Αναζητώντας απεγνωσμένα τη σκοτεινή ύλη:η αναζήτηση για το 95 τοις εκατό του Σύμπαντος
Κανείς δεν ξέρει πόσο μεγάλο είναι το Σύμπαν, αλλά σίγουρα υπάρχουν δισεκατομμύρια γαλαξίες εκεί έξω, πολλοί από τους οποίους περιέχουν ένα τρισεκατομμύριο αστέρια. Είναι πάρα πολλά πράγματα, χωρίς καν να πάρουμε όλο το αέριο, τη σκόνη, τους πλανήτες και διάφορα ενδιαφέροντα συντρίμμια του διαστήματος. Ωστόσο, οι αστρονόμοι μας λένε ότι υπάρχει περίπου πέντε φορές περισσότερη ύλη εκεί έξω που απλά δεν μπορούμε να ανιχνεύσουμε.
Αυτό το υλικό που λείπει έχει το παραπλανητικό όνομα «σκοτεινή ύλη», καθώς ο πρώτος άνθρωπος που διατύπωσε τη θεωρία για την ύπαρξή της, ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky, το ονόμασε «dunkle Materie» στα γερμανικά. Παραδόξως, ένα πράγμα που η σκοτεινή ύλη δεν είναι είναι σκοτεινό. Ένα σκουρόχρωμο αντικείμενο απορροφά το μεγαλύτερο μέρος του φωτός που το χτυπά – αλλά η σκοτεινή ύλη φαίνεται να είναι εντελώς διαφανής. Λέω «εμφανίζεται», καθώς έχουμε βρει οποιαδήποτε σκοτεινή ύλη:η ύπαρξή της συνάγεται από τη συμπεριφορά της συνηθισμένης ύλης υπό τη βαρυτική της επίδραση.
Ένα αποτέλεσμα της σκοτεινής ύλης είναι να εμποδίζει τους γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών να διαχωρίζονται. Περιστρέψτε κάτι αρκετά γρήγορα ώστε η φυγόκεντρος δύναμη να είναι μεγαλύτερη από τις δυνάμεις που το συγκρατούν ενωμένο, και ξεφεύγει. Μπορείτε να δείτε αυτό να συμβαίνει σε πολλούς ερασιτεχνικούς τροχούς αγγειοπλάστη. Οι γαλαξίες επίσης δεν θα πρέπει να μπορούν να μείνουν μαζί με την ταχύτητα που περιστρέφονται. Είναι σαν να υπάρχει περισσότερη ύλη που δεν μπορούμε να δούμε, κρατώντας τα μαζί. Ομοίως, γνωρίζουμε από τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν ότι οι γαλαξίες παραμορφώνουν το διάστημα αρκετά ώστε να λειτουργήσουν ως φακοί, λυγίζοντας το φως που τους περνάει – και το αποτέλεσμα είναι μεγαλύτερο από αυτό που υπολογίζεται από το ορατό υλικό.
Διαβάστε περισσότερα για τη σκοτεινή ύλη:
- Θα μπορούσε η «σκοτεινή ύλη» να είναι απλώς νεκρά αστέρια και πλανήτες που επιπλέουν στα βάθη του διαστήματος;
- Κάτι δεν πάει καλά με τη βαρύτητα
Αν και ο Zwicky πρότεινε για πρώτη φορά την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης στη δεκαετία του 1930, μόλις σαράντα χρόνια αργότερα, όταν η Αμερικανίδα αστρονόμος Vera Rubin δημοσίευσε δεδομένα για τη γαλαξιακή περιστροφή, η ιδέα ελήφθη σοβαρά υπόψη. Αν κάτι στερεό όπως ένα CD περιστρέφεται, τα μέρη του CD που είναι πιο κοντά στην άκρη ταξιδεύουν γρηγορότερα από αυτά που βρίσκονται κοντά στη μέση – πρέπει να το κάνουν, γιατί πρέπει να προχωρήσουν περισσότερο την ίδια στιγμή.
