Κυριακή, 26 Ιουνίου 2016

Υπόνοιες για ελαφρά σωματίδια σκοτεινής ύλης στο διάστημα

Milky_Way
Υπαινιγμοί για την παρουσία ενός ελαφρού σωματιδίου σκοτεινής ύλης βρέθηκαν σε μια λάμψη ακτίνων γάμμα στην καρδιά του Γαλαξία μας. Η φαινόμενη μάζα του σωματιδίου ταιριάζει με κάποια πειραματικά σήματα που νομίζουμε ότι προέρχονται από σκοτεινή ύλη, σε δύο πειράματα άμεσης ανίχνευσης της στη Γη. Όμως άλλοι ερευνητές προειδοποιούν ότι οι συμβατικές πηγές – όπως τα πάλσαρ – μπορεί να είναι υπεύθυνες για αυτή την ακτινοβολία γάμμα.

Σωματίδια σκοτεινής ύλης εξολοθρεύονται μεταξύ τους παράγοντας ακτίνες γάμμα στο κέντρο του Γαλαξία

Ο Γαλαξίας μας θεωρείται ότι είναι πλημμυρισμένος από σκοτεινή ύλη, μια ουσία που ακόμη είναι άγνωστη αλλά είναι υπεύθυνη για το 80 τοις εκατό της ύλης που υπάρχει στο σύμπαν. Παρά το γεγονός ότι η σκοτεινή ύλη έχει ανιχνευθεί μέσω της βαρυτικής έλξης της πάνω στα αστέρια και τους γαλαξίες, πολλές από τις βασικές ιδιότητές της είναι ακόμα άγνωστες.

Ένας τρόπος για τη μελέτη της σκοτεινής ύλης είναι να ψάξει κάποιος για το φως των ακτίνων-γ, που παράγεται όταν συναντηθούν μεταξύ τους σωματίδια της σκοτεινής ύλης οπότε εξαϋλώνονται παράγοντας ένα χείμαρρο άλλων σωματιδίων και ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν σπάνια, το καλύτερο μέρος για να βρούμε αυτό το φως είναι στα κέντρα των γαλαξιών, όπου η συγκέντρωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης είναι πιο πυκνή.

Το κέντρο του Γαλαξία μας φαίνεται να λάμπει με ένα φως που μπορεί να προέρχεται από την εξαΰλωση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, λένε ο Dan Hooper του Εθνικού Επιταχυντή Fermi στην Batavia, και η Lisa Goodenough του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης.

Πολύ λαμπρές ακτίνες-γ

Σε μια νέα ανάλυση δεδομένων – μετά από έρευνα δύο ετών – που συλλέχθηκαν από το τροχιακό τηλεσκόπιο Fermi της NASA, η ομάδα αυτή έχει βρει ενδείξεις υπερβολικά λαμπρών ακτίνων γάμμα οι οποίες εκπέμπονται από το εσωτερικό – με μήκος 100 έτη φωτός – του Γαλαξία.

Οι ειδικοί λένε ότι το φως είναι πολύ έντονο, ενεργητικό, και είναι δύσκολο να εξηγηθεί από τις γνωστές πηγές ακτίνων-γ. "Είμαστε σε ένα σημείο όπου έχουμε ένα σαφές μήνυμα για το τι νομίζουμε ότι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη, χωρίς καμία άλλη εξήγηση," λέει ο Dan Hooper.

Δεν είναι μάλιστα η πρώτη φορά που ακτίνες γάμμα έχουν αποδοθεί σε σκοτεινή ύλη. Ο ευρωπαϊκός δορυφόρος INTEGRAL, που εκτοξεύτηκε το 2002, αποκάλυψε επίσης μια απρόσμενη φωτεινή ακτινοβολία ακτίνων γάμμα, να προέρχεται από το γαλαξιακό κέντρο.

Αυτές οι ακτίνες γάμμα από το INTEGRAL είχαν μια ενέργεια 511 keV. Αυτό υποδεικνύει ότι παρήχθησαν με εξαϋλώσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων, που με τη σειρά τους μπορεί να έχουν ξεπηδήσει από εξαϋλώσεις της σκοτεινής ύλης. Όμως, ενώ η λάμψη έχει αποδειχθεί δύσκολο να ερμηνευθεί, ο πιθανός ένοχος μπορεί να είναι οι συμβατικές αστροφυσικές πηγές, όπως είναι οι αστρικές εκρήξεις και τα αστέρια νετρονίων.

