Μήπως η θεωρία της σκοτεινής ύλης είναι λάθος;

Οι νάνοι γαλαξίες γύρω από τον Γαλαξία μας είναι λιγότερο πυκνοί από ότι θα έπρεπε να είναι αν υπήρχε η ψυχρή σκοτεινή ύλη

Οι προβλέψεις των επιστημόνων σχετικά με τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη, με τις οποίες φιλοδοξούν να αποκαλύψουν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του Σύμπαντος, μπορεί να πρέπει να αναθεωρηθούν.

Μια έρευνα για νάνους γαλαξίες δείχνει ότι δεν μπορεί να έχουν σχηματιστεί με αυτόν τον τρόπο  , αν υπάρχει η σκοτεινή ύλη όπως επιβάλλεται  από  το πιο κοινό μοντέλο της αστροφυσικής.

Κι αυτό μπορεί να σημαίνει ότι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων δεν θα είναι σε θέση να  ανιχνεύσει την σκοτεινή ύλη.

Ο κορυφαίος κοσμολόγος Carlos Frenk μίλησε για αυτές τις "ενοχλητικές" εξελίξεις στο British Science Festival στο Bradford.

Η τρέχουσα θεωρία υποστηρίζει ότι περίπου το 4% του σύμπαντος αποτελείται από κανονική ύλη – την ουσία από την οποία φτιάχνονται οι πλανήτες, τα αστέρια, και οι άνθρωποι – και περίπου το 21% είναι σκοτεινή ύλη.

Το υπόλοιπο αποτελείται από κάτι μυστηριώδες, που είναι γνωστό ως σκοτεινή ενέργεια, ένα ακόμη λιγότερο κατανοητό υποθετικό συστατικό του Σύμπαντος που θα μπορούσε να εξηγήσει τη συνεχώς επιταχυνόμενη επέκταση του.

Οι καλύτερες ιδέες των επιστημόνων για το σχηματισμό και τη δομή του Σύμπαντος βρίσκονται στο "καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο», ή λάμδα-CDM – το οποίο προβλέπει την ύπαρξη κάποιων στοιχειωδών  σωματίδιων με τη μορφή της ψυχρής σκοτεινής ύλης (CDM).

Αυτά τα σωματίδια της CDM πιστεύεται ότι σχηματίστηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος, περίπου ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, και είναι «ψυχρά» με την έννοια ότι δεν είναι ιδιαίτερα γρήγορα.

Η ύπαρξη των σωματιδίων αυτών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί, δεδομένου ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο να ανιχνευθούν – δεν μπορούμε να τα "δούμε" με την παραδοσιακή έννοια, και αν όντως αυτά υπάρχουν αλληλεπιδρούν πολύ σπάνια με την ύλη που γνωρίζουμε.

Διάφορα πειράματα που πραγματοποιούνται σε βαθιά ορυχεία στο Γιορκσάιρ, στο διαστημικό τηλεσκόπιο Fermi, και στο Μεγάλο Επιταχυντή  (LHC) προσπαθούν, να ανιχνεύσουν αυτά τα φευγαλέα σωματίδια, ή κάποιες έμμεσες αποδείξεις των αποτελεσμάτων τους.

Μέχρι στιγμής, κανένα από τα πειράματα αυτά δεν τα έχει εντοπίσει οριστικά.

Πρόσφατα, οι επιστήμονες που εργάζονται πάνω σε αυτό το πρόβλημα εξέφρασαν την απογοήτευσή τους για τα αρνητικά αποτελέσματα που προέρχονται από τον LHC, και αυτό έχει οδηγήσει κάποιους να θεωρούν ότι το καθιερωμένο μοντέλο μπορεί να είναι λάθος.

«Επικίνδυνες πιθανότητες» 

Ο καθηγητής Carlos Frenk στο Πανεπιστήμιο του Durham, σε συνεργασία με την Virgo Consortium, έχει τώρα δεδομένα που δείχνουν ότι η κατανόηση που έχουμε για το σχηματισμό και τη σύνθεση του Σύμπαντος είναι ελλιπής.

