Η σκοτεινή ύλη είναι το μακροβιότερο μυστήριο της Αστροφυσικής. Τι είναι όμως η σκοτεινή ύλη και πώς ξέρουμε ότι υπάρχει; Στο επεισόδιο αυτό θα γνωρίσουμε τις παρατηρήσεις που οδήγησαν τους αστροφυσικούς στην υπόθεση περί ύπαρξης σκοτεινής ύλης. Επίσης, θα δούμε τις επιστημονικές υποθέσεις που σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη, όπως είναι η βαρυονική σκοτεινή ύλη, οι τροποποιήσεις στη θεωρία της βαρύτητας και η υπόθεση της μη βαρυονικής σκοτεινή ύλης (non-baryonic dark matter) που είναι και η επικρατέστερη.
Το κείμενο στο οποίο βασίστηκε το βίντεο:
Τον 20o αιώνα ο άνθρωπος κατάφερε να κατανοήσει τον κόσμο με έναν ρυθμό ανακαλύψεων πρωτοφανή για το είδος μας. Υπήρξαν όμως κάποιες παρατηρήσεις που δημιούργησαν πολύ μεγάλα ερωτηματικά στον χώρο της αστροφυσικής και της κοσμολογίας.
Μια από τις σημαντικότερες από αυτές ήταν η παρατήρηση που έδειχνε ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος φαίνεται να απουσιάζει!
Τα άστρα και τα πλανητικά τους συστήματα ανήκουν σε γιγάντιες δομές που ονομάζονται γαλαξίες. Ο δικός μας Γαλαξίας έχει περίπου 200 δισεκατομμύρια άστρα που περιφέρονται γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Ένα από αυτά τα άστρα είναι φυσικά ο Ήλιος μας – που ολοκληρώνει μια περιφορά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο περίπου κάθε 250 εκατομμύρια έτη.
Το κέντρο του Γαλαξία μας φιλοξενεί μια γιγάντια μαύρη τρύπα με μάζα 4 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του Ηλίου! Τι κρατάει όμως τα άστρα σε τροχιά γύρω από το γαλαξιακό κέντρο; Είναι η ίδια ακριβώς αιτία που κρατά και τους πλανήτες σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο: η βαρύτητα! Εξάλλου το κέντρο μάζας ενός γαλαξία βρίσκεται στο κέντρο του και επομένως τα άστρα, η σκόνη και τα αέρια που τον απαρτίζουν γυρίζουν γύρω από αυτό.
Αν πάμε σε μεγαλύτερη κλίμακα θα δούμε ότι οι γαλαξίες οργανώνονται σε σμήνη γαλαξιών – δηλαδή ομάδες γαλαξιών με εκατοντάδες ή χιλιάδες γαλαξίες που είναι βαρυτικά συνδεδεμένοι μεταξύ τους.
Ήδη μέχρι το 1932 οι Ολλανδοί αστρονόμοι Jacobus Kapteyn (Γιακόμπους Καπτέιν) και Jan Oort (Γιαν Ορτ) είχαν χρησιμοποιήσει τη φράση “σκοτεινή ύλη” για να περιγράψουν αντικείμενα που πρέπει να υπάρχουν μέσα στον γαλαξία μας αλλά δεν μπορούμε να τα δούμε. Το 1933 ο ελβετός αστροφυσικός Fritz Zwickie (Φριτζ Τσβίκι) έκανε λεπτομερείς παρατηρήσεις του γαλαξιακού σμήνους της Κόμης, ενός σμήνους που περιέχει τουλάχιστον 1000 γαλαξίες. O Τσβίκι παρατήρησε ότι οι σχετικές ταχύτητες των γαλαξιών απαιτούσαν την ύπαρξη κάποιας αόρατης μάζας. Λίγα χρόνια αργότερα (1939) ο αμερικανός αστρονόμος Horace Babcock (Χόρας Μπάμπκοκ) μελέτησε τον γαλαξία της Ανδρομέδας και διαπίστωσε ότι τα εξωτερικά του άστρα κινούνταν ταχύτερα απ’ ότι θα έπρεπε [βάσει της μάζας του γαλαξία]. Εκείνη την εποχή δε δόθηκε πολύ μεγάλη αξία σε αυτές τις παρατηρήσεις. Το θέμα της μάζας και της περιστροφής των γαλαξιών επανήλθε αρκετά χρόνια αργότερα, το 1970, όταν η σπουδαία αστρονόμος Βέρα Ρούμπιν δημοσίευσε μια πρωτοποριακή μελέτη.