Οι ακτίνες γάμμα από το Fermi είναι 10.000 φορές πιο ενεργητικές, και μπορεί να προκύψουν από τη διάσπαση βραχύβιων σωματιδίων, όπως τα ταυ λεπτόνια, που παράγονται με εξαϋλώσεις σκοτεινής ύλης. Ο Hooper αναφέρει ότι το σήμα από το Fermi είναι πολύ πιο δύσκολο να εξηγηθεί με τις αστρονομικές πηγές: "Εκτός από την σκοτεινή ύλη, εμείς δεν γνωρίζουμε κανένα άλλο μηχανισμό για να δημιουργήσει αυτό το σήμα."

Άμεσα πειράματα ανίχνευσης

Αναλύοντας το φάσμα των ακτίνων γάμμα που παράγονται στο γαλαξιακό κέντρο, η ερευνητική ομάδα εκτίμησε ότι το φως προέρχονται από σωματίδια σκοτεινής ύλης τα οποία πρέπει να έχουν μάζα μεταξύ 7,3 και 9,2 δισεκατομμύρια eV, ή περίπου 8 φορές τη μάζα του πρωτονίου.

Αυτή η μάζα είναι το ελαφρύ άκρο της προβλεπόμενης τιμής για τη μάζα των WIMPs, το επικρατέστερο σωματίδιο της σκοτεινής ύλης. Τα σωματίδια πρέπει να είναι χονδρικά μεταξύ 10 και 1000 GeV να έχουν δημιουργηθεί σε επαρκείς ποσότητες στο πρώιμο σύμπαν για να εξηγηθεί η αφθονία που βλέπουμε σήμερα, συμπεραίνει ο Hooper.

Περιέργως, η μάζα αυτή ταιριάζει αρκετά καλά και με τις ενδείξεις για ανιχνεύσεις της σκοτεινής ύλης από πειράματα, που κυνηγούν συγκρούσεις των σωματιδίων αυτών πάνω στη Γη. Αρχές του 2010, το πείραμα νετρίνων CoGeNT, που έχει σαν βάση του το ορυχείο σιδήρου Soudan στη Μινεσότα, έδωσε στην δημοσιότητα στοιχεία που δείχνουν συγκρούσεις σωματιδίων που εξηγούνται καλύτερα αν δεχθούμε ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με μάζα μεταξύ 7 και 11 GeV.

Κι όμως ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης με παρόμοιο φάσμα θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για το σήμα που καταγράφηκε στο DAMA, ένα πείραμα για σκοτεινή ύλη θαμμένο κάτω από ένα βουνό στο Gran Sasso της Ιταλίας. Για χρόνια, το DAMA καταγράφει ένα σήμα που είναι ισχυρότερο τον Ιούνιο από ό,τι τον Δεκέμβριο. Πράγμα συνεπές αν το ηλιακό μας σύστημα κινείται μέσα από ένα νέφος σωματιδίων της σκοτεινής ύλης.

Μήπως τελικά αυτό το σύνολο των στοιχείων υποδεικνύουν την σκοτεινή ύλη; Το μέλος της ομάδας Fermi Simona Murgia του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ αναφέρει ότι είναι πολύ νωρίς για να το πούμε.

Το Fermi ανακοίνωσε επίσης κάποιες δειλές ενδείξεις για υπερβολική ακτινοβολία ακτίνων-γ προς το κέντρο του Γαλαξία, όμως λένε ότι η πηγή αυτή είναι ασαφής.

Για να διαπιστώσουν εάν ο Γαλαξίας μας λούζεται μέσα στο φως που δημιουργήθηκε όταν εξαϋλώνονται σωματίδια σκοτεινής ύλης, οι αστροφυσικοί θα πρέπει να αφαιρέσουν πρώτα πρώτα όλες τις γνωστές πηγές των ακτίνων-γ, για να δουν αν υπάρχει κάποια επιπλέον, ανεξήγητη λύση για την ακτινοβολία.

Βεβαίως, η εκτίμηση της συνεισφοράς από συμβατικές αστροφυσικές πηγές είναι δύσκολη. Το εσωτερικό τμήμα του Γαλαξία είναι η πιο λαμπρό περιοχή ακτίνων-γ στον ουρανό, λέει ο Stefano Profumo του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στη Σάντα Κρουζ. Αιτία για αυτό μπορεί να είναι φορτισμένα σωματίδια που κτυπούν πάνω σε φωτόνια και το διαστρικό αέριο και παράγουν μια ισχυρή, διάχυτη λάμψη ακτίνων γάμμα. Ή επιμέρους πηγές, όπως τα πάλσαρ και τα κατάλοιπα υπερκαινοφανών, που μπορεί επίσης να λάμπουν με ακτίνες γάμμα.

