Σήμερα γνωρίζουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ύλης που απαρτίζει το Σύμπαν είναι κρυμμένο από τα όργανα παρατήρησής μας. Η σκοτεινή αυτή ύλη είναι περίπου πέντε με έξι φορές περισσότερη από την συνηθισμένη και η παρουσία της γίνεται αντιληπτή μόνο έμμεσα, μέσω της επίδρασης της βαρύτητάς της στη συνηθισμένη ύλη.
Για την μελέτη της σκοτεινής ύλης η Ευρωπαϊκή Διαστημική Υπηρεσία μόλις ενέκρινε μια αποστολή, υπό την καθοδήγηση ερευνητών από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής της Ανδαλουσίας. Το όνομα της αποστολής είναι ARRAKIHS και είναι δανεισμένο από το μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας Dune του Φρανκ Χέρμπερτ.
Από τις κοσμικές ακτίνες στην σκοτεινή ύλη.
Η ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης έχει τις ρίζες της σε ένα άλλο σημαντικό αστρονομικό φαινόμενο, την κοσμική ακτινοβολία, η οποία ανακαλύφθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα. Το 1925 ο Ελβετός αστρονόμος Φριτς Τσβίκι (Fritz Zwicky) ξεκίνησε να εργάζεται με τον Νομπελίστα Ρόμπερτ Μίλικαν στο Καλτέκ της Καλιφόρνια, πάνω στην προέλευση της κοσμικής ακτινοβολίας. Σήμερα γνωρίζουμε ότι αυτή αποτελείται από ένα σύνολο από ενεργητικά σωματίδια, τα οποία κυριολεκτικά λούζουν τον πλανήτη μας και προέρχονται από τον Ήλιο, τα αστέρια, και από εκρηκτικά γεγονότα στο Σύμπαν, όπως εκρήξεις καινοφανών και υπερκαινοφανών.
Οι τελευταίες αποτελούν τα τελευταία στάδια ζωής των πολύ μεγάλων σε μάζα αστεριών, όταν μια τεράστια έκρηξη σκορπάει τα υλικά τους στο μεσοαστρικό χώρο. Η αναζήτηση της προέλευσης των κοσμικών ακτίνων σε συνδυασμό με τις ανακαλύψεις τις εποχής στη σωματιδιακή φυσική οδήγησαν τελικά τον Τσβίκι στη μελέτη των εκρήξεων υπερκαινοφανών.
Με δεδομένο ότι οι εκρήξεις υπερκαινοφανών συμβαίνουν με συχνότητα περίπου μια φορά τον αιώνα σε κάθε γαλαξία, ο Τσβίκι σκέφτηκε να παρατηρήσει το σμήνος γαλαξιών Κόμη, το οποίο βρίσκεται στον αστερισμό της Κόμης της Βερενίκης. Το σμήνος περιέχει περισσότερους από χίλιους γαλαξίες, επομένως στρέφοντας το τηλεσκόπιό του σε αυτό θα είχε περισσότερες πιθανότητες να παρατηρήσει κάποια τέτοια έκρηξη μέσα σε ένα εύλογο χρονικό διάστημα. Τελικά, οι παρατηρήσεις του είχαν ως αποτέλεσμα το 1933 ο Τσβίκι να διαπιστώσει ένα άλλο, απροσδόκητο χαρακτηριστικο των γαλαξιών, ότι δηλαδή αυτοί κινούνται με ταχύτητα πολύ μεγαλύτερη από ό,τι επιτρέπει η παρατηρήσιμη μάζα τους. Εκτίμησε ότι οι γαλαξίες θα πρέπει να περιέχουν μάζα αρκετές φορές μεγαλύτερη από την παρατηρούμενη και ονόμασε την αόρατη αυτή ποσότητα ύλης dunkle Materie, δηλαδή σκοτεινή ύλη.
