Το μυστήριο της Σκοτεινής Ύλης

Από τη δεκαετία του 1930, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το Σύμπαν περιέχει περισσότερη ύλη από αυτή την οποία μπορούμε να δούμε. Πώς το ήξεραν αυτό; Παρατηρώντας τις κινήσεις των αστεριών και του αερίων (κυρίως υδρογόνου και ηλίου) εντός των γαλαξιών, υπολογίζοντας τη συνολική τους μάζα. Για τον υπολογισμό, αυτό βασίστηκαν στο γεγονός ότι η βαρύτητα διατηρεί, τα αστέρια και το αέριο, δεσμευμένα σε ένα σύστημα – όπως διατηρούνται οι πλανήτες σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, στο Ηλιακό μας Σύστημα.

Για να καταλάβουμε καλύτερα την έννοια της βαρύτητας, όπως αναπτύχθηκε από τον Νεύτωνα το 1687, ας υποθέσουμε ότι ο Ήλιος ξαφνικά χάνει μια μεγάλη ποσότητα μάζας. Τότε η βαρυτική έλξη που αισθάνονται οι πλανήτες θα μειωθεί και έτσι αυτοί θα αλλάξουν τροχιά, ερχόμενοι πιο κοντά στον “Νέο Ήλιο”, ώστε να ισορροπήσουν και πάλι. Για να παραμείνει η τροχιά των πλανητών σταθερή στην αρχική της θέση γύρω από τον “Νέο Ήλιο”, τότε θα πρέπει να μειωθεί η ταχύτητα περιφοράς τους γύρω από αυτόν.

Όταν επομένως οι επιστήμονες μελέτησαν τις κινήσεις των αστεριών εντός των γαλαξιών, βρήκαν ότι αυτά κινούνται με ταχύτητες πολύ μεγαλύτερες από τις αναμενόμενες (με βάση τη θεωρία του Νεύτωνα). Το γεγονός αυτό, καταδεικνύει  την ύπαρξη ύλης, την οποία δε μπορούμε να παρατηρήσουμε. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1 η ταχύτητα των αστεριών καθώς απομακρύνονται από το κέντρο του γαλαξία θα έπρεπε να μειώνεται. Όμως, όπως παρατηρούμε, υπάρχει διαφορά μεταξύ της θεωρητικής και της παρατηρούμενης καμπύλης. Η διαφορά αυτή θα μπορούσε να εξηγηθεί από την ύπαρξη ύλης η οποία είναι “κρυμμένη”, η επονομαζόμενη “Σκοτεινή Ύλη”.

Γιατί σκοτεινή; Και γιατί Σκοτεινή Ύλη; Αυτή είναι μία αμφιλεγόμενη ερώτηση. Οι επιστήμονες γενικά, όταν δεν “βλέπουν” κάτι το αναφέρουν ως “Σκοτεινό”, παραδείγματος χάριν η “Σκοτεινή πλευρά της Σελήνης”, που στην πραγματικότητα απλά δεν είναι ορατή από τη Γη, αλλά την έχουμε δει με χρήση δορυφόρων. Εξαιτίας λοιπόν της ασθενούς αλληλεπίδρασης με τον “ορατό κόσμο”, η Σκοτεινή Ύλη δεν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και δεν έχει ποτέ ανιχνευθεί άμεσα. Έτσι παρατηρείται μόνο εμμέσως, μέσω της βαρυτικής της αλληλεπίδρασης, όπως για παράδειγμα αναφέραμε προηγουμένως, μέσω των κινήσεων των άστρων εντός των γαλαξιών.Με βάση τις υπάρχουσες θεωρίες, πιστεύουμε ότι το 80% της μάζας του Σύμπαντος είναι σκοτεινή! Η μάζα της ύλης που ανιχνεύεται άμεσα, όπως τα αστέρια, οι πλανήτες κτλ, αποτελεί ένα μικρό μέρος του Σύμπαντος (και την αναφέρουμε ως βαρυονική ύλη). 

