Κοινωνία 28.12.2016 - 11:39

Ο θάνατος της Vera Rubin και η "σκοτεινή ύλη"

Για τη μεγάλη κυρία της Αστρονομίας Vera Rubin άρθρο από το ΓΕΩτρόπιο της Ελευθεροτυπίας 23/1/2010

Αντιγράφουμε το κείμενο από τη σελίδα στο facebook του Διονύση Σιμόπουλου

Τα 2.500 χρόνια εξέλιξης των ιδεών στις φυσικές επιστήμες μάς οδήγησαν σήμερα να ισχυριζόμαστε ότι κατανοούμε μόλις ένα 4% των συστατικών του Σύμπαντος. Το ποσοστό αυτό αποτελεί τη συνηθισμένη και ορατή, βαρυονική όπως ονομάζεται, ύλη, από την οποία αποτελούμαστε εμείς οι ίδιοι, καθώς και όλοι οι πλανήτες και τα άστρα των γαλαξιών του Σύμπαντος. Με άλλα λόγια, μόνο εκείνα τα ουράνια σώματα, τα οποία είναι ανιχνεύσιμα ακριβώς διότι εκπέμπουν και ανακλούν κάποιας μορφής ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το γεγονός ότι υπάρχουν «εκεί έξω» πολλά περισσότερα απ’ όσα θα μπορούσαμε ποτέ να ονειρευτούμε, για να θυμηθούμε και τον Άμλετ, άρχισε να γίνεται γνωστό από τις αρχές της δεκαετίας του ‘30 χάρη στις πρωτοποριακές μελέτες που πραγματοποίησε ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky στη προσπάθειά του να υπολογίσει τη συνολική μάζα του γαλαξιακού σμήνους της Κόμης.

Χρησιμοποιώντας τις ταχύτητες των επί μέρους γαλαξιών του σμήνους που μέτρησε ο ίδιος, τη διάμετρο του σμήνους που ήταν ήδη γνωστή, καθώς και την απλή Νευτώνεια φυσική υπολόγισε τη συνολική μάζα που θα έπρεπε να έχει το σμήνος, ώστε οι γαλαξίες που το απαρτίζουν να κινούνται με τις ταχύτητες που είχε μετρήσει. Στη συνέχεια, προκειμένου να επιβεβαιώσει το αποτέλεσμά του, υπολόγισε τη συνολική μάζα του σμήνους σε συνάρτηση με τη φωτεινότητα των γαλαξιών του. Το αποτέλεσμα ήταν παράδοξο όσο και εντυπωσιακό: η μάζα που αντιστοιχούσε στη «φωτεινή» ύλη του σμήνους ήταν κατά πολύ μικρότερη από αυτή που απαιτούνταν προκείμενου να «δικαιολογηθούν» οι ταχύτητες των γαλαξιών του. Το εκπληκτικό συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε ήταν ότι το γαλαξιακό σμήνος Κόμη θα πρέπει να εμπεριέχει και τεράστιες ποσότητες ενός άγνωστου είδους ύλης, γιατί διαφορετικά οι μεγάλες ταχύτητες των γαλαξιών που το απαρτίζουν θα το είχαν «διαμελίσει». Η ύλη αυτή, επειδή δεν εκπέμπει κάποιου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που θα επέτρεπε την ανίχνευσή της, ονομάστηκε «σκοτεινή ύλη».

Χρειάστηκε να περάσουν περίπου 40 χρόνια προκειμένου η επαναστατική αυτή θέση να γίνει ευρέως αποδεκτή από την αστρονομική κοινότητα. Ίσως γι’ αυτό να έφταιγε και ο εκκεντρικός και εριστικός χαρακτήρας του ίδιου του Zwicky, ποιος ξέρει. Στη διάρκεια της δεκαετίας του ‘70 όμως η αμερικανίδα αστρονόμος Vera Rubin με τις πρωτοποριακές της παρατηρήσεις της ταχύτητας με την οποία περιφέρονται τα άστρα γύρω από τους γαλαξιακούς πυρήνες κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα. Επειδή η κεντρική περιοχή ενός σπειροειδούς γαλαξία εμπεριέχει και τη μεγαλύτερη συσσώρευση ορατών άστρων, οι περισσότεροι αστρονόμοι της εποχής εκείνης πίστευαν ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας ενός γαλαξία ήταν συγκεντρωμένο σε αυτήν ακριβώς τη κεντρική περιοχή που περιβάλλει το πυρήνα του γαλαξία, όπου η βαρυτική του έλξη είναι και ισχυρότερη. Αυτό σήμαινε ότι όσο μακρύτερα βρισκόταν ένα άστρο από το κέντρο του γαλαξία, τόσο μικρότερη θα ήταν και η ταχύτητα περιφοράς του.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων της Rubin όμως έδειχναν ακριβώς το αντίθετο: αντί οι ταχύτητες περιφοράς των άστρων σε κάθε γαλαξία να μειώνονται όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο του, παρέμεναν σταθερές σε μεγάλες αποστάσεις. Με άλλα λόγια, τα άστρα στις παρυφές των γαλαξιών διέγραφαν τροχιές με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτές που θα «έπρεπε» να είχαν, εάν η ορατή γαλαξιακή ύλη, τα αναρίθμητα δηλαδή αστέρια και τα αέρια που εμπεριείχαν, αντιστοιχούσε επακριβώς και στη συνολική τους μάζα. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν οι γαλαξίες αυτοί θα έπρεπε να είχαν «διαμελιστεί», αφού η βαρυτική τους έλξη δεν ήταν τόσο μεγάλη όσο θα έπρεπε για να συγκρατήσει τα άστρα στις τροχιές τους.

