υψηλής ενέργειας, γι αυτό και τα
αποτελέσματα του ATIC θα
μπορούσαν να εξηγηθούν από μια ποικιλία πηγών.
Όμως, η πληθώρα και οι υψηλές ενέργειες των «πρόσθετων» ηλεκτρονίων που
διαπιστώθηκαν, σε συνδυασμό με ένα άλλο απρόσμενο αποτέλεσμα κοσμικής
ακτινοβολίας, που μετρήθηκε λίγους μήνες νωρίτερα από τον δορυφόρο PAMELA, έθεσε το
βασανιστικό ενδεχόμενο να ευθύνεται γι αυτά τα αποτελέσματα η σκοτεινή ύλη,
ίσως κι ένα εξωτικό είδος του.
"Οι φυσικοί σωματιδίων δεν είναι και πολύ ενθουσιασμένοι τα τελευταία
10 χρόνια, γιατί ενώ ήταν όλα έτοιμα για την έναρξη λειτουργίας του Μεγάλου
Επιταχυντή Αδρονίων, στη συνέχεια
υπέστησαν ένα μεγάλο πλήγμα, όταν χάλασε", λέει ο Douglas Finkbeiner, θεωρητικός
της σκοτεινής ύλης στο Κέντρο Αστροφυσικής του Harvard.
"Τότε τα PAMELA και ATIC ήρθαν μαζί με επιπλέον σήματα υψηλής ενέργειας που
δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν εύκολα."
Τώρα, όμως, οι αστροφυσικοί χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο Fermi λένε ότι δεν
βλέπουν καμιά δραματική αύξηση του αριθμού των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας στο
διάστημα. "Το φάσμα της ενέργειας δεν έχει ειδικά χαρακτηριστικά",
λέει ο Alexander Moiseev, της ομάδας του Fermi.
Υπέρ και τα κατά
Τι θα μπορούσε άραγε να εξηγήσει αυτή τη διαφορά; Και τα δύο πειράματα
έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα και αδυναμίες.
Το
ATIC πέταξε στην ατμόσφαιρα της Γης, που μπορεί να δημιουργήσει
επιπλέον "θόρυβο" στο σήμα, ενώ το Fermi είναι μια διαστημική αποστολή.
Η πτήση του ATIC δεν διήρκεσε περισσότερο από τρεις εβδομάδες, ενώ το Fermi
συνεχώς λαμβάνει στοιχεία από την τροχιά του.
Πράγματι, η ομάδα του Fermi ανέλυσε περισσότερα από 4 εκατομμύρια υψηλής
ενέργειας ηλεκτρόνια με το τηλεσκόπιο κατά τη διάρκεια
έξι περίπου μηνών για να καταλήξουν στο αποτέλεσμα τους, συλλέγοντας
εκατοντάδες φορές περισσότερα δεδομένα σε αυτές τις ενέργειες από
οποιαδήποτε προηγούμενη μέτρηση. "Σχεδόν δεν έχουμε στατιστικά λάθη,"
ανέφερε ο Moiseev.
Όμως το ATIC έχει καλύτερο ανιχνευτή (calorimeter) οπότε συλλαμβάνει όλα τα σωματίδια που
παράγονται δευτερογενώς, λέει ο επικεφαλής της ομάδας ATIC John
Wefel από το πανεπιστήμιο της Λουϊζάνας. Υπάρχει
λοιπόν μια μεγαλύτερη αβεβαιότητα στην μέτρηση της ενέργειας των εισερχόμενων
σωματιδίων στο Fermi, που θα μπορούσαν να αμβλύνουν τις ενδεχόμενες
απότομες
αιχμές, όπως αυτή που είδε το ATIC.
"Ο λόγος που δεν βλέπουμε απότομες κορυφές στο Fermi είναι γιατί έχει πολύ
φτωχότερη ανάλυση της ενέργειας στην πράξη", εξηγεί ο Wefel. Και προσθέτει ότι
η ομάδα του έχει αναλύσει τα στοιχεία από ένα τρίτο μπαλόνι, μετά την αρχική
ανακοίνωση του ATIC το Νοέμβριο και βρίσκουμε την ίδια απότομη κορυφή όπως
και πριν.
Η ομάδα Fermi αναγνωρίζει ότι έχει λεπτότερο όργανο μέτρησης
της ενέργειας, αλλά υποστηρίζει ότι ο
ανιχνευτής τους είναι καλύτερος - μπορεί να
ανιχνεύσει την διαδρομή του εισερχόμενου σωματιδίου,
για παράδειγμα - κάτι που δεν έχει το ATIC. Εκτελεί επίσης
λεπτομερείς αλγορίθμους στον υπολογιστή που δείχνουν ότι η ενέργεια
ανάλυσης του,
είναι αρκετά ισχυρή έτσι ώστε να είναι σε θέση να δουν μια κορυφή στην
ενέργεια των ηλεκτρονίων.
