Οι αστρονόμοι βρίσκονται ακόμη σε πρώιμο στάδιο όταν πρόκειται για ερωτήματα σχετικά με τη φύση και τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης.
Η θεωρία για την ύπαρξη αυτής της ουσίας ήτανπροτάθηκε πριν από περισσότερα από 40 χρόνια ως εξήγηση για την ασυμφωνία μεταξύ της μάζας όλων των ορατών αντικειμένων σε έναν γαλαξία και της μάζας του ίδιου του γαλαξία. Η αστρονόμος Βέρα Ρούμπιν, η οποία ανακάλυψε πρώτη την ασυμφωνία, διαπίστωσε ότι αυτή η αόρατη ουσία είναι εξαιρετικά κοινή και αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος. Σήμερα γνωρίζουμε αυτή την ουσία ως σκοτεινή ύλη.
Βέρα Ρούμπιν. Φωτογραφία: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Αν και οι αστρονόμοι έχουν τουλάχιστον τρειςαποδεικτικά στοιχεία ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη, καμία από τις προσπάθειες ανίχνευσης των άμεσων αποδείξεων της ύπαρξής της και για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων της δεν ήταν επιτυχής.
Ωστόσο, το έργο επιστημόνων από το πανεπιστήμιο του Yaleμε επικεφαλής τον Peter van Dokkum, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature τον Μάρτιο του 2018, οι επιστήμονες περισσότερο από ποτέ έφεραν τους επιστήμονες πιο κοντά στην εύρεση μιας ακόμη απόδειξης της ύπαρξης αυτής της ουσίας.
Τι γνωρίζουν οι αστρονόμοι για τη σκοτεινή ύλη;
Η σκοτεινή ύλη είναι μια ουσία που δεν είναιαλληλεπιδρά με άλλα θέματα μέσω ηλεκτρομαγνητικών (EM) ή ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων. Η απουσία ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων σημαίνει ότι δεν μπορεί να εκπέμπει, απορροφά, αντανακλά, διαθλά ή διαχέει το φως. Αυτό, βέβαια, το καθιστά ένα αρκετά περίπλοκο θέμα παρατήρησης. Ωστόσο, περίπου το 85% όλων των υλικών στο σύμπαν είναι σκοτεινή ύλη.
Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες δεν έχουν πρακτικά στοιχεία ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει πραγματικά, αλλά υπάρχει θεωρητική. Εδώ είναι τα τρία κύρια.
Καμπύλες περιστροφής γαλαξίας
Όταν ένα αντικείμενο περιστρέφεται γύρω από ένα άλλο,ένα αντικείμενο σε τροχιά πρέπει να επιταχύνεται συνεχώς στο κεντρικό (ή, ακριβέστερα, και οι δύο να επιταχύνουν στο συνδυασμένο κέντρο μάζας τους). Χωρίς αυτήν την επιτάχυνση, το τροχιακό σώμα απλώς θα πετάξει μακριά.
Όσο ταχύτερα κινείται το τροχιακό σώμα, τοαπαιτείται περισσότερη επιτάχυνση για να διατηρηθεί σε τροχιά. Επειδή στην περίπτωση αυτή η επιτάχυνση οφείλεται στη βαρύτητα, αυτό σημαίνει ότι η κεντρική μάζα πρέπει να είναι μεγαλύτερη.
Αυτή η γνώση επιτρέπει στους επιστήμονες να "ζυγίζουν" διαφορετικάτμήματα του γαλαξία, καθώς και τη μέτρηση των περιστροφικών ταχυτήτων, συγκρίνοντας τις κόκκινες μετατοπίσεις στις πλησιέστερες και τις προς τα πίσω πλευρές του γαλαξία. Κατά τη στάθμιση, οι αστρονόμοι βλέπουν μια διαφορά μεταξύ της μάζας όλων των αντικειμένων του γαλαξία και της συνολικής μάζας του.
Redshift— μετατόπιση φασματικών γραμμών χημικών στοιχείωνστην κόκκινη πλευρά (μεγάλου μήκους κύματος). Αυτό το φαινόμενο μπορεί να είναι μια έκφραση ασθενούς διάχυτης σκέδασης, το φαινόμενο Doppler ή η βαρυτική μετατόπιση προς το κόκκινο ή ένας συνδυασμός αυτών. Η μετατόπιση των φασματικών γραμμών στα φάσματα των ουράνιων σωμάτων περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο φυσικό Hippolyte Fizeau το 1848 και πρότεινε το φαινόμενο Doppler που προκαλείται από την ακτινική ταχύτητα του άστρου για να εξηγήσει τη μετατόπιση.