Αλλά ένας γαλαξίας συνδέεται χαλαρά μόνο με τη βαρύτητα και η προσδοκία ήταν ότι, όταν βγαίνετε από το κέντρο, η ταχύτητα περιστροφής θα εκτοξευόταν στο μέγιστο, και στη συνέχεια θα φύγει η ουρά. Η Ρούμπιν, σε συνεργασία με τον Κεντ Φορντ, έδειξε ότι στους γαλαξίες που παρατήρησε, τα αστέρια κοντά στην άκρη κινούνταν με παρόμοιες ταχύτητες με εκείνες κοντά στη μέση. Ο πιο προφανής λόγος για αυτό ήταν εάν πολλή ύλη κατανεμήθηκε σφαιρικά γύρω από το εξωτερικό του γαλαξία σε αυτό που είναι γνωστό ως φωτοστέφανο.
Φαντάζομαι ότι κέρδισε ένα αντίγραφο του βιβλίου με παζλ του Μπράιαν Κλεγκ Αίνιγμα (£8,99, Icon Books); Έχουμε πέντε αντίτυπα να δώσουμε. Διαβάστε αυτό το άρθρο και μετά λάβετε μέρος στον διαγωνισμό.
Αρχικά θεωρήθηκε ότι η σκοτεινή ύλη θα ήταν τα λεγόμενα MACHO (Μαζικά Συμπαγή Αντικείμενα Halo) – η συνηθισμένη ύλη δεν είναι αρκετά φωτεινή για να τη δει κανείς. Αλλά δεν υπάρχουν καλά στοιχεία για αυτό και η συνηθισμένη ύλη δεν αναμένεται να σχηματίσει φωτοστέφανα.
Όποια και αν ήταν η σκοτεινή ύλη, ήταν πιθανό να επηρεαστεί από τη βαρύτητα αλλά όχι η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που σημαίνει ότι δεν θα επηρεαζόταν από το φως ή τη συνήθη αλληλεπίδραση ύλης-ύλης που μας επιτρέπει, για παράδειγμα, να καθόμαστε σε μια καρέκλα. Αυτό ταίριαζε καλύτερα με μια αντίπαλη ιδέα με τα MACHO, τα σωματίδια που ονομάζονται WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Αλλά τι ακριβώς θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη;
Ένας υποψήφιος είχε ήδη ανακαλυφθεί – το νετρίνο, ένα σωματίδιο που εκπέμπεται σε τεράστιες ποσότητες από πυρηνικές αντιδράσεις. Τα νετρίνα δεν αλληλεπιδρούν σχεδόν ποτέ με την ύλη – δεκάδες τρισεκατομμύρια από τον Ήλιο περνούν από μέσα σας κάθε δευτερόλεπτο χωρίς κανένα αποτέλεσμα. Τα νετρίνα έχουν μόνο μια μικροσκοπική μάζα, αλλά αρκετά από αυτά θα μπορούσαν να παράγουν τα αποτελέσματα της σκοτεινής ύλης.
Ωστόσο, τα νετρίνα έλαβαν έκπτωση καθώς κινούνται πολύ γρήγορα για να συλληφθούν εύκολα από την ασθενή δύναμη της βαρύτητας. Οι παρατηρήσεις της πρώιμης δομής του Σύμπαντος από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων επιβεβαιώνουν ότι η σκοτεινή ύλη που φαίνεται να εμπλέκεται στο σχηματισμό γαλαξιών δεν ταξίδευε με ταχύτητες που μοιάζουν με νετρίνο.