Παρόλο που η ιδέα αυτή δεν βρήκε απήχηση στην επιστημονική κοινότητα, τέσσερις δεκαετίες αργότερα, η ιδέα της ύπαρξης αόρατης ύλης στο Σύμπαν ήρθε και πάλι στο προσκήνιο. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970 οι Τζέρι Όστρικερ και Τζιμ Πίμπλς παρουσίασαν πειράματα προσομοιώσεων τα οποία έδειχναν ότι οι σπειροειδείς γαλαξίες διαλύονται σχετικά γρήγορα και η παρατηρούμενη ευστάθειά τους απαιτεί μάζα μεγαλύτερη από την ως τότε εκτιμώμενη. Μερικά χρόνια αργότερα, η αστροφυσικός Βέρα Ρούμπιν προσπαθούσε να μετρήσει τη μάζα των γαλαξιών μετρώντας τις ταχύτητες περιφοράς των αστεριών στις παρυφές τους.
Οι παρατηρήσεις της Ρούμπιν έδειξαν 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. Μέχρι στιγμής τα όργανα παρατήρησής μας δεν έχουν καταφέρει να γεφυρώσουν το κενό μεταξύ της παρατηρούμενης και θεωρητικά αναμενόμενης μάζας των γαλαξιών και διάφορα σενάρια έχουν προταθεί για την προέλευση της σκοτεινής αυτής ύλης.
Ένα από αυτά είναι ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σκοτεινά αντικείμενα σχετικά μεγάλης μάζας. Τέτοια θα μπορούσαν να είναι το αποτέλεσμα του αστρικού θανάτου, όπως μελανοί νάνοι ή μαύρες τρύπες και θα μπορούσαν να είναι άφθονα στους γαλαξίες, δεδομένου ότι η ηλικία του Σύμπαντος ξεπερνά κατά πολύ τη διάρκεια ζωής των πρώτων αστέρων. Αν αυτά τα αντικείμενα είναι πράγματι σε τόσο μεγάλες ποσότητες, όσες απαιτούνται για να αναπληρώσουν τη «χαμένη» μάζα, και διάσπαρτα στο Γαλαξία μας, τότε η ύπαρξή τους θα μπορούσε να διαπιστωθεί από την καμπύλωση που θα προκαλούσαν καθώς πλησίαζαν τα αστέρια, λειτουργώντας ως βαρυτικοί φακοί.
Telescope. Πηγή: ESO
Ωστόσο, οι μέχρι στιγμής παρατηρήσεις με τις υπάρχουσες δυνατότητες δεν έχουν δείξει την ύπαρξη τέτοιων αντικειμένων. Ένα πιθανότερο σενάριο 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 πλανητικής κλίμακας. Οι απαντήσεις αναζητούνται τόσο μέσω των πειραμάτων σε επιταχυντές όπου αναζητούνται νέα σωματίδια, όσο και με συνεχείς παρατηρήσεις.
Πάντως, παρά το άγνωστο της προέλευσής της, σήμερα γνωρίζουμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι απαραίτητη για τα φυσικά μοντέλα που περιγράφουν τη δημιουργία και την εξέλιξη των γαλαξιών αλλά και για το κοσμολογικό μοντέλο, προκειμένου να εξηγηθεί η κατανομή της ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, δηλαδή της απομένουσας ακτινοβολίας από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με τη συνήθη ύλη παρά μόνο μέσω βαρυτικής έλξης και η απουσία ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης την καθιστά αόρατη σε όλα τα όργανα παρατήρησης που διαθέτουμε. Επομένως η μελέτη της είναι έμμεση και βασίζεται στην παρατήρηση της συνήθους ύλης που υφίσταται την επίδρασή της.
Η αποστολή ARRAKIHS
Πριν από λίγες ημέρες η Ευρωπαική Υπηρεσία Διαστήματος (European Space Agency, ESA) ενέκρινε μια νέα αποστολή, η οποία έχει ως σκοπό τη μελέτη της σκοτεινής ύλης. Η αποστολή ονομάζεται ΑRRAKIHS (Analysis of Resolved Remnants of Accreted galaxies as a Key Instrument for Halo Surveys). Πρόκειται για μια αποστολή τύπου F (Fast), δηλαδή με ορίζοντα ανάπτυξης μικρότερο από δέκα έτη, η οποία εντάσσεται στο νέο επιστημονικό πρόγραμμα του οργανισμού.