Βαρύτητα φακού
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, οποιαδήποτεο χρόνος που περνά μέσα από το πεδίο βαρύτητας είναι ελαφρά παραμορφωμένος. Λειτουργεί ως βαρυτικός φακός και μπορεί να παράγει, για παράδειγμα, "δαχτυλίδια Einstein", όπως στην παρακάτω εικόνα.
Η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν αναφέρειότι η βαρύτητα τέτοιων μεγάλων διαστημικών αντικειμένων όπως οι γαλαξίες λυγίζει χώρο γύρω από τον εαυτό της και εκτρέπει τις ακτίνες του φωτός. Όταν συμβαίνει αυτό, μια παραμορφωμένη εικόνα ενός άλλου γαλαξία - η πηγή του φωτός.
Το "δαχτυλίδι του Αϊνστάιν" στην παραπάνω εικόνα είναιπαραμορφωμένη εικόνα ενός γαλαξία (τονίζεται με μπλε χρώμα), που βρίσκεται πίσω από τον άλλο (κόκκινο) γαλαξία στο κέντρο. Το φως από το μπλε διαδίδεται προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά κάμπτεται από τη βαρύτητα ενός κόκκινου γαλαξία. Αυτό σημαίνει ότι το φως, το οποίο, για παράδειγμα, κατευθύνθηκε αρχικά απευθείας στη Γη, δεν θα φτάσει ποτέ στον πλανήτη μας - σε αντίθεση με το φως, το οποίο είχε διαφορετική κατεύθυνση, αλλά παραμορφώθηκε από φακό και προχωρά σαν από όλες τις κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αυτή η διαδικασία εξηγεί την εμφάνιση του δακτυλίου.
Σε φακούς ασθενούς βαρύτητας, στατιστικάΗ ανάλυση των παραμορφώσεων στο φως που λαμβάνουμε μας επιτρέπει να «παρατηρήσουμε» το βαρυτικό πεδίο μεταξύ της Γης και των μακρινών γαλαξιών. Υπάρχει συχνά περισσότερη μάζα - και επομένως περισσότερη ύλη - σε αυτό το πεδίο από ό, τι μπορούν να εξηγήσουν οι επιστήμονες.
Ένα παράδειγμα βαρυτικού φακού, το οποίο από την άποψη της υπάρχουσας θεωρίας αποδεικνύει την παρουσία της σκοτεινής ύλης, είναι μια φωτογραφία του σμήνος γαλαξιών Bullet, που βρίσκεται στον αστερισμό Carina.
Η εικόνα δείχνει τις συνέπειες της σύγκρουσης δύο γαλαξιών. Το κόκκινο στην εικόνα δείχνει περιοχές ορατής ύλης, το μπλε δείχνει σκοτεινή ύλη, η παρουσία της οποίας καθορίζεται από τον βαρυτικό φακό.
Αυτή η διάκριση οφείλεται στο γεγονός ότιΤο μεγαλύτερο μέρος της φωτεινής ύλης σε ένα σύμπλεγμα γαλαξιών είναι σε ένα μέσο ενδοσκληρώσεως - σε ένα ζεστό, πυκνό πλάσμα. Όταν τμήματα του πλάσματος συγκρούονται μεταξύ τους, μια σημαντική ποσότητα της ουσίας επιβραδύνεται και παραμένει στο κέντρο. Αλλά η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά ασθενώς με την ύλη, έτσι ώστε τα συστατικά του δύο συμπλέγματα μπορεί να περάσει ελεύθερα μέσα από κάθε άλλο - αυτό οδηγεί σε αυτό που φαίνεται στην κοινή χρήση φωτογραφιών.