Τα στοιχεία αυτά προέρχονται από μια απίθανη πηγή: τους νάνους γαλαξίες, ένα «φωτοστέφανο» το οποίο περιβάλλει τον Γαλαξία μας.

Αυτοί οι νάνοι γαλαξίες πιστεύεται ότι ως επί το πλείστον αποτελούνται από σκοτεινή ύλη, και περιέχουν μερικά μόνο αστέρια. Με το εξασθενημένο φως τους ήταν δύσκολο να μελετηθούν στο παρελθόν.

Αλλά η Virgo Consortium έχει δημιουργήσει προσομοιώσεις σε υπολογιστές για να απεικονίσει το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες νάνοι, χρησιμοποιώντας τις υποθέσεις τους για το μοντέλο της Ψυχρής Σκοτεινής Ύλης (CDM).

Η ομάδα αυτή διαπίστωσε ότι τα τελικά αποτελέσματα αυτών των προσομοιώσεων δεν ταιριάζουν καθόλου με αυτό που παρατηρούμε. Τα μοντέλα έδειξαν πολύ περισσότερους μικρούς γαλαξίες σε ένα ευρύ φωτοστέφανο (άλως) γύρω από τον Γαλαξία μας, ενώ στην πραγματικότητα υπάρχουν λιγότεροι και μεγαλύτεροι νάνοι γαλαξίες.

Ο καθηγητής Frenk εξήγησε ότι υπήρχαν δύο «εξίσου ανησυχητικές δυνατότητες" για τις οποίες συμβαίνει αυτό.

Μια ιδέα είναι ότι πολλοί νάνοι γαλαξίες σχηματίζονται όπως και στην προσομοίωση, αλλά υπήρξαν βίαιες εκρήξεις σουπερνόβα κατά τη διάρκεια του σχηματισμού τους, που άλλαξαν ριζικά τη δομή του φωτοστέφανου νάνου γαλαξία.

"Εάν αυτό είναι σωστό, τότε θα σήμαινε ότι ο σχηματισμός των γαλαξιών είναι μια πολύ πιο συναρπαστική διαδικασία από ό,τι νομίζαμε”, δήλωσε.

Αλλά υπάρχει ακόμη αβεβαιότητα για το αν το μικρό κλάσμα της κανονικής ύλης στο Σύμπαν (4%) θα μπορούσε να έχει μια τέτοια θεμελιώδη επίδραση πάνω στην δομή της σκοτεινής ύλης.

Μια εναλλακτική αιτία για τις αποκλίσεις μεταξύ των δεδομένων της προσομοίωσης και αυτού που παρατηρούμε είναι πολύ πιο θεμελιώδες: ότι τελικά δεν υπάρχει η CDM, και οι προβλέψεις του Καθιερωμένου Μοντέλου που σχετίζονται με αυτήν είναι λάθος.

Ο Frenk τόνισε ότι αφού δούλεψε για 35 χρόνια με τις προβλέψεις του καθιερωμένου μοντέλου, «έχει χάσει τον ύπνο του» για τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων.

Στο Boulby mine γίνεται έρευνα για την σκοτεινή ύλη

Θερμότερο Σύμπαν 

Πάντως ο ίδιος πιστεύει ότι έχει βρει μια λύση στο πρόβλημα της CDM. Προτείνει λοιπόν ότι αντί της «ψυχρής» σκοτεινής ύλης, που πιστεύουμε πως σχηματίστηκε μέσα στο πρώτο εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά το Big Bang, το Σύμπαν μπορεί αντίθετα να γέμισε με μια ζεστή σκοτεινή ύλη (WDM).

Η WDM θα πρέπει να έχει σχηματιστεί αργότερα, λίγα λεπτά μετά το Big Bang, και περιγράφεται ως «ζεστή», καθώς τα σωματίδια της θα είναι ελαφρύτερα και πιο ενεργητικά.

Όταν οι προσομοιώσεις του σχηματισμού των γαλαξιών τρέχουν υποθέτοντας ότι υπάρχει η WDM, που σχηματίστηκε μετέπειτα, αντί της CDM, το φωτοστέφανο των νάνων γαλαξιών έχει την ίδια δομή όπως παρατηρούμε στην πραγματικότητα.

Η λύση της WDM είναι "εξαιρετικά κομψή", δήλωσε ο Frenk, και αυτό σημαίνει ότι «το καθιερωμένο μοντέλο δεν είναι καθόλου νεκρό".

Αλλά αν πάντως η σκοτεινή ύλη είναι WDM και όχι CDM, αυτό θέτει σοβαρά προβλήματα για τις τρέχουσες προσπάθειές μας για να εντοπίσουμε την σκοτεινή ύλη.

Ο επιταχυντής LHC έχει ως σκοπό να αναδημιουργήσει τις συνθήκες ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου μετά το Big Bang. Αν λοιπόν η WDM είναι η κυρίαρχη σκοτεινή ύλη, ο επιταχυντής δεν θα δει κανένα ίχνος των σωματιδίων της.

Άλλες δυνατότητες που υπάρχουν για τον εντοπισμό της WDM

Το πιο πιθανό σωματίδιο WDM, το «στείρο νετρίνο», θα μπορούσε να ανιχνευτεί από τις ακτίνες Χ που εκπέμπει, αλλά θα χρειάζονταν πολύ πιο ευαίσθητοι ανιχνευτές ακτίνων-Χ.

Εναλλακτικά, το μελλοντικό διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να αναζητήσει τα πρώτα αστέρια, και που αναμένεται να ξεκινήσει το 2018 ενώ εκκρεμούν οι συμφωνίες χρηματοδότησης του, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να αποδείξει τη μη ύπαρξη της CDM.

Αν λοιπόν η WDM είναι η σκοτεινή ύλη που συγκρατεί τους γαλαξίες, τότε στα πολύ πρώιμα στάδια του Σύμπαντος, το τηλεσκόπιο δεν θα δει τίποτα, γιατί η WDM και οι συνοδευτικοί γαλαξίες της δεν θα έχουν ακόμη σχηματιστεί.

Ο καθηγητής Frenk εξήγησε ότι δεν υπάρχει καμία οριστική απόδειξη ακόμα ότι οι θεωρίες της σκοτεινής ύλης χρειάζονται μια «αλλαγή παραδείγματος», αλλά παραμένει θετικό ότι η απάντηση θα βρεθεί σύντομα.

"Η θεωρία της  σκοτεινής ύλης είναι έτοιμη για μεγάλες αλλαγές στους επόμενους μήνες”, τόνισε.

Πηγή: BBC Science      Μετάφραση : Physics 4u με δικές μου αλλαγές

και λίγη περισσότερη θεωρία . . .

Εκτός της συμβατικής ύλης που αποτελείται από άτομα, υπάρχουν και άλλες μορφές ύλης όπως:
η νετρονική ύλη, η ύλη των μελανών οπών και η σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη ονομάζεται έτσι γιατί δεν ακτινοβολεί σε καμία περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και αποτελεί το 23% της ύλης του Σύμπαντος ενώ η σκοτεινή ενέργεια το 73%. Δηλαδή η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια αποτελούν το 96% της ολικής υλογενέργειας του Σύμπαντος!!
Ο όρος "σκοτεινή" ύλη εισήχθη για πρώτη φορά από τον αστρονόμο Fritz Zwicky (1898-1974) στα 1934.
WIMP :Weakly Interacting Massive Particle φέρεται το ελαφρύτερο από τα 4 neutralinoς (που προβλέπονται από την υπερσυμμετρία).