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τη σωματιδιακή φυσική:
- Οι ανιχνευτές σωματιδίων που διερευνούν το Σύμπαν
- James Clerk Maxwell:ο μεγάλος επιστήμονας με βαθιά επίδραση στη σύγχρονη φυσική
Αν και έχουν μάζα, τα νετρίνα δεν είναι ιδανικά ως WIMP, τα οποία οι θεωρητικοί πιστεύουν ότι θα είχαν σημαντικά υψηλότερες μάζες. Αυτό πρότεινε ένα σωματίδιο έξω από το τυπικό μας μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής. Ένας πιθανός υποψήφιος προέκυψε από την υπερσυμμετρία. Τα σωματίδια στα σωματίδια του τυπικού μοντέλου χωρίζονται σε δύο κατηγορίες - φερμιόνια, τα οποία είναι ουσιαστικά σωματίδια ύλης όπως κουάρκ και ηλεκτρόνια, και μποζόνια, που είναι φορείς δύναμης, όπως το φωτόνιο. Πολλές παραλλαγές της θεωρίας χορδών, μια από τις προτάσεις συνδυασμού της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής θεωρίας, υποδηλώνουν ότι κάθε σωματίδιο έχει ένα «υπερσυμμετρικό» σωματίδιο αντίθετου τύπου.
Η ελαφρύτερη κατηγορία υπερσυμμετρικών σωματιδίων, τα ουδέτερα, έχουν προταθεί ως πιθανοί υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη. Δυστυχώς, τέτοια σωματίδια θα πρέπει να είναι αρκετά ελαφριά ώστε να παράγονται από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN, ωστόσο δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ ούτε ένα υπερσυμμετρικό σωματίδιο, θέτοντας υπό αμφισβήτηση ολόκληρη την έννοια της υπερσυμμετρίας. Ούτε υπάρχουν στοιχεία για τέτοια σωματίδια στη φύση από πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης.
Με τις υπερσυμμετρικές επιλογές να φαίνονται απίθανες, ένας άλλος υποψήφιος είναι το axion. Αυτό το υποθετικό σωματίδιο ακούγεται σαν προϊόν πλύσης για καλό λόγο – πήρε το όνομά του από ένα απορρυπαντικό πλυντηρίου πιάτων. Είναι ένα σωματίδιο που ονειρευτήκαμε για να εξηγήσει ένα παράξενο στην κβαντική φυσική. Το άξιον θα είχε εξαιρετικά χαμηλή μάζα (λιγότερο από ένα νετρίνο), αλλά όπως το νετρίνο θα αναμενόταν να κινηθεί πολύ γρήγορα για να δράσει ως σκοτεινή ύλη – και κανένα τέτοιο σωματίδιο δεν έχει ανιχνευθεί ποτέ.
Ορισμένοι φυσικοί, κυρίως η Lisa Randall, προτείνουν αυτό αναζητώντας το a σωματίδιο της σκοτεινής ύλης είμαστε «σοβινιστές της σκοτεινής ύλης.» Ο Randall επισημαίνει ότι το τυπικό μας μοντέλο περιλαμβάνει 17 τύπους σωματιδίων – γιατί, λοιπόν, η σκοτεινή ύλη να αποτελείται από έναν μόνο τύπο σωματιδίου; Θα μπορούσαμε να οραματιστούμε ένα αόρατο παράλληλο Σύμπαν της σκοτεινής ύλης, στο οποίο το «σκοτεινό φως» λάμπει από σκοτεινούς ήλιους σε σκοτεινούς πλανήτες που καταλαμβάνονται από σκοτεινά όντα. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι απίθανο, καθώς η σκοτεινή ύλη φαίνεται να μην αλληλεπιδρά με τον εαυτό της παρά μόνο βαρυτικά, αλλά είναι διασκεδαστική εικασία.
Καθώς συνεχίζουμε να αποτυγχάνουμε να βρούμε καμία άμεση απόδειξη της σκοτεινής ύλης, μια άλλη επιλογή κερδίζει έδαφος - ότι δεν υπάρχει καθόλου. Υπάρχουν πολλές θεωρίες που συλλέγονται κάτω από το έμβλημα της «τροποποιημένης βαρύτητας». Η ιδέα είναι ότι, ενώ η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν είναι πολύ αποτελεσματική, χρειάζεται τροποποιήσεις για να αντιμετωπίσει μεγάλες συλλογές ύλης όπως οι γαλαξίες. Το αποτέλεσμα θα ήταν η παρατηρούμενη συμπεριφορά χωρίς να απαιτείται επιπλέον ύλη.
