Παραδόξως, το πιο εντυπωσιακό γεγονός για το Σύμπαν δεν είναι η ποικιλία των γαλαξιών, αστεριών και νεφελωμάτων που βλέπουμε, αλλά όλα αυτά που δεν μπορούμε να δούμε. Σήμερα έχουμε πολύ σοβαρούς λόγους να πιστεύουμε ότι μπορούμε να ανιχνεύσουμε με τα (διαφόρων ειδών) τηλεσκόπια και τους ανιχνευτές μας μόλις ένα 5% από το Σύμπαν, ενώ το υπόλοιπο αποτελείται από τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη και μια ακόμη πιο μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια. Στη μελέτη τους συναντιούνται τα δύο άκρα της κλίμακας του χωροχρόνου: η μεγαλύτερη, δηλαδή αυτή του Σύμπαντος, με τη μικρότερη, αυτή των υποατομικών και στοιχειωδών σωματιδίων του καθιερωμένου προτύπου. Ταυτόχρονα, δοκιμάζονται τα όρια των νόμων της σύγχρονης Φυσικής, οι δυνατότητες των πειραματικών μας διατάξεων και η ανθρώπινη φαντασία. Τυχόν ανακαλύψεις σχετικά με τη φύση και την προέλευση του μη ορατού Σύμπαντος θα οδηγήσουν, όπως πολύ συχνά αναφέρεται, πιθανόν σε μια νέα Φυσική.
Η ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης
Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης άρχισε να γίνεται αντιληπτή μόλις μεγάλωσαν τα όρια του γνωστού μας κόσμου, δηλαδή όταν ξεκίνησαν οι συστηματικές, μεγάλης κλίμακας παρατηρήσεις των γαλαξιών. Το 1933 ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky από το Caltech διαπίστωσε, χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις του σμήνους γαλαξιών της Κόμης, ότι οι κινήσεις τους απαιτούσαν την ύπαρξη μάζας μεγαλύτερης από την ορατή μάζα των γαλαξιών. Δηλαδή, οι γαλαξίες κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα από ό,τι επιτρέπει η μάζα τους. Ο Zwicky ονόμασε αυτή την ελλείπουσα μάζα dunkle Materie, δηλαδή σκοτεινή ύλη. Τέσσερις δεκαετίες μετά, μελέτες της περιστροφής των γαλαξιών από τη Vera Rubin έδειξαν επίσης ότι τα άστρα που βρίσκονται στις σπείρες μακριά από το κέντρο του γαλαξία κινούνται τόσο γρήγορα που οι τροχιές τους δεν θα έπρεπε να είναι ευσταθείς, εκτός αν υπάρχει μέσα στους γαλαξίες ένα σημαντικό ποσό σκοτεινής ύλης. Τα αποτελέσματα αυτά παρατηρήθηκαν σε όλους τους γαλαξίες ανεξαιρέτως.
Σήμερα η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης θεωρείται δεδομένη από τους φυσικούς και τους αστροφυσικούς. Τα φυσικά μοντέλα που περιγράφουν τη δημιουργία και την εξέλιξη των γαλαξιών όχι μόνο εμπεριέχουν τη σκοτεινή ύλη, αλλά αυτή θεωρείται απαραίτητη για τη δημιουργία των γαλαξιών. Η βαρυτική έλξη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης παίζει μεγάλο ρόλο στη δημιουργία της αρχικής συγκέντρωσης ύλης που θα αποτελέσει στη συνέχεια έναν γαλαξία. Επίσης, η σκοτεινή ύλη είναι απαραίτητη και στο κοσμολογικό μοντέλο προκειμένου να εξηγηθούν οι χωρικές διακυμάνσεις της ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου (η οποία αποτελεί τον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης).
Τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Τι μπορεί να είναι όμως αυτή η σκοτεινή ύλη; Μπορεί να υπάρχουν σχηματισμοί όπως αστέρια ή γαλαξίες αποτελούμενοι από σκοτεινή ύλη κατ’ αναλογία με τη συνήθη; Τα σενάρια που έχουν προταθεί είναι πολλά και συνεχείς παρατηρήσεις αλλά και πειράματα είναι απαραίτητα ώστε να μπορέσουμε να αποκλείσουμε κάποιες από τις πιθανές εξηγήσεις.
