Είναι η σκοτεινή ύλη σωματίδιο;

Τι είναι σκοτεινή ύλη (Dark Matter) και γιατί την χρειαζόμαστε? Είναι σωματίδιο ή απλώς ένα έξτρα πεδίο στην θεωρία της βαρύτητας θα αρκούσε? Στο ίδιο περίπου σταυροδρόμι βρίσκοταν η επιστημονική κοινότητα στις αρχές του εικοστού αιώνα για την φύση του φωτός, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι το φως έχει διττή φύση, είναι σωματίδιο και κύμα μαζί. Το φαινόμενο αυτό εξηγήθηκε αρχικά με την θεμελίωση της κβαντομηχανικής και αργότερα δόθηκε πληρέστερη εξήγηση στα πλαίσια την κβαντικής θεωρίας πεδίου όπου σωματίδιο και κύμα είναι δυο εκφάνσεις ενός πεδίου. Αλλά για να μην το κουράσουμε το θέμα πάμε αμέσως στο ψητό και στην συζήτηση περί Dark Matter.

Κατ αρχήν, η σκοτεινή ύλη είναι το υποθετικό υλικό που οι αστροφυσικοί πιστεύουν ότι αποτελεί περίπου το 80% της ύλης στο σύμπαν και πρώτα εισήχθη για να εξηγηθούν μια σειρά από φαινόμενα που οι αστροφυσικοί δεν μπορουσαν να εξηγήσουν. Η σκοτεινή ύλη δεν πρέπει να συγχέεται με τη σκοτεινή ενέργεια (Dark Energy). Σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη είναι δύο εντελώς διαφορετικά πράγματα. Η σκοτεινή ενέργεια είναι αυτό που κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται πιο γρήγορα και η σκοτεινή ύλη είναι αυτή που κάνει τους γαλαξίες να περιστρέφονται πιο γρήγορα. Πέρα από την περιστροφή των γαλαξιών η σκοτεινή ύλη συμμετέχει και σε αλλά βαρυτικά φαινόμενα, όπως θα δούμε στην συνέχεια.

Τι είναι όμως η σκοτεινή ύλη; Από τα μέσα της δεκαετίας του 1980 οι φυσική κοινότητα ξεκίνησε με την ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα σωματίδιο το οποίο απλά δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά με το περιβάλλον και άρα δεν εκπέμπει κάποιου είδους φως για να μπορέσουμε να το δούμε. Αυτός ήταν και ο λόγος που στο υποθετικό αυτό υλικό δόθηκε το όνομα “σκοτεινή”. Η λέξη “ύλη” προέρχεται από το γεγονός ότι το υποθετικό αυτό υλικό αλληλεπιδρά βαρυτικά με το περιβάλλον. Έτσι καταλήξαμε στην ονομασία σκοτεινή ύλη. Αν τώρα υποθέσουμε ότι στη φύση της, η σκοτεινή ύλη είναι σωματίδιο, και αυτό μπορεί να εξηγήσει μια σειρά παρατηρήσεων, γιατί να κοιτάξουμε περαιτέρω στην φύση της σκοτεινής ύλης? Επιπρόσθετα, εκείνη την εποχή υπήρχαν αρκετές προτάσεις για νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να ταιριάζουν με τα δεδομένα των παρατηρήσεων, πράγμα που καθησύχαζε περισσότερο την επιστημονική κοινότητα στην υπόθεση της σωματιδιακής φύσης. Έτσι, η ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη είναι υλικό, φτιαγμένο από σωματίδια, φαινόταν όλο και πιο εύλογη και προφανής εξήγηση.