Η διαπίστωση αυτή, εκ πρώτης όψεως, φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση και με την κοινή λογική, αφού σύμφωνα με τη Νευτώνεια φυσική η ταχύτητα περιφοράς των άστρων θα έπρεπε να μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από το γαλαξιακό κέντρο, όπως περίπου μειώνονται και οι ταχύτητες των πλανητών του Ηλιακού μας Συστήματος όσο μακρύτερα αυτοί βρίσκονται από τον Ήλιο. Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαν τα άστρα αυτά να περιφέρονται σε τόσο μεγάλες αποστάσεις από τους γαλαξιακούς πυρήνες και με αυτές τις ταχύτητες θα ήταν να εμπεριέχει ο κάθε γαλαξίας πολύ μεγαλύτερη ποσότητα ύλης απ’ αυτήν που μπορούμε να δούμε. Κάθε γαλαξίας με άλλα λόγια θα πρέπει να περιβάλλεται από μια σφαιρική άλω αόρατης, σκοτεινής ύλης, που αντιστοιχεί και στο μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής του μάζας. Όμως, ακόμα και σήμερα η φύση της εξακολουθεί να παραμένει άγνωστη. Τι θα μπορούσε άραγε να είναι;

Μια πρώτη απάντηση είναι ότι πρόκειται για συνηθισμένης μορφής ύλη, όπως για παράδειγμα, καφέ νάνοι, αέριοι πλανήτες σαν το Δία, μαύρες τρύπες, καθώς και άλλα «κλασικά» ουράνια σώματα, τα οποία δεν μπορούμε να δούμε είτε επειδή εκπέμπουν ελάχιστη ακτινοβολία, είτε επειδή βρίσκονται πολύ μακριά μας, είτε επειδή κρύβονται βαθιά μέσα σε νέφη σκόνης. Συλλογικά, τα ουράνια σώματα που αποτελούν αυτού του είδους τη βαρυονική σκοτεινή ύλη ονομάζονται MACHOs (MAssive Compact Halo Objects, δηλαδή Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα της Άλω). Όλες οι έρευνες όμως που έχουν διεξαχθεί ως τώρα απορρίπτουν τη πιθανότητα να αποτελείται η σκοτεινή ύλη αποκλειστικά από MACHOs.

Σύμφωνα με τους περισσότερους ερευνητές η σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος θα πρέπει αντίθετα να αντιστοιχεί σε παράξενα στοιχειώδη σωματίδια, εξωτικές μορφές ύλης, που δεν έχουν ακόμα ανιχνευθεί στο εργαστήριο, όπως είναι τα WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, δηλαδή Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα) και τα αξιόνια. Η ύπαρξη των WIMPs προβλέπεται από ορισμένες θεωρίες στοιχειωδών σωματιδίων και, θεωρητικά τουλάχιστον, η παραγωγή τους μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι αυτή που απαιτείται για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος. Το πρόβλημα με τα WIMPs είναι ότι δεν αλληλεπιδρούν με τη βαρυονική ύλη παρά μόνο διά μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης (ή δύναμης) και κατά συνέπεια, εάν όντως υπάρχουν, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευτούν.