Σύμφωνα με τον Νταβίντ Μαρτίνεζ-Ντελγάδο, του Ινστιτούτου Αστροφυσικής της Ανδαλουσίας, το οποίο ηγείται της αποστολής, η ιδέα εμπνεύστηκε από τις επίγειες παρατηρήσεις ερασιτεχνών αστρονόμων. Οι τελευταίες κατέστησαν δυνατό τον εντοπισμό των λαμπρών αστρικών χειμάρρων στην άλω του Γαλαξία μας, δηλαδή κοσμικής κλίμακας, επιμήκη σύνολα αστεριών, τα οποία έχουν σχηματιστεί από την αλληλεπίδραση μεταξύ του Γαλαξία μας και των νάνων συνοδών γαλαξιών. Κατά τη διάρκεια αυτών των κοσμικών συγκρούσεων οι τεράστιες παλιρροϊκές δυνάμεις που αναπτύσσονται έχουν σαν αποτέλεσμα οι νάνοι γαλαξίες τελικά διαλύονται και να συχωνεύονται από το Γαλαξία μας, ενώ τα υπολείμματά τους σκορπίζουν σχηματίζοντας τους αστρικούς χειμάρρους γύρω από το Γαλαξία μας.
Εξάλλου, η σκοτεινή ύλη δεν είναι κατανεμημένη ομογενώς στο Σύμπαν αλλά σχηματίζει ένα κοσμικό δίκτυο, και ειδικά σε γαλαξιακές κλίμακες σχηματίζει πυκνώματα. Τόσο οι νάνοι γαλαξίες όσο και οι αστροχείμαρροι υφίστανται την βαρυτική επίδραση των συστάδων αυτών της σκοτεινής ύλης. Επομένως, σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα που ηγείται της αποστολής, η μελέτη των κινήσεων και η καταγραφή των πληθυσμών και των σχημάτων των νάνων γαλαξιών και των αστροχειμάρρων θα οδηγήσει σε σημαντικά συμπεράσματα για το είδος της σκοτεινής ύλης.
Όμως, λόγω των συνθηκών στη Γη η μελέτη των αστρικών χειμάρρων και των νάνων συνοδών γαλαξιών με μικρά τηλεσκόπια ευρέος οπτικού πεδίου περιορίζεται από την ατμόσφαιρα ακόμα και όταν τα τηλεσκόπια τοποθετηθούν στις πιο σκοτεινές περιοχές. Σκοπός, επομένως, της αποστολής είναι να θέσει ένα μικρό τηλεσκόπιο έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα, σε τροχιά γύρω από τη Γη. Το τηλεσκόπιο θα έχει ένα πολύ ευρύ οπτικό πεδίο και θα συλλέγει φως από πηγές των οποίων οι κινήσεις ενδεχομένως να επηρεάζονται από την παρουσία της σκοτεινής ύλης. Το φως αυτό θα καταγράφεται από μια καινοτόμα φωτογραφική μηχανή, τόσο στο ορατό όσο και στο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Η μέχρι τώρα γνώση που έχουμε για τους νάνους γαλαξίες χαρακτηρίζεται ως η κορυφή του παγόβουνου. Ακόμα και στον ίδιο τον Γαλαξία μας πιστεύεται ότι υπάρχουν νάνοι συνοδοί κρυμμένοι μέσα στις συστάδες της σκοτεινής ύλης, οι οποίοι δεν έχουν ανιχνευθεί ακόμη. Επιπλέον, με την αποστολή ARRAKIHS αναμένεται να παρατηρήσουμε τις κοσμικές αλληλεπιδράσεις και εκτός του Γαλαξία μας, μεταξύ γαλαξιών και νάνων συνοδών που βρίσκονται σε αποστάσεις μέχρι και εκατό εκατομμυρίων ετών φωτός. Για τέτοια συστήματα δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί αστροχείμαρροι επομένως η ενδεχόμενη ανακάλυψή των αμυδρών αυτών σχηματισμών και η μελέτη της κατανομής τους θα βοηθήσει τους επιστήμονες να καταστρώσουν πιο ακριβή κοσμολογικά μοντέλα.
Πηγές
Andrea Font, “Arrakhis: the tiny satellite aiming to reveal what dark matter is made of” December 9, 2022, The Conversation
Αναζητώντας το Αόρατο Σύμπαν. Νταβιντ Ελμπαζ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2021
