Εσείς, εγώ, ο ήλιος, τ’ αστέρια, όλα όσα βλέπουμε, έχουμε κάτι κοινό. Όλοι είμαστε φτιαγμένοι από άτομα. Σχεδόν όλη η ύλη στο γνωστό σύμπαν αποτελείται από άτομα.
Ωστόσο, το σύμπαν κρύβει πολύ περισσότερα, μια πλευρά, που μόλις τώρα αρχίσαμε να βλέπουμε. Τα σώματά μας, τα σπίτια, ο κόσμος μας, ακόμη και το τεράστιο κενό του διαστήματος, βρίθουν από μια μυστηριώδη ουσία, ένας τύπο ύλης τόσο παράξενο, που πολλοί επιστήμονες κάποτε αμφισβήτησαν την ίδια την ύπαρξή της.
Πρόσφατα όμως, ένας απίστευτα ευαίσθητος ανιχνευτής σωματιδίων κατέγραψε την πρώτη εικόνα της. Αυτή η συνταρακτική ανακάλυψη μας αναγκάζει να επανεξετάσουμε ριζικά τη θέση μας στο σύμπαν.
Η σκοτεινή ύλη είναι ένας υποθετικός τύπος ύλης που συνεισφέρει κατά μεγάλο ποσοστό στη συνολική μάζα του σύμπαντος.
Δεν μπορεί να παρατηρηθεί από τηλεσκόπια, δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως ή άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε σημαντικό βαθμό.
Αντίθετα, η ύπαρξη και οι ιδιότητές της βασίζονται στις βαρυτικές επιδράσεις πάνω στην ορατή ύλη και στην ακτινοβολία.
Στην παραπάνω εικόνα φαίνεται ακτινοβολία γάμα του σύμπαντος, όπως καταγράφηκε από πέντε χρόνων δεδομένα του Fermi Gamma-ray Space Telescope,
η οποία μπορεί να έχει παραχθεί από αλληλεπιδράσεις σκοτεινής ύλης.
Μια μυστηριώδης αόρατη ουσία
Στη δεκαετία του ’60, μια νεαρή αστρονόμος ονόματι Βέρα Ρούμπιν, αποφάσισε να εξερευνήσει μια περιοχή του διαστήματος που ήταν ελάχιστα μελετημένη. Γνώριζε ότι αν μελετούσε κάτι ελκυστικό σαν τις μαύρες τρύπες, άλλοι αστρονόμοι θα κατέληγαν να προλάβουν να δημοσιεύσουν πρώτοι. Έτσι, αντ’ αυτού άρχισε να περιπλανιέται στους απομονωμένους γαλαξίες.
Η Βέρα έστρεψε το τηλεσκόπιό της στον κοντινότερο γαλαξιακό μας γείτονα, την Ανδρομέδα. Όπως οι περισσότεροι γαλαξίες, έχει ένα κεντρικό πυκνό σύμπλεγμα αστεριών. Περίμενε ότι τα δισεκατομμύρια των αστεριών που κάνουν κύκλους γύρω από το κεντρικό σύμπλεγμα, θα περιστρέφονταν ακριβώς όπως οι πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος υπακούοντας στους νόμους της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα. Όσο μακρύτερα είναι από το κέντρο, τόσο πιο αργά περιστρέφονται, λόγω της δύναμης της βαρύτητας.
Αυτό είναι ακριβώς το πρότυπο που η Βέρα περίμενε να δει, όταν μελετούσε τ’ αστέρια να περιστρέφονται στους γαλαξίες τους. Όσο μακρύτερα από το κέντρο, τόσο πιο αργά θα έπρεπε να κινούνται.
Αλλά δε βρήκε αυτό η Βέρα. Της πήρε περίπου δυο χρόνια να καταγράψει τις ταχύτητες ενενήντα αστεριών στο γαλαξία της Ανδρομέδας. Και τ’ αποτελέσματα ήταν μάλλον συγκλονιστικά. Ανακάλυψε, πως όλα τ’ αστέρια κινούνταν με την ίδια ταχύτητα, με την ίδια τιμή, 250 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.
Για τα επόμενα μερικά χρόνια, κάθε γαλαξίας που κοιτούσε η Βέρα, της έδινε το ίδιο φαινομενικά ακατανόητο αποτέλεσμα. Όλα τ’ αστέρια απ’ άκρη σε άκρη σε όλους τους γαλαξίες κινούνταν με την ίδια ταχύτητα, εντελώς διαφορετικά από τον τρόπο που λειτουργεί το ηλιακό μας σύστημα.
Η μόνη εξήγηση ήταν, πως η ισχύς της βαρύτητας δεν μειωνόταν όσο πιο μακριά ήταν το αστέρι απ’ το κέντρο του γαλαξία. Αλλά αυτό θα μπορούσε μόνο να συμβεί εάν οι γαλαξίες είχαν περισσότερη μάζα απ’ όση έβλεπαν οι αστρονόμοι. Έπρεπε επομένως, να υπάρχουν σημαντικές ποσότητες αόρατης ύλης. Στην πραγματικότητα, το 90-95% της ύλης στο γαλαξία είναι αόρατο.
Αυτή ήταν μια πραγματικά επαναστατική ιδέα. Οι γαλαξίες ενδέχεται να είναι γεμάτοι με μια αόρατη ουσία, κάτι που οι επιστήμονες αποφάσισαν να ονομάσουν «σκοτεινή ύλη».
Όμως, μια τέτοια ριζοσπαστική θεωρία απαιτούσε αδιάσειστες αποδείξεις. Σύντομα, δεκάδες αστρονόμοι μελετούσαν τις παρατηρήσεις της Βέρας και πάσχιζαν είτε να τις αναιρέσουν είτε να ανακαλύψουν τι ή πού είναι αυτή η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη.
Πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες
όταν υπάρχει σκοτεινή ύλη
Πέρα από τον Ατλαντικό, στην Αγγλία, ο κορυφαίος κοσμολόγος Κάρλος Φρενκ ξεκίνησε να ερευνά την ιδέα της σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας όχι τηλεσκόπια, αλλά εξισώσεις.