“Απέχουμε πολύ από το σημείο όπου η εξαΰλωση της σκοτεινής ύλης να είναι η μόνη εξήγηση", δηλώνει ο Profumo. "Το βάρος της διεκδίκησης μιας νέας φυσικής για την εξήγηση του φαινομένου, θα πρέπει να τεθεί πολύ, πολύ υψηλά, και αυτό δεν αποτελεί εξαίρεση."

Ο Hooper παραδέχεται ότι το σήμα δεν μπορεί να θεωρηθεί ως μια οριστική ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. «Αυτό που θα θέλαμε τώρα είναι οι εμπειρογνώμονες σε διάφορες αστροφυσικές διαδικασίες να εξηγήσουν το σήμα”, δήλωσε. “Αν δεν μπορούν, τότε το μόνο που απομένει θα είναι η ερμηνεία με την σκοτεινή ύλη."

"Για μια πραγματικά συγκλονιστική υπόθεση, αυτό που χρειαζόμαστε είναι σήματα από μια σειρά από ανεξάρτητα, αλλά συνδεδεμένα, πειράματα, που όλα όμως να δείχνουν μια κοινή λύση”, πιστεύει ο θεωρητικός Jonathan Feng του πανεπιστημίου στο Irvine. "Δεν νομίζω ότι είμαστε εκεί ακόμα, αλλά δεδομένης της αναμενόμενης πειραματικής προόδου κατά τους προσεχείς μήνες και χρόνια, αυτές είναι συναρπαστικές στιγμές για την σκοτεινή ύλη."

Για τους κυνηγούς της ελαφριάς σκοτεινής ύλης, τα μάτια είναι πάνω στο πείραμα CoGeNT, που το Δεκέμβριο του 2010 θα κυκλοφορήσει τα δεδομένα του πρώτου έτους ερευνών τους. Τα συσσωρευμένα στοιχεία θα έχουν αρκετή ευαισθησία για να εγγράψουν κάποιες δειλές αποδείξεις για μια εποχική διακύμανση, όπως το πείραμα DAMA, αν βεβαίως υπάρχει.

"Στοιχεία για μια εποχιακή διαφοροποίηση συμβατή με την γαλαξιακό σκοτεινή ύλη δεν είναι ίδια με τις αποδείξεις για την σκοτεινή ύλη, όμως θα βοηθήσει σίγουρα να πυκνώσει η πλοκή”, λέει το μέλος της ομάδας CoGeNT Juan Collar στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου.

Ποιά είναι τα σενάρια που υπάρχουν για την δομή της σκοτεινής ύλης;

1. Να αποτελείται από συνήθη βαρυονική ύλη (μη-εξωτική)

Δηλαδή αντικείμενα MACHO (Massive Astrophysical Compact Halo Objects). Έρευνες όμως έδειξαν ότι τα MACHO μπορούν να δικαιολογήσουν περίπου το 20% της σκοτεινής βαρυονικής ύλης. Ή νέφη μοριακού υδρογόνου στην εξωτερική περιοχή του γαλαξιακού δίσκου, υπόθεση που ενισχύεται από την ανίχνευση γραμμών CO από αέριο σε απόσταση 12 kpc από το κέντρο του γαλαξία.

2. Να αποτελείται από νετρίνα

Τα νετρίνα με μάζα είναι ένας καλός υποψήφιος για την σκοτεινή ύλη.

3. Να αποτελείται από υπερ-συμμετρικά σωματίδια

Να αποτελείται από εξωτική ύλη (νετραλίνο ή selectron ή φωτίνο), δηλαδή από υπερ-συμμετρικά σωματίδια που θα μπορούσαν να έχουν συνενωθεί σε τεράστιες δομές στην άλω των γαλαξιών. Οι θεωρίες "ρήξης" των Υπερσυμμετρικών Θεωριών υποστηρίζουν την ύπαρξη υπερσυμμετρικών σωματιδίων στην γαλαξιακή άλω, ως αντηχήσεις της Μεγάλης Έκρηξης. Σύμφωνα με αυτές τις θεωρίες τα ελαφρύτερα και σταθερότερα υπερσυμμετρικά σωμάτια που δημιουργήθηκαν στο πρώιμο Σύμπαν, έχουν επιβιώσει μέχρι την εποχή μας και εξαϋλώνονται, παράγοντας πολύ ενεργά αντι-πρωτόνια.

Δεν υπάρχουν σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου