Σκοτεινή ύλη

Εικόνα 1: ΠΕΡΙΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΣΕ ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ.

Σκοτεινή ύλη

του Κωνσταντίνου Αθ. Οικονόμου δασκάλου -συγγραφέα

ΓΕΝΙΚΑ: Στην αστρονομία, η σκοτεινή ύλη είναι ένας υποθετικός τύπος ύλης που συνεισφέρει κατά πολύ μεγάλο ποσοσό στη συνολική μάζα του σύμπαντος. Η σκοτεινή ύλη δε μπορεί να παρατηρηθεί από τηλεσκόπια. Δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως ή άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε σημαντικό βαθμό.

Αντίθετα, η ύπαρξη και οι ιδιότητές της βασίζονται στις βαρυτικές επιδράσεις πάνω στην ορατή ύλη, και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος. Σύμφωνα με την ερευνητική αποστολή Planck και σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model of Cosmology), η συνολική ύλη-ενέργεια του σύμπαντος περιέχει 4.9% συνηθισμένη ύλη, 26.8% σκοτεινή ύλη και 68.3% σκοτεινή ενέργεια. Αντιλαμβανόμαστε λοιπόν ότι η σκοτεινή ύλη συνεισφέρει κατά 84.5% στη συνολική ύλη και κατ 26.8%στο συνολικό περιεχόμενο του σύμπαντος.

ΤΡΟΠΟΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΥ: Η ύπαρξή της σκοτεινής ύλης μπορεί να διαπιστωθεί από τα βαρυτικά αποτελέσματα στην ορατή ύλη, όπως τους αστέρες και τους γαλαξίες. Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης έχει στόχο να εξηγήσει διάφορες αστρονομικές παρατηρήσεις που δεν συμφωνούν με τη θεωρία για τη βαρύτητα, όπως ανωμαλίες στην ταχύτητα περιστροφής των αστέρων στις ακραίες περιοχές των γαλαξιών. Η ταχύτητα αυτή είναι μεγαλύτερη από το αναμενόμενο, πράγμα που εξηγείται είτε με την παραδοχή ότι η θεωρία μας για τη βαρύτητα είναι λάθος είτε με τη θεώρηση της ύπαρξης μιας μεγάλης ποσότητας μάζας που δεν μπορούμε να δούμε. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης θα έλυνε ένα πλήθος προβλημάτων συνέπειας στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης [Μπιγκ Μπαγκ].

ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΗΣ ΣΚΟΤΕΙΝΗΣ ΥΛΗΣ: Αν η σκοτεινή ύλη υπάρχει πραγματικά, υπερβαίνει σημαντικά σε μάζα το ορατό μέρος του σύμπαντος. Σύμφωνα με τα πρόσφατα αποτελέσματα του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck μόλις το  4.9% της συνολικής μάζας του σύμπαντος μπορεί να γίνει άμεσα ορατό. Περίπου το 26.8% υπολογίζεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη. Το υπόλοιπο 68.3% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, ένα ακόμα υποθετικό, πιο περίεργο στοιχείο, διάσπαρτο στο διάστημα, το οποίο πιθανότατα δεν μπορεί να λογιστεί με τη μορφή συνήθων σωματιδίων. Ο καθορισμός της φύσης αυτής της “χαμένης” μάζας είναι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα της σύγχρονης κοσμολογίας.

ΠΡΩΤΑ ΔΕΔΟΜΈΝΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΩΝ: Η ιστορία ξεκίνησε το 1933, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελετούσε την κίνηση μακρινών σμηνών γαλαξιών, συγκεκριμένα το Σμήνος της Κόμης και το Σμήνος της Παρθένου. Ο Zwicky υπολόγισε τη μάζα του κάθε γαλαξία του σμήνους βασισμένος στη λαμπρότητα του, κι άθροισε όλες τις γαλαξιακές μάζες για να υπολογίσει τη συνολική μάζα του σμήνους. Στη συνέχεια βρήκε ένα δεύτερο υπολογισμό ανεξάρτητο της συνολικής μάζας, που βασίστηκε στη μέτρηση των ατομικών ταχυτήτων των γαλαξιών του σμήνους. Προς μεγάλη του έκπληξη, αυτός ο δεύτερος υπολογισμός δυναμικής μάζας ήταν 400 φορές πιο μεγάλος από τον υπολογισμό που βασιζόταν στο φως των γαλαξιών!

ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΕΙΣ: Αν και τα πειραματικά δεδομένα ήταν ήδη σημαντικά την εποχή του Zwicky, μόνο από τη δεκαετία του '70 οι επιστήμονες άρχισαν να μελετούν συστηματικά αυτή τη διαφορά. Εκείνη την περίοδο η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης άρχισε να λαμβάνεται σοβαρά υπ' όψιν. Η ύπαρξη τέτοιας ύλης δεν θα είχε μόνο επιλύσει την έλλειψη μάζας στα σμήνη γαλαξιών, αλλά θα επέλυε και προβλήματα σχετικά με την εξέλιξη και τη μοίρα του ίδιου του Σύμπαντος. Ένα ακόμη παρατηρησιακό δεδομένο της λογικής συνοχής της σκοτεινής ύλης προκύπτει από τις καμπύλες περιστροφής των σπειροειδών γαλαξιών. Οι σπειροειδείς γαλαξίες περιλαμβάνουν έναν τεράστιο πληθυσμό αστέρων που διαγράφουν τροχιές σχεδόν κυκλικές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο. Όπως ισχύει για τις τροχιές των πλανητών, αναμένεται ότι οι αστέρες με μεγαλύτερες γαλαξιακές τροχιές έχουν μικρότερες τροχιακές ταχύτητες [συμπέρασμα του λεγόμενου 3ου νόμου του Κέπλερ]. Στην πραγματικότητα, ο τρίτος νόμος του Κέπλερ εφαρμόζεται μονάχα σ' αστέρες που βρίσκονται κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία, εφόσον προϋποθέτει σταθερότητα της μάζας που περιλαμβάνει η τροχιά. Οι αστρονόμοι έχουν ωστόσο διεξάγει παρατηρήσεις των τροχιακών ταχυτήτων των αστέρων στην περιφέρεια μεγάλου αριθμού σπειροειδών γαλαξιών, και σε καμία περίπτωση δεν ακολουθήθηκε ο τρίτος νόμος του Κέπλερ. Αντί να μειώνονται σε μεγάλες ακτίνες, οι τροχιακές ταχύτητες παραμένουν απόλυτα σταθερές, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μάζα που περιλαμβάνει η τροχιά μεγάλης ακτίνας αυξάνεται, κι αυτό ισχύει για αστέρες που βρίσκονται στα όρια του γαλαξία. Αν και βρίσκονται κοντά στα άκρα του φωτεινού τμήματος του γαλαξία, το τμήμα αυτό έχει περίγραμμα μάζας που φαινομενικά συνεχίζει πολύ πέρα από τις περιοχές στις οποίες κυριαρχούν αστέρες! Θα έπρεπε, αν ο γαλαξίας αποτελείτο μόνο από ορατή ύλη, οι αστέρες του που βρίσκονται κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία, με τροχιακές ταχύτητες της τάξης των 200 χλμ/δευτ., θα τον εγκατέλειπαν σε σύντομο χρονικό διάστημα, δεδομένου ότι οι τροχιακές ταχύτητες τους είναι τέσσερις φορές πιο μεγάλες από την ταχύτητα διαφυγής από το γαλαξία. Όμως, ουδέποτε παρατηρήθηκαν γαλαξίες που έχουν διασκορπιστεί με τέτοιο τρόπο. Συνεπώς, στο εσωτερικό τους πρέπει να υπάρχει μάζα την οποία δεν λαμβάνουμε υπ' όψιν όταν αθροίζουμε όλα τα τμήματα που μπορούμε να δούμε.

Βιβλιογρ. Trimble, V. (1987). "Existence and nature of dark matter in the universe". Annual Review of Astronomy and Astrophysics 25.