Πέρασε τους νόμους του Νεύτωνα για τη βαρύτητα σ’ έναν υπερσύγχρονο υπερυπολογιστή προσομοίωσης, μια μηχανή κοσμολογίας, με σκοπό να προσομοιώσει το σύμπαν.
Ξεκίνησε τη δική του προσομοίωση με αυτά που οι επιστήμονες πιστεύουν πως ήταν φτιαγμένο το πρώιμο σύμπαν. Ένα γιγαντιαίο σύννεφο αερίων που επέπλεε στο κενό διάστημα.
Έπειτα, επιχείρησε να δει αν η κοσμολογική μηχανή του μπορούσε να φτιάξει ένα γαλαξία, σαν αυτούς που βλέπουμε. Χρησιμοποίησε όμως, μόνο την ορατή ύλη. Το αποτέλεσμα ήταν να φτιάξει ένα γαλαξία που κατέρρεε. Τα αστέρια σχηματίζονται, εξελίσσονται, τα μεγαλύτερα από αυτά εκρήγνυνται σε σουπερνόβα και εκλύουν πάρα πολλή ενέργεια. Αλλά δεν υπάρχει αρκετή βαρύτητα, για να συγκρατήσει αυτά τα αέρια, οπότε ο γαλαξίας στην ουσία καταρρέει. Το αέριο διαλύεται αφήνοντας ελάχιστα πίσω. Αυτός δεν είναι ο τρόπος, με τον οποίον σχηματίστηκε το σύμπαν μας.
Οπότε ο Κάρλος άρχισε να προσθέτει τη σκοτεινή ύλη στις εξισώσεις του. Λίγο στην αρχή, περισσότερη μετά, και τελικά πέντε φορές περισσότερη από την ποσότητα της ορατής ύλης. Μετά από αρκετές εβδομάδες, κάτι παράξενο προέκυψε στην κοσμολογική μηχανή, παράξενο, επειδή ήταν πολύ οικείο.
Περίπου ένα δις χρόνια μετά την κοσμογονική έκρηξη, σχηματίστηκαν συστάδες σκοτεινής ύλης. Το αέριο έπεσε σ’ αυτές τις συστάδες, μετατράπηκε σε αστέρια, αλλά λόγω της έλξης από τη βαρύτητα της σκοτεινής ύλης, οι συστάδες ενώθηκαν για να σχηματίσουν ακόμα μεγαλύτερες δομές, έτσι ώστε δέκα δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα να σχηματισθεί ένας όμορφος σπειροειδής γαλαξίας σαν τον δικό μας.
Ο Κάρλος έδειξε πώς σχηματίζονται γαλαξίες, όταν υπάρχει σκοτεινή ύλη. Αλλά υπάρχει κάποια απόδειξη, πως τα πράγματα έγιναν όντως έτσι;
Βαρυτικός εστιασμός
Στο Εδιμβούργο της Σκωτίας, ο Ρίτσαρντ Μάσεϊ ακόμα προσπαθεί να απαντήσει αυτήν την ερώτηση και πρωτοπορεί μ’ έναν νέο τρόπο ανίχνευσης της σκοτεινής ήλης, τον βαρυτικό εστιασμό.
Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είδε το διάστημα μ’ έναν νέο τρόπο, ως ένα εύκαμπτο, εύπλαστο υλικό, που επηρεάζεται από τη βαρύτητα. Ο,τιδήποτε έχει μάζα, ένα αστέρι ή ένας γαλαξίας, μπορεί να στρεβλώσει τη δομή του διαστήματος και να λειτουργήσει σαν φακός.
Καθώς το διάστημα κάμπτεται, το φως που το διαπερνά είναι επίσης κυρτωμένο. Η σκοτεινή ύλη δεν αντανακλά το φως, δεν το απορροφά, ούτε το εκπέμπει. Το φως τη διαπερνά χωρίς να επηρεάζεται.
Οπότε, πρέπει να αναζητήσουμε κάτι άλλο. Τη βαρυτική επίδρασή της στα ορατά υλικά τριγύρω της.
Η κύρτωση του φωτός από το στρεβλωμένο χωροχρόνο φαίνεται παράλογη, αλλά είναι πολύ οικείο φαινόμενο. Το φως κάμπτεται συνεχώς, για παράδειγμα κάθε φορά που κοιτάμε μέσα από τη βάση ενός ποτηριού κρασιού.
Αν η βάση του ποτηριού είναι διαφανής και το φως τη διαπερνάει, ξέρουμε ότι υπάρχει λόγω των παραμορφώσεων στο βάθος. Η σκοτεινή ύλη κάνει ακριβώς το ίδιο. Κάμπτει το φως, μέσω ενός διαφορετικού φυσικού φαινομένου. Οι πολύ ευκρινείς γαλαξίες εμφανίζονται παραμορφωμένοι κάθε φορά που υπάρχει σκοτεινή ύλη μπροστά τους.
Για δυο χρόνια, ο Ρίτσαρντ ηγείτο μιας διεθνούς ομάδας αστρονόμων, που με μια σειρά τηλεσκοπίων διέτρεχε ένα τμήμα του νυχτερινού ουρανού καταγράφοντας κάθε ορατό τόξο βαρυτικού εστιασμού.
Στην εικόνα φαίνεται ο βαρυτικός εστιασμός στην πράξη στον υπολογιστή του φυσικού Ρίτσαρντ Μάσεϊ.
Τα κίτρινα σημάδια είναι γαλαξίες που βρίσκονται κοντά μας. Τα παράξενα τόξα είναι μακρινοί γαλαξίες, το φως των οποίων πρέπει να περάσει από τους κοντινούς γαλαξίες.
Επειδή κάμπτουν το χώρο, κάμπτουν και το φως από τους μακρινούς γαλαξίες παραμορφώνοντας την εικόνα τους σε κυκλικό, τοξοειδές σχήμα.
Αλλά όταν ο Ρίτσαρντ υπολογίζει την ποσότητα του φωτός από τους μακρινούς γαλαξίες που κάμπτεται και τη συγκρίνει με την ορατή μάζα των κοντινών γαλαξιών, διαπιστώνει ότι το φως στρεβλώνεται πολύ περισσότερο από όσο θα έπρεπε.
