“Σκοτεινή” ονομάζουμε την ύλη που πρέπει να υπάρχει στο σύμπαν για να εξηγήσουμε την κίνηση των αστέρων και γαλαξιών, αλλά που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε μέσω της ακτινοβολία της. Πάνω από το 90% του σύμπαντος αποτελείται από ανεξιχνίαστες ακόμα μορφές μάζας και ενέργειας.

Image

Η Σκοτεινή Ύλη είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά αινίγματα. Το μεγαλύτερο μέρος της Σκοτεινής Ύλης μπορεί να οφείλεται σε πολύ ελαφρά στοιχειώδη σωματίδια (αξιόνια και νετρίνα) ή σε πολύ εξωτικά είδη σωματιδίων όπως είναι τα ασθενώς αλληλεπιδρόντα βαριά σωματίδια Wimp ή σύμφωνα με κάποιες αξιόπιστες κοσμολογικές θεωρίες, η Σκοτεινή Ύλη είναι ψυχρή, δηλαδή αποτελείται από σωματίδια με μεγάλη μάζα και μικρή κινητική ενέργεια, τα οποία σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Τα πιο πολλά από τα παραπάνω σωματίδια, ειδικά τα Wimp, δεν μπορούν να ανιχνευτούν επειδή διαπερνούν την γνωστή ύλη σαν να μην υπάρχει.

    Image

Η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται, σε αυτή την εικόνα ενός σμήνους γαλαξιών, ως φωτοστέφανος σε μπλε χρώμα, ενώ η ορατή ύλη χρωματίστηκε κόκκινη

Παρόλο που δεν μπορούμε να δούμε την σκοτεινή ύλη, εύκολα όμως αντιλαμβανόμαστε την ύπαρξή της. Αν παρατηρήσουμε την κίνηση των γαλαξιών στο σύνολό τους, την ταχύτητα με την οποία απομακρύνονται σ’ ένα συνεχώς διαστελλόμενο σύμπαν αμέσως καταλαβαίνουμε ότι πρέπει να υπάρχει πολύ περισσότερη ύλη απ’ ότι βλέπουμε. Αυτή η ύλη παίζει τεράστιο κοσμολογικό ρόλο επειδή μπορεί να καθορίσει το μέλλον του σύμπαντος. Δηλαδή αν η ύλη αυτή έχει μία οριακή τιμή, ίσως τελικά κάποτε να σταματήσει την διαστολή του σύμπαντος και να αρχίσει να το συστέλλει. Όμως αυτή την στιγμή το σύμπαν επιταχύνει την διαστολή του. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα είδος σκοτεινής ενέργειας η οποία προσφέρει στην διαστολή. Σκοτεινοί αστέρες, Σκοτεινή Ύλη, σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή κοσμολογική εποχή. Αυτά υποστηρίζει η σύγχρονη φυσική ότι είναι τα βασικά συστατικά της άλλης, αόρατης πλευράς του σύμπαντος. Θεωρείται μάλιστα βέβαιο ότι η συνήθης ορατή ύλη, αυτή που συγκροτεί τη Γη, τη Σελήνη, τα αστέρια και τα σώματά μας, αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της συνολικής μάζας του σύμπαντος, ενώ η ανεξιχνίαστη, Σκοτεινή Ύλη καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της.

    Το πιο κατανοητό και γνωστό παράδειγμα σκοτεινής ύλης είναι οι μαύρες τρύπες. Μελετώντας μαύρες τρύπες στο κέντρο του γαλαξία μας και σε άλλους γαλαξίες, μπορούμε να καταλήξουμε στο συμπέρασμα ότι οι μάζες τους είναι συνδεδεμένες με τους τύπους και τις μάζες των αντίστοιχων γαλαξιών. Αυτό υποδηλώνει δύο πράγματα, ή ότι η μαύρη τρύπα ενός γαλαξία γνωρίζει την δομή του ή ότι ο γαλαξίας γνωρίζει τις ιδιότητες της μαύρης τρύπας. Το παραπάνω είναι το γνωστό « who – saw – who- first » δίλλημα στην αστροφυσική.