Τα αξιόνια από την άλλη πλευρά είναι κι αυτά υποθετικά σωματίδια, τα οποία προτάθηκαν ότι υπάρχουν προκειμένου να «καθαρίσουν» ένα σοβαρό πρόβλημα της θεωρητικής φυσικής που αφορά στον διαφορετικό τρόπο με τον οποίο οι ισχυρές και οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις αντιμετωπίζουν την ύλη και την αντιύλη. Για αυτό και ο εμπνευστής τους τα βάφτισε δίνοντάς τους το όνομα ενός απορρυπαντικού! Θεωρητικά η μάζα τους υπολογίζεται ότι είναι απειροελάχιστη, ακόμη και σε σχέση με το ηλεκτρόνιο, ενώ σε αντίθεση με αυτά δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, γεγονός που καθιστά την ανίχνευσή τους εξαιρετικά δύσκολη. Παρ' όλα αυτά είναι δυνατό να δημιουργήθηκαν στο αρχέγονο Σύμπαν σε τόσο μεγάλες ποσότητες, που να τα καθιστά σοβαρό υποψήφιο για το επικρατέστερο είδος της σκοτεινής ύλης.

Μήπως όμως όλα αυτά είναι τελικά μια «αυταπάτη»; Μήπως, με άλλα λόγια, οι γνώσεις μας για την βαρύτητα, την ασθενέστερη απ’ όλες τις αλληλεπιδράσεις της φύσης, είναι λανθασμένες ή ελλιπείς; Παρ’ όλο που κάποιοι ερευνητές έχουν ήδη στραφεί προς αυτή την κατεύθυνση, προτείνοντας εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας, η μεγάλη πλειοψηφία των επιστημόνων σήμερα δεν τρέφει καμιά αμφιβολία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Τα τελευταία χρόνια μάλιστα η «προκατάληψη» των επιστημόνων υπέρ της σκοτεινής ύλης έχει ενισχυθεί σημαντικά. Η απεικόνιση ενός γαλαξιακού σμήνους χάρη στην λεπτομερή ανάλυση των δεδομένων που συνέλεξαν το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων Χ Chandra, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου, καθώς και τα οπτικά τηλεσκόπια Μαγγελάνος αποτέλεσε την πρώτη ισχυρή ένδειξη ότι η σκοτεινή ύλη όντως υπάρχει.

Η διθυραμβική ανακοίνωση της NASA την 21η Αυγούστου 2006, που έκανε το γύρο του κόσμου, εξηγούσε πώς το γαλαξιακό αυτό σμήνος δημιουργήθηκε από τη σύγκρουση δύο μικρότερων σμηνών με αποτέλεσμα το «διαχωρισμό» της σκοτεινής ύλης και των αερίων. Σύντομα ακολούθησε και μια δεύτερη. Με τη βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble αστρονόμοι φωτογράφισαν έναν τεράστιο δακτύλιο σκοτεινής ύλης με διάμετρο 2,6 εκατομμύρια έτη φωτός, ο οποίος θα πρέπει να σχηματίστηκε από τη τιτάνια κοσμική σύγκρουση δύο γαλαξιακών σμηνών πριν από 1 με 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Παρ’ όλο που όπως έχουμε πει η σκοτεινή ύλη είναι εξ ορισμού αόρατη, οι αστρονόμοι μπορούν να εικάσουν και να απεικονίσουν την ύπαρξη της, καταγράφοντας το τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα που ασκεί η ύπαρξή της καμπυλώνει το φως ακόμη πιο απόμακρων γαλαξιών.

Όπως εξηγεί ο James Jee, μέλος της ομάδας που πραγματοποίησε τη σχετική έρευνα, είναι σαν να κοιτάμε τα βότσαλα στο βυθό μιας λίμνης που η επιφάνειά της κυματίζεται ελαφρά. Το σχήμα του κάθε βότσαλου φαίνεται να αλλάζει καθώς ο κυματισμοί περνούν από πάνω του. Με τον ίδιο περίπου τρόπο ο δακτύλιος της σκοτεινής ύλης, που παρεμβάλλεται ανάμεσα στους απόμακρους γαλαξίες του υποβάθρου και στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, προκαλεί ανεπαίσθητες αλλά συγκεκριμένες και μετρήσιμες αλλαγές στο σχήμα των γαλαξιών.