Το συμπέρασμά του: Ένας αόρατος μανδύας σκοτεινής ύλης πρέπει να περικλείει τους γαλαξίες.
Η ποσότητα του βαρυτικού εστιασμού αποδεικνύει ότι η ποσότητα σκοτεινής ύλης είναι πενταπλάσια της κανονικής. Συνεπώς, βλέπουμε μόνο ένα μέρος του σύμπαντος, που το περισσότερο είναι σκοτεινή ύλη.
Όπου κι αν κοιτάξουν οι αστρονόμοι, αρχίζουν να διαισθάνονται τη βαριά παρουσία της σκοτεινής ύλης.
Χαρτογράφηση
της σκοτεινής ύλης του σύμπαντος
Ο Ρίτσαρντ Μάσεϊ είναι έτοιμος να κάνει το επόμενο βήμα. Ερευνά ένα μικρό κομμάτι του σύμπαντος με εξαιρετική λεπτομέρεια σε μια προσπάθεια να χαρτογραφήσει για πρώτη φορά τη σκοτεινή ύλη και να τραβήξει την πρώτη φωτογραφία αυτού του κοσμικού γίγαντα. Κι όταν το κάνει, θα διαπιστώσουμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι πολύ πιο σημαντική από όσο φανταζόμασταν.
Αυτή είναι μια πραγματική εικόνα του ουρανού. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Χαμπλ βλέπει με λεπτομέρεια ένα πολύ μεγάλο αριθμό γαλαξιών.
Έτσι, μπορούμε να μετρήσουμε τα σχήματα τους με ακρίβεια και η αλλοίωση στα σχήματά τους που οφείλεται στην κύρτωση του φωτός
όταν περνά μέσα από σκοτεινή ύλη, μας επιτρέπει να χαρτογραφήσουμε το αόρατο μέρος του σύμπαντος.
Καθώς κυρτώνεται στο δρόμο του προς τη Γη περνώντας μέσα από γαλαξίες, το φως σχηματίζει το περίγραμμα ενός χάρτη της σκοτεινής ύλης. Για ένα μέρος του σύμπαντος έχει κάνει το αόρατο, ορατό.
Ο πρώτος τρισδιάστατος χάρτης του σύμπαντος, των κύριων συστατικών του.
Αν κάποιος από άλλο σύμπαν ερχόταν στο σύμπαν μας κι άρχιζε να παρατηρεί κι έβλεπε όλα τα συστατικά του, έτσι θα έλεγε πως μοιάζει.
Είναι μια κοσμική σούπα από σκοτεινή ύλη. Εκεί όπου η σούπα είναι πιο παχύρρευστη δημιουργούνται γαλαξίες.
Όπου υπάρχει μεγάλο σύμπλεγμα γαλαξιών, υπάρχει και μεγάλη συσσώρευση σκοτεινής ύλης.
Ο σκελετός του σύμπαντος
Η σκοτεινή ύλη σχηματίζει πολύπλοκα μοτίβα, ένα δίκτυο από νήματα και σβόλους το οποίο αποκαλούμε κοσμικό ιστό. Από αυτές της συστάδες σκοτεινής ύλης σχηματίστηκαν γαλαξίες όπως ο δικός μας, καθώς τα αέρια ψύχονταν και υγροποιούνταν στο εσωτερικό τους δημιουργώντας τελικά τ’ αστέρια.
Η σκοτεινή ύλη είναι ο σκελετός του σύμπαντος. Είναι η βάση που επιτρέπει στους γαλαξίες να σχηματίζονται.
Το συμπέρασμα είναι εκπληκτικό. Η σκοτεινή ύλη είναι εκείνη που επέτρεψε να δημιουργηθούν τα πάντα.
Χωρίς τη σκοτεινή ύλη δεν θα υπήρχαν γαλαξίες. Χωρίς γαλαξίες δεν θα υπήρχαν αστέρια. Χωρίς αστέρια δεν θα υπήρχαν πλανήτες. Χωρίς πλανήτες δεν θα υπήρχε ζωή.
Η σκοτεινή ύλη, μια ιδέα που διατυπώθηκε πριν από μισό σχεδόν αιώνα, τώρα είναι κάτι παραπάνω από ιδέα. Απ’ ότι φαίνεται είναι απαραίτητη για την ίδια την ύπαρξή μας, και σιγά-σιγά αρχίζουμε να μαθαίνουμε πώς λειτουργεί. Ξέρουμε ότι δεν αλληλεπιδρά με το φώς. Ξέρουμε ότι νιώθει τη δύναμη της βαρύτητας.
Μια τεράστια γαλαξιακή σύγκρουση
Το 2004, ένα τηλεσκόπιο τράβηξε μια εικόνα δυο συμπλεγμάτων γαλαξιών που συγκρούονται μεταξύ τους κι εμείς μάθαμε κάτι νέο για τη σκοτεινή ύλη. Οι γαλαξίες απέχουν από εμάς 4 δισεκατομμύρια έτη φώτος, δηλαδή στο 1/3 του γνωστού σύμπαντος. Είναι μια σύγκρουση με αφάνταστη ισχύ. Τρισεκατομμύρια αστέρια πέφτουν το ένα πάνω στο άλλο με ταχύτητες χιλιάδων χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο.
Το ένα γαλαξιακό σύμπλεγμα έχει πάρει σχήμα σφαίρας από το ωστικό κύμα παίρνοντας έτσι την ονομασία Bullet Cluster. Είναι το είδος της κοσμικής παράστασης που λατρεύουν οι αστρονόμοι. Συναρπάζει ακόμα περισσότερο, επειδή φανερώνει ότι η σκοτεινή ύλη είναι πιο παράξενη απ’ όσο θα μπορούσαμε να φανταστούμε.
Το Bullet Cluster αποτελείται από δύο συμπλέγματα γαλαξιών, που περιέχουν σκοτεινή ύλη με το μπλε χρώμα και κανονική ύλη με το ροζ.
Η σύγκρουσή τους έμοιαζε με τεράστιο κοσμικό αυτοκινητιστικό δυστύχημα.
Η κανονική ύλη επιβραδύνθηκε. Άρχιζε να εκπέμπει ακτίνες Χ, έχασε ταχύτητα και σταμάτησε κοντά στο σημείο της σύγκρουσης.