Για παράδειγμα, μια πρώτη απόλυτα λογική εξήγηση είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από αντικείμενα αστρικού μεγέθους, όπως μελανοί νάνοι ή μαύρες τρύπες, τα οποία δεν θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε επειδή είναι σκοτεινά. Τα αντικείμενα αυτά είναι στην ουσία νεκρά άστρα και θα μπορούσαν να είναι άφθονα στους γαλαξίες, δεδομένου ότι η ηλικία του Σύμπαντος είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διάρκεια ζωής των πρώτων αστέρων. Εάν όμως αυτά τα αντικείμενα υπήρχαν σε τόσο μεγάλο βαθμό διάσπαρτα και στον δικό μας Γαλαξία, θα είχαμε παρατηρήσει τις επιπτώσεις τους μέσω της καμπύλωσης που θα προκαλούσαν στον χώρο γύρω τους λειτουργώντας ως βαρυτικοί φακοί για το φως των υπολοίπων αστεριών γύρω τους. Οι μέχρι στιγμής παρατηρήσεις μας αποκλείουν ένα τέτοιο ενδεχόμενο.
Αυτό που θεωρείται πιθανότερο από την επιστημονική κοινότητα είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από κάποια άγνωστα μέχρι στιγμής σωματίδια, τα οποία αλληλεπιδρούν με τη συνήθη ύλη μόνο μέσω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης. Θεωρείται πολύ πιθανό τα σωματίδια της σκοτεινής ύλη να σχηματίζουν συγκεντρώσεις όπως νέφη ή μικρότερα σε έκταση αντικείμενα πλανητική κλίμακας. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι απαντήσεις αναζητούνται τόσο στον μικρόκοσμο, μέσω των πειραμάτων σε επιταχυντές όπου αναζητούνται νέα σωματίδια, όσο και στον μακρόκοσμο με συνεχείς παρατηρήσεις.
Θα μπορούσαν να υπάρχουν αστέρια και γαλαξίες από σκοτεινή ύλη;
Όσο βελτιώνεται η ικανότητά μας να παρατηρούμε πιο αμυδρά αντικείμενα, τόσο περισσότερα μαθαίνουμε για τη σκοτεινή ύλη των γαλαξιών. Πρόσφατα, αστρονομικές παρατηρήσεις από το Maunakea της Χαβάης αποκάλυψαν την ύπαρξη ενός γαλαξία αποτελούμενου κατά 99,99% σκοτεινή ύλη. Επομένως, θα πρέπει να τονιστεί ότι ο γαλαξίας αυτός περιέχει επίσης αστέρια από συνήθη ύλη. Ωστόσο, τέτοιου είδους ανακαλύψεις είναι πολύ σημαντικές διότι αν βρίσκαμε έναν τέτοιο «σκοτεινό» γαλαξία κοντά στη γειτονιά μας, θα είχαμε, ίσως, τη δυνατότητα να αναζητήσουμε πιθανά σήματα που να προδίδουν περισσότερες ιδιότητες της σκοτεινής ύλης και σε πιο απομακρυσμένες περιοχές του Σύμπαντος. Πάντως, η ύπαρξη γαλαξιών εξολοκλήρου φτιαγμένων από σκοτεινή ύλη απαιτεί την ύπαρξη «σκοτεινών» αστέρων, δηλαδή αστεριών φτιαγμένων επίσης εξολοκλήρου από σκοτεινή ύλη. Είναι άραγε κάτι τέτοιο εφικτό;
Σήμερα γνωρίζουμε ότι τα αστέρια δημιουργούνται λόγω της βαρυτικής κατάρρευσης, δηλαδή της συνεχούς συγκέντρωσης και συμπίεσης του μεσοαστρικού υλικού λόγω της ίδιας της βαρύτητάς του. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας και της πυκνότητας στο πρωτοαστρικό νέφος, με αποτέλεσμα, όταν αυτές οι παράμετροι φτάσουν την κατάλληλη τιμή, να ξεκινούν θερμοπυρηνικές αντιδράσεις σύντηξης. Η ενέργεια που παράγεται κατά τη σύντηξη σταματά την περαιτέρω βαρυτική συμπίεση του νεογέννητου, πλέον, αστεριού και ακτινοβολείται στο διάστημα ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
Για να ξεκινήσει, όμως, η βαρυτική κατάρρευση σε ένα νέφος μεσοαστρικής ύλης, χρειάζονται διαδικασίες αλληλεπίδρασης πέραν της βαρυτικής ανάμεσα στα σωματίδια. Αυτές μπορούν να οδηγήσουν σε ψύξη το μεσοαστρικό αέριο, ώστε η βαρυτική αλληλεπίδραση να καταστεί ισχυρότερη από τις θερμικές κινήσεις των σωματιδίων. Στη συνέχεια, η διαδικασία της αστρογένεσης απαιτεί την εκκίνηση θερμοπυρηνικών αντιδράσεων στο εσωτερικό του αστεριού, δηλαδή προϋποθέτει την αλληλεπίδραση της ύλης με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κάτι που (μάλλον) δεν ισχύει για τη σκοτεινή ύλη. Επομένως, εάν υπάρχουν σκοτεινά αστέρια, θα πρέπει να υπάρχει και κάποια διαδικασία που δεν γνωρίζουμε ακόμη, η οποία να είναι σε θέση να αντισταθμίσει την κατάρρευση λόγω βαρύτητας. Παρ’ όλα αυτά, επιστήμονες ή ομάδες επιστημόνων διατυπώνουν πιθανά σενάρια με την ελπίδα κάποια από αυτά να δοκιμαστούν σε πειραματικές διατάξεις ή να αποκλειστούν από τις παρατηρήσεις και τα αποτελέσματα των μέχρι τώρα πειραμάτων.