Άρα όλα ήταν θέμα χρόνου και πειραμάτων. Απλώς  περιμέναμε το κατάλληλο πείραμα να στηθεί και να βρεθεί το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης. Από τα μέσα της δεκαετίας του 1980 έως σήμερα όμως δεν έχει ανιχνεύσει κάποιο υποψήφιο σωματίδιο. Υπήρξαν μερικές ανωμαλίες σε κάποια πειραματικά δεδομένα, αλλά όλες έχουν εξαφανιστεί μετά από λεπτομερέστερη εξέταση. Με τα χρόνια αντιθέτως, αυτό που συνέβη είναι ότι ορισμένες αστροφυσικές παρατηρήσεις γίνονται όλο και πιο δύσκολο να εξηγηθούν με την υπόθεση ότι η σκοτεινή ύλη είναι σωματίδιο. Προτού όμως αναλύσουμε τις παρατηρήσεις τις οποίες η υπόθεση των σωματιδίων αδυνατούν να εξηγήσουν, θα αναφερθούμε στις παρατηρήσεις για τις οποίες οι Φυσικοί πίστευαν εξ αρχής στην υπόθεση αυτή.

Ιστορικά τα πρώτα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη προήλθαν από σμήνη γαλαξιών. Τα σμήνη γαλαξιών αποτελούνται από μερικές εκατοντάδες έως χίλιες περίπου γαλαξίες που συγκρατούν μια ομάδα με τη βαρυτική τους έλξη. Κινούνται το ένα γύρω από το άλλο και το πόσο γρήγορα κινούνται εξαρτάται από τη συνολική μάζα του συμπλέγματος. Όσο περισσότερη μάζα, τόσο πιο γρήγορα κινούνται οι γαλαξίες. Αποδεικνύεται ότι οι γαλαξίες σε σμήνη γαλαξιών κινούνται πολύ γρήγορα σε σχέση με τη μάζα που μπορούμε να αποδώσουμε στην ορατή ύλη αυτών. Έτσι ο Fritz Zwicky υπέθεσε στη δεκαετία του 1930, ότι πρέπει να υπάρχει περισσότερη ύλη στα σμήνη γαλαξιών, απλώς δεν μπορούμε να τη δούμε. Την ονόμασε σκοτεινή ύλη.

Μια παρόμοια παρατήρηση με τα σμήνη γαλαξιών είναι η ταχύτητα ενός αστεριού που περιφέρεται γύρω από το κέντρο ενός γαλαξία. Η ταχύτητα περιστροφής του αστεριού εξαρτάται από τη συνολική μάζα που βρίσκετε μέσα στην τροχιά του. Με βάση αυτό η ταχύτητα των αστεριών θα πρέπει να πέφτει όσο κινούμαστε προς τα εξωτερικά σημεία ενός γαλαξία. Κάτι τέτοιο δεν μας το επιβεβαιώνουν οι παρατηρήσεις. Αντίθετα, η ταχύτητα των αστεριών γίνεται περίπου σταθερή και πολύ μεγαλύτερη από την προβλεπόμενη σε μακρινή απόσταση από το γαλαξιακό κέντρο. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να το εξηγηθεί προσθέτοντας σκοτεινή ύλη στους γαλαξίες, ύλη δηλαδή η οποία δεν είναι ορατή. Video Youtube με το παράδοξο της ταχύτητας περιστροφής ενός γαλαξία

Έπειτα υπάρχουν οι βαρυτικοί φακοί. Αυτοί είναι γαλαξίες ή σμήνη γαλαξιών που καμπυλώνουν την τροχιά από το φως που προέρχεται από τα αντικείμενα πίσω τους. Αυτά τα αντικείμενα που βρίσκονται πίσω από τους βαρυτικούς φακούς εμφανίζεται στη συνέχεια παραμορφωμένα και από το μέγεθος της παραμόρφωσης μπορεί κάποιος να συνάγει τη μάζα του φακού. Και πάλι, η ορατή ύλη δεν είναι αρκετή για να εξηγήσει τις παραμορφώσεις, χρειαζόμαστε περισσότερη ύλη στις περιοχές αυτές.