Αλλά η σκοτεινή ύλη συνέχισε να κινείται και μετά τη σύγκρουση και κατέληξε πολύ πιο μακριά από το σημείο της σύγκρουσης απ’ όσο η κανονική.
Για να κατανοήσουμε πώς συνέβη αυτό, χρειαζόμαστε μαθήματα στις γαλαξιακές συγκρούσεις. Η κανονική ύλη συμπεριφέρεται όπως αναμέναμε, σταματάει. Η σκοτεινή ύλη όμως, είναι θεμελιωδώς διαφορετική. Δεν αλληλεπιδρά καθόλου, απλά περνά μέσα από τη σύγκρουση. Συνεχίζει να κινείται και καταλήγει πιο μακριά από το σημείο σύγκρουσης από την κανονική ύλη, η οποία σταμάτησε.
Το Bullet Cluster αποδεικνύει με τον καλύτερο τρόπο ότι όλη η κρυφή ύλη που παρατηρείται εδώ και δεκαετίες, έχει πολύ διαφορετικές ιδιότητες από την κανονική ύλη. Είναι κάτι τελείως νέο και η επιστήμη ξέρει ελάχιστα γι’ αυτήν.
Δεν επιδρά με την κανονική ύλη, ούτε με τον εαυτό της. Όταν συγκρούστηκαν τα δύο κομμάτια σκοτεινής ύλης, δεν κατάλαβαν καν τι έγινε. Απλά πέρασαν από μέσα.
Σωματίδια σκοτεινής ύλης
Ζούμε σ’ ένα σύμπαν από ύλη και φως. Ύλη από την οποία αποτελούμαστε και φως που μας συντηρεί. Αλλά τώρα ξέρουμε ότι αυτό είναι απλά ένα μικρό κομμάτι της πραγματικότητας. Το σύμπαν είναι γεμάτο με μια μυστήρια ουσία, που ονομάζουμε σκοτεινή ύλη. Δεν μπορούμε να τη δούμε, δεν μπορούμε να την αγγίξουμε, αλλά είναι παντού. Δισεκατομμύρια σωματίδια σκοτεινής ύλης μας διαπερνούν κάθε δευτερόλεπτο. Αν η επιστήμη καταφέρει κάπως να παγιδεύσει ένα από αυτά τα σωματίδια και να το μελετήσει, τότε ίσως να καταλάβουμε από τι είναι φτιαγμένο το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος. Και τι πραγματικά σημαίνει αυτό για εμάς
Τον περασμένο αιώνα οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όλη η ύλη αποτελείται από περίπου είκοσι βασικά υποατομικά σωματίδια. Ονομάστηκαν μποζόνια, ηλεκτρόνια, κουάρκ και νετρόνια. Αλλά υπάρχει η υποψία ότι υπάρχουν κι άλλα πιο εξωτικά σωματίδια.
Κυκλοφορούν αρκετές θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη. Σταδιακά, τις απορρίπτουμε μία-μία. Αυτή είναι η επιστημονική μέθοδος.
Σύμφωνα με την πιο αποδεκτή θεωρία για τη σκοτεινή ύλη, αυτή αποτελείται από ένα αντίστοιχο σωματίδιο, που σημαίνει ότι για όλα τα γνωστά κανονικά σωματίδια υπάρχει μια επιπλέον ομάδα σωματιδίων που δεν επιδρά καθόλου με την κανονική ύλη, παρά μόνο μέσω της βαρύτητας που είναι πολύ ασθενής.
Ρίτσαρντ Μάσει, Βασιλικό Αστεροσκοπείο Εδιμβούργου.
Οι επιστήμονες έχουν ένα άλλο όνομα γι’ αυτά τα σωματίδια σκοτεινής ύλης: WIMP: Weakly Interacting Massive Particles (ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια μάζας). Αυτά δεν αλληλεπιδρούν σχεδόν καθόλου με τα άτομα της κανονικής ύλης, συνεπώς η απομόνωση και η μελέτη τους καθίσταται πολύ δύσκολη. Κι αφού ο κόσμος είναι γεμάτος με σωματίδια κανονικής ύλης, υπάρχει κίνδυνος να παγιδεύσουμε αυτά κατά λάθος και να μας ξεφύγουν τα WIMP.
Ο Νταν Μπάουερ βρήκε ένα εξαιρετικό μέρος για να κυνηγήσει τα WIMP. Ένα εγκαταλελειμμένο ορυχείο σιδήρου στη Μινεσότα, σε βάθος 800 μέτρων. Κανείς δεν μπορεί να φανταστεί ότι σε ένα τέτοιο μέρος κάποιοι ασχολούνται με τη φυσική, αλλά βρίσκονται εκεί για ένα λόγο: Για να αποφύγουν τα σωματίδια που έρχονται από το διάστημα, τις λεγόμενες κοσμικές ακτίνες. Το βάθος φαίνεται αρκετό προκειμένου να αποκλείσει τις παρεμβολές και να διευκολύνει το κυνήγι των WIMP.
Οι ανιχνευτές WIMP προστατεύονται από χοντρό συμπαγές μέταλλο και πλαστική θωράκιση. Στο βράχο και στην ύλη, ακόμα και μέσα στα σώματα των επιστημόνων που εργάζονται εκεί, υπάρχουν μικρές ποσότητες ραδιενέργειας. Αν αυτά τα σωματίδια έφταναν στους ανιχνευτές θα είχαν παρεμβολές και δεν θα μπορούσαν ποτέ να δουν τα WIMP. Η θωράκιση εμποδίζει τα σωματίδια να φτάσουν στους ανιχνευτές, γιατί προσπαθούν να βρουν WIMP, όχι άλλα σωματίδια.
Μέσα από τη θωράκιση υπάρχουν 18 κρύσταλλοι από συμπαγές γερμάνιο. Είναι σχεδιασμένοι να ανιχνεύουν την παραμικρή δόνηση αν και όταν κάποιο WIMP χτυπήσει τα άτομα του γερμανίου. Για να επιτευχθεί αυτό, πρέπει να είναι εξαιρετικά καθαροί και ψυχροί.
Η αναζήτηση σωματιδίων που σπάνια επιδρούν με κανονική ύλη δεν είναι δουλειά για ανυπόμονους.
Εκατομμύρια WIMP περνούν από μέσα μας κάθε δευτερόλεπτο.
Και επειδή δεν επιδρούν σχεδόν καθόλου, κάνουν αυτό ακριβώς. Περνούν από μέσα μας και συνεχίζουν το δρόμο τους. Διαπερνούν τη Γη και συνεχίζουν το δρόμο τους.
Με τους ανιχνευτές βλέπουμε μια ή δυο αλληλεπιδράσεις το χρόνο. Συνεπώς, η συχνότητα είναι χαμηλή.
Δρ. Νταν Μπάουερ.
Μετά από επτά χρόνια και δεκάδες εκατομμύρια δολάρια, ο Νταν και η ομάδα των κυνηγών WIMP παρατήρησαν δυο γεγονότα, δυο πιθανές συγκρούσεις WIMP σ’ ένα χρόνο με 24ωρη ανίχνευση. Για πρώτη φόρα ίσως παγιδεύσαμε κομμάτια της σκοτεινής ύλης. Αυτό μπορεί να είναι ένα τεράστιο βήμα προς την κατανόηση τού τι πραγματικά είναι η σκοτεινή ύλη.
Αλλά ο Νταν δεν είναι απόλυτα βέβαιος ότι πρόκειται για WIMP. Έτσι, η αναζήτηση πρέπει να συνεχιστεί.
Αν εντοπισθούν μερικά σωματίδια WIMP, θα μπορούμε να πούμε με βεβαιότητα, ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη σε αυτό το βάθος, το οποίο σημαίνει πως η Γη και ο Γαλαξίας έχουν σκοτεινή ύλη.
Αν βρεθεί σωματίδιο WIMP, ανοίγονται νέοι δρόμοι στη φυσική. Αν πράγματι υπάρχουν σωματίδια σκοτεινής ύλης που ακολουθούν τις δικές τους διαδικασίες, αποτελούν το κύριο συστατικό του σύμπαντος. Αυτό είναι που συμβαίνει στο σύμπαν. Εμείς είμαστε ένα ασήμαντο κομμάτι.
Αλλά μόλις οι επιστήμονες αρχίζουν να πλησιάζουν τη σκοτεινή ύλη, ανακαλύπτουν κάτι πολύ παράξενο. Ο σχηματισμός του γαλαξία μπορεί να οφείλεται στη σκοτεινή ύλη, αλλά η ιστορία δεν τελειώνει εδώ.
Μια απρόσμενη και ανεξήγητη απώθηση
Στην αυγή του 21ου αιώνα, ένας διαστημικός ανιχνευτής ανακάλυψε κάτι άλλο στο σκοτάδι. Ενώ η σκοτεινή ύλη προσπαθεί να διατηρήσει τον κόσμο, αυτή η δύναμη ίσως να ετοιμάζεται να καταστρέψει ολόκληρο το σύμπαν.
Πλέον, γνωρίζουμε πως το ορατό σύμπαν δεν είναι τίποτα περισσότερο από ένα στρώμα αφρού, που επιπλέει σε μια απέραντη θάλασσα σκοτεινής ύλης. Οι αστρονόμοι περιπλανιούνται σε αυτό τον άγνωστο ωκεανό. Ο Σολ Περλμάτερ περιπλανιέται σ’ αυτά τα νερά εδώ και δεκαετίες προσπαθώντας να ανακαλύψει τη σημασία της σκοτεινής ύλης για τη μοίρα μας.
Ο Σολ ακολούθησε τα βήματα του πιο επιφανούς αστρονόμου του 20ού αιώνα, του Έντγουιν Χαμπλ. Τη δεκαετία του 1920, ο Χάμπλ άρχισε να μελετά σχολαστικά τους δεκάδες γαλαξίες του νυχτερινού ουρανού. Αλλά παρατήρησε κάτι παράξενο. Σχεδόν όλοι οι γαλαξίες ήταν χρωματισμένοι κόκκινοι. Όπως ο ήχος από αντικείμενα που απομακρύνονται από εμάς μειώνεται, έτσι και το φως γίνεται πιο κόκκινο.
Ο Χαμπλ αποφάνθηκε ότι κάθε γαλαξίας στο Σύμπαν στην πραγματικότητα απομακρύνεται από εμάς. Ένα ήταν το συμπέρασμα: Το σύμπαν πρέπει να διαστέλλεται. Αλλά δεν μπορούσε να καθορίσει την ταχύτητα διαστολής, επειδή οι γαλαξίες που βρίσκονται κοντά και είναι σχετικά αμυδροί, μοιάζουν πολύ με τους μακρινούς, αλλά φωτεινούς γαλαξίες. Οπότε δεν μπορούσε να υπολογίσει ούτε την απόστασή τους.
Πρέπει να ξέρουμε πόσο φωτεινοί είναι οι γαλαξίες για να καθορίσουμε την απόστασή τους. Ένας ναύτης που βλέπει ένα μακρινό φάρο μέσα στην ομίχλη, δεν ξέρει αν ο φάρος είναι φωτεινός κι ο ίδιος βρίσκεται μακριά ή αν ο φάρος αχνοφέγγει κι ο ίδιος βρίσκεται πολύ κοντά. Αυτό αποτελεί το βασικό πρόβλημα για τους αστρονόμους τους τελευταίους αιώνες.
Αλλά υπάρχει λύση σ’ αυτό το πρόβλημα. Οι αστροφυσικοί γνωρίζουν από τη δεκαετία του 1980 ένα συγκεκριμένο τύπο έκρηξης αστεριού, που ονομάζεται Σουπερνόβα τύπου Ia. Όταν ένα αστέρι ελαφρώς μεγαλύτερο από τον Ήλιο μας ξεμείνει από καύσιμα, η φωτεινότητά του μειώνεται, η πυκνότητά του αυξάνεται και δημιουργείται ένας λευκός νάνος. Εκεί παραμένει στο μεταίχμιο μεταξύ ζωής και θανάτου. Αλλά ο νάνος έχει ακόμα τη δυνατότητα να επανέλθει στη ζωή αν μπορέσει να βρει καινούργια καύσιμα.