Ένα από τα σενάρια είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που αποτελούν ταυτόχρονα και τα αντισωματίδια του εαυτού τους. Τα σωματίδια αυτά θα μπορούσαν να εξαϋλώνονται όταν θα έρχονται σε επαφή, παράγοντας τεράστια ποσά ενέργειας. Θα μπορούσαν, λοιπόν, να υπάρχουν κάποια εξωτικά είδη αστεριών με μεγάλα αποθέματα σκοτεινής ύλης, των οποίων η εξαΰλωση θα μπορούσε να συνεισφέρει στην παραγωγή ενέργειας στο εσωτερικό τους. Πάντως, δεν είναι σαφές ποιες θα είναι οι παρατηρούμενες ιδιότητες τέτοιων αντικειμένων εάν αυτά υπάρχουν. Σίγουρα θα πρόκειται για αστέρες των οποίων η μάζα θα μειώνεται δραστικά λόγω της ταχείας εξαΰλωσης μέρους της μάζας τους.
Η σκοτεινή ύλη στο νεαρό Σύμπαν
Ένας άλλος τρόπος να αντλήσουμε πληροφορίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης είναι να προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε τα σημάδια τής τυχόν αλληλεπίδρασης της συνήθους ύλης με τη σκοτεινή είτε τώρα ή στο μακρινό παρελθόν τους Σύμπαντος. Προς αυτή την κατεύθυνση μπορούν να αξιοποιηθούν οι παρατηρήσεις του πειράματος EDGES, το οποίο βρίσκεται σε εξέλιξη. Το EDGES είναι ένα ραδιοτηλεσκόπιο (μια συστοιχία ανιχνευτών ραδιοφωνικής ακτινοβολίας) τοποθετημένο σε μια ήσυχη, ραδιοφωνικά, περιοχή της δυτικής Αυστραλίας. Το τηλεσκόπιο συλλέγει την ακτινοβολία που προέρχεται από το Σύμπαν όταν αυτό είχε ηλικία μεταξύ 150 εκατομμυρίων και 1 δισεκατομμυρίου ετών, όταν δηλαδή διένυε την εποχή του επαναϊονισμού. Τότε, το άφθονο ατομικό υδρογόνο απορροφούσε την ακτινοβολία από τα πρώτα αστέρια και γνωρίζουμε ότι το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ένα συγκεκριμένο είδος ακτινοβολίας στη ραδιοφωνική περιοχή. Το πείραμα EDGES προσπαθεί να ανιχνεύσει αυτή ακριβώς την ακτινοβολία.
Πρόσφατα, οι ερευνητές του πειράματος δημοσίευσαν ένα άρθρο στο περιοδικό «Nature» με το οποίο ανακοίνωσαν την ανίχνευση ακτινοβολίας από τα πρώτα αστέρια που δημιουργήθηκαν στο Σύμπαν. Αυτό το εύρημα είναι πολύ μεγάλης σημασίας, καθώς χαρακτηρίζει μια εποχή που το Σύμπαν άρχισε να αποκτά την πολύπλοκη γνώριμη μορφή του. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η ακτινοβολία αυτή είναι περίπου δύο φορές ισχυρότερη από το αναμενόμενο, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι το αέριο υδρογόνο εκείνη την εποχή πρέπει να ήταν πιο ψυχρό από ό,τι προβλέπεται από τα μοντέλα. Σε ένα δεύτερο άρθρο στο «Nature» διατυπώνεται η άποψη ότι το εύρημα αυτό αποτελεί την πρώτη παρατήρηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ βαρυονικής (δηλαδή της συνηθισμένης ύλης) και ψυχρής σκοτεινής ύλης την εποχή των πρώτων αστεριών. Μέσω αυτής της αλληλεπίδρασης, η βαρυονική ύλη έγινε ψυχρότερη. Φυσικά, για να επιβεβαιωθεί αυτό το σενάριο, απαιτούνται περαιτέρω παρατηρήσεις και από άλλους ερευνητές καθώς και η εύρεση μηχανισμών που να επιτρέπουν την αλληλεπίδραση των σωματιδίων της σκοτεινής με τη βαρυονική ύλη.