Επίσης, υπάρχουν οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, που φαίνεται στον παρακάτω χάρτη, είναι μια φωτογραφία με το αρχαιότερο φως που μπορούμε να συλλέξουμε από το σύμπαν. Όλα αυτά τα έγχρωμα σημεία είναι αποκλίσεις από τη μέση θερμοκρασία της φωτογραφίας αυτής. Η μέση θερμοκρασία είναι περίπου 2,7 Kelvin. Οι κόκκινες κηλίδες είναι λίγο πιο ζεστές, οι μπλε κηλίδες λίγο πιο κρύες από αυτόν τον μέσο όρο. Οι αστροφυσικοί αναλύουν την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου με το λεγόμενο Power Spectrum. Το spectrum ή αλλιώς φάσμα είναι μια ποσότητα που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να περιγράψουν ή να ταυτοποιήσουν οτιδήποτε στην φύση δονείται, ταλαντώνεται ή ποικίλλει στον χώρο. Κάθε ήχος ή εικόνα έχει το δικό της spectrum, έτσι και η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου έχει το δικό της spectrum που ονομάζεται Power Spectrum. Θα μπορούσαμε να πούμε πως το power spectrum αποτελεί το «δακτυλικό αποτύπωμα» του σύμπαντος. Για να μπορέσουμε να εξηγήσουμε αυτό το δακτυλικό αποτύπωμα χρειαζόμαστε και πάλι την ύπαρξη της σκοτεινή ύλη. Είναι σαν να θελουμε να εξηγήσουμε την γεύση του αλατόνερου και να χρειαζόμαστε το αλάτι ως συστατικό του ώστε να γίνει κατανοητή η γεύση που αποδίδει αυτό στους γευστικού μας κάλυκες. Το αλάτι όμως δεν είναι ορατό μέσα από τα μάτια μας, όπως και η σκοτώνει ύλη.

Τέλος, υπάρχει η μεγάλης κλίμακας κατανομή των γαλαξιών και των σμηνών γαλαξιών και του διαστρικού αερίου και ούτω καθεξής. Η ορατή ύλη από μόνη της δεν είναι αρκετή σε μικρές κλίμακες για να παράξει τις παρατηρούμενες δομές του σύμπαντος που φαίνονται στην παρακάτω «φωτογραφία». Η προσθήκη σκοτεινής ύλης θα διορθώσει το πρόβλημα και εδώ.

Έτσι, γίνεται κατανοητό ότι η σκοτεινή ύλη ως σωματίδιο ήταν μια απλή ιδέα που ταίριαζε σε πολλές παρατηρήσεις, γι' αυτό ήταν μια τόσο καλή επιστημονική υπόθεση που υποστηρίζεται και ερευνάται ακόμα και σήμερα. Με τα χρόνια όμως η υπόθεση της σωματιδιακή σκοτεινή ύλη εξασθενεί καθώς έχουν συσσωρευτεί παρατηρήσεις που δεν μπορούν να εξηγηθούν μέσα απ την υπόθεση αυτή.

Για παράδειγμα, η σωματιδιακή σκοτεινή ύλη προβλέπει μια πυκνότητα στους πυρήνες των μικρών γαλαξιών που κορυφώνεται, ενώ οι παρατηρήσεις λένε ότι η κατανομή πρέπει να είναι επίπεδη. Η σκοτεινή ύλη προβλέπει επίσης πάρα πολλούς μικρούς δορυφόρους γαλαξίες, δηλαδή μικρούς γαλαξίες σε τροχιά γύρω από έναν μεγαλύτερο γαλαξία. Ο Γαλαξίας μας για παράδειγμα, θα έπρεπε να έχει πολλές εκατοντάδες δορυφόρους γαλαξίες, αλλά στην πραγματικότητα έχει μόνο μερικές δεκάδες. Επίσης, αυτοί οι μικροί δορυφορικοί γαλαξίες είναι συχνά ευθυγραμμισμένοι σε επίπεδα. Η σκοτεινή ύλη δεν εξηγεί γιατί.