Όταν ένα λευκός νάνος είναι μέρος ενός συστήματος δύο άστρων, το γειτονικό αστέρι μπορεί να προμηθεύσει αυτό το καύσιμο. Μόλις η βαρύτητα του νάνου αρπάξει αρκετή μάζα από τον σύντροφό του, δεν υπάρχει επιστροφή. Εκρήγνυται. Η θερμοκρασία του αυξάνεται σε δισεκατομμύρια βαθμούς και τα περισσότερα αέριά του σκορπίζονται στο διάστημα.
Αυτός ο τύπος σουπερνόβα είναι τέλειος για το σκοπό μας, γιατί έχει πάντα την ίδια μάζα όταν εκρήγνυται δημιουργώντας έτσι την ίδια λάμψη όταν φτάνει στο αποκορύφωμά του. Φωτίζει για μερικές εβδομάδες και χάνει τη λάμψη του σε μερικούς μήνες. Αν προλάβουμε να παρακολουθήσουμε αυτό το χρονικό σημείο, ακόμα και δισεκατομμύρια χρόνια μετά, όταν το φως φτάσει σε εμάς, θα έχουμε ένα αστέρι, βάσει του οποίου θα υπολογίσουμε τις αποστάσεις.
Οι λαμπερές εκρήξεις που γεννιούνται από ισόποση μάζα, δίνουν ακριβώς την ίδια ποσότητα φωτός. Η ποσότητα που θα φτάσει σε εμάς θα αποκαλύψει πόσο μακριά ήταν η καθεμιά. Θεωρητικά, η ιδέα θα έπρεπε να έχει αποτέλεσμα, πρακτικά όμως, υπήρξε πρόβλημα.
Ακούγεται υπέροχη ιδέα, αλλά δύσκολα δουλεύεις μ’ αυτήν.
Βλέπουμε μόνο δύο εκρήξεις ανά χιλιετία σε οποιονδήποτε γαλαξία και ποτέ δεν ξέρουμε πότε θα σημειωθεί έκρηξη.
Δεν είναι εύκολο να προγραμματίσεις τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια στον κόσμο, τα οποία πρέπει να τα έχεις κλείσει μήνες νωρίτερα. Δεν είναι πολύ εύκολο να πεις:
«Θέλω να το κλείσω για την 3η Μαρτίου, γιατί κάποια στιγμή τα επόμενα πεντακόσια χρόνια θα εκραγεί ένας σουπερνόβα».
Σολ Περλμάτερ, Αστροφυσικός, Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ.
Τότε, ο Σολ και η ομάδα του είχαν μια έμπνευση. Να τραβήξουν ίδιες φωτογραφίες του ουρανού σε διάστημα πολλών εβδομάδων και με ένα αυτοματοποιημένο πρόγραμμα να ψάξουν για αναλαμπές σουπερνόβα. Το λογισμικό θα συνέκρινε τους χιλιάδες γαλαξίες που έχουμε στις φωτογραφίες και θα έβρισκε ίχνη φωτός που δεν υπήρχαν τρεις βδομάδες νωρίτερα. Και αυτά τα ίχνη θα είναι οι σουπερνόβα.
Μόλις σε πέντε χρόνια, ο Σολ κι η ομάδα του εντόπισαν 38 διαφορετικά αστέρια σε 38 διαφορετικούς γαλαξίες, που μετατράπηκαν σε σουπερνόβα. Η ικανότητά τους να εντοπίζουν αυτές τις εκρήξεις έγινε θρύλος κι όταν θα έχουν αρκετά δεδομένα για να μετρήσουν όσα συμβαίνουν στο σύμπαν, θα προκαλέσουν το μεγαλύτερο σοκ στην αστρονομία από την εποχή του ίδιου του Χαμπλ.
Η εικόνα που είχαμε όλοι ήταν ότι το σύμπαν διαστέλλεται κι ότι όλη η ύλη στο σύμπαν έλκει τα άλλα υλικά λόγω βαρύτητας, οπότε θα έπρεπε να επιβραδύνει τη διαστολή.
Τα ερωτήματα πάντα ήταν: Μέχρι πού θα φτάσει; Πόσο θα κρατήσει; Κάποια στιγμή θα σταματήσει κάπου;.
Αυτό που ανακαλύψαμε ήταν ότι δεν συμβαίνει τίποτα από τα παραπάνω. Δεν επιβράδυνε καθόλου.
Στην πραγματικότητα, η διαστολή επιταχύνεται.
Σολ Περλμάτερ, Αστροφυσικός, Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ.
Η ομάδα του Σολ ανακάλυψε μια απρόσμενη και ανεξήγητη απώθηση μεταξύ των γαλαξιών που σταδιακά θα διαλύσει το σύμπαν. Την ονόμασαν «σκοτεινή ενέργεια».
Είναι ανησυχητική η σκέψη πως το σύμπαν δεν αποτελείται από αυτό που βλέπουμε, αυτό που προσελκύει η βαρύτητα, αλλά κυρίως από κάτι άγνωστο που ονομάζουμε «σκοτεινή ενέργεια».
«Σκοτεινή», επειδή την αγνοούμε, όχι λόγω του χρώματός της. Ξέρουμε πολύ λίγα γι’ αυτή εκτός του ότι αναγκάζει το σύμπαν να διαστέλλεται ολοένα και πιο γρήγορα.
Σολ Περλμάτερ, Αστροφυσικός, Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ.
Βρεφική φωτογραφία
του σύμπαντος
Το καλοκαίρι του 2001, ένας πύραυλος Delta II έστειλε ένα επιστημονικό ερευνητικό δορυφόρο στο διάστημα. Δεν γνωρίζαμε τότε ότι αυτός ο ερευνητικός δορυφόρος θα μας αποκάλυπτε κάτι πραγματικά εκπληκτικό για τη σκοτεινή ενέργεια. Ονομάζεται WMAP και στόχος του είναι να διεισδύσει βαθιά στο διάστημα και ακόμα πιο πίσω στο χρόνο από ποτέ, για να μελετήσει την αχνή ηχώ της κοσμογονικής έκρηξης.