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με τη σκοτεινή ενέργεια:
- Σκοτεινή ενέργεια κρύβεται στο Σύμπαν μας – εδώ θα τη βρούμε
- Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια;
Η τροποποιημένη βαρύτητα είναι ελκυστικά απλή, αλλά πολλοί επιστήμονες απορρίπτουν τη βασική της μορφή, τη MOND (Τροποποιημένη Νευτώνεια Βαρύτητα), επειδή υπάρχουν σαφή παραδείγματα γαλαξιακών δομών, συμπεριλαμβανομένου του Bullet Cluster, που είναι δύσκολο να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας.
Ωστόσο, εξίσου, η σκοτεινή ύλη αποτυγχάνει να εξηγήσει τον τρόπο με τον οποίο περιστρέφονται πολλοί γαλαξίες. Και οι δύο θεωρίες θα χρειάζονταν κάποιες τροποποιήσεις για να αντιμετωπίσουν κάθε παράδειγμα, και οι παραλλαγές της τροποποιημένης βαρύτητας φαίνονται αρκετά υποσχόμενες. Εναλλακτικά, έχει προταθεί μια υβριδική προσέγγιση όπου η σκοτεινή ύλη είναι ένα υπερρευστό που παρέχει διαφορετική συμπεριφορά στην κλίμακα μεμονωμένων αστέρων και γαλαξιών – αν και αυτή η προσέγγιση χρειάζεται πολύ περισσότερες λεπτομέρειες για να είναι ισχυρή.
Είναι επίσης σημαντικό να εξετάσουμε μια τελευταία πιθανότητα - ότι δεν υπήρξε ποτέ ανάγκη για σκοτεινή ύλη εξαρχής. Ο μαθηματικός Donald Saari προτείνει ότι τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της περιστροφικής συμπεριφοράς των γαλαξιών είναι λάθος. Ένας γαλαξίας περιλαμβάνει βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ δισεκατομμυρίων αστέρων. Ο Saari προτείνει ότι οι υπολογισμοί που προβλέπουν τη σκοτεινή ύλη περιλάμβαναν υπερβολική προσέγγιση και δεν ταιριάζουν σωστά με την πραγματικότητα, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να μην απαιτείται επιπλέον ύλη.
Η αναζήτηση συνεχίζεται. Οι ανιχνευτές επόμενης γενιάς κατασκευάζονται, με αρκετούς να κυκλοφορούν στο διαδίκτυο στις αρχές της δεκαετίας του 2020. Ωστόσο, παρά τις τεράστιες προσπάθειες, η έρευνα δεν έχει δώσει μέχρι στιγμής τίποτα συγκεκριμένο. Όπως επεσήμανε με θλίψη η Vera Rubin το 2001, είχε προβλέψει το 1980 ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα παρατηρούνταν άμεσα μέσα σε δέκα χρόνια, αλλά ακόμα δεν είχαν δει. Και πάλι, το 2000, ο Βασιλικός αστρονόμος Μάρτιν Ρις έκανε μια παρόμοια δεκαετή πρόβλεψη. Το χρονοδιάγραμμά του είναι επίσης πολύ παρελθόν.
Δεν μπορούμε να είμαστε σίγουροι αν θα ανακαλυφθεί ποτέ η σκοτεινή ύλη. Αλλά αυτό το προκλητικό μυστήριο είναι ένας από τους λόγους που η επιστήμη είναι τόσο συναρπαστική. Υπάρχουν ακόμη πολλά να ανακαλύψετε – και η αιτία του φαινομένου της σκοτεινής ύλης βρίσκεται ψηλά στη λίστα.
Dark Matter and Dark Energy:The Hidden 95% του Σύμπαντος από τον Brian Clegg (£8,99, Icon Books) κυκλοφορεί τώρα.
Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard
