Τετάρτη, 21 Ιουνίου 2017

Θερμοί λευκοί νάνοι θα μπορούσαν να μας αποκαλύψουν την «ανελαστική» σκοτεινή ύλη

Οι άμεσες παρατηρήσεις της σκοτεινής ύλης – η ουσία που θεωρείται ότι ευθύνεται για το 80% της ύλης στο σύμπαν – στην καλύτερη περίπτωση είναι ατελείς. Μερικά πειράματα έχουν βρει σήματα που φαίνονται σαν σκοτεινή ύλη, ενώ άλλα την αναζητούν μέσα στο ίδιο εύρος παραμέτρων και δυστυχώς δεν έχουν βρει τίποτα. Ωστόσο, υπάρχει ένας υποθετικός υποψήφιος για την σκοτεινή ύλη, γνωστή ως "ανελαστική" σκοτεινή ύλη, που θα μπορούσε να συνδυάσει τα αποτελέσματα αυτά. Τώρα δύο ομάδες φυσικών έχουν προτείνει νέους τρόπους για να δούμε αν υπάρχει η ανελαστική μορφή.

Έκρηξη λευκού νάνου άστρου: θα μπορούσε η ανελαστική σκοτεινή ύλη να το διατηρήσει ζεστό;

Η ιστορία της ανελαστικής σκοτεινής ύλης ξεκινάει σε μια τοποθεσία, ένα χιλιόμετρο κάτω από το βουνό Gran Sasso στην Ιταλία, η οποία φιλοξενεί το υπόγειο πείραμα DAMA. Εδώ, ανιχνευτές προσέχουν για μια λάμψη φωτός που αναμένεται όταν ένα σωματίδιο σκοτεινής ύλης κτυπήσει ένας ατομικό πυρήνα μέσα σε έναν ανιχνευτή του πειράματος. Παρά το γεγονός ότι αυτές οι συγκρούσεις είναι πολύ σπάνιες, θεωρητικά θα έπρεπε να υπάρχουν περισσότερες λάμψεις το καλοκαίρι, όταν η Γη είναι σε τροχιά γύρω από τον κύριο "άνεμο" που φέρνει την σκοτεινή ύλη στον Γαλαξία μας.

Η ομάδα DAMA ισχυρίστηκε ότι η πρώτη τέτοια υπογραφή ήρθε το 2000, και κατά την επόμενη δεκαετία αυξήθηκε σταθερά η ακρίβειά της. Στην πιο πρόσφατη ανάλυσή της οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι τα αποδεικτικά στοιχεία για τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης βρίσκονται σε μια τυπική απόκλιση σ=8,9 – ή, με άλλα λόγια, είναι τόσο ακριβή όσο μπορεί κανείς να περιμένει.

Δεν βρέθηκαν σήματα που να ταιριάζουν

Ωστόσο, τα αποτελέσματα αυτά απέτυχαν να πείσουν πολλούς φυσικούς. Μία αντίρρηση είναι ότι θα μπορούσε να υπάρχει κάποιος άλλος παράγοντας που να διαμορφώνεται ανάλογα με τις εποχές, ώστε να μιμείται το περιζήτητο σήμα της σκοτεινής ύλης. Αλλά το πιο ανησυχητικό είναι ότι πολλά άλλα άμεσα πειράματα ανίχνευσης σκοτεινής ύλης – πχ η κρυογενική έρευνα CDMS στις ΗΠΑ ή το ZEPLIN στο Ηνωμένο Βασίλειο, – δεν βρήκαν τέτοια σήματα χρησιμοποιώντας όμως διαφορετικούς ανιχνευτές.

Για να καταλάβουν τι γίνεται μερικοί φυσικοί έχουν προτείνει διάφορα είδη της σκοτεινής ύλης που θα αλληλεπιδρούν μόνο με ανιχνευτές του DAMA. Ένα από αυτά τα είδη, η ανελαστική σκοτεινή ύλη, προτάθηκε το 2001 από τους David Smith του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϊ και Neal Weiner στο Πανεπιστήμιο Ουάσιγκτον. Σε αντίθεση με την συνηθισμένη "ελαστική" σκοτεινή ύλη, η ανελαστική σκοτεινή ύλη γίνεται βαρύτερη όταν κτυπάει έναν πυρήνα μεγάλης μάζας. Έτσι, επειδή το ιωδιούχο νάτριο έχει τον πιο βαρύ πυρήνα, μόνο το DAMA θα είναι σε θέση να δώσει στην ανελαστική σκοτεινή ύλη την μάζα που πρέπει για να μπορέσει να κάνει σκέδαση και να παράγει τις ζητούμενες λάμψεις.

Τώρα, δύο ανεξάρτητες ομάδες προσπάθησαν να βρουν τρόπους για να εντοπίσουν δεδομένα για ανελαστική σκοτεινή ύλη, όχι στο εργαστήριο αλλά κάπου μακριά, συγκεκριμένα σε παλιά άστρα: τους λευκούς νάνους. Οι λευκοί νάνοι είναι οι αμυδρές, συμπαγείς μορφές στις οποίες καταλήγει η συντριπτική πλειοψηφία των άστρων καθώς γερνούν και ψύχονται. Το παλαιότερα και πιο ψυχρά τέτοια άστρα τείνουν να κατοικούν στα κέντρα των γαλαξιών, ή σε περιοχές με υψηλή πυκνότητα σκοτεινής ύλης.

Θερμοί παλιοί λευκοί νάνοι

Οι δύο ομάδες – η μία περιλαμβάνει τον Dan Hooper στο Fermilab, και η άλλη τον Matthew McCullough στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης μαζί με τον Malcolm Fairbairn στο King College του Λονδίνου – έχουν υπολογίσει με ποιό τρόπο η σκοτεινή ύλη θα πρέπει να αλληλεπιδράσει με τους ατομικούς πυρήνες ενός παλιού λευκού νάνου, καθώς αυτοί επιταχύνονται προς το εσωτερικό του λευκού νάνου λόγω της τεράστιας βαρυτικής δύναμης του άστρου. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς τους, η ανελαστική σκοτεινή ύλη θα πρέπει να αλληλεπιδρά πολύ πιο έντονα από ό,τι η ελαστικά σκοτεινή ύλη, γεγονός που σημαίνει ότι πολύ περισσότερη από αυτήν θα καταλήξει να απορροφηθεί από το αστέρι. Και αυτή η πρόσθετη μάζα με τη σειρά της σημαίνει ότι η θερμοκρασία του άστρου θα ανέβει, γύρω στους 7.000 Κ σε αντίθεση με τους κανονικούς 3.000 K.

"Εάν εξετάσετε μια πυκνή περιοχή από σκοτεινή ύλη και, αντί να δείτε έναν πολύ ψυχρό λευκό νάνο, βλέπετε λευκούς νάνους ποτέ κάτω από έξι ή επτά χιλιάδες Kelvin, τότε θα μπορούσαμε να πούμε, ότι έχουν ζεσταθεί από την ανελαστική σκοτεινή ύλη, "εξηγεί ο Hooper. "Και αυτό θα ήταν μία απόδειξη της."

Και οι δύο ομάδες ερευνητών υποδεικνύουν την αναζήτηση για ασυνήθιστους θερμούς λευκούς νάνους ως ένα μέσο για να βρεθούν αποδείξεις για την ανελαστική σκοτεινή ύλη, αν και υπάρχουν διαφορές μεταξύ των μελετών τους. Οι McCullough και Fairbairn επικεντρώθηκαν σε σφαιρικά σμήνη, περιοχές με άστρα πολύ κοντά το ένα με το άλλο, ενώ η ομάδα του Dan Hooper πιστεύει ότι υπάρχει υψηλότερη πυκνότητα από σκοτεινή ύλη στο γαλαξιακό κέντρα, γεγονός που θα καταστήσει την αναζήτηση των λευκών νάνων ευκολότερη. Ακόμα, καθώς επισημαίνει ο McCullough, το ζήτημα δεν επιλύεται.

Ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες του υπολογισμού της ποσότητας της σκοτεινής ύλης, είναι ένα αρκετά ενδιαφέρον σενάριο για την αναζήτηση αποδείξεων ότι υπάρχει η ανελαστική σκοτεινή ύλη Matthew McCullough Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης
 
 Ο Neal Weiner συμφωνεί με την ομάδα Dan Hooper ότι το γαλαξιακό κέντρο παρουσιάζει την πλέον ελπιδοφόρα περιοχή για να δοκιμαστεί η υπόθεση της ανελαστικής σκοτεινής ύλη.
 
"Αντί να δοκιμάσουμε τις θεωρίες της σκοτεινής ύλης, οι λευκοί νάνοι μπορούν να γίνουν εξαιρετικοί ανιχνευτές της δομής του φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης του Γαλαξία μας," υποστηρίζει. "Μπορεί η πραγματική σημασία των εργασιών αυτών να έρθει αφού γνωρίζουμε ποιά είναι η σκοτεινή ύλη, κάτι που είναι μια πραγματικά συναρπαστική προοπτική", λέει ο Dan Hooper.