Οι υπολογισμοί των επιστημόνων έδειξαν ότι το 95% του Σύμπαντος αποτελείται από ύλη που δεν έχει ακόμη εξερευνηθεί από τους ανθρώπους: το 70% είναι σκοτεινή ενέργεια και το 25% είναι σκοτεινή ύλη. Υποτίθεται ότι το πρώτο αντιπροσωπεύει ένα ορισμένο πεδίο με μη μηδενική ενέργεια, αλλά το δεύτερο αποτελείται από σωματίδια που μπορούν να ανιχνευθούν και να μελετηθούν.
Αλλά δεν είναι καθόλου τυχαίο ότι αυτή η ουσία ονομάζεται κρυφή μάζα - η αναζήτησή της διαρκεί αρκετό χρόνο και συνοδεύεται από έντονες συζητήσεις μεταξύ των φυσικών. Προκειμένου να φέρει στο κοινό την έρευνά του, το CERN ξεκίνησε μάλιστα την Ημέρα της Σκοτεινής Ύλης, η οποία γιορτάζεται για πρώτη φορά σήμερα, 31 Οκτωβρίου.
Οι υποστηρικτές της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης παρουσιάζουν αρκετά πειστικά επιχειρήματα, που επιβεβαιώνονται από πειραματικά γεγονότα. Η αναγνώρισή του ξεκίνησε τη δεκαετία του 30 του 20ου αιώνα, όταν ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky μέτρησε τις ταχύτητες με τις οποίες κινούνται οι γαλαξίες του σμήνους Coma γύρω από ένα κοινό κέντρο. Όπως γνωρίζετε, η ταχύτητα κίνησης εξαρτάται από τη μάζα. Οι υπολογισμοί του επιστήμονα έδειξαν ότι η πραγματική μάζα των γαλαξιών θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που προσδιορίζεται κατά τις παρατηρήσεις με τη χρήση τηλεσκοπίων. Αποδείχθηκε ότι ένα αρκετά μεγάλο μέρος των γαλαξιών απλά δεν ήταν ορατό σε εμάς. Επομένως, αποτελείται από ύλη που δεν αντανακλά ούτε απορροφά το φως.
Η δεύτερη επιβεβαίωση της ύπαρξης κρυμμένης μάζας είναι η αλλαγή του φωτός καθώς περνά μέσα από τους γαλαξίες. Το γεγονός είναι ότι οποιοδήποτε αντικείμενο με μάζα παραμορφώνει την ευθύγραμμη διαδρομή των ακτίνων φωτός. Έτσι, η σκοτεινή ύλη θα κάνει τις αλλαγές της στην φωτεινή εικόνα (εικόνα απομακρυσμένου αντικειμένου) και θα γίνει διαφορετική από την εικόνα που θα δημιουργούσε μόνο η ορατή ύλη. Υπάρχουν δέκα στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, αλλά αυτά τα δύο είναι τα κύρια.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Φωτογραφία ενός σμήνους γαλαξιών. Οι γραμμές δείχνουν το «περίγραμμα» της σκοτεινής ύλης
Αν και τα στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι αρκετά πειστικά, κανείς δεν έχει βρει ή μελετήσει ακόμη τα σωματίδια που την απαρτίζουν. Οι φυσικοί προτείνουν ότι αυτή η μυστικότητα οφείλεται σε δύο λόγους. Το πρώτο είναι ότι αυτά τα σωματίδια έχουν πολύ υψηλή μάζα (που σχετίζεται με την ενέργεια μέσω του τύπου E=mc²), επομένως οι δυνατότητες των σύγχρονων επιταχυντών απλά δεν είναι αρκετές για να «γεννήσουν» ένα τέτοιο σωματίδιο. Ο δεύτερος λόγος είναι η πολύ μικρή πιθανότητα εμφάνισης της σκοτεινής ύλης. Ίσως δεν μπορούμε να το βρούμε ακριβώς επειδή αλληλεπιδρά εξαιρετικά αδύναμα με το ανθρώπινο σώμα και τα γνωστά σε εμάς σωματίδια. Παρόλο που η σκοτεινή ύλη είναι παντού (σύμφωνα με υπολογισμούς) και τα σωματίδια της κυριολεκτικά ορμούν μέσα μας κάθε δευτερόλεπτο, απλώς δεν το νιώθουμε.