Οι κοσμολογικές θεωρίες προτείνουν ότι στο πρώιμο σύμπαν, δομές που αποτελούνταν από Σκοτεινή Ύλη σχηματίστηκαν πρώτες και δέσμευσαν τη βαρυονική ύλη στο βαρυτικό δυναμικό τους πεδίο, η οποία αργότερα σχημάτισε τους γαλαξίες. Αυτό σημαίνει ότι οι ιδιότητες και η κίνηση των γαλαξιών επηρεάζονται και εξαρτώνται από τη Σκοτεινή Ύλη. Υπάρχουν ακόμα πολλές ανοιχτές ερωτήσεις για τη Σκοτεινή Ύλη, γεγονός που την καθιστά ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Για παράδειγμα, δεν γνωρίζουμε ακόμα πώς αλληλεπιδρά, πού είναι, πώς μπορούμε να την παρατηρήσουμε και από τι αποτελείται.

Η επικρατέστερη θεωρία υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη είναι είναι μια οικογένεια σωματιδίων που ονομάζονται WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles – WIMPs). Αυτά τα υποθετικά μαζικά σωματίδια αλληλεπιδρούν μόνο ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη και γι’ αυτό είναι πολύ δύσκολο να εντοπιστούν.

Υπάρχουν πειράματα σε εξέλιξη που στοχεύουν στο να μελετήσουν την αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινής και συνηθισμένης ύλης σε συνθήκες εργαστηρίου. Ένα παράδειγμα είναι το XENON1T, το οποίο είναι ένα υπόγειο εργαστήριο κάτω από το ιταλικό βουνό Gran Sasso και χρησιμοποιεί τόνους υγρού Ξένου ως στόχους*. Άλλο πείραμα που στοχεύει στην παραγωγή WIMPs μέσω απευθείας συγκρούσεων, είναι το Large Hadron Collider (LHC) στο CERN, το οποίο είναι ο μεγαλύτερος και ισχυρότερος επιταχυντής σωματιδίων στον πλανήτη.  Μέχρι τώρα, αυτές οι προσπάθειες δεν έχουν αποδώσει καρπούς,όμως, η έλλειψη ανίχνευσης μας βοηθάει να περιορίσουμε τις θεωρίες γύρω από τη Σκοτεινή Ύλη και να την κατανοήσουμε καλύτερα.

Βέβαια είναι πιθανόν η Σκοτεινή Ύλη να είναι κάτι που δεν έχουμε σκεφτεί ακόμη, κάτι πολύ εξωτικό με απροσδόκητη συμπεριφορά! Ευτυχώς, η επιμονή των επιστημόνων να κατανοήσουν τη Σκοτεινή Ύλη, τους οδηγεί στο να συνεχίσουν να κατασκευάζουν μεγαλύτερους και πιο ευαίσθητους ανιχνευτές, που αναμένεται να μας προσφέρουν περισσότερες ενδείξεις για το μυστήριο της. Τουλάχιστον είμαστε σίγουροι για ένα πράγμα: οι επιστήμονες που θα ανακαλύψουν τη φύση της Σκοτεινής Ύλης και θα απαντήσουν σε αυτό το μακροχρόνιο αίνιγμα θα λάβουν το βραβείο Nobel!

* Χρησιμοποιούνται υπόγεια εργαστήρια ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο θόρυβος από άλλα σωματίδια που εισχωρούν στην ατμόσφαιρα της Γης. Την ίδια στιγμή, υλικά όπως το Ξένο, δεν είναι ραδιενεργά (ή αλλιώς έχουν σταθερές ιδιότητες) και έχουν βαριούς πυρήνες μειώνοντας τον θόρυβο και αυξάνοντας τη πιθανότητα σύγκρουσης με τα “σωματίδια”  Σκοτεινής Ύλης.