Ακτινοβολία
Κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων χιλιάδων ετών μετάΣτη Μεγάλη Έκρηξη, το σύμπαν ήταν αρκετά ζεστό ώστε να γίνει πολύ ιονισμένο. Αυτό το έκανε προσωρινά σχεδόν αδιαφανές στο φως—τα φωτόνια περιστρέφονταν όπως κάθε άλλο σωματίδιο. Ωστόσο, όταν τα πράγματα ψύξαν αρκετά, σημαντικές ποσότητες πρωτονίων και ηλεκτρονίων ενώθηκαν για να σχηματίσουν ουδέτερο υδρογόνο, το οποίο έγινε αρκετά διαφανές στο μεγαλύτερο μέρος του φωτός που το περιβάλλει. Αυτή η διαδικασία συνέβη αρκετά γρήγορα (από την άποψη του κοσμολογικού χρόνου) - ως αποτέλεσμα, όλο το φως που περιέχεται στο Σύμπαν, σχετικά μιλώντας, απελευθερώθηκε ξαφνικά, τραβώντας ένα στιγμιότυπο σε εκείνο το στάδιο της εξέλιξής του. Αυτός είναι ένας απλοποιημένος τρόπος για να περιγράψουμε την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων.
Για να ανιχνεύσουν αυτό το φως, οι επιστήμονες μπορούνσημαδεύουν τα ραδιοτηλεσκόπια προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, και ανάλογα με την περιοχή παρατήρησης, η θερμοκρασία θα αλλάξει ελαφρώς. Η διαφορά στη θερμοκρασία εξηγείται από την παρουσία ή την απουσία σκοτεινής ύλης σε αυτή την περιοχή.
Τι είναι ασυνήθιστο που βρέθηκε στον πρώτο γαλαξία;
Ο DF2 είναι ένας γαλαξίας που ανήκει σε μια μεγάλη ομάδαμε επικεφαλής τον τεράστιο ελλειπτικό γαλαξία NGC 1052. Ο γαλαξίας τράβηξε την προσοχή των επιστημόνων επειδή φαινόταν διαφορετικός στις φωτογραφίες που τραβήχτηκαν από το Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Στο πρώτο, ο γαλαξίας εμφανίστηκε ως σημείο αχνού φωτός, ενώ στο δεύτερο, ήταν μια ομάδα σημειακών αντικειμένων.
Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, οι επιστήμονες με επικεφαλής τονΟ Peter van Dokkum εντόπισε δέκα σφαιρικά σμήνη (μεγάλες ομάδες παλαιών αστεριών) μέσα στον γαλαξία και διαπίστωσε ότι κινούνται τρεις φορές πιο αργά από ό,τι αν υπήρχε πολλή σκοτεινή ύλη. Το γεγονός είναι ότι αν η μάζα του γαλαξία ήταν μεγαλύτερη από τη μάζα των ορατών αντικειμένων, τα σμήνη θα περιστρέφονταν πιο γρήγορα.
Η επιστημονική κοινότητα αξιολόγησε κριτικά τη δημοσίευση— το λάθος των ερευνητών ήταν ότι παρατήρησαν μόνο δέκα συστάδες και μόνο για δύο νύχτες. Οι σκεπτικιστές πίστευαν ότι οι επιστήμονες μπορεί να είχαν παραβλέψει βασικές λεπτομέρειες σχετικά με την κίνηση των αστρικών σμηνών, με αποτέλεσμα οι εκτιμήσεις τους για τη μάζα του γαλαξία και την ορατή ύλη να είναι λοξές.
Και στο δεύτερο;
Ο μόνος τρόπος για να αποδείξει την ορθότητα τουΠαρατήρηση ήταν η αναζήτηση ενός δεύτερου γαλαξία, που θα περιείχε την ελάχιστη ποσότητα σκοτεινής ύλης - και τον Μάρτιο του 2019 ανακαλύφθηκε ένας τέτοιος γαλαξίας.
Οι ερευνητές δημοσίευσαν δύο επιστημονικά άρθρα - στοΉταν οι πρώτοι που μέτρησαν ξανά τη μάζα του DF2 χρησιμοποιώντας την Προηγμένη Κάμερα του Hubble και το τηλεσκόπιο 10 μέτρων στο Παρατηρητήριο Keck στη Χαβάη. Αυτή τη φορά, οι αστρονόμοι παρατήρησαν όχι μόνο την ταχύτητα κίνησης των σμηνών, αλλά και την ταχύτητα περιστροφής των αστεριών στο εσωτερικό τους. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι ο DF2 είναι ένας διαφανής υπερδιάχυτος γαλαξίας, το μέγεθος του οποίου είναι περίπου το ίδιο με τον Γαλαξία. Μόνο που υπήρχαν περίπου 200 φορές λιγότερα αστέρια σε αυτό.