Παίρνουμε μια εικόνα του πως έμοιαζε το σύμπαν κοντά στην μεγάλη έκρηξη, πίσω στο χρόνο, όταν ήταν πολύ απλό. Κι αυτή η εικόνα του πρώιμου σύμπαντος μας δίνει πολλές πληροφορίες. Θα λέγαμε ότι είναι η βρεφική φωτογραφία του σύμπαντος.
Για έξι μήνες το WMAP συνέθετε το μωσαϊκό του πρώιμου σύμπαντος διαβάζοντας τις ελάχιστες διακυμάνσεις στη θερμοκρασία των υπολειμμάτων της μεγάλης έκρηξης.
«Φανταστείτε το πρώιμο σύμπαν σαν μια λίμνη, σχεδόν ομοιόμορφη και λεία», λέει ο Ντέιβιντ Σπεργκλ, ένας επιστήμονας του WMAP.
«Υπήρχαν μικρές διαφοροποιήσεις στην πυκνότητα από μέρος σε μέρος. Αυτές οι διαφοροποιήσεις στέλνουν ηχητικά κύματα, όπως ο κυματισμός που προκαλεί ένα βότσαλο που ρίχνουμε στη λίμνη.
»Ο τρόπος με τον οποίο συμπεριφέρονται οι κυματισμοί εξαρτάται από το βάθος της λίμνης και από τις ιδιότητες του νερού. Οι κυματισμοί θα ήταν διαφορετικοί εάν η λίμνη ήταν γεμάτη με υδράργυρο. Έτσι, μετρώντας το ρυθμό των κυματισμών και την εξάπλωσή τους με την πάροδο του χρόνου, μπορούμε να μάθουμε τις ιδιότητες της λίμνης.
»Το ίδιο ισχύει και για το πρώιμο σύμπαν. Μελετώντας το μέγεθος και το σχήμα των μικροκυμάτων υποβάθρου μπορούμε να συμπεράνουμε τη σύνθεση της λίμνης ή του πρώιμου σύμπαντος
».
Από τι αποτελείται το σύμπαν
Ο διαχωρισμός όλων των κυματισμών από την ηχώ της μεγάλης έκρηξης αποτελεί κυρίαρχο στόχο της ανάλυσης δεδομένων. Ο Ντέιβιντ και η ομάδα του επεξεργάζονται άπειρους αριθμούς και παλεύουν ακούραστα με πολύπλοκες εξισώσεις. Τελικά, κατάφεραν να αποκαλύψουν με απίστευτη ακρίβεια από τι αποτελείται το σύμπαν.
Τα άτομα αποτελούν το 5% (4,6%, για να είμαστε ακριβείς). 
Η σκοτεινή ύλη το 23%.
Και αυτό που είναι πολύ περίεργο, είναι πως το 72% αποτελείται από αυτή τη σκοτεινή ενέργεια.
Ντέιβιντ Σπεργκλ, επιστήμονας του WMAP.
Για να το πούμε κι αλλιώς, η σκοτεινή ύλη μας επισκιάζει, αλλά η σκοτεινή ενέργεια, αυτή η μυστηριώδης, απωθητική δύναμη, την οποία οι επιστήμονες δεν κατανοούν καθόλου, επισκιάζει τη σκοτεινή ύλη. Αποτελεί σχεδόν τα 3/4 του σύμπαντος.
Τον τελευταίο αιώνα μάθαμε πως ο γαλαξίας μας δεν περικλείει όλο το σύμπαν κι ότι υπάρχουν δισεκατομμύρια γαλαξίες ξεχωριστοί από τον δικό μας. Ξέρουμε, πως το σύμπαν διαστέλλεται, πως όλα απομακρύνονται από εμάς. Και μάλιστα, πως αυτή η διαστολή επιταχύνεται. Το σύμπαν δεν είναι πια ένα γνωστό, σχεδόν οικείο μέρος, αλλά μια τεράστια διαστολή κενού χώρου.
Η σκοτεινή ενέργεια εξουσιάζει το σύμπαν και φαίνεται να γίνεται ολοένα και πιο ισχυρή. Πόσος χρόνος θα περάσει μέχρι αυτή η μυστηριώδης δύναμη να διαλύσει κάθε άτομο του σύμπαντος;
Κοιτάζοντας το σκοτάδι αποκτούμε διαφορετική εικόνα του σύμπαντος και του εαυτού μας. Μόνο το 5% του σύμπαντος αποτελείται από άτομα, το υλικό από το οποίο είμαστε φτιαγμένοι. Σχεδόν το 1/4 του σύμπαντος αποτελείται από σκοτεινή ύλη, το υλικό που επέτρεψε το σχηματισμό των γαλαξιών. Και τα 3/4 είναι σκοτεινή ενέργεια, μια ανεξήγητη δύναμη, που ωθεί τα πάντα στη διάλυση.
Πώς θα τελειώσει αυτή η μάχη; Μπορεί τελικά να κατακερματίσει το σύμπαν μας;
Μια κάμερα
βαθιά στο παρελθόν
Η Μπρένα Φλάουερ προσπαθεί να λύσει αυτό το γρίφο μετρώντας την πραγματική ισχύ της σκοτεινής ενέργειας. Η συσκευή που χρησιμοποιεί είναι το ψηφιακό μάτι ενός καινούργιου τηλεσκόπιου και ονομάζεται Κάμερα Σκοτεινής Ενέργειας.
Προκειμένου να κατανοήσουμε τη σκοτεινή ενέργεια, το καλύτερο δυνατόν είναι να συγκεντρώσουμε όσο περισσότερες πληροφορίες γίνεται. Ο αισθητήρας της κάμερας έχει ανάλυση 250 μεγαπίξελς. Καθένα ψύχεται με υγρό ήλιο και ανιχνεύει σωματίδια φωτός που έχουν ταξιδέψει στο διάστημα για δισεκατομμύρια χρόνια.
Η κάμερα της σκοτεινής ενέργειας θα καλύψει μεγάλο μέρος του ουρανού σ’ ένα και μόνο βράδυ και θα συνεχίσει να το κάνει για χρόνια συγκεντρώνοντας όλο και περισσότερες λεπτομέρειες στις φωτογραφίες της αναζητώντας στοιχεία για την εξέλιξη της σκοτεινής ενέργειας παράλληλα με το σύμπαν μας.