Χρησιμοποιώντας τον προηγμένο φασματογράφο του συνεργάτη της Kent Ford μελέτησε λεπτομερώς την περιστροφή του γαλαξία της Ανδρομέδας και διαπίστωσε κάτι πολύ εντυπωσιακό επιβεβαιώνοντας τα ευρήματα των παλαιότερων αστρονόμων: η ταχύτητα περιστροφής των εξωτερικών τμημάτων του γαλαξία ήταν πολύ μεγαλύτερη από την αναμενόμενη.
-Αυτό έμοιαζε εντελώς παράλογο διότι τα άστρα στην περιφέρεια του γαλαξία δέχονται μικρότερη βαρυτική δύναμη απ’ ότι τα εσωτερικά άστρα που είναι κοντά στο κέντρο του γαλαξία. Επομένως θα έπρεπε να κινούνται αρκετά πιο αργά, ακριβώς όπως συμβαίνει και με το ηλιακό μας σύστημα: οι πλανήτες που βρίσκονται πιο μακριά από τον Ήλιο κινούνται πολύ πιο αργά απ’ ότι οι πλανήτες που βρίσκονται κοντά σε αυτόν. Ακολούθησαν μελέτες πολλών ακόμα γαλαξιών από τη Ρούμπιν και άλλους ερευνητές και τα συμπεράσματα ήταν παρόμοια.
Στο διάγραμμα αυτό φαίνεται η θεωρητικά αναμενόμενη καμπύλη περιστροφής ενός γαλαξία. Όπως βλέπετε – η ταχύτητα των άστρων θα έπρεπε να μειώνεται αρκετά όσο κινούμαστε προς τα έξω. Τα διαγράμματα όμως που προέκυπταν από τις μελέτες των αστρονόμων ήταν πολύ διαφορετικά: η ταχύτητα των εξωτερικών τμημάτων των γαλαξιών είναι παρόμοια με την ταχύτητα των εσωτερικών τμημάτων. Τα εξωτερικά άστρα θα έπρεπε να δραπετεύουν από τους γαλαξίες! Επομένως έπρεπε να υπάρχει κάποια πρόσθετη μάζα, κάποια «αόρατη ύλη» που να δημιουργεί μια βαρυτική δύναμη αρκετά ισχυρή ώστε να συγκρατεί τα εξωτερικά άστρα. Σύμφωνα με τις παρατηρήσεις της Rubin ο γαλαξίας της Ανδρομέδας έπρεπε να έχει 7 φορές μεγαλύτερη μάζα από ότι νομίζαμε.
Οι παρατηρήσεις που έγιναν τα επόμενα χρόνια επιβεβαίωσαν αυτό το φαινόμενο όχι μόνο για τις κινήσεις των άστρων μέσα στους γαλαξίες αλλά και για τις σχετικές κινήσεις των γαλαξιών μέσα στα γαλαξιακά σμήνη. Το συμπέρασμα που βγαίνει είναι εντυπωσιακό: το μεγαλύτερο μέρος της βαρύτητας του σύμπαντος έχει άγνωστη αιτία!
Για την επίλυση του μεγάλου αυτού μυστηρίου έχουν διατυπωθεί κάποιες επιστημονικές υποθέσεις.
Ι. «Η υπόθεση της βαρυονικής σκοτεινής ύλης»
Ν. Η πρώτη υπόθεση λέει ότι γύρω από τους γαλαξίες υπάρχει μια πολύ μεγάλη περιοχή με συμπαγή αντικείμενα κανονικής ύλης που έχουν πολύ μεγάλη μάζα – αλλά δεν εκπέμπουν σημαντική ακτινοβολία και έτσι δεν γίνονται αντιληπτά από εμάς.
Τέτοια αντικείμενα μπορεί να είναι οι αστέρες νετρονίων, οι μαύρες τρύπες ή οι νάνοι αστέρες. Οι μελέτες σχετικά με αυτά τα αντικείμενα έχουν δείξει ότι πράγματι υπάρχουν γύρω από τον γαλαξία μας. Αλλά η συνολική τους μάζα είναι πολύ μικρότερη από ότι απαιτείται ώστε να εξηγηθούν αυτά τα φαινόμενα.
ΙΙ. «Η υπόθεση της εσφαλμένης θεωρίας της βαρύτητας»
Η δεύτερη υπόθεση λέει ότι υπάρχει κάποιο θεμελιώδες λάθος στην κατανόηση του φαινομένου της βαρύτητας και επομένως ότι πρέπει να τροποποιηθεί η γενική θεωρία της σχετικότητας ώστε να συμφωνεί με τις παρατηρήσεις στις γαλαξιακές κλίμακες.
Με κατάλληλες τροποποιήσεις της θεωρίας της σχετικότητας πράγματι κάποιες από αυτές τις παρατηρήσεις εξηγούνται πλήρως, ωστόσο καμιά τέτοια τροποποίηση δεν έχει καταφέρει να εξηγήσει το σύνολο των παρατηρήσεων με επιτυχία.
ΙΙΙ. «Η υπόθεση της μη βαρυονικής σκοτεινής ύλης»
Η τρίτη υπόθεση είναι η επικρατέστερη – και λέει ότι υπάρχει ένα είδος αόρατης, εξωτικής ύλης που δεν απορροφά ούτε εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φως) και αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας.
Αυτή είναι η υπόθεση περί μη-βαρυονικής σκοτεινής ύλης, δηλαδή ύλης που δεν αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια όπως η κανονική ύλη. Έτσι μπορούμε να την ανιχνεύσουμε μόνο από τα βαρυτικά της αποτελέσματα.
Σύμφωνα με τα μοντέλα που προκύπτουν από τις παρατηρήσεις η σκοτεινή ύλη βρίσκεται παντού γύρω μας. Έχει μεγαλύτερη πυκνότητα στο εσωτερικό των γαλαξιών και εκτείνεται σε μεγάλες αποστάσεις γύρω από αυτούς σχηματίζοντας μια άλω σκοτεινής ύλης. Επίσης, γίνεται αισθητή και σε πολύ μεγαλύτερες κλίμακες και δομές όπως είναι τα γαλαξιακά σμήνη.
Η ύπαρξή της υποστηρίζεται από πλήθος στοιχείων όπως είναι οι καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών, οι ταχύτητες των γαλαξιών στα γαλαξιακά σμήνη, αλλά και η καμπύλωση του φωτός λόγω της μάζας της σκοτεινής ύλης.
Το bullet cluster αποτελείται από δύο γαλαξιακά σμήνη που συγκρούονται και θεωρείται μια από τις ισχυρότερες ενδείξεις ύπαρξης σκοτεινής ύλης. Η σκοτεινή ύλη των σμηνών χαρτογραφήθηκε μέσα από την καμπύλωση του φωτός των αντικειμένων που βρίσκονται πίσω από τα δύο σμήνη.
Τα αέρια των σμηνών αλληλεπιδρούν και επιβραδύνονται αλλά η σκοτεινή ύλη περνά ανενόχλητη μέσα από την κανονική ύλη.
Πολύ εντυπωσιακό στοιχείο είναι επίσης το γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη έχει αφήσει το αποτύπωμά της στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Φαίνεται λοιπόν ότι έπαιξε καθοριστικό ρόλο στον σχηματισμό των μεγάλων δομών του σύμπαντος όπως είναι οι γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών.
Σήμερα θεωρούμε ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί το 85% της ύλης του σύμπαντος ενώ η κανονική βαρυονική ύλη, δηλαδή οι πλανήτες, τα άστρα, τα νεφελώματα, οι μαύρες τρύπες, οι γαλαξίες κι οτιδήποτε άλλο μπορούμε να παρατηρήσουμε είναι μόλις το 15% της ύλης. Παρ’ όλα αυτά η σκοτεινή ύλη δεν κυριαρχεί. Μια άλλη ποσότητα που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια φαίνεται ότι είναι ο πραγματικός κυρίαρχος της ύλης και της ενέργειας του σύμπαντος, αλλά αυτό θα το δούμε σε άλλο επεισόδιο.
Παύλος Καστανάς
Σεπτέμβρης 2018
