Απροσδόκητη απόδειξη της ύπαρξης σκοτεινής ύλης στο σύμπαν

Νέες ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης στο σύμπαν μπορεί να βοηθήσουν στην επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης. Έρευνα που δημοσιεύτηκε από τον αστροφυσικό Rennan Barkana στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ, παρέχει νέες πληροφορίες σχετικά με τα πιθανά χαρακτηριστικά ενός από τα θεμελιώδη αλλά δύσκολα κατανοητά δομικά στοιχεία του σύμπαντος.

Η κίνηση των γαλαξιών μέσα στον χώρο δεν μπορεί να εξηγηθεί από τα σωματίδια και τις δυνάμεις που μπορούμε να παρατηρήσουμε και να καταλάβουμε. Η θεωρία μας λέει τώρα ότι η συμπεριφορά του σύμπαντος μπορεί να εξηγηθεί από τρία συστατικά. Από το 4,9% της βαρυονικής ύλης που γνωρίζουμε, από το περίπου 26% που δεν ξέρουμε – η «σκοτεινή ύλη» και από την αόρατη ενέργεια που αποτελεί το 69% την οποία καν δεν γνωρίζουμε – την «σκοτεινή ενέργεια».

Ο Barkana εξηγεί στο Nature πώς μια ομάδα αστρονόμων, με επικεφαλής τον καθηγητή Judd Bowman του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Αριζόνα, συναντήθηκε απροσδόκητα συναντήθηκε με τη σκοτεινή ύλη χρησιμοποιώντας σήματα κοσμικών ραδιοκυμάτων, προσπαθώντας να ανιχνεύσουν τα πρώτα αστέρια στο σύμπαν.

Το ραδιοσήμα, που καταγράφηκε με το νέο ραδιοτηλεσκόπιο EDGES στην Αυστραλία, αποτελεί απόδειξη αλληλεπιδράσεων μεταξύ της κανονικής και της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν, υποδηλώνει ο Barkana. Η ανακάλυψη αυτή είναι η πρώτη άμεση απόδειξη της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης και δείχνει ότι αποτελείται από σωματίδια χαμηλής μάζας και μπορεί να αλληλεπιδράσει με άλλες μορφές ύλης. Το ραδιοφωνικό σήμα χρονολογείται σε μια εποχή κάπου 180 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που δημιούργησε το σύμπαν μας πριν από περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια.

«Ξέρουμε αρκετά για τα χημικά στοιχεία που αποτελούν τη γη, τον ήλιο και άλλα αστέρια», λέει ο Barkana, «αλλά το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν είναι αόρατο και γνωστό ως «σκοτεινή ύλη». Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης συνάγεται από την έντονη βαρύτητά της πάνω στην κανονική ύλη, αλλά δεν έχουμε ιδέα για το είδος της ουσίας από το οποίο αποτελείται. Ως εκ τούτου, η σκοτεινή ύλη παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής. «

Τα αποτελέσματα είναι όμως πολύ προκαταρκτικά και απαιτούν πολλά ακόμη χρόνια παρακολούθησης, αλλά εάν τα βγάλουν πέρα οι αστροφυσικοί, θα αλλάξουν την επιστημονική κατανόηση της σκοτεινής ύλης και του σύμπαντος και θα οδηγήσουν σε νέες κατευθύνσεις την επιστημονική έρευνα.

Οι επιστήμονες αναζητούν στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη από τη δεκαετία του 1970, αλλά μέχρι στιγμής δεν βρήκαν καμία απόδειξη για την ύπαρξή της. Θεωρήθηκε ότι η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με τα γνωστά σωματίδια και υλικά, συμπεριλαμβανομένου του φωτός, παρά μόνο βαρυτικά. Αλλά δεν μπορούμε να τη δούμε άμεσα, όπως τον φυσικό κόσμο που μας περιβάλλει. Σύμφωνα με τις θεωρίες και τους υπολογισμούς τους, οι αστρονόμοι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι εκτός από την ορατή ύλη, κάποια αόρατα υλικά πρέπει να αποτελούν ένα μεγάλο μέρος του σύμπαντος μας – και αυτά πρέπει να είναι η σκοτεινή ύλη.

Ο Bowman και οι συνεργάτες του ανίχνευσαν ένα σήμα ραδιοφωνικού κύματος με συχνότητα 78 ΜegaΗertz, το οποίο ήταν σε μεγάλο βαθμό συνεπές με τις προσδοκίες τους. Αλλά, επίσης, βρήκαν ότι ήταν πολύ ισχυρότερο από το προβλεπόμενο, υποδεικνύοντας ότι το αρχικό αέριο ήταν ψυχρότερο από το αναμενόμενο, περίπου – 263 Κελσίου, ή περίπου 10 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν.

Η συμβολή του Barkana σε αυτό το πρόβλημα ήταν να προτείνει ότι το αέριο ψύχθηκε μέσω της αλληλεπίδρασης του υδρογόνου με την ψυχρή, σκοτεινή ύλη πολύ πριν από την εμφάνιση των πρώτων άστρων. Λέει ότι αυτή η απορρόφηση μπορεί να εξηγηθεί από τον «συνδυασμό ακτινοβολίας από τα πρώτα αστέρια και την περίσσεια ψύξης του κοσμικού αερίου που προκαλείται από την αλληλεπίδραση του με τη σκοτεινή ύλη».

Αυτό το σήμα είναι η πρώτη συγκεκριμένη απόδειξη της ύπαρξης σκοτεινής ύλης: «Από τη στιγμή που σχηματίστηκαν αστέρια στο πρώιμο σύμπαν, το φως τους ήταν προβλεπόμενο ότι είχε διεισδύσει στο αρχέγονο αέριο υδρογόνου, αλλάζοντας την εσωτερική του δομή», λέει ο Barkana.

«Έτσι θα ανάγκαζε το αέριο υδρογόνο να απορροφήσει φωτόνια από το Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο (CMB), στο συγκεκριμένο μήκος κύματος των 21 εκατοστών, αποτυπώνοντας μια υπογραφή στο ραδιοφάσμα που θα πρέπει να παρατηρηθεί σήμερα σε ραδιοσυχνότητες κάτω από τα 200 ΜegaΗertz. Η παρατήρηση αυτή ταιριάζει με αυτήν την πρόβλεψη εκτός από το απροσδόκητο βάθος της απορρόφησης».

Οι φυσικοί αναμένουν ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης θα είναι βαριά, αλλά η ανακάλυψη αυτή δείχνει σωματίδια χαμηλής μάζας. Με βάση το ραδιοφωνικό σήμα, ο Barkana υποστηρίζει ότι το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης δεν είναι βαρύτερο από αρκετές μάζες πρωτονίων. «Αυτή η άποψη έχει μόνο τη δυνατότητα να αναπροσανατολίσει την αναζήτηση της σκοτεινής ύλης», λέει.

Στο άρθρο του στο Nature, με τίτλο «Πιθανή αλληλεπίδραση μεταξύ βαρυονίων και σωματιδίων σκοτεινής ύλης που αποκαλύφθηκαν από τα πρώτα αστέρια», ο Barkana προβλέπει ότι η σκοτεινή ύλη παρήγαγε ένα πολύ συγκεκριμένο πρότυπο ραδιοκυμάτων που δύναται να ανιχνεύονται με μια μεγάλη ποικιλία ραδιοφωνικών κεραιών.