Για να ανιχνεύσουν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ανιχνευτές που βρίσκονται υπόγεια για να ελαχιστοποιήσουν τις περιττές παρεμβολές. Υποτίθεται ότι περιστασιακά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης εξακολουθούν να συγκρούονται με τους ατομικούς πυρήνες, μεταφέρουν μέρος της ορμής τους σε αυτούς, εκτοξεύουν ηλεκτρόνια και προκαλούν λάμψεις φωτός. Η συχνότητα τέτοιων συγκρούσεων εξαρτάται από την πιθανότητα αλληλεπίδρασης των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης με τον πυρήνα, τη συγκέντρωση και τη σχετική ταχύτητά τους (λαμβάνοντας υπόψη την κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο). Αλλά οι πειραματικές ομάδες, ακόμα κι αν ανιχνεύσουν κάποιο αποτέλεσμα, αρνούνται ότι η σκοτεινή ύλη προκάλεσε αυτή την απόκριση του ανιχνευτή. Και μόνο η ιταλική πειραματική ομάδα DAMA, που εργάζεται στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso, αναφέρει ότι παρατηρήθηκαν ετήσιες διακυμάνσεις στον ρυθμό καταμέτρησης των σημάτων, που πιθανώς σχετίζονται με την κίνηση της Γης μέσω της γαλαξιακής κρυμμένης μάζας.
Ανιχνευτής για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης
Σε αυτό το πείραμα, ο αριθμός και η ενέργεια των αναλαμπές φωτός μέσα στον ανιχνευτή μετρώνται σε αρκετά χρόνια. Οι ερευνητές έχουν αποδείξει την παρουσία ασθενών (περίπου 2%) ετήσιων διακυμάνσεων στο ποσοστό καταμέτρησης τέτοιων γεγονότων.
Αν και η ιταλική ομάδα υπερασπίζεται με σιγουριά την αξιοπιστία των πειραμάτων, οι απόψεις των επιστημόνων για αυτό το θέμα είναι μάλλον διφορούμενες. Η κύρια αδυναμία των αποτελεσμάτων που έλαβε ο ιταλικός όμιλος είναι η μοναδικότητά τους. Για παράδειγμα, όταν ανακαλύφθηκαν βαρυτικά κύματα, ανιχνεύτηκαν από εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, επιβεβαιώνοντας έτσι τα δεδομένα που ελήφθησαν από άλλες ομάδες. Στην περίπτωση του DAMA, η κατάσταση είναι διαφορετική - κανείς άλλος στον κόσμο δεν μπορεί να καυχηθεί ότι έχει τα ίδια αποτελέσματα! Φυσικά, είναι πιθανό αυτή η ομάδα να έχει πιο ισχυρούς ανιχνευτές ή δικές της μεθόδους, αλλά αυτή η μοναδικότητα του πειράματος προκαλεί αμφιβολίες σε ορισμένους ερευνητές σχετικά με την αξιοπιστία του.
"Είναι ακόμα αδύνατο να πούμε με τι ακριβώς σχετίζονται τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στο εργαστήριο Gran Sasso. Σε κάθε περίπτωση, μια ομάδα από την Ιταλία έδωσε ένα θετικό αποτέλεσμα, και όχι μια άρνηση κάτι, το οποίο είναι ήδη αίσθηση. Τώρα τα σήματα βρέθηκαν πρέπει να αναζητηθεί μια εξήγηση. Και αυτό είναι ένα μεγάλο κίνητρο για την ανάπτυξη μιας ποικιλίας θεωριών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι αφιερωμένες στη δημιουργία ενός μοντέλου κρυφής μάζας. Αλλά ακόμα κι αν ένας επιστήμονας προσπαθήσει να εξηγήσει γιατί τα δεδομένα που ελήφθησαν δεν σχετίζονται με κανέναν τρόπο στη σκοτεινή ύλη, αυτό μπορεί ακόμα να γίνει ένα νέο βήμα στην κατανόηση της Φύσης. Σε κάθε περίπτωση, το αποτέλεσμα είναι και πρέπει να συνεχίσουμε το έργο. Αλλά αυτή τη στιγμή, προσωπικά δεν μπορώ να συμφωνήσω απόλυτα ότι έχει βρεθεί η σκοτεινή ύλη", σχολιάζει ο Konstantin Belotsky, κορυφαίος ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων στο NRNU MEPhI.
Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως, πρακτικά δεν αλληλεπιδρά με τη «συνηθισμένη» ύλη, οι επιστήμονες δεν έχουν καταφέρει ακόμη να πιάσουν ούτε ένα «σκοτεινό» σωματίδιο. Αλλά χωρίς αυτό, το Σύμπαν που γνωρίζουμε, ακόμα και εμείς οι ίδιοι, δεν θα μπορούσε να υπάρξει. Την Ημέρα της Σκοτεινής Ύλης, η οποία γιορτάζεται στις 31 Οκτωβρίου (οι φυσικοί αποφάσισαν ότι αυτή είναι ακριβώς η κατάλληλη στιγμή για να οργανώσουν διακοπές προς τιμήν της σκοτεινής και άπιαστης ουσίας) Ν+1ρώτησε τον επικεφαλής του τμήματος θεωρητικής αστροφυσικής στο Αστροδιαστημικό Κέντρο του Φυσικού Ινστιτούτου Lebedev, Andrei Doroshkevich, σχετικά με το τι είναι η σκοτεινή ύλη και γιατί είναι τόσο σημαντική.
N+1: Πόσο σίγουροι είναι οι επιστήμονες σήμερα ότι η σκοτεινή ύλη υπάρχει πραγματικά;
Andrey Doroshkevich:Η κύρια απόδειξη είναι οι παρατηρήσεις των διακυμάνσεων της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων, δηλαδή τα αποτελέσματα που έχουν ληφθεί από το WMAP και το διαστημόπλοιο "" τα τελευταία 15 χρόνια.
Μετρούσαν με μεγάλη ακρίβεια τη διαταραχή της θερμοκρασίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, δηλαδή της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Αυτές οι διαταραχές έχουν διατηρηθεί από την εποχή του ανασυνδυασμού, όταν το ιονισμένο υδρογόνο μετατράπηκε σε ουδέτερα άτομα.
Αυτές οι μετρήσεις έδειξαν την παρουσία διακυμάνσεων, πολύ μικρές, περίπου το ένα δέκατο χιλιοστό του Κέλβιν. Όταν όμως άρχισαν να συγκρίνουν αυτά τα δεδομένα με θεωρητικά μοντέλα, ανακάλυψαν σημαντικές διαφορές που δεν μπορούν να εξηγηθούν με κανέναν άλλο τρόπο εκτός από την παρουσία της σκοτεινής ύλης. Χάρη σε αυτό, μπόρεσαν να υπολογίσουν τα μερίδια της σκοτεινής και της συνηθισμένης ύλης στο Σύμπαν με ακρίβεια 1 τοις εκατό.
Κατανομή της ύλης στο Σύμπαν (από αριστερά προς τα δεξιά) πριν και μετά την εμφάνιση δεδομένων από το τηλεσκόπιο Planck
Οι επιστήμονες έχουν κάνει πολλές προσπάθειες να απαλλαγούν από την αόρατη και ανεπαίσθητη σκοτεινή ύλη, δημιουργώντας θεωρίες τροποποιημένης βαρύτητας, όπως η MOND, που προσπαθούν να εξηγήσουν τα παρατηρούμενα φαινόμενα. Γιατί είναι προτιμότερα τα μοντέλα της σκοτεινής ύλης;
Η κατάσταση είναι πολύ απλή: η σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν λειτουργεί καλά σε γήινες κλίμακες, οι δορυφόροι πετούν αυστηρά σύμφωνα με αυτή τη θεωρία. Και λειτουργεί πολύ καλά σε κοσμολογική κλίμακα. Και όλα τα σύγχρονα μοντέλα που αλλάζουν τη βαρύτητα δεν μπορούν να εξηγήσουν τα πάντα. Εισάγουν νέες σταθερές στο νόμο του Νεύτωνα που βοηθούν στην εξήγηση των επιπτώσεων της σκοτεινής ύλης σε επίπεδο γαλαξία, αλλά χάνουν το σημάδι στην κοσμολογική κλίμακα.
Θα μπορούσε η ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων να βοηθήσει εδώ; Ίσως θα βοηθήσει στην απόρριψη ορισμένων από τις θεωρίες;
Αυτό που έχουν τώρα μετρήσει τα βαρυτικά κύματα είναι μια τεράστια τεχνική, όχι επιστημονική, επιτυχία. Το ότι υπάρχουν ήταν γνωστό πριν από 40 χρόνια όταν ανακαλύφθηκε (έμμεσα) η βαρυτική ακτινοβολία από ένα διπλό πάλσαρ. Οι παρατηρήσεις των βαρυτικών κυμάτων επιβεβαίωσαν για άλλη μια φορά την ύπαρξη μαύρων τρυπών, αν και πριν δεν το αμφισβητούσαμε, αλλά τώρα έχουμε περισσότερο ή λιγότερο άμεσες αποδείξεις.
Η μορφή του φαινομένου, οι αλλαγές στα βαρυτικά κύματα ανάλογα με την ισχύ, μπορούν να μας δώσουν πολύ χρήσιμες πληροφορίες, αλλά πρέπει να περιμένουμε άλλα πέντε έως δέκα χρόνια μέχρι να έχουμε αρκετά δεδομένα για να βελτιώσουμε τις θεωρίες της βαρύτητας.
Πώς έμαθαν οι επιστήμονες για τη σκοτεινή ύλη
Η ιστορία της σκοτεινής ύλης ξεκίνησε το 1933, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελέτησε την κατανομή της ταχύτητας των γαλαξιών σε ένα σμήνος που βρίσκεται στον αστερισμό της Βερενίκης. Ανακάλυψε ότι οι γαλαξίες στο σμήνος κινούνταν πολύ γρήγορα και αν λαμβανόταν υπόψη μόνο η ορατή ύλη, το σμήνος δεν θα μπορούσε να είναι σταθερό - οι γαλαξίες απλώς θα διασκορπίζονταν σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στις 16 Φεβρουαρίου 1933, ο Zwicky πρότεινε ότι κρατιόνταν μαζί από μια αόρατη βαρυτική ουσία - Dunkle Materie.
Λίγο αργότερα, άλλοι αστρονόμοι επιβεβαίωσαν την ασυμφωνία μεταξύ της «ορατής» μάζας των γαλαξιών και των παραμέτρων της κίνησής τους.
Το 1958, ο Σοβιετικός αστροφυσικός Viktor Ambartsumyan πρότεινε τη λύση του για το παράδοξο Zwicky. Κατά τη γνώμη του, τα σμήνη γαλαξιών δεν περιέχουν καμία αόρατη ύλη που θα τα συγκρατούσε βαρυτικά. Απλώς παρατηρούμε συστάδες σε διαδικασία αποσύνθεσης. Ωστόσο, οι περισσότεροι αστρονόμοι δεν αποδέχθηκαν αυτή την εξήγηση, καθώς σε αυτή την περίπτωση η διάρκεια ζωής των σμηνών δεν θα ήταν μεγαλύτερη από ένα δισεκατομμύριο χρόνια και δεδομένου ότι η διάρκεια ζωής του Σύμπαντος είναι δέκα φορές μεγαλύτερη, μέχρι σήμερα δεν θα είχαν απομείνει απλά σμήνη.
Η γενικά αποδεκτή κατανόηση της σκοτεινής ύλης είναι ότι αποτελείται από WIMP, τεράστια σωματίδια που έχουν μικρή αλληλεπίδραση με τα συνηθισμένα σωματίδια ύλης. Τι μπορείτε να πείτε για τις ιδιότητές τους;
Έχουν μια αρκετά μεγάλη μάζα - και αυτό είναι σχεδόν όλο, δεν μπορούμε καν να ονομάσουμε την ακριβή μάζα. Διανύουν μεγάλες αποστάσεις χωρίς συγκρούσεις, αλλά οι διαταραχές πυκνότητας σε αυτά δεν εξαφανίζονται ακόμη και σε σχετικά μικρές κλίμακες - και αυτό είναι το μόνο πράγμα που χρειαζόμαστε για τα μοντέλα σήμερα.
Το CMB μας δίνει τα χαρακτηριστικά της σκοτεινής ύλης σε μεγάλες κλίμακες, στην κλίμακα των σμηνών γαλαξιών. Αλλά για να «κατέβουμε» στην κλίμακα των μικρών γαλαξιών, αναγκαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε θεωρητικά μοντέλα.
Η ίδια η ύπαρξη μικρών γαλαξιών υποδηλώνει ότι ακόμη και σε σχετικά μικρές κλίμακες υπήρχαν ανωμαλίες που προέκυψαν λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τέτοιες ανομοιογένειες μπορεί να εξασθενίσουν και να εξομαλυνθούν, αλλά γνωρίζουμε με βεβαιότητα ότι δεν εξασθενούν στην κλίμακα των μικρών γαλαξιών. Αυτό υποδηλώνει ότι αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης πρέπει να έχουν ιδιότητες τέτοιες ώστε αυτές οι διαταραχές να επιμένουν.
Είναι σωστό να πούμε ότι τα αστέρια θα μπορούσαν να προκύψουν μόνο λόγω της σκοτεινής ύλης;
Όχι πραγματικά. Χωρίς τη σκοτεινή ύλη, οι γαλαξίες δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν και τα αστέρια δεν μπορούν να σχηματιστούν έξω από τους γαλαξίες. Σε αντίθεση με τη σκοτεινή ύλη, τα βαρυόνια είναι πάντα ζεστά και αλληλεπιδρούν με την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων. Επομένως, δεν μπορούν να συγκεντρωθούν ανεξάρτητα σε αστέρια· η βαρύτητα των βαρυονίων αστρικής μάζας δεν μπορεί να υπερνικήσει την πίεσή τους.
Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης λειτουργούν ως αόρατο τσιμέντο που έλκει τα βαρυόνια στους γαλαξίες και στη συνέχεια αρχίζει η διαδικασία σχηματισμού άστρων σε αυτούς. Υπάρχει έξι φορές περισσότερη σκοτεινή ύλη από τα βαρυόνια· «οδηγεί» και τα βαρυόνια μόνο την ακολουθούν.
Ανιχνευτής σωματιδίων σκοτεινής ύλης Xenon XENON1T
Συνεργασία Xenon100
Υπάρχει πολλή σκοτεινή ύλη γύρω μας;
Είναι παντού, το μόνο ερώτημα είναι πόσο υπάρχει. Πιστεύεται ότι στον Γαλαξία μας η μάζα της σκοτεινής ύλης είναι ελαφρώς μικρότερη από 10 τοις εκατό.
Αλλά ήδη στην περιοχή του Γαλαξία υπάρχει περισσότερη σκοτεινή ύλη, μπορούμε να δούμε σημάδια της παρουσίας τόσο γύρω από το δικό μας όσο και σε άλλα αστρικά συστήματα. Φυσικά, το βλέπουμε χάρη στα βαρυόνια, τα παρατηρούμε και καταλαβαίνουμε ότι «κολλάνε» εκεί μόνο λόγω της παρουσίας σκοτεινής ύλης.
Πώς οι επιστήμονες αναζητούν τη σκοτεινή ύλη
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι φυσικοί διεξάγουν πειράματα σε εγκαταστάσεις βαθιά υπόγεια, σε μια προσπάθεια να συλλάβουν τις συγκρούσεις μεμονωμένων σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Τα τελευταία 15 χρόνια, η συλλογική ευαισθησία αυτών των πειραμάτων έχει αυξηθεί εκθετικά, διπλασιάζοντας κατά μέσο όρο κάθε χρόνο. Δύο μεγάλες συνεργασίες, το XENON και το PandaX-II, κυκλοφόρησαν πρόσφατα νέους, ακόμη πιο ευαίσθητους ανιχνευτές.
Ο πρώτος από αυτούς κατασκεύασε τον μεγαλύτερο ανιχνευτή σκοτεινής ύλης στον κόσμο, τον XENON1T. Χρησιμοποιεί έναν στόχο 2.000 κιλών από υγρό ξένο, τοποθετημένο σε δεξαμενή νερού ύψους 10 μέτρων. Όλα αυτά βρίσκονται υπόγεια σε βάθος 1,4 χιλιομέτρων στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso (Ιταλία). Η εγκατάσταση PandaX-II είναι θαμμένη σε βάθος 2,4 χιλιομέτρων στην κινεζική επαρχία Σιτσουάν και περιέχει 584 κιλά υγρού ξένου.
Και τα δύο πειράματα χρησιμοποιούν xenon επειδή είναι εξαιρετικά αδρανές, γεγονός που βοηθά στη διατήρηση των επιπέδων θορύβου χαμηλά. Επιπλέον, οι πυρήνες των ατόμων ξένου είναι σχετικά βαρείς (που περιέχουν κατά μέσο όρο 131 νουκλεόνια ανά πυρήνα), γεγονός που παρέχει έναν «μεγαλύτερο» στόχο για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Εάν ένα από αυτά τα σωματίδια συγκρουστεί με τον πυρήνα ενός ατόμου ξένου, θα παράγει μια αδύναμη αλλά αντιληπτή λάμψη φωτός (σπινθηρισμός) και το σχηματισμό ηλεκτρικού φορτίου. Η παρατήρηση ακόμη και ενός μικρού αριθμού τέτοιων γεγονότων μπορεί να μας δώσει σημαντικές ενδείξεις για τη φύση της σκοτεινής ύλης.
Μέχρι στιγμής, ούτε αυτά ούτε άλλα πειράματα έχουν καταφέρει να ανιχνεύσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης, αλλά αυτή η σιωπή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τεθεί ένα ανώτατο όριο στην πιθανότητα σύγκρουσης σωματιδίων σκοτεινής ύλης με σωματίδια συνηθισμένης ύλης.
Μπορούν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης να σχηματίσουν συστάδες όπως τα σωματίδια της κανονικής ύλης;
Μπορούν, αλλά το όλο ερώτημα είναι τι πυκνότητα. Από την άποψη της αστροφυσικής, οι γαλαξίες είναι πυκνά αντικείμενα, η πυκνότητά τους είναι της τάξης του ενός πρωτονίου ανά κυβικό εκατοστό και τα αστέρια είναι πυκνά αντικείμενα, με πυκνότητα της τάξης του γραμμαρίου ανά κυβικό εκατοστό. Αλλά υπάρχουν 24 τάξεις μεγέθους διαφορά μεταξύ τους. Τυπικά, τα νέφη της σκοτεινής ύλης έχουν «γαλαξιακή» πυκνότητα.
Έχουν πολλοί άνθρωποι την ευκαιρία να αναζητήσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης;
Προσπαθούν να συλλάβουν τις αλληλεπιδράσεις μεμονωμένων σωματιδίων σκοτεινής ύλης με άτομα συνηθισμένης ύλης, όπως κάνουν με τα νετρίνα. Αλλά είναι πολύ δύσκολο να τα πιάσεις, και δεν είναι γεγονός ότι είναι καν δυνατό.
Το τηλεσκόπιο CAST (CERN Axion Solar Telescope) στο CERN αναζητά υποθετικά σωματίδια -αξόνια- που θα μπορούσαν να συνθέσουν τη σκοτεινή ύλη.
Ίσως η σκοτεινή ύλη γενικά αποτελείται από τα λεγόμενα σωματίδια «καθρέφτη», τα οποία, καταρχήν, μπορούν να παρατηρηθούν μόνο από τη βαρύτητα τους. Η υπόθεση ενός δεύτερου «καθρέφτη» Σύμπαντος προτάθηκε πριν από μισό αιώνα· αυτό είναι ένα είδος διπλασιασμού της πραγματικότητας.
Έχουμε μόνο πραγματικές παρατηρήσεις από την κοσμολογία.
Συνέντευξη από τον Sergey Kuznetsov
ΜΟΣΧΑ, 31 Οκτωβρίου - RIA Novosti, Όλγα Κολέντσοβα.Οι υπολογισμοί των επιστημόνων έδειξαν ότι το 95% του Σύμπαντος αποτελείται από ύλη που δεν έχει ακόμη εξερευνηθεί από τους ανθρώπους: το 70% είναι σκοτεινή ενέργεια και το 25% είναι σκοτεινή ύλη. Υποτίθεται ότι το πρώτο αντιπροσωπεύει ένα ορισμένο πεδίο με μη μηδενική ενέργεια, αλλά το δεύτερο αποτελείται από σωματίδια που μπορούν να ανιχνευθούν και να μελετηθούν. Αλλά δεν είναι καθόλου τυχαίο ότι αυτή η ουσία ονομάζεται κρυφή μάζα - η αναζήτησή της διαρκεί αρκετό χρόνο και συνοδεύεται από έντονες συζητήσεις μεταξύ των φυσικών. Προκειμένου να φέρει στο κοινό την έρευνά του, το CERN ξεκίνησε μάλιστα την Ημέρα της Σκοτεινής Ύλης, η οποία γιορτάζεται για πρώτη φορά σήμερα, 31 Οκτωβρίου.
Οι υποστηρικτές της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης παρουσιάζουν αρκετά πειστικά επιχειρήματα, που επιβεβαιώνονται από πειραματικά γεγονότα. Η αναγνώρισή του ξεκίνησε τη δεκαετία του 30 του 20ου αιώνα, όταν ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky μέτρησε τις ταχύτητες με τις οποίες κινούνται οι γαλαξίες του σμήνους Coma γύρω από ένα κοινό κέντρο. Όπως γνωρίζετε, η ταχύτητα κίνησης εξαρτάται από τη μάζα. Οι υπολογισμοί του επιστήμονα έδειξαν ότι η πραγματική μάζα των γαλαξιών θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που προσδιορίζεται κατά τις παρατηρήσεις με τη χρήση τηλεσκοπίων. Αποδείχθηκε ότι ένα αρκετά μεγάλο μέρος των γαλαξιών απλά δεν ήταν ορατό σε εμάς. Επομένως, αποτελείται από ύλη που δεν αντανακλά ούτε απορροφά το φως.
Η δεύτερη επιβεβαίωση της ύπαρξης κρυμμένης μάζας είναι η αλλαγή του φωτός καθώς περνά μέσα από τους γαλαξίες. Το γεγονός είναι ότι οποιοδήποτε αντικείμενο με μάζα παραμορφώνει την ευθύγραμμη διαδρομή των ακτίνων φωτός. Έτσι, η σκοτεινή ύλη θα κάνει τις αλλαγές της στην φωτεινή εικόνα (εικόνα απομακρυσμένου αντικειμένου) και θα γίνει διαφορετική από την εικόνα που θα δημιουργούσε μόνο η ορατή ύλη. Υπάρχουν δέκα στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, αλλά αυτά τα δύο είναι τα κύρια.
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
© 2012 The Authors Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2012 RAS
Αν και τα στοιχεία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης είναι αρκετά πειστικά, κανείς δεν έχει βρει ή μελετήσει ακόμη τα σωματίδια που την απαρτίζουν. Οι φυσικοί προτείνουν ότι αυτή η μυστικότητα οφείλεται σε δύο λόγους. Το πρώτο είναι ότι αυτά τα σωματίδια έχουν πολύ υψηλή μάζα (που σχετίζεται με την ενέργεια μέσω του τύπου E=mc²), επομένως οι δυνατότητες των σύγχρονων επιταχυντών απλά δεν επαρκούν για τη «γέννηση» ενός τέτοιου σωματιδίου. Ο δεύτερος λόγος είναι η πολύ μικρή πιθανότητα εμφάνισης της σκοτεινής ύλης. Ίσως δεν μπορούμε να το βρούμε ακριβώς επειδή αλληλεπιδρά εξαιρετικά αδύναμα με το ανθρώπινο σώμα και τα γνωστά σε εμάς σωματίδια. Παρόλο που η σκοτεινή ύλη είναι παντού (σύμφωνα με υπολογισμούς) και τα σωματίδια της κυριολεκτικά ορμούν μέσα μας κάθε δευτερόλεπτο, απλώς δεν το νιώθουμε.
Για να ανιχνεύσουν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν ανιχνευτές που βρίσκονται υπόγεια για να ελαχιστοποιήσουν τις περιττές παρεμβολές. Υποτίθεται ότι περιστασιακά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης εξακολουθούν να συγκρούονται με τους ατομικούς πυρήνες, μεταφέρουν μέρος της ορμής τους σε αυτούς, εκτοξεύουν ηλεκτρόνια και προκαλούν λάμψεις φωτός. Η συχνότητα τέτοιων συγκρούσεων εξαρτάται από την πιθανότητα αλληλεπίδρασης των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης με τον πυρήνα, τη συγκέντρωση και τη σχετική ταχύτητά τους (λαμβάνοντας υπόψη την κίνηση της Γης γύρω από τον Ήλιο). Αλλά οι πειραματικές ομάδες, ακόμα κι αν ανιχνεύσουν κάποιο αποτέλεσμα, αρνούνται ότι η σκοτεινή ύλη προκάλεσε αυτή την απόκριση του ανιχνευτή. Και μόνο η ιταλική πειραματική ομάδα DAMA, που εργάζεται στο υπόγειο εργαστήριο του Gran Sasso, αναφέρει ότι παρατηρήθηκαν ετήσιες διακυμάνσεις στον ρυθμό καταμέτρησης των σημάτων, που πιθανώς σχετίζονται με την κίνηση της Γης μέσω της γαλαξιακής κρυμμένης μάζας.
© Φωτογραφία: SuperCMDS Collaboration
Σε αυτό το πείραμα, ο αριθμός και η ενέργεια των αναλαμπές φωτός μέσα στον ανιχνευτή μετρώνται σε αρκετά χρόνια. Οι ερευνητές έχουν αποδείξει την παρουσία ασθενών (περίπου 2%) ετήσιων διακυμάνσεων στο ποσοστό καταμέτρησης τέτοιων γεγονότων.
Αν και η ιταλική ομάδα υπερασπίζεται με σιγουριά την αξιοπιστία των πειραμάτων, οι απόψεις των επιστημόνων για αυτό το θέμα είναι μάλλον διφορούμενες. Η κύρια αδυναμία των αποτελεσμάτων που έλαβε ο ιταλικός όμιλος είναι η μη επαναληψιμότητα τους. Για παράδειγμα, όταν ανακαλύφθηκαν βαρυτικά κύματα, ανιχνεύτηκαν από εργαστήρια σε όλο τον κόσμο, επιβεβαιώνοντας έτσι τα δεδομένα που ελήφθησαν από άλλες ομάδες. Στην περίπτωση του DAMA, η κατάσταση είναι διαφορετική - κανείς άλλος στον κόσμο δεν μπορεί να καυχηθεί ότι έχει τα ίδια αποτελέσματα! Φυσικά, είναι πιθανό αυτή η ομάδα να έχει πιο ισχυρούς ανιχνευτές ή δικές της μεθόδους, αλλά αυτή η μοναδικότητα του πειράματος προκαλεί αμφιβολίες σε ορισμένους ερευνητές σχετικά με την αξιοπιστία του.
"Είναι ακόμα αδύνατο να πούμε με τι ακριβώς σχετίζονται τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στο εργαστήριο Gran Sasso. Σε κάθε περίπτωση, μια ομάδα από την Ιταλία έδωσε ένα θετικό αποτέλεσμα, και όχι μια άρνηση κάτι, το οποίο είναι ήδη αίσθηση. Τώρα τα σήματα βρέθηκαν πρέπει να αναζητηθεί μια εξήγηση. Και αυτό είναι ένα μεγάλο κίνητρο για την ανάπτυξη μιας ποικιλίας θεωριών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που είναι αφιερωμένες στη δημιουργία ενός μοντέλου κρυφής μάζας. Αλλά ακόμα κι αν ένας επιστήμονας προσπαθήσει να εξηγήσει γιατί τα δεδομένα που ελήφθησαν δεν σχετίζονται με κανέναν τρόπο στη σκοτεινή ύλη, αυτό μπορεί ακόμα να γίνει ένα νέο βήμα στην κατανόηση της Φύσης. Σε κάθε περίπτωση, το αποτέλεσμα είναι και πρέπει να συνεχίσουμε το έργο. Αλλά αυτή τη στιγμή, προσωπικά δεν μπορώ να συμφωνήσω απόλυτα ότι έχει βρεθεί η σκοτεινή ύλη", σχολιάζει ο Konstantin Belotsky, κορυφαίος ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων στο National Research Nuclear University MEPhI.
