Οι φυσικοί σήμερα πιστεύουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν αποτελείται από επιμέρους σωματίδια, και η πρόκληση που έχουν μπροστά τους είναι να βρουν τι είδους σωματίδια είναι αυτά. Μια νέα έρευνα, ωστόσο, ανατρέπει την υπόθεση αυτή και υποστηρίζει πως παρατηρησιακά και πειραματικά δεδομένα εξηγούνται καλύτερα εάν η σκοτεινή ύλη υπάρχει ως σύνθετα σωματίδια – άτομα από σκοτεινά πρωτόνια και ηλεκτρόνια που ενώνονται στη σκοτεινή ύλη με μία δύναμη ισοδύναμη της γνωστής ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.
Η σύνθετη αυτή εικόνα του Hubble δείχνει ένα ‘δακτύλιο’ σκοτεινής ύλης στο σμήνος γαλαξιών Cl 0024+17. Ο δακτύλιος είναι μία από τις πιο ισχυρές αποδείξεις έως σήμερα για την παρουσία της σκοτεινής ύλης.
Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι αποτελεί πάνω από το 80% της ύλης στο σύμπαν. Όπως υποδηλώνει και η ονομασία της, η σκοτεινή ύλη δεν αποκαλύπτεται από το φως που εκπέμπει, διότι δεν αλληλεπιδρά μέσω του ηλεκτρομαγνητισμού. Η ύπαρξή της αντίθετα έχει συναχθεί μέσω των βαρυτικών επιπτώσεων της πάνω στην κανονική ύλη.
Τα πιο ευνοημένα υποψήφια σωματίδια από τους φυσικούς για τη σκοτεινή ύλη είναι τα λεγόμενα “ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια με μάζα” ή WIMPs, τα οποία αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Τα WIMPs είναι σε συμφωνία με πολλές παρατηρήσεις για τη σκοτεινή ύλη, αλλά δυστυχώς παραμένουν δύο ανωμαλίες. Η μία είναι το γεγονός ότι τα μοντέλα των WIMP προβλέπουν ότι η σκοτεινή ύλη θα έπρεπε να σχηματίζει μεγάλες συγκεντρώσεις με τη βοήθεια της βαρύτητας σε όλες τις κλίμακες μήκους, από γαλαξίες μέχρι πολύ μικρότερες υπο-γαλαξιακές δομές. Ωστόσο, αυτό δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ από αστρονόμους – δηλαδή δομές σκοτεινής ύλης μικρότερες από περίπου 400 έτη φωτός.
Τα πειράματα DAMA
Το άλλο πρόβλημα αφορά τα αποτελέσματα των πειραμάτων στη Γη που σχεδιάστηκαν για την ανίχνευση των σωματιδίων σκοτεινής ύλης απευθείας, μέσω της σύγκρουσης τους με τους πυρήνες της συνηθισμένης ύλης. Μια τέτοια πειραματική συνεργασία η λεγόμενη DAMA, στο εργαστήριο Gran Sasso στην Ιταλία, έχει δημιουργήσει μια επιστημονική διαμάχη με τον ισχυρισμό της ότι έχουν συλλεχθεί εξαιρετικά ισχυρά αποδεικτικά στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη στο εσωτερικό του ανιχνευτή. Δυστυχώς, τα αποτελέσματα των πειραμάτων DAMA δεν μπορούν να ερμηνευτούν σαν συγκρούσεις των WIMPs δίχως αυτά να εμφανίζονται και σε μια σειρά άλλων πειραμάτων σε όλο τον κόσμο.