Ο
Gregory Tarle, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν, που δεν έχει σχέση
με καμιά ομάδα, συμφωνεί με την ομάδα του Fermi. Το αποτέλεσμα που είδε το ATIC ήταν
μάλλον ένα αποτέλεσμα που οφείλεται στο όργανο που δεν είχε
αντισταθμιστεί, πιστεύει.
Και τα δύο πειράματα έχουν να παλέψουν με την ίδια βασική πρόκληση, εξηγεί
ο Tarle - την διάκριση μεταξύ των ηλεκτρονίων και των πολύ πιο πολλών
πρωτονίων που περνούν από τους ανιχνευτές από το διάστημα. Επειδή κανένα πείραμα
δεν χρησιμοποιεί μαγνητικό πεδίο που θα μπορούσε να διαχωρίσει τα δύο είδη
σωματιδίων, οι ομάδες πρέπει να προσπαθήσουν να κάνουν την διάκριση με την ανάλυση των χαρακτηριστικών των σωματιδίων
στους
ανιχνευτές τους.
Μάλιστα το όργανο του Fermi είναι καλύτερα προσαρμοσμένο για την
ανάλυση από ό,τι του ATIC. Είναι κατασκευασμένο από άτομα που έχουν υψηλότερο
αριθμό πρωτονίων, και τα οποία δεν αλληλεπιδρούν άμεσα με πρωτόνια που
προέρχονται από το διάστημα. Και τελικά αυτό προκαλεί μια "μικρότερη μόλυνση
των δεδομένων" των ηλεκτρονίων.
Σκοτεινή ύλη
Επομένως, αν η ανίχνευση του ATIC δεν είναι πραγματική, τι σημαίνει
άραγε για την
σκοτεινή ύλη;
Ο Tarle πιστεύει πως αυτό σημαίνει ότι οι ανιχνευτές
υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων, όπως το Fermi και το ATIC, δεν παρουσιάζουν κανένα στοιχείο για την σκοτεινή ύλη.
"Δεν υπάρχει τίποτα στα δεδομένα που θα μπορούσαν να δείχνουν μια νέα φυσική",
λέει.
Αλλά άλλοι ερευνητές λένε ότι τα δεδομένα του Fermi δείχνουν πως μπορεί να
είναι ένα ανεπαίσθητο σημάδι σκοτεινής ύλης. Αν εξεταστούν τα
δεδομένα με τον πιο συντηρητικό τρόπο, τα μέλη της ομάδας του Fermi δεν
βλέπουν αυτή την πιθανή υπογραφή - και εξηγούν ότι το φάσμα της ενέργειας
των ηλεκτρονίων που μετρούν είναι ομαλό, χωρίς απότομες μεταβολές που να μπορεί να
υποδεικνύουν «έξτρα» ηλεκτρόνια.
Αν δεν είναι τόσο συντηρητικοί, ωστόσο, τα μέλη της ομάδας Fermi λένε
πως βλέπουν ένα μικρό μπουμ στον αριθμό των ηλεκτρονίων σε υψηλότερες
ενέργειες - αν και όχι τόσο δραματικό όπως του ATIC.
Αυτό το απαλό μπουμ, ισχυρίζονται, μπορεί να οφείλεται σε μια μικρή θεωρητική
υποτίμηση του αριθμού των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας που παράγονται σε
αντικείμενα όπως τα πάλσαρ - μια ιδέα που ο Tarle ευνοεί.
"Η πιο πιθανή εξήγηση για το πλεόνασμα των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας
που είδε το Fermi είναι ότι οι θεωρητικές εκτιμήσεις είναι λάθος", λέει ο Tarle. "Δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι αυτές οι θεωρητικές προβλέψεις
με βάση τα δεδομένα χαμηλής ενέργειας είναι έγκυρα και για το καθεστώς της υψηλής
ενέργειας στο Fermi."
"Δύσκολο να ταιριάξουν"
Εναλλακτικά, η μικρή αύξηση θα μπορούσε να οφείλεται σε μία ή περισσότερες κοντινές πηγές
ενεργητικών ηλεκτρονίων. Οι πηγές πιστεύεται ότι
είναι τριγύρω, επειδή τα υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνια χάνουν
την ενέργεια τους όταν ταξιδεύουν μέσα στο χώρο, ώστε να καταλήξουνε στις
ενέργειες που το Fermi εντοπίζει. Αυτές λοιπόν θα πρέπει να προέρχονται
από κάπου,
περίπου, 3000 έτη φωτός από τη Γη.