Ένα θεωρητικό κατασκεύασμα στη φυσική που ονομάζεται Καθιερωμένο Μοντέλο περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις όλων των στοιχειωδών σωματιδίων που είναι γνωστά στην επιστήμη. Αλλά αυτό είναι μόνο το 5% της ύλης που υπάρχει στο Σύμπαν, το υπόλοιπο 95% είναι εντελώς άγνωστης φύσης. Τι είναι αυτή η υποθετική σκοτεινή ύλη και πώς προσπαθούν οι επιστήμονες να την εντοπίσουν; Ο Hayk Hakobyan, φοιτητής του MIPT και υπάλληλος του Τμήματος Φυσικής και Αστροφυσικής, μιλά για αυτό ως μέρος ενός ειδικού έργου.
Το Καθιερωμένο Μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, που επιβεβαιώθηκε τελικά μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, περιγράφει τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις (ηλεκτροασθενείς και ισχυρές) των συνηθισμένων σωματιδίων που γνωρίζουμε: λεπτόνια, κουάρκ και φορείς δύναμης (μποζόνια και γκλουόνια). Ωστόσο, αποδεικνύεται ότι όλη αυτή η τεράστια σύνθετη θεωρία περιγράφει μόνο περίπου το 5-6% όλης της ύλης, ενώ το υπόλοιπο δεν ταιριάζει σε αυτό το μοντέλο. Οι παρατηρήσεις των πρώτων στιγμών του Σύμπαντος μας δείχνουν ότι περίπου το 95% της ύλης που μας περιβάλλει είναι εντελώς άγνωστης φύσης. Με άλλα λόγια, βλέπουμε έμμεσα την παρουσία αυτής της κρυφής ύλης λόγω της βαρυτικής της επιρροής, αλλά δεν έχουμε καταφέρει ακόμα να την συλλάβουμε άμεσα. Αυτό το κρυφό φαινόμενο μάζας ονομάζεται «σκοτεινή ύλη».
Η σύγχρονη επιστήμη, ιδιαίτερα η κοσμολογία, λειτουργεί σύμφωνα με την απαγωγική μέθοδο του Σέρλοκ Χολμς
Τώρα ο κύριος υποψήφιος από την ομάδα WISP είναι το axion, το οποίο προκύπτει στη θεωρία της ισχυρής αλληλεπίδρασης και έχει πολύ μικρή μάζα. Ένα τέτοιο σωματίδιο είναι ικανό να μετατραπεί σε ζεύγος φωτονίων-φωτονίων σε υψηλά μαγνητικά πεδία, κάτι που δίνει υποδείξεις για το πώς μπορεί κανείς να προσπαθήσει να το ανιχνεύσει. Το πείραμα ADMX χρησιμοποιεί μεγάλους θαλάμους που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο 80.000 gauss (δηλαδή 100.000 φορές το μαγνητικό πεδίο της Γης). Θεωρητικά, ένα τέτοιο πεδίο θα πρέπει να διεγείρει τη διάσπαση ενός άξονα σε ένα ζεύγος φωτονίων-φωτονίων, το οποίο θα πρέπει να πιάσουν οι ανιχνευτές. Παρά τις πολυάριθμες προσπάθειες, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατός ο εντοπισμός WIMP, αξιονών ή στείρων νετρίνων.
Έτσι, έχουμε ταξιδέψει μέσα από έναν τεράστιο αριθμό διαφορετικών υποθέσεων που επιδιώκουν να εξηγήσουν την παράξενη παρουσία της κρυμμένης μάζας και, έχοντας απορρίψει όλες τις αδυναμίες με τη βοήθεια των παρατηρήσεων, καταλήξαμε σε πολλές πιθανές υποθέσεις με τις οποίες μπορούμε ήδη να εργαστούμε.
Ένα αρνητικό αποτέλεσμα στην επιστήμη είναι επίσης αποτέλεσμα, αφού δίνει περιορισμούς σε διάφορες παραμέτρους των σωματιδίων, για παράδειγμα, εξαλείφει το εύρος των πιθανών μαζών. Από χρόνο σε χρόνο, όλο και περισσότερες νέες παρατηρήσεις και πειράματα σε επιταχυντές παρέχουν νέους, πιο αυστηρούς περιορισμούς στη μάζα και σε άλλες παραμέτρους των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Έτσι, ρίχνοντας όλες τις αδύνατες επιλογές και περιορίζοντας τον κύκλο των αναζητήσεων, μέρα με τη μέρα πλησιάζουμε στο να κατανοήσουμε από τι αποτελείται το 95% της ύλης στο Σύμπαν μας.
