Η συζήτηση εντείνεται για τη θεωρία του σκοτεινού δίσκου
Το 1932, ο Ολλανδός αστρονόμος Jan Oort μέτρησε τα αστέρια στον Γαλαξία και διαπίστωσε ότι ήταν κοντοί. Κρίνοντας από τον τρόπο που τα αστέρια αναπηδούν πάνω-κάτω σαν άλογα σε καρουζέλ καθώς περιφέρονται στο επίπεδο του γαλαξία, ο Oort υπολόγισε ότι θα έπρεπε να υπάρχει διπλάσια ύλη που τα ωθεί βαρυτικά από ό,τι μπορούσε να δει. Υπέθεσε την παρουσία της κρυμμένης «σκοτεινής ύλης» για να κάνει τη διαφορά και υπέθεσε ότι πρέπει να συγκεντρωθεί σε έναν δίσκο για να εξηγήσει τις κινήσεις των αστεριών.
Αλλά τα εύσημα για την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης - το αόρατο, αγνώστων στοιχείων που περιλαμβάνει τα πέντε έκτα της μάζας του σύμπαντος - συνήθως ανήκει στον Ελβετοαμερικανό αστρονόμο Fritz Zwicky, ο οποίος συνήγαγε την ύπαρξή της από τις σχετικές κινήσεις των γαλαξιών το 1933. Ο Oort είναι πέρασε με το σκεπτικό ότι είχε ψεύτικη ένδειξη. Έως το 2000, οι ενημερωμένες απογραφές τύπου Oort του Γαλαξία μας καθόρισαν ότι η «χαμένη» μάζα του αποτελείται από αμυδρά αστέρια, αέρια και σκόνη, χωρίς να χρειάζεται σκοτεινός δίσκος. Ογδόντα χρόνια υπαινιγμών υποδηλώνουν ότι η σκοτεινή ύλη, όποια κι αν είναι, σχηματίζει σφαιρικά σύννεφα που ονομάζονται «φωτοστέφανα» γύρω από τους γαλαξίες.
Ή έτσι το έχουν οι περισσότεροι κυνηγοί της σκοτεινής ύλης. Αν και έπεσε σε δυσμένεια, η ιδέα του σκοτεινού δίσκου δεν εξαφανίστηκε ποτέ εντελώς. Και πρόσφατα, βρήκε μια πρωταθλήτρια υψηλού προφίλ στη Λίζα Ράνταλ, καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, η οποία έσωσε τον δίσκο από την επιστημονική λήθη και του έδωσε ενεργό ρόλο στη γαλαξιακή σκηνή.
Από τότε που πρότειναν το μοντέλο το 2013, η Randall και οι συνεργάτες της υποστήριξαν ότι ένας σκοτεινός δίσκος μπορεί να εξηγήσει τις ακτίνες γάμμα που προέρχονται από το γαλαξιακό κέντρο, την επίπεδη κατανομή των νάνων γαλαξιών που περιφέρονται γύρω από τον γαλαξία της Ανδρομέδας και τον Γαλαξία μας, ακόμη και περιοδικές ανοδικές κρούσεις κομητών και μαζικές εξαφανίσεις στη Γη, που συζητήθηκαν στο δημοφιλές επιστημονικό βιβλίο του Randall το 2015, Dark Matter and the Dinosaurs .
Αλλά οι αστροφυσικοί που κάνουν απογραφές του Γαλαξία έχουν διαμαρτυρηθεί, υποστηρίζοντας ότι η συνολική μάζα του γαλαξία και οι κινήσεις των αστεριών του ταιριάζουν πολύ καλά ώστε να αφήνουν χώρο για έναν σκοτεινό δίσκο. "Είναι πιο περιορισμένο από ό, τι προσποιείται η Lisa Randall", δήλωσε ο Jo Bovy, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο.
Τώρα, ο Randall, ο οποίος έχει επινοήσει σημαντικές ιδέες για πολλά από τα μεγαλύτερα ερωτήματα στη θεμελιώδη φυσική, αντεπιτίθεται. Σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο την περασμένη εβδομάδα και έγινε αποδεκτό για δημοσίευση στο The Astrophysical Journal , η Randall και ο μαθητής της, Eric Kramer, αναφέρουν ένα κενό σε σχήμα δίσκου στην ανάλυση του Milky Way:«Υπάρχει μια σημαντική λεπτομέρεια που μέχρι στιγμής έχει παραβλεφθεί», γράφουν. "Ο δίσκος μπορεί πραγματικά να κάνει χώρο για τον εαυτό του."