Τώρα όμως ο David Kaplan και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins λένε ότι αυτά τα δύο προβλήματα θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν μόνο εάν η σκοτεινή ύλη δεν αποτελείται από ξεχωριστά θεμελιώδη σωματίδια, αλλά αντίθετα σε μεγάλο βαθμό να αποτελείται από σύνθετα "άτομα". Αυτά τα “άτομα” θα πρέπει να αποτελούνται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια της σκοτεινής ύλης που να συνδέονται μεταξύ τους με την αντίστοιχη σκοτεινή ηλεκτρομαγνητική δύναμη, και θα συνοδεύονται από ένα ορισμένο τμήμα ιονισμένων τέτοιων ατόμων – με άλλα λόγια, χωρίς ηλεκτρόνια και πρωτόνια.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η ύπαρξη αυτών των φορτισμένων σωματιδίων θα μετέβαλε την εξέλιξη της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν. Τα WIMPs, που είναι αφόρτιστα, θα είχαν αποσυνδεθεί από την κανονική ακτινοβολία σε λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ενώ η “ατομική” σκοτεινή ύλη, με ένα κλάσμα ιονισμένων ατόμων, θα παρέμενε σε θερμική ισορροπία με τη σκοτεινή ακτινοβολία για τα πρώτα περίπου 20 λεπτά. Το σύμπαν θα πρέπει επομένως να είχε επεκταθεί σε ένα ορισμένο μέγεθος προτού να μπορούσε να έχει συμβεί η βαρυτική συσσώρευση. Αυτό υπαγορεύει το μέγεθος της μικρότερης δομής της σκοτεινής ύλης που βλέπουμε σήμερα στον Κόσμο
Ανελαστική συγκρούσεις
Για να εξηγήσει τη διαφορά μεταξύ των αποτελεσμάτων της συνεργασίας DAMA και άλλων πειραμάτων ο Kaplan και οι συνεργάτες του βασίζονται σε μια ιδέα που προέβαλαν οι Neal Weiner και David Tucker-Smith το 2001. Οι Weiner και Tucker-Smith πρότειναν ότι οι συγκρούσεις που διαπιστώθηκαν από το DAMA είναι ανελαστικές, ότι δηλαδή κάποια ποσότητα της κινητικής ενέργειας χάνεται, επειδή κατά τη σύγκρουση σωματίδια της σκοτεινής ύλης απορροφούν ενέργεια για να αποκτήσουν ελαφρώς περισσότερη μάζα και ότι οι εν λόγω συγκρούσεις είναι πολύ πιο πιθανό να συμβούν με το σχετικά βαρύ ιωδιούχο νάτριο στον ανιχνευτή DAMA, από ό,τι με το πυρίτιο και το γερμάνιο που χρησιμοποιούνται στον ανιχνευτή CDMS στις ΗΠΑ που κατασκευάστηκε από την ομάδα του Kaplan. Γιατί στον τελευταίο ανιχνευτή αυτή η απώλεια ενέργειας μπορεί να εξηγηθεί ότι τα εισερχόμενα άτομα σκοτεινής ύλης ανεβαίνουν ένα επίπεδο ενέργειας όταν συγκρούονται μεταξύ τους, αντί αυτή η απώλεια να οφείλεται στη δημιουργία νέων σωματιδίων που πιθανολογούνται ειδικά για αυτή τη διαδικασία.
Οι ερευνητές παραδέχονται ότι υπάρχει μια "ένταση" στο μοντέλο τους, διότι η εξήγηση της χαμένης δομής του σύμπαντος απαιτεί ένα υψηλότερο κλάσμα ιονισμένων σκοτεινών ατόμων από ό,τι φαίνεται να υπάρχει στα πειραματικά αποτελέσματα. Αλλά εξηγούν ότι αυτή η διαφορά μπορεί να επιλυθεί εάν η ατομική και η ιονισμένη σκοτεινή ύλη κάνει διάφορα σχήματα στην άλω (φωτοστέφανα) μέσα στους γαλαξίες.
Ο συνάδελφός του Kaplan, Christopher Wells, παραδέχεται ότι η πρότασή τους είναι θεωρητική, αλλά ότι έχει το πρόσθετο όφελος ότι φέρνει τη σκοτεινή ύλη περισσότερο κοντά στη συνήθη ύλη που είμαστε εξοικειωμένοι. Μάλιστα, αυτοί υποστηρίζουν ότι τα σκοτεινά άτομα του υδρογόνου θα μπορούσαν να ενωθούν για να σχηματίσουν μόρια υδρογόνου και ότι η δημιουργία αυτών των μορίων θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει στη δημιουργία “σκοτεινών άστρων” ή σε άλλα συμπαγή αντικείμενα. Προσθέτουν δε ότι η αλληλεπίδραση των σκοτεινών φωτονίων με τα συνήθη φωτόνια θα μπορούσε να οδηγήσει σε γραμμές εκπομπής στα φάσματα των κοσμικών ακτίνων γάμμα.
Δεν είναι πραγματικά προβλήματα;
Ο Daniel Hooper, ένας αστροφυσικός στο Fermilab δεν πιστεύει πως τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται από το ατομικό μοντέλο της σκοτεινής ύλης είναι πραγματικά προβλήματα – ότι το πρόβλημα του σχηματισμού της δομής λύνεται ουσιαστικά, ενώ τα αποτελέσματα της συνεργασίας DAMA “δεν είναι πολύ σοβαρά”.
"Αυτό έχει λέει”, προσθέτει, "σε εκείνους τους επιστήμονες που πιστεύουν ότι αυτά είναι θέματα που χρειάζονται λύσεις, η ιδέα της «ατομικής σκοτεινής ύλης» που παρουσιάζεται εδώ φαίνεται να επιλύει τα προβλήματα αρκετά εύκολα."
