Jorge Cham · Daniel Whiteson – Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Κολυμπάμε μέσα της!

 

Στο παραπάνω ραβδόγραμμα απεικονίζονται αυτά που γνωρίζουμε για τη μάζα και την ενέργεια του σύμπαντος: Οι φυσικοί πιστεύουν ότι ένα εκπληκτικό 27% της ύλης και της ενέργειας του γνωστού σύμπαντος αποτελείται από κάτι που ονομάζουν "σκοτεινή ύλη".

Αυτό σημαίνει ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος δεν είναι το είδος της ύλης που μελετάμε εδώ και αιώνες. Αυτή η μυστηριώδης ύλη είναι πενταπλάσια από τη συνηθισμένη, οικεία μας ύλη. Μάλιστα, στην πραγματικότητα δεν είναι σωστό να ονομάζουμε τη δική μας ύλη «συνηθισμένη», αφού  τελικά είναι μάλλον σπάνια στο σύμπαν

Τι είναι λοιπόν αυτή η σκοτεινή ύλη; Είναι επικίνδυνη; Μπορεί να λεκιάσει τα ρούχα μας; Πώς ξέρουμε ότι υπάρχει;

Η σκοτεινή ύλη βρίσκεται παντού. Μάλιστα, πιθανότατα κολυμπάμε μέσα σε αυτήν. Η ύπαρξή της προτάθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1920 και άρχισε να εξετάζεται στα σοβαρά τη δεκαετία του 1960, όταν οι αστρονόμοι παρατήρησαν κάτι παράξενο στον τρόπο με τον οποίο περιστρέφονταν οι γαλαξίες, το οποίο οδηγούσε σε ένα αλλόκοτο συμπέρασμα για την ποσότητα
μάζας που υπήρχε στο εσωτερικό τους.

Πώς ξέρουμε ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει

1. Η περιστροφή των γαλαξιών

Για να καταλάβετε τη σύνδεση μεταξύ σκοτεινής ύλης και περιστρεφόμενων γαλαξιών, φανταστείτε ότι τοποθετούμε μερικά μπαλάκια του πινγκ-πονγκ σε ένα μικρό καρουζέλ, το οποίο θέτουμε σε περιστροφή. Θα περίμενε κανείς να δει τα μπαλάκια να εκτινάσσονται από το καρουζέλ. Με τον ίδιο περίπου τρόπο λειτουργεί κι ένας περιστρεφόμενος γαλαξίας.* Επειδή περιστρέφεται,
τα άστρα στο εσωτερικό του τείνουν να εκτιναχθούν προς τα έξω. Το μόνο που τα συγκρατεί ενωμένα είναι η δύναμη της βαρύτητας που ασκεί όλη η μάζα που είναι παρούσα στον γαλαξία (η βαρύτητα έλκει μεταξύ τους τα πράγματα που έχουν μάζα). Όσο ταχύτερα περιστρέφεται ο γαλαξίας τόσο μεγαλύτερη μάζα απαιτείται για να συγκρατούνται στο εσωτερικό του όλα τα άστρα. Αντιστρόφως, αν γνωρίζουμε τη μάζα ενός γαλαξία μπορούμε να προβλέψουμε πόσο γρήγορα μπορεί αυτός να περιστρέφεται.

Αρχικά οι αστρονόμοι προσπάθησαν να εκτιμήσουν τη μάζα των γαλαξιών μετρώντας το πλήθος των άστρων τους. Όταν όμως χρησιμοποίησαν αυτό το πλήθος για να υπολογίσουν ποια θα έπρεπε να είναι η ταχύτητα περιστροφής των γαλαξιών, κάτι δεν τους έβγαινε. Οι μετρήσεις έδειχναν ότι οι γαλαξίες περιστρέφονταν ταχύτερα απ’ ό,τι προβλεπόταν με βάση το πλήθος των  άστρων που περιείχαν. Με άλλα λόγια, τα άστρα θα έπρεπε να εκτινάσσονται από την περιφέρεια των γαλαξιών ακριβώς όπως τα μπαλάκια του πινγκ-πονγκ από το καρουζέλ. Για να εξηγήσουν τη μεγάλη ταχύτητα περιστροφής, οι αστρονόμοι έπρεπε να προσθέσουν στους υπολογισμούς τους μια τεράστια ποσότητα μάζας στους γαλαξίες προκειμένου όλα τα άστρα να συγκρατούνται στις θέσεις τους.

Ωστόσο, δεν μπορούσαν να δουν πού βρισκόταν αυτή η μάζα. Η αντίφαση μπορούσε να λυθεί μόνο αν υπέθεταν ότι σε κάθε γαλαξία υπάρχει μια τεράστια ποσότητα από ένα μυστηριώδες υλικό που είναι αόρατο, ή αλλιώς «σκοτεινό»

Ο ισχυρισμός αυτός ήταν εντελώς ασυνήθιστος. Και όπως είπε κάποτε ο διάσημος αστρονόμος Καρλ Σέιγκαν, «Οι ασυνήθιστοι ισχυρισμοί απαιτούν ασυνήθιστα δεδομένα». Αυτό λοιπόν το περίεργο αίνιγμα απασχολούσε την αστρονομική κοινότητα για δεκαετίες χωρίς να έχει κατανοηθεί. Με το πέρασμα των χρόνων, η ύπαρξη του μυστηριώδους αόρατου υλικού (της σκοτεινής
ύλης, όπως έγινε γνωστή) άρχισε να γίνεται ολοένα και πιο αποδεκτή.

2. Βαρυτική διάθλαση

Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο που έπεισε τους επιστήμονες ότι η σκοτεινή ύλη είναι μια πραγματικότητα ήταν η παρατήρηση ότι μπορεί να καμπυλώσει το φως. Το συγκεκριμένο φαινόμενο ονομάζεται «βαρυτική διάθλαση» (ή «φαινόμενο του βαρυτικού φακού»). Μελετώντας τον ουρανό, οι αστρονόμοι παρατηρούσαν μερικές φορές κάτι περίεργο. Έβλεπαν την εικόνα ενός γαλαξία σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Σε αυτό δεν υπάρχει φυσικά τίποτε αλλόκοτο· ωστόσο, όταν μετατόπιζαν ελαφρά το τηλεσκόπιο έβλεπαν την εικόνα ενός άλλου γαλαξία που έμοιαζε υπερβολικά με τον πρώτο. Το σχήμα, το χρώμα και το φως που προερχόταν από τους δύο γαλαξίες έμοιαζαν τόσο πολύ, που οι αστρονόμοι ήταν βέβαιοι πως επρόκειτο για τον ίδιο γαλαξία. Μα πώς μπορούσε να συμβαίνει αυτό; Πώς
μπορούσε ο ίδιος γαλαξίας να εμφανίζεται σε δύο διαφορετικές περιοχές στον ουρανό;

Η παρατήρηση του ίδιου γαλαξία δύο φορές εξηγείται χωρίς κανένα πρόβλημα εάν μεταξύ του παρατηρητή και του γαλαξία υπάρχει ένα (αόρατο) σώμα μεγάλης μάζας. Αυτή η μεγάλη αόρατη μάζα μπορεί να λειτουργήσει σαν τεράστιος φακός, κάμπτοντας το φως του γαλαξία ώστε να φαίνεται ότι προέρχεται από δύο διαφορετικές κατευθύνσεις.

Σκεφτείτε ότι το φως του συγκεκριμένου γαλαξία εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις. Τώρα φανταστείτε δύο σωματίδια φωτός, τα γνωστά φωτόνια, που εκπέμπονται από τον γαλαξία, με κατεύθυνση ελάχιστα προς τα δεξιά και ελάχιστα προς τα αριστερά σας. Εάν ανάμεσα στον γαλαξία και σε εσάς βρίσκεται ένα βαρύ σώμα, η βαρύτητά του θα διαστρεβλώσει τον περιβάλλοντα
χώρο του, αναγκάζοντας τα σωματίδια φωτός να καμπυλωθούν προς το μέρος σας.*

Στο τηλεσκόπιό μας στη Γη θα βλέπαμε δύο είδωλα του ίδιου γαλαξία προερχόμενα από διαφορετικές κατευθύνσεις του ουρανού. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε σε όλο τον νυχτερινό ουρανό: δηλαδή, το βαρύ και αόρατο υλικό φαινόταν να βρίσκεται παντού. Η σκοτεινή ύλη σύντομα έπαψε να αποτελεί μια παλαβή ιδέα. Όπου κι αν κοιτούσαμε, βλέπαμε ενδείξεις της ύπαρξής της.

3. Σύγκρουση γαλαξιών

Το πιο πειστικό τεκμήριο για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης προήλθε από την παρατήρηση μιας γιγαντιαίας γαλαξιακής σύγκρουσης στο διάστημα. Δύο σμήνη γαλαξιών συγκρούστηκαν μεταξύ τους εκατομμύρια χρόνια πριν σε ένα συμβάν επικών διαστάσεων. Αν και δεν είδαμε την ίδια τη σύγκρουση, ωστόσο, επειδή το φως της χρειάζεται εκατομμύρια χρόνια για να φτάσει ως εμάς, μπορούμε να καθόμαστε σήμερα αναπαυτικά και να παρακολουθούμε τα εντυπωσιακά επακόλουθά της.

Καθώς τα δύο γαλαξιακά σμήνη προσέκρουσαν μεταξύ τους, το αέριο και η σκόνη τους συγκρούστηκαν με θεαματικά αποτελέσματα: τεράστιες εκρήξεις και γιγάντια νέφη σκόνης που διαμελίζονταν. Ένα υπερθέαμα ειδικών εφέ. Εάν αυτό σας βοηθάει, σκεφτείτε δύο τεράστια σύνολα από νερόμπομπες να συγκρούονται μεταξύ τους με πολύ μεγάλες ταχύτητες.

Οι αστρονόμοι, όμως, παρατήρησαν και κάτι άλλο. Κοντά στον τόπο της σύγκρουσης, εντόπισαν δύο γιγάντια σμήνη σκοτεινής ύλης. Φυσικά, η σκοτεινή ύλη ήταν αόρατη, αλλά μπορούσαν να την εντοπίσουν έμμεσα μετρώντας την παραμόρφωση που προκαλούσαν τα σμήνη αυτά στο φως που προερχόταν από τους γαλαξίες πίσω τους. Αυτά τα δύο σμήνη σκοτεινής ύλης φαίνονταν
να κινούνται κατά μήκος της γραμμής σύγκρουσης σαν να μην είχε συμβεί τίποτα.

Αυτό που συμπέραναν οι αστρονόμοι είναι το εξής: υπήρχαν δύο γαλαξιακά σμήνη, καθένα από τα οποία περιείχε τόσο συνήθη ύλη (κυρίως αέριο και σκόνη και κάποια άστρα) όσο και σκοτεινή ύλη. Κατά τη σύγκρουσή τους, το μεγαλύτερο μέρος του αερίου και της σκόνης συνθλίφτηκε όπως θα αναμέναμε από τη συνήθη ύλη. Τι συμβαίνει όμως όταν συγκρούεται μια μάζα σκοτεινής ύλης με μια άλλη μάζα σκοτεινής ύλης; Τίποτα ανιχνεύσιμο! Τα σμήνη σκοτεινής ύλης συνέχισαν να κινούνται και τελικά διαπέρασαν το ένα το άλλο – σχεδόν σαν να ήταν αόρατα το ένα για το άλλο. Το ίδιο συνέβη σε μεγάλο βαθμό και με τα αστρικά συστήματα, λόγω της αραιής κατανομής των άστρων στον χώρο. Τεράστια κομμάτια ύλης, μεγαλύτερα από πολλούς γαλαξίες, πέρασαν το
ένα μέσα από το άλλο. Στην ουσία, αυτό που έκανε η σύγκρουση ήταν να απογυμνώσει τους γαλαξίες από το αέριο και τη σκόνη τους.

Τι γνωρίζουμε για τη σκοτεινή ύλη

Σε αυτό το σημείο, θα πρέπει να έχει γίνει σαφές ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει και ότι είναι κάτι παράξενο και διαφορετικό από τη γνωστή μας ύλη. Να λοιπόν τι γνωρίζουμε για τη σκοτεινή ύλη:

• Έχει μάζα.
• Είναι αόρατη.
• Της αρέσει να συγχρωτίζεται με τους γαλαξίες.
• Μοιάζει να μην αλληλεπιδρά με τη συνήθη ύλη.
• Μοιάζει να μην αλληλεπιδρά ούτε και με την άλλη σκοτεινή ύλη.*
• Έχει ωραίο όνομα.

Ίσως τώρα να σκέφτεστε: Τι ωραία που θα ήταν αν ήμουν φτιαγμένος από σκοτεινή ύλη. Θα ήμουν ένας φοβερός σούπερ-ήρωας. Τι, όχι; Οκέι, ίσως να το σκεφτήκαμε μόνο εμείς. Ένα πράγμα που ξέρουμε για τη σκοτεινή ύλη είναι πως δεν κρύβεται κάπου μακριά. Τείνει να συσσωματώνεται σε τεράστιους «σβώλους» οι οποίοι περιφέρονται στο διάστημα και συγχρωτίζονται με γαλαξίες. Αυτό σημαίνει πως κατά πάσα πιθανότητα κι εσείς αυτή τη στιγμή περιβάλλεστε από σκοτεινή ύλη. Την ώρα που διαβάζετε αυτές τις γραμμές, είναι πολύ πιθανό σκοτεινή ύλη να διαπερνά το βιβλίο που κρατάτε στα χέρια σας αλλά και εσάς τους ίδιους.

Εάν όμως είναι παντού γύρω μας, γιατί είναι τόσο μυστηριώδης; Γιατί δεν μπορούμε να τη δούμε ή να την αγγίξουμε; Πώς γίνεται να βρίσκεται κάτι ακριβώς μπροστά μας και δίπλα μας και να μην το βλέπουμε; Είναι δύσκολο να μελετήσουμε τη σκοτεινή ύλη διότι δεν μπορούμε να αλληλεπιδράσουμε αρκετά μαζί της. Δεν μπορούμε να τη δούμε (γι’ αυτό τη λέμε «σκοτεινή»), αλλά γνωρίζουμε ότι έχει μάζα (γι’ αυτό τη λέμε «ύλη»). Για να εξηγήσουμε πώς είναι δυνατόν να συμβαίνουν όλα αυτά, πρέπει πρώτα να εξετάσουμε πώς ακριβώς αλληλεπιδρά η συνήθης ύλη.

Δεν έχουμε ιδέα – Ένας οδηγός για το άγνωστο σύμπαν. Jorge Cham · Daniel Whiteson Επιμελητής: Γιάννης Παπαδόγγονας Μεταφραστής: Νίκος Αποστολόπουλος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ

Αντικλείδι