Εάν υπάρχει ένας λεπτός σκοτεινός δίσκος που διατρέχει το «μεσαίο επίπεδο» του γαλαξία, υποστηρίζουν οι Randall και Kramer, τότε θα τσιμπήσει βαρυτικά άλλη ύλη προς τα μέσα, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη πυκνότητα αστεριών, αερίων και σκόνης στο μεσαίο επίπεδο από ότι πάνω και κάτω. Οι ερευνητές συνήθως υπολογίζουν τη συνολική ορατή μάζα του Γαλαξία με παρέκταση προς τα έξω από την πυκνότητα του μέσου επιπέδου. εάν υπάρχει ένα φαινόμενο τσιμπήματος, τότε αυτή η παρέκταση οδηγεί σε υπερεκτίμηση της ορατής μάζας, κάνοντάς το να φαίνεται σαν η μάζα να ταιριάζει με τις κινήσεις των αστεριών. «Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλές από αυτές τις προηγούμενες μελέτες δεν είδαν στοιχεία για σκοτεινό δίσκο», είπε ο Kramer. Αυτός και ο Ράνταλ βρίσκουν ότι ένας λεπτός σκοτεινός δίσκος είναι δυνατός — και με έναν τρόπο επανάληψης της ανάλυσης, ευνοείται ελαφρώς έναντι του μη σκούρου δίσκου.
«Η δουλειά της Lisa άνοιξε ξανά την υπόθεση», είπε ο Chris Flynn του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Swinburne στη Μελβούρνη της Αυστραλίας, ο οποίος, μαζί με τον Johan Holmberg, διεξήγαγαν μια σειρά απογραφών του Milky Way στις πρώτες αρχές που έμοιαζαν να τον καθαρίζουν σθεναρά από έναν σκοτεινό δίσκο. .
Ο Μπόβι διαφωνεί. Ακόμη και λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο του τσιμπήματος, εκτιμά ότι το πολύ 2 τοις εκατό της συνολικής ποσότητας σκοτεινής ύλης μπορεί να βρίσκεται σε έναν σκοτεινό δίσκο, ενώ το υπόλοιπο πρέπει να σχηματίζει ένα φωτοστέφανο. «Νομίζω ότι οι περισσότεροι άνθρωποι θέλουν να καταλάβουν τι αφορά το 98 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης, όχι το 2 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης», είπε.
Η συζήτηση - και η μοίρα του σκοτεινού δίσκου - πιθανότατα θα αποφασιστεί σύντομα. Ο δορυφόρος Gaia της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας ερευνά επί του παρόντος τις θέσεις και τις ταχύτητες ενός δισεκατομμυρίου αστεριών και η οριστική απογραφή του Γαλαξία θα μπορούσε να ολοκληρωθεί το επόμενο καλοκαίρι.
Η ανακάλυψη ενός σκούρου δίσκου, οποιουδήποτε μεγέθους, θα ήταν εξαιρετικά αποκαλυπτική. Αν υπάρχει, η σκοτεινή ύλη είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι πίστευαν οι ερευνητές εδώ και καιρό. Η ύλη καθιζάνει σε σχήμα δίσκου μόνο εάν είναι σε θέση να αποβάλει ενέργεια και ο ευκολότερος τρόπος για να αποβάλει αρκετή ενέργεια είναι αν σχηματίσει άτομα. Η ύπαρξη σκοτεινών ατόμων θα σήμαινε σκοτεινά πρωτόνια και σκοτεινά ηλεκτρόνια που φορτίζονται με παρόμοιο στυλ όπως τα ορατά πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια, αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους μέσω μιας σκοτεινής δύναμης που μεταφέρεται από τα σκοτεινά φωτόνια. Ακόμα κι αν το 98 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης είναι αδρανές και σχηματίζει φωτοστέφανα, η ύπαρξη έστω και ενός λεπτού σκοτεινού δίσκου θα συνεπαγόταν έναν πλούσιο «σκοτεινό τομέα» άγνωστων σωματιδίων τόσο διαφορετικών, ίσως, όσο το ορατό σύμπαν. «Η κανονική ύλη είναι αρκετά περίπλοκη. υπάρχουν πράγματα που παίζουν ρόλο στα άτομα και υπάρχουν πράγματα που δεν παίζουν», είπε ο Τζέιμς Μπούλοκ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ίρβιν. "Επομένως, δεν είναι τρελό να φανταστούμε ότι τα άλλα πέντε έκτα [της ύλης στο σύμπαν] είναι αρκετά περίπλοκα και ότι υπάρχει κάποιο κομμάτι αυτού του σκοτεινού τομέα που τυλίγει σε δεσμευμένα άτομα."