     Σχετικά με την ύπαρξη αυτής της επιπλέον ύλης υπάρχουν και θεωρητικές αποδείξεις που μας οδηγούν στην επανεξέταση του καθιερωμένου μοντέλου δημιουργίας του σύμπαντος. Πριν διαμορφωθούν οι γαλαξίες το σύμπαν αποτελούνταν από πλάσμα, μια ιονισμένη μορφή ύλης, ένα νέφος από πυρήνες ατόμων και υποατομικών σωματιδίων. Με το πέρασμα του χρόνου το πλάσμα συσσωρεύτηκε εξαιτίας των διακυμάνσεων της πυκνότητάς του και δημιούργησε τα αστέρια και τους γαλαξίες”. Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα σ’ αυτή τη θεωρία. Δεν έχει περάσει από τότε αρκετός χρόνος ώστε αυτές οι διακυμάνσεις να μπορέσουν να δημιουργήσουν τους γαλαξίες. “Μόνο αν υποθέταμε την ύπαρξη πολύ μεγαλύτερης ποσότητας ύλης από εκείνης που διαπιστώνουμε με την παρατήρηση, την ύπαρξη δηλαδή Σκοτεινής Ύλης, θα ξεπερνιόταν αυτό το δίλημμα”.

  Πειραματικός εντοπισμός της σκοτεινής ύλης

  Τα τελευταία χρόνια υπάρχουν πολλές ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο, που προσπαθούν να φτιάξουν πειραματικές διατάξεις και όργανα για την ανίχνευση της σκοτεινής ύλης. Η πιο σημαντική ανακάλυψη θα είναι ο εντοπισμός της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης. Όργανα εντοπισμού που έχουμε εγκαταστήσει κάτω από την επιφάνεια του πλανήτη αναζητούν σήματα από πυρηνικές αντιδράσεις, προϊόντα συγκρούσεων των σωματιδίων σκοτεινής ύλης στο γαλαξία μας. Ταυτόχρονα νέοι επιταχυντές σωματιδίων είναι πιθανό να καταφέρουν να δημιουργήσουν σωματίδια σκοτεινής ύλης. Ο εντοπισμός της σκοτεινής ύλης θα βοηθήσει τα μέγιστα στην προσπάθεια κατανόησης της λειτουργίας και φύσης του σύμπαντος.

    Τα περασμένα χρόνια ένα πείραμα με το όνομα CDMS (Κρυογενική Αναζήτηση της Σκοτεινής Ύλης), χρησιμοποιούσε υπέρψυχρο πυρίτιο και κρυστάλλους γερμανίου στο μέγεθος μιας σφαίρας χόκευ για να βρει τις αποκαλυπτικές δονήσεις μιας σύγκρουσης με ένα σωματίδιο WIMP. Τα νεώτερα μηχανήματα χρησιμοποιούν το ευγενές αέριο ξένον ή νέες τεχνολογίες όπως θαλάμους με υπέρθερμες υγρές φυσαλίδες.

 Image

 

Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται το εσωτερικού του δοχείου που θα περιβάλλει τον ανιχνευτή με το ξένον. Θα περιέχει επίσης 1000 λίτρα ενός άλλου υγρού (με βάση την παραφίνη) που επίσης θα σπινθηρίζει, αλλά αυτοί οι σπινθηρισμοί θα χρησιμοποιούνται ακριβώς για την απομόνωση  μη ενδιαφερόντων αλληλεπιδράσεων.  Στα τοιχώματα του δοχείου βλέπουμε τις ανακλάσεις των χρυσο-καφετί άκρων των φωτοπολλαπλασιαστών οι οποίοι θα ανιχνεύσουν τους σπινθηρισμούς. Ανάμεσα στις ανακλάσεις βλέπουμε και τους σωλήνες που θα διοχετεύουν άζωτο στον υγρό σπινθηριστή, μόλις το δοχείο γεμίσει (το άζωτο αντικαθιστά το οξυγόνο στον σπινθηριστή και μ’ αυτό το τρόπο αυξάνει τη ποσότητα του φωτός που εκπέμπεται). Ένας από αυτούς τους σωλήνες, με πολλές τρύπες, εμφανίζεται πάνω κεντρικά στη φωτογραφία. Μετά την ολοκλήρωσή του, ο ανιχνευτής θα τοποθετηθεί στο υπόγειο εργαστήριο στο μεταλλείο Μπούλντι (Bouldy) του Βόρειο Γιορκσάϊρ (North Yorkshire), στο πείραμα της Βρετανικής Συνεργασίας Σκοτεινής Υλης (UK Dark Matter Collaboration).

    Οι υπόγειες μηχανές αναζήτησης περιμένουν τη σπάνια στιγμή που θα χτυπήσει ένα σωματίδιο WIMP έναν ατομικό πυρήνα και θα του προκαλέσει μια ελαστική σκέδαση. Τα πειράματα αυτά πρέπει να τρέχουν κάτω από το έδαφος για να εμποδίσουν τις κοσμικές ακτίνες να αλλοιώσουν τα αποτελέσματα. Υπόγεια πειράματα γίνονται σε ένα κλειστό ορυχείο σιδήρου στη Μινεσότα και σε σπήλαια στον Καναδά, την Αγγλία, τη Γαλλία, την Ιταλία, την Ιαπωνία και την Ρωσία.

Advertisements