Γνωρίζουμε επίσης από παρατηρήσεις ότι η μάζα ενός γαλαξία συσχετίζεται με την τέταρτη δύναμη της ταχύτητας περιστροφής των εξώτερων αστεριών. Αυτό ονομάζεται βαρυονική σχέση Tully Fisher και είναι απλώς ένα παρατηρησιακό γεγονός. Η σκοτεινή ύλη δεν το εξηγεί.

Τέλος, υπάρχουν συγκρούσεις σμήνων γαλαξιών με υψηλή ταχύτητα, όπως το bullet cluster ή το σμήνος el gordo. Αυτά είναι δύσκολο να εξηγηθούν με την σωματιδιακή σκοτεινή ύλη, επειδή η σκοτεινή ύλη δημιουργεί τριβή και αυτό καθιστά απίστευτα απίθανο τέτοιες υψηλές σχετικές ταχύτητες μεταξύ των σμήνων. Και ναι, το bullet cluster είναι μελανό σημείο για τη σκοτεινή ύλη στα πλαίσια του LCDM μοντέλου [reference].

Θα μπορούσε κάποιος βέβαια να ψάξει τα simulation υπολογιστών για τη σκοτεινή ύλη και να προσθέσει όλο και περισσότερες παραμέτρους για να προσπαθήσει να τα κάνει συμβατά με όλες τις παρατηρήσεις, αυτό όμως δεν θα ήταν πλέον μια απλή εξήγηση και τέτοια μοντέλα χάνουν την προγνωστική τους ιδιότητα. Είναι σαν να κάνουμε overfitting στα δεδομένα μας καταλήγοντας σε μια θεωρία που προβλέπει πολύ καλά κάποιες συγκεκριμένες παρατηρήσεις αλλά δεν μπορεί να γενικευτεί.

Αν δεν είναι λοιπόν η σκοτεινή ύλη πίσω από αυτά τα φαινόμενα, τότε τι άλλο θα μπορούσε να είναι; Η εναλλακτική εξήγηση είναι η τροποποιημένη βαρύτητα. Η ιδέα της τροποποιημένης βαρύτητας είναι ότι δεν μας λείπει μια πηγή βαρύτητας όπως η σκοτεινή ύλη, αλλά ότι ο νόμο της βαρύτητας είναι ελλιπείς.

Η τροποποιημένη βαρύτητα λύνει όλους τους γρίφους που μόλις αναφέραμε. Δεν υπάρχει τριβή, επομένως οι υψηλές σχετικές ταχύτητες δεν αποτελούν πρόβλημα. Αφαιρεί το πρόβλημα με τις κορυφές πυκνότητας στους γαλαξιακούς πυρήνες και λύνει το πρόβλημα των δορυφόρων γαλαξιών που λείπουν. Τέλος προβλέπει τη σχέση Tully-Fisher και εξηγεί τον κανόνα του Renzo στα οποία δεν αναφερθήκαμε λεπτομερέστερα.

Με την τροποποιημένη βαρύτητα όμως αποκτάμε θέματα με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου και το πρώιμο σύμπαν, όπως επίσης εισαγάγουμε κάποια προβλήματα με τα σμήνη γαλαξιών.

Έτσι, καταλήγουμε σε μια διαμάχη ανταγωνιστικών υποθέσεων.

Ξεκάθαρα από την άποψη των δεδομένων, η απλούστερη εξήγηση είναι ότι η σωματιδιακή σκοτεινή ύλη λειτουργεί καλύτερα σε ορισμένες περιπτώσεις και η τροποποιημένη βαρύτητα σε άλλες. Πολλοί αστροφυσικοί εκφράζουν την δυσαρέσκεια τους προς τις τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας υποστηρίζοντας ότι η σωματιδιακή σκοτεινή ύλη μας καλύπτει. Η απάντηση από το απέναντι στρατόπεδο είναι η σκοτεινή ύλη προκειμένου να εξηγήσει πολλές παρατηρήσεις καταντάει να μην είναι πλέον παραμετρικά η απλούστερη εξήγηση. Και με τον όρο παραμετρικά εννοούμε ότι καταντάει μια πολύπλοκη θεωρεία με πολλές παραμέτρους που στην φυσική αυτό ισοδύναμη με μια θεωρία η οποία δεν είναι γοητευτική.

Κάποιος πονηρεμένος θα έλεγε εδώ, γιατί δεν χρησιμοποιούμε απλώς τη σκοτεινή ύλη για παρατηρήσεις που μας βολεύει και για τις υπόλοιπες παρατηρήσεις την τροποποιημένη βαρύτητα. Λοιπόν, στην πραγματικότητα, μπορούμε να το κάνουμε αυτό. Δεν υπάρχει κάτι συγκεκριμένο στην επιστημονική μέθοδο που το απαγορεύει. Αλλά δεν θα ήταν πολύ ποιο γοητευτικό αν μπορούσαμε να βρουμε μια ενοποιημένη θεωρία όπου να τα εξηγεί όλα. Άλλωστε αυτός είναι και ένας από τους στόχους της Φυσικής σαν επιστήμη, να εξηγεί τα φαινόμενα με όσο το δυνατόν λιγότερες θεωρίες. Αν είναι δυνατόν να έχουμε μια θεωρία για όλα τα φυσικά φαινόμενα αυτό θα ήταν το ιδανικό.

Αν λοιπόν κοιτάξετε τα μαθηματικά, η τροποποιημένη βαρύτητα και η σκοτεινή ύλη των σωματιδίων είναι στην πραγματικότητα πολύ παρόμοιες υποθέσεις. Η σκοτεινή ύλη προσθέτει νέα σωματίδια και η τροποποιημένη βαρύτητα προσθέτει νέα πεδία. Αλλά λόγω της κβαντικής θεωρίας πεδίου, τα πεδία είναι σωματίδια και τα σωματίδια είναι πεδία, οπότε είναι το ίδιο πράγμα στην πραγματικότητα. Η φύση μπορεί να είναι μια αυτού του πεδίου-σωματιδίου. Κάποιες φορές απλά μπορεί να συμπεριφέρεται ως σωματίδιο και άλλοτε ως πεδίο. Αυτό που χρειαζόμαστε λοιπόν είναι ένα είδος μεταβατικής φάσης που εξηγεί γιατί και υπό ποιες συνθήκες η συμπεριφορά αυτών των πρόσθετων πεδίων ή σωματιδίων αλλάζει, έτσι ώστε να χρειαζόμαστε δύο διαφορετικά σύνολα εξισώσεων. Μια τέτοια ενοποίηση προφανώς και δεν είναι τόσο απλή καθώς στο κατώφλι της περιμένει πρώτα η κβαντική βαρύτητα. Για να εννοποιήσουμε δηλαδή την υπόθεση της σκοτεινής ύλης με μια θεωρία βαρύτητας στα πλαίσια της κβαντικής θεωρίας θα πρέπει, λογικά μιλώντας, πρώτα να παντρέψουμε την βαρυτική θεωρία με την κβαντική θεωρία, πράγμα ακατόρθωτο έως σήμερα.

Έτσι, καταλήγουμε στο ότι η διάκριση μεταξύ σκοτεινής ύλης και τροποποιημένης βαρύτητας δεν είναι απαραίτητα εύστοχη, όπως δεν ήταν εύστοχη η διάκριση της φύσης του φωτός σε σωματίδιο ή κύμα. Η απάντηση θα μπορούσε να βρίσκεται και στις δυο υποθέσεις ταυτόχρονα. Το ερώτημα είναι πώς τις συνδυάζουμε?

Και για να τα διάβασες όλα αυτά... λογικά θα χρειάζεσαι τρελοκομείο! Πλάκα κάνω, αλλά για να έφτασες ως εδώ σημαίνει ότι ενδιαφέρεσαι για θέματα φυσικής. Κάνε εγγραφή στην λίστα με τα email μας για να σε ενημερώσουμε για τα επόμενα άρθρα μας όταν αυτά γίνουν διαθέσιμα!