Η ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι πολύπλοκη έχει κερδίσει έλξη τα τελευταία χρόνια, υποβοηθούμενη από αστροφυσικές ανωμαλίες που δεν συνδυάζονται με το μακροχρόνιο προφίλ της σκοτεινής ύλης ως παθητικά, υποτονικά «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια». Αυτές οι ανωμαλίες, καθώς και η αποτυχία των "WIMPs" να εμφανιστούν σε εξαντλητικές πειραματικές αναζητήσεις σε όλο τον κόσμο, έχουν αποδυναμώσει το παράδειγμα WIMP και έχουν εγκαινιάσει μια νέα, ελεύθερη για όλους εποχή, στην οποία η φύση του σκοτεινού θηρίου είναι κανείς εικάζεται.
Το πεδίο άρχισε να ανοίγει γύρω στο 2008, όταν ένα πείραμα που ονομάζεται PAMELA ανίχνευσε περίσσεια ποζιτρονίων σε σχέση με ηλεκτρόνια που προέρχονται από το διάστημα - μια ασυμμετρία που τροφοδότησε το ενδιαφέρον για την «ασύμμετρη σκοτεινή ύλη», ένα δημοφιλές πλέον μοντέλο που προτάθηκε από την Κάθριν Ζούρεκ και τους συνεργάτες της. Εκείνη την εποχή, υπήρχαν λίγες ιδέες εκτός από τα WIMP στο παιχνίδι. «Υπήρχαν κατασκευαστές μοντέλων σαν εμένα που συνειδητοποίησαν ότι η σκοτεινή ύλη ήταν απλώς εξαιρετικά υπανάπτυκτη προς αυτή την κατεύθυνση», είπε ο Zurek, τώρα του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στην Καλιφόρνια. "Έτσι μπήκαμε μέσα."
Ένα άλλο έναυσμα ήταν η πυκνότητα των νάνων γαλαξιών. Όταν οι ερευνητές προσπαθούν να προσομοιώσουν τον σχηματισμό τους, οι νάνοι γαλαξίες συνήθως εμφανίζονται πολύ πυκνοί στα κέντρα τους, εκτός εάν οι ερευνητές υποθέσουν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω σκοτεινών δυνάμεων. Ωστόσο, προσθέστε πάρα πολλή διαδραστικότητα και θα καταργήσετε τις προσομοιώσεις του σχηματισμού δομών στο πρώιμο σύμπαν. «Αυτό που προσπαθούμε να κάνουμε είναι να καταλάβουμε τι επιτρέπεται», είπε ο Bullock, ο οποίος κατασκευάζει τέτοιες προσομοιώσεις. Οι περισσότεροι μοντελιστές προσθέτουν αδύναμες αλληλεπιδράσεις που δεν επηρεάζουν το σχήμα του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης. Αλλά «υπέροχα», είπε ο Bullock, «υπάρχει μια κατηγορία σκοτεινής ύλης που επιτρέπει δίσκους». Σε αυτήν την περίπτωση, μόνο ένα μικρό κλάσμα σωματιδίων σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν, αλλά το κάνουν αρκετά ισχυρά ώστε να διαχέουν ενέργεια — και στη συνέχεια να σχηματίζουν δίσκους.
Η Randall και οι συνεργάτες της JiJi Fan, Andrey Katz και Matthew Reece έφτασαν σε αυτήν την ιδέα το 2013 από τον ίδιο δρόμο με τον Oort:Προσπαθούσαν να εξηγήσουν μια προφανή ανωμαλία του Γαλαξία. Γνωστή ως «γραμμή Fermi», ήταν μια περίσσεια ακτίνων γάμμα συγκεκριμένης συχνότητας που προέρχονταν από το γαλαξιακό κέντρο. «Η συνηθισμένη σκοτεινή ύλη δεν θα εκμηδενιζόταν αρκετά» για να δημιουργήσει τη γραμμή Fermi, είπε ο Randall, «έτσι σκεφτήκαμε, τι θα γινόταν αν ήταν πολύ πιο πυκνή;» Ο σκοτεινός δίσκος ξαναγεννήθηκε. Η γραμμή Fermi εξαφανίστηκε καθώς συσσωρεύονταν περισσότερα δεδομένα, αλλά η ιδέα του δίσκου φαινόταν ότι αξίζει να εξερευνηθεί ούτως ή άλλως. Το 2014, οι Randall και Reece υπέθεσαν ότι ο δίσκος μπορεί να ευθύνεται για πιθανά μεσοδιαστήματα 30 έως 35 εκατομμυρίων ετών μεταξύ της κλιμακούμενης δραστηριότητας μετεωριτών και κομητών, ένα στατιστικά αδύναμο σήμα ότι ορισμένοι επιστήμονες έχουν επιβεβαιώσει τις περιοδικές μαζικές εξαφανίσεις. Κάθε φορά που το ηλιακό σύστημα εκτινάσσεται πάνω ή κάτω μέσα από τον σκοτεινό δίσκο στο γαϊτανάκι του Γαλαξία, υποστήριξαν, η βαρυτική επίδραση του δίσκου μπορεί να αποσταθεροποιήσει τους βράχους και τους κομήτες στο σύννεφο Oort - ένα σκυρόδεμα στα περίχωρα του ηλιακού συστήματος που ονομάστηκε από τον Jan Oort. Αυτά τα αντικείμενα θα έτρεχαν προς το εσωτερικό ηλιακό σύστημα, μερικά εντυπωσιακά στη Γη.