Το δεύτερο άρθρο αφορούσε την ανακάλυψη τέτοιωνΟι γαλαξίες DF2 - DF4, που βρίσκονται στην ίδια συστάδα δίπλα στον γαλαξία NGC 1052. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι, πρώτον, οι γαλαξίες με ελάχιστη ποσότητα σκοτεινής ύλης δεν είναι ασυνήθιστοι και, δεύτερον, ότι ένας μεγάλος γαλαξίας θα μπορούσε να "κλέψει" από τους μικρότερους γείτονές τους.
Πώς μπορεί η απουσία της σκοτεινής ύλης να είναι απόδειξη της ύπαρξής της;
Για να καταλάβουμε τη δήλωση ότι η απουσία ενός σκοτεινούη ύλη σε δύο γαλαξίες επιβεβαιώνει την παρουσία της στο Σύμπαν σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, αξίζει να εξεταστεί η κριτική της ιδέας της ύπαρξης σκοτεινής ύλης.
Μερικοί επιστήμονες δεν συμφωνούν ότι στο σύμπανυπάρχει σκοτεινή ύλη και θεωρητικά στοιχεία της παρουσίας της αποδίδονται στη λεγόμενη τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική (MOND). Αυτή η εναλλακτική θεωρία λέει ότι η βαρύτητα σε μια κοσμική κλίμακα δεν λειτουργεί όπως προέβλεπε ο Isaac Newton ή ο Albert Einstein. Αυτό σημαίνει ότι η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, πάνω στην οποία κατασκευάζονται θεωρίες σχετικά με την ύπαρξη σκοτεινής ύλης, δεν λειτουργεί στην περίπτωση των γαλαξιών.
Για παράδειγμα, ο θεωρητικός φυσικός Erik Verlinde απόΤο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ δημοσίευσε μια επιστημονική εργασία το 2016 που εξέτασε τη βαρύτητα ως υποπροϊόν των κβαντικών αλληλεπιδράσεων και πρότεινε ότι η πρόσθετη βαρύτητα που αποδίδεται στη σκοτεινή ύλη είναι αποτέλεσμα της σκοτεινής ενέργειας - ενέργειας υποβάθρου που υφαίνεται στον ιστό του χωροχρόνου του Σύμπαντος.
Με άλλα λόγια, ο Verlinde πιστεύει ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι ύλη, αλλά μόνο μια αλληλεπίδραση μεταξύ της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.
Ανακάλυψη επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Yaleκαταδεικνύει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να διαχωριστεί από τη συνήθη ύλη, υπό την προϋπόθεση ότι και οι δύο ανιχνευόμενοι γαλαξίες συμπεριφέρονται σύμφωνα με την τυπική θεωρία της βαρύτητας. Δηλαδή, οι διαδικασίες που συμβαίνουν σε αυτές μπορούν να εξηγηθούν χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που ανακαλύφθηκαν από τους Newton και Kepler.
Ποιες είναι οι ερωτήσεις
Ανακάλυψη από αστρονόμους, εάν είναι επιτυχήςπου επιβεβαιώθηκε οριστικά μέσω μελλοντικών παρατηρήσεων, αμφισβητεί την υπάρχουσα θεωρία για το σχηματισμό γαλαξιών. Συγκεκριμένα, μιλάμε για την υπόθεση ότι το μεγαλύτερο NGC 1052 θα μπορούσε να «κλέψει» τη σκοτεινή ύλη από τα DF2 και DF4. Εάν αυτό είναι πραγματικά δυνατό, υπό την προϋπόθεση ότι διατηρείται η σειρά που παρατηρείται και στους δύο παρατηρούμενους γαλαξίες, τότε οι αστρονόμοι θα πρέπει να επανεξετάσουν πλήρως τον μηχανισμό σχηματισμού και ύπαρξής τους.
"Ελπίζουμε να μάθουμε πόσο συνηθισμένοαυτούς τους γαλαξίες και αν υπάρχουν σε άλλες περιοχές του σύμπαντος. Θέλουμε να βρούμε περισσότερα στοιχεία που θα μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε πώς οι ιδιότητές τους είναι συνεπείς ή αντίθετες με τις τρέχουσες θεωρίες μας. Ελπίζουμε ότι αυτό θα μας επιτρέψει να κάνουμε ένα ακόμα βήμα για να κατανοήσουμε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος μας - τη φύση της σκοτεινής ύλης », δήλωσε ο Dokkum σε μια συζήτηση με την Αστρονομία.