Τον Ιανουάριο του 2007 παρουσιάστηκε στην επιστημονική κοινότητα ο πρώτος τρισδιάστατος χάρτης, βασισμένος σε πραγματικά παρατηρησιακά δεδομένα, ο οποίος απεικονίζει την κατανομή της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος σε μεγάλη κλίμακα. Η χαρτογράφηση αυτή αποκάλυψε ένα δίκτυο νηματοειδών δομών το οποίο διευρύνθηκε με το χρόνο και το οποίο τέμνεται στις περιοχές που εντοπίζονται οι κολοσσιαίες συσσωρεύσεις ύλης, που αποτελούν τα γαλαξιακά σμήνη. Το ενθαρρυντικό είναι ότι και οι αριθμητικές προσομοιώσεις που πραγματοποιούν οι αστροφυσικοί στους πανίσχυρους υπερυπολογιστές τους αναδεικνύουν μία αντίστοιχη εξέλιξη και μία παραπλήσια δομή. Για να συνθέσουν αυτό το χάρτη, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν τα δεδομένα της μεγαλύτερης επισκόπησης που έχει πραγματοποιήσει μέχρι σήμερα το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, γνωστή ως Επισκόπηση της Κοσμικής Εξέλιξης (Cosmic Evolution Survey).

Για να αποδοθεί η τρισδιάστατη απεικόνιση της σκοτεινής ύλης, οι παρατηρήσεις του Hubble συνδυάστηκαν με τα δεδομένα που συνέλεξαν τα επίγεια τηλεσκόπια Very Large Telescope στη Χιλή, Subaru στη Χαβάη, Very Large Array στο Νέο Μεξικό, καθώς επίσης και το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων Χ της ESA XMM-Newton. Επειδή, όπως είπαμε, η σκοτεινή ύλη δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, η κατανομή της στο αχανές Διάστημα υπολογίστηκε με μια μέθοδο βασισμένη σε ένα φαινόμενο γνωστό στους αστρονόμους ως ασθενής βαρυτικός φακός. Με την καταγραφή δηλαδή της μικρής, αλλά παρατηρήσιμης, παραμόρφωσης του σχήματος αυτών των απόμακρων γαλαξιών, η οποία προκαλείται από τη βαρυτική στρέβλωση του χώρου που προκαλεί η παρουσία της παρεμβαλλόμενης σκοτεινής ύλης, κατά μήκος της διεύθυνσης που παρατηρεί το Hubble.

Η διεύρυνση των γνώσεών μας για τη γέννηση και την εξέλιξη των γαλαξιών, οι οποίοι με το πέρασμα δισεκατομμυρίων ετών σχημάτισαν τα τεράστια γαλαξιακά σμήνη και τις κολοσσιαίες δομές που παρατηρούμε σε πολύ μεγάλες κλίμακες είναι άρρηκτα συνδεδεμένη και με τη σκοτεινή ύλη, όπως επίσης και με τον τρόπο που αυτή κατανέμεται στο χώρο και στο χρόνο. Η φύση της όμως εξακολουθεί να μας είναι άγνωστη. Γι’ αυτό, όπως παρατήρησε και ο Richard Massey, ερευνητής του California Institute of Technology, «τώρα που αρχίσαμε να χαρτογραφούμε την κατανομή της, η επόμενη πρόκληση είναι να προσδιορίσουμε τι είναι και πώς σχετίζεται με τη συνηθισμένη ύλη που μας περιβάλλει». Τη πρόκληση αυτή καλείται να αντιμετωπίσει η νέα γενιά των υπόγειων ανιχνευτών σκοτεινής ύλης που ήδη λειτουργούν ή κατασκευάζονται αυτή τη στιγμή, σε συνδυασμό με τα νέα πειράματα που θα διεξαχθούν στον LHC και αλλού και με τη βοήθεια πάντα των υπέργειων και διαστημικών μας τηλεσκοπίων.

Δεν χρειάζεται φυσικά να πούμε ότι η οριστική ανίχνευση κάποιων από τη πληθώρα των εξωτικών σωματιδίων που έχουν προταθεί προκειμένου να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, είτε αυτά είναι αξιόνια είτε WIMPS είτε κάτι άλλο, θα αποτελέσει ορόσημο στην εξέλιξη των φυσικών επιστημών και θα ανοίξει το δρόμο σε νέα, ανεξερεύνητα ακόμα, πεδία έρευνας, πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που περιγράφει το μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Ποιο από αυτά θα αποδειχτεί ότι αποτελεί τον κύριο όγκο της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο έντονης έρευνας. Ή, ίσως πάλι, οι επιστήμονες που επιμένουν ότι το λαμπρό οικοδόμημα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας θα πρέπει να αναθεωρηθεί να έχουν πράγματι δίκιο. Κανείς δεν ξέρει ακόμη με βεβαιότητα. Γι’ αυτό, καλό θα ήταν ίσως να θυμόμαστε την προτροπή του μεγάλου μυθιστορηματικού ντετέκτιβ Sherlock Holmes: «Όταν θα έχεις αποκλείσει το αδύνατο, οτιδήποτε παραμείνει, όσο απίθανο κι αν είναι, πρέπει να είναι η αλήθεια».