Αλλά η Randall και η ομάδα της έκαναν μόνο μια πρόχειρη - και εσφαλμένη - ανάλυση του πόσο χώρο υπάρχει για έναν σκοτεινό δίσκο στον μαζικό προϋπολογισμό του Γαλαξία μας, κρίνοντας από τις κινήσεις των αστεριών. "Έκαναν κάποιου είδους εξωφρενικές αξιώσεις", είπε ο Bovy.
Η Randall, η οποία ξεχωρίζει (σύμφωνα με τη Reece) για την «επιμονή της», έβαλε τον Kramer στην υπόθεση, επιδιώκοντας να απευθυνθεί στους επικριτές και, είπε, «να ξεκαθαρίσει όλες τις ρυτίδες» στην ανάλυση πριν γίνουν διαθέσιμα τα δεδομένα της Gaia. Η νέα ανάλυση της ίδιας και του Kramer δείχνει ότι ο σκοτεινός δίσκος, εάν υπάρχει, δεν μπορεί να είναι τόσο πυκνός όσο αρχικά πίστευε ότι ήταν δυνατό η ομάδα της. Αλλά υπάρχει πράγματι χώρος για ένα λεπτό σκοτεινό δίσκο ακόμα, λόγω τόσο της επίδρασης του τσιμπήματος όσο και της πρόσθετης αβεβαιότητας που προκαλείται από μια καθαρή μετατόπιση στα αστέρια του Γαλαξία που έχουν παρακολουθηθεί μέχρι στιγμής.
Τώρα υπάρχει ένα νέο πρόβλημα, που τέθηκε στο The Astrophysical Journal από τον Chris McKee του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και τους συνεργάτες του. Ο McKee παραδέχεται ότι ένας λεπτός σκοτεινός δίσκος μπορεί ακόμα να συμπιεστεί στον μαζικό προϋπολογισμό του Milky Way. Αλλά ο δίσκος μπορεί να είναι τόσο λεπτός που θα κατέρρεε. Επικαλούμενοι έρευνες από τις δεκαετίες του 1960 και του 1970, ο McKee και οι συνεργάτες του υποστηρίζουν ότι οι δίσκοι δεν μπορούν να είναι σημαντικά λεπτότεροι από τον δίσκο του ορατού αερίου στον Γαλαξία μας χωρίς κατακερματισμό. "Είναι πιθανό η σκοτεινή ύλη που θεωρούν να έχει κάποια ιδιότητα διαφορετική από την συνηθισμένη ύλη και να εμποδίζει αυτό να συμβεί, αλλά δεν ξέρω τι θα μπορούσε να είναι αυτό", είπε ο McKee.
Ο Ράνταλ δεν έχει ακόμη αντιμετωπίσει αυτήν την τελευταία επίθεση, αποκαλώντας το «ένα δύσκολο ζήτημα» που «εξετάζεται τώρα». Έχει επίσης αναλάβει το σημείο που έθιξε ο Bovy - ότι ένας δίσκος με φορτισμένα σκοτεινά άτομα είναι άσχετος με τη φύση του 98 τοις εκατό της σκοτεινής ύλης. Τώρα διερευνά την πιθανότητα ότι όλη η σκοτεινή ύλη μπορεί να φορτιστεί υπό την ίδια σκοτεινή δύναμη, αλλά λόγω του πλεονάσματος σκοτεινών πρωτονίων σε σχέση με τα σκοτεινά ηλεκτρόνια, μόνο ένα μικροσκοπικό κλάσμα δεσμεύεται σε άτομα και καταλήγει σε έναν δίσκο. Σε αυτή την περίπτωση, ο δίσκος και το φωτοστέφανο θα αποτελούνταν από τα ίδια συστατικά, «πράγμα που θα ήταν πιο οικονομικό», είπε. "Πιστεύαμε ότι αυτό θα αποκλείονταν, αλλά δεν ήταν."
Ο σκοτεινός δίσκος επιβιώνει, προς το παρόν - ένα σύμβολο όλων όσων δεν είναι γνωστά για τη σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος. «Πιστεύω ότι είναι πολύ, πολύ υγιές για τον τομέα να έχεις ανθρώπους να σκέφτονται για κάθε είδους διαφορετικές ιδέες», είπε ο Bullock. "Επειδή είναι πολύ αλήθεια ότι δεν ξέρουμε τι στο καλό είναι αυτή η σκοτεινή ύλη και πρέπει να είστε ανοιχτόμυαλοι σχετικά με αυτό."