Οι κοντινές πηγές θα μπορούσε να είναι πάλσαρ, αλλά δεν
"αποκλείεται και η σκοτεινή ύλη", ως πιθανή πηγή λέει ο Moiseev.
Ο
Finkbeiner συμφωνεί. Πέρυσι, ο ίδιος και οι συνάδελφοί του κατέληξαν σε ένα νέο
μοντέλο της σκοτεινής ύλης που θα μπορούσε να αντιπροσωπεύουν τα σήματα τόσο
του ανιχνευτή PAMELA όσο και του ATIC.
Ο Finkbeiner πιστεύει δε ότι η εξαΰλωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης
και η παραγωγή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας είναι
πιθανή", λέει.
"Ήταν πάντα λίγο δύσκολο να ταιριάξουν τα δεδομένα του ATIC", λέει, εξηγώντας
ότι μια τέτοια απότομη άνοδος υπαινίσσεται ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να
εξαϋλώνεται κατευθεία σε ηλεκτρόνια - μια διαδικασία που θεωρητικά
απαγορεύεται.
"Λιγότερες πληροφορίες"
Το μοντέλο της σκοτεινής ύλης του
Finkbeiner όπως και άλλα μοντέλα υποστηρίζουν ότι αντί να εξαϋλώνονται τα
σωματίδια της
σκοτεινής ύλης δημιουργούν ενδιάμεσα σωματίδια - όπως πιόνια -
πριν από την παραγωγή των ηλεκτρονίων.
Τα σωματίδια του μοντέλου του είναι εύκολο να δημιουργήσουν
ένα ομαλό χαρακτηριστικό, όπως εκείνο του Fermi που βλέπουμε, λέει,
προσθέτοντας ότι το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόνια που παράγονται σε αστροφυσικές πηγές, όπως
τα πάλσαρ.
"Δεν είναι πιθανόν να μάθουμε
πολλά για την σκοτεινή ύλη από το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων του Fermi, βασικά,
έχουμε λιγότερες πληροφορίες από ό,τι είχαμε στο παρελθόν."
"Πριν από τα αποτελέσματα των ATIC και PAMELA, τα αναμενόμενα σήματα για την
εξαΰλωση των σωματιδίων WIMP της σκοτεινής ύλης, ήταν πολύ
μικρότερα, οπότε η αποτυχία να βρούμε ένα σήμα με τον δορυφόρο Fermi με κανέναν τρόπο δεν
αποκλείει την εξαύλωση των συμβατικών WIMP", πιστεύει ο
Finkbeiner.
"Φυσικά, σε κάθε περίπτωση θα μπορούσε να μην υπάρξει μήνυμα: η σκοτεινή ύλη θα
μπορεί να κάθεται εκεί και να έλκεται βαρυτικά και να μην κάνει τίποτα άλλο απολύτως",
προσθέτει. "Είναι το πιο βαρετό σενάριο: δεν μπορούμε ποτέ
να μάθουμε τι είδους σωματίδια είναι."
Η ομάδα
Fermi ελπίζει να ρίξει φως στο ζήτημα αυτό συνεχίζοντας να συλλέγει
δεδομένα ηλεκτρονίων από ολόκληρο τον ουρανό. Είναι δύσκολο να εντοπισθεί η
πηγή των ηλεκτρονίων που πέφτουν στον ανιχνευτή, διότι τα φορτισμένα
σωματίδια εκτρέπονται από τα μαγνητικά πεδία στο χώρο. Αλλά αν ο Fermi
ανιχνεύσει ακόμη και μια μικρή υπέρβαση των ηλεκτρονίων σε μια περιοχή του
ουρανού, ίσως αυτό να δείχνει την πηγή τους, δηλώνει ο Moiseev.
Ο δορυφόρος
Fermi κυνηγά επίσης πιθανές ενδείξεις για σκοτεινή ύλη από την κατανομή
των φωτονίων ακτίνων-γ στον ουρανό. Οι ακτίνες γάμμα πιστεύουμε πως αράγονται από
την εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης και σε αντίθεση με τα
ηλεκτρόνια, δεν επηρεάζονται από ενδιάμεσα μαγνητικά πεδία.
Κάποια μελλοντικά πειράματα μπορούν επίσης να μας δώσουν μια διασταύρωση των
στοιχείων και των δύο, ATIC και Fermi. Το ένα πείραμα, που ονομάζεται Alpha Magnetic Spectrometer,
μπορεί να πετάξει προς το Διεθνή Διαστημικό Σταθμό πριν αυτός
κλείσει το 2010. Χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο
για να ξεχωρίσει τα φορτισμένα σωματίδια και έχει ένα ανιχνευτή ενέργειας
(calorimeter) λίγο πιο χοντρό
από το Fermi.
|