Θα πάμε βαθύτερα απ’ όσο πήγαν άλλες κάμερες στο παρελθόν και θα κάνουμε μετρήσεις όλο και πιο πίσω στο χρόνο και μάλιστα, πιο γρήγορα χάρη στη μεγάλη κάμερα.
Οι πληροφορίες που έχουμε αυτή τη στιγμή για τη σκοτεινή ενέργεια, μας λένε πως αυτή δυναμώνει διαρκώς και πως το διάστημα διαστέλλεται ταχύτερα. Δεν γνωρίζουμε γιατί. Κι εφόσον δεν γνωρίζουμε γιατί, δεν γνωρίζουμε και τι έπεται.
Θέλουμε να εξερευνήσουμε πιο βαθιά για να το κατανοήσουμε.
Δρ. Μπρένα Φλάουερ.
Ελπίζουμε πως αυτές οι έρευνες θα αποκαλύψουν το μέλλον του σύμπαντός μας μελετώντας τα 14 δισεκατομμύρια χρόνια της εξέλιξής του με πρωτοφανή λεπτομέρεια.
Σύμφωνα με τις τωρινές γνώσεις, η σκοτεινή ύλη ήταν η κυρίαρχη δύναμη που καθόρισε τη μορφοποίησή του σύμπαντος τα πρώτα επτά δισεκατομμύρια χρόνια. Εξάλλου, αυτή επέτρεψε στους γαλαξίες να σχηματιστούν προσελκύοντας την κανονική ύλη με τη δική της αόρατη μάζα.
Στα επόμενα επτά δισεκατομμύρια χρόνια, η σκοτεινή ενέργεια μεγάλωσε, ξεπέρασε τη σκοτεινή ύλη και τώρα φαίνεται να κερδίζει το συμπαντικό διαγωνισμό αναγκάζοντας τους γαλαξίες να απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο.
Για να κατανοήσουμε καλύτερα τη σκοτεινή ενέργεια που επιταχύνεται σήμερα στο διάστημα, πρέπει να κοιτάξουμε πότε άρχισε να γίνεται σημαντική η σκοτεινή ενέργεια. Πότε έπαψε το σύμπαν να επιβραδύνεται κι άρχισε να επιταχύνεται και πώς. Τι συνέβη κατά την αλλαγή από επιβράδυνση σε επιτάχυνση.
Αν γνωρίζαμε τη λεπτομερή ιστορία της διαστολής του σύμπαντος, θα κρίναμε τις διάφορες θεωρίες για τη σκοτεινή ενέργεια.
Αυτός είναι ο ένας στόχος που επιδιώκουμε αυτή τη στιγμή.
Σολ Περλμάτερ, Αστροφυσικός, Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Μπέρκλεϊ.
Ενέργεια-φάντασμα;
Πού θα τελειώσει αυτή η μάχη; Θα υπάρξει ανακωχή; Ή θα υπερισχύσει μια από τις δύο πλευρές; Όλα εξαρτώνται από το τι πραγματικά είναι η σκοτεινή ενέργεια, ενώ υπάρχουν αρκετές θεωρίες.
Σύμφωνα με μια από τις πιο δυσοίωνες, θεωρείται «ενέργεια-φάντασμα».
Σύμφωνα με μια θεωρία, η σκοτεινή ενέργεια είναι ενέργεια-φάντασμα. Εδώ υπάρχει η ενδιαφέρουσα επίπτωση, πως καθώς επιταχύνεται η διαστολή του σύμπαντος κι αυτό μεγαλώνει, η επιτάχυνση γλίνεται ολοένα και μεγαλύτερη.
Αν η σκοτεινή ενέργεια είναι ενέργεια-φάντασμα, επιταχύνει τη διαστολή του σύμπαντος τόσο πολύ, που το σύμπαν μεγαλώνει διαρκώς χάνοντας την πυκνότητά του και τελικά οι γαλαξίες θα αρχίσουν να διαλύονται. Ακόμα και ηλιακά συστήματα θ’ αρχίσουν να διαλύονται, τα αστέρια ή ακόμα και τα άτομα και σωματίδια του σύμπαντος, πράγμα που ονομάζεται «Μεγάλο Σχίσμα».
Ρίτσαρντ Μάσει, Βασιλικό Αστεροσκοπείο Εδιμβούργου.
Αλλά υπάρχει κάτι θετικό σε αυτή τη δυσοίωνη εικόνα. Αυτό για το οποίο γνωρίζουμε πολύ λίγα, η σκοτεινή ύλη, που ίσως γίνει το πιο χρήσιμο εργαλείο στη μελέτη της σκοτεινής ενέργειας.
Η σκοτεινή ενέργεια είναι μια δύναμη που προσπαθεί να διαλύσει το σύμπαν. Η σκοτεινή ύλη προσπαθεί να ενώσει τα πράγματα. Η αλληλεπίδραση αυτών των δύο, οδήγησε στο σχηματισμό των δομών του σύμπαντος.
Από την ταχύτητα σχηματισμού του γαλαξία και της συσσώρευσης μάζας κατανοούμε τη σκοτεινή ύλη, αλλά και πόση σκοτεινή ενέργεια τον ωθούσε να διαλυθεί την ίδια στιγμή.
Δρ. Μπρένα Φλάουερ.
Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν κάτι που ελάχιστα κατανοούν, για να επιχειρήσουν να αγγίξουν κάτι που δεν κατανοούν καθόλου. Η κοσμολογία διανύει πράγματι μια παράξενη περίοδο.
Έχουμε προοδεύσει αρκετά στην κατανόηση του σύμπαντος. Θυμάμαι πριν από τριάντα χρόνια, όπου και μόνο η σκέψη της σκοτεινής ύλης θεωρούταν επαναστατική. Υποθετική. Ακόμα και αιρετική. Δεν φανταζόμουν πως τριάντα χρόνια μετά, πραγματικά αλλόκοτες θεωρίες, όπως σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια θα θεωρούνται δεδομένες.
Κάρλος Φρενκ, Πανεπιστήμιο Ντάραμ.
Leave a Reply