Το κυνήγι της αόρατης σκοτεινής ύλης

Τα βράδια, κοιτάζοντας τον ουρανό, βλέπουμε αστέρια, γαλαξίες και νεφελώματα και έχουμε την αίσθηση ότι κοιτάζουμε ολόκληρο το Σύμπαν, ως εκεί που φτάνει το μάτι μας. Κι όμως, αυτό που βλέπουμε δεν είναι παρά ένα μικρό μόνο μέρος από το υλικό περιεχόμενο του Σύμπαντος. Μας διαφεύγει το μεγαλύτερο μέρος του, επειδή δεν εκπέμπει φως και, άρα, δεν είναι ορατό. Εξαιτίας αυτής ακριβώς της ιδιότητάς της, η ύλη που δεν φαίνεται έχει ονομασθεί «σκοτεινή ύλη» και η φύση της αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα άλυτα προβλήματα της Αστρονομίας σήμερα.

Στη δεκαετία του 1930 δύο μεγάλοι αστρονόμοι, ο Ολλανδός Γιαν Οορτ και ο Ελβετοαμερικανός Φριτς Ζβίκι, παρατήρησαν δύο παρόμοια αστρονομικά «παράδοξα». Συγκεκριμένα, ο Οορτ διεπίστωσε ότι οι ταχύτητες των αστέρων στον Γαλαξία μας είναι μεγαλύτερες απ’ ό,τι δικαιολογεί η μάζα του Γαλαξία και ο Ζβίκι παρατήρησε ότι οι ταχύτητες των γαλαξιών που κινούνται μέσα σε μεγάλα σμήνη γαλαξιών είναι μεγαλύτερες απ’ ό,τι δικαιολογεί η μάζα των ίδιων των σμηνών. Για να καταλάβουμε σε τι συνίσταται το «παράδοξο», αρκεί να φέρουμε στο μυαλό μας, ως μοντέλο, την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ηλιο. Για παράδειγμα, η Γη περιφέρεται γύρω από τον Ηλιο με ταχύτητα 107.000 χιλιομέτρων την ώρα. Αν δεν υπήρχε η μάζα του Ηλίου, για να την έλκει προς το κέντρο του ηλιακού συστήματος και να την αναγκάζει να κινείται σε κύκλο, η Γη θα εκινείτο σε ευθεία γραμμή και θα είχε απομακρυνθεί από τον Ηλιο εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια. Αντιστοίχως, τα αστέρια του Γαλαξία μας κινούνται σε (σχεδόν) κυκλικές τροχιές γύρω από το κέντρο του Γαλαξία, επειδή τα έλκει η μάζα του ίδιου του Γαλαξία. Για τον ίδιο λόγο οι γαλαξίες σε ένα σμήνος γαλαξιών δεν απομακρύνονται από αυτό, επειδή τους έλκει η μάζα των υπόλοιπων γαλαξιών του σμήνους. Ο Γιαν Οορτ υπολόγισε τη μάζα του Γαλαξία μας από τη μάζα των αστέρων και των νεφών αερίου και σκόνης που περιέχονται σε αυτόν, και διεπίστωσε με έκπληξη ότι είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα που φαίνεται να έλκει τους αστέρες, έτσι ώστε να κινούνται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία με τις συγκεκριμένες ταχύτητες που μετρούμε παρατηρησιακά. Παρομοίως ο Φριτς Ζβίκι διεπίστωσε ότι η μάζα ενός σμήνους γαλαξιών, που υπολογίζεται προσθέτοντας τις μάζες του καθενός από αυτούς, δεν είναι αρκετή για να «κρατήσει» τους γαλαξίες-μέλη του σμήνους συγκεντρωμένους. Το «παράδοξο» αυτό είναι γνωστό στην Αστρονομία ως «φαινόμενο της ελλείπουσας μάζας».

Προσομοίωση της κατανομής της σκοτεινής ύλης στα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος

Από το 1930 ως σήμερα οι αστρονόμοι έχουν ελέγξει ένα πλήθος υποθέσεων για τη φύση της ελλείπουσας μάζας, δηλαδή της μάζας που έλκει τους αστέρες και τους γαλαξίες αλλά δεν είναι ορατή. Θα μπορούσε να οφείλεται σε «αστρικά πτώματα», δηλαδή λευκούς νάνους, αστέρες νετρονίων ή μελανές οπές, τα οποία δεν ακτινοβολούν αισθητά επειδή δεν έχουν πια διαθέσιμες πηγές ενέργειας. Θα μπορούσε να οφείλεται σε ουράνια σώματα με μάζα μικρότερη από εκείνη των αστέρων, ώστε να μην είναι δυνατή σε αυτά η σύντηξη του υδρογόνου σε ήλιο, αντίδραση που είναι υπεύθυνη για την παραγωγή της ενέργειας των αστέρων. Θα μπορούσε να οφείλεται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκτός του ορατού φάσματος (αφού σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας η ενέργεια της ακτινοβολίας είναι ισοδύναμη με μάζα). Τέλος, θα μπορούσε να οφείλεται στην ύπαρξη άλλων στοιχειωδών σωματιδίων εκτός από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, τα οποία γνωρίζουμε ότι σχηματίζουν τα άτομα από τα οποία αποτελείται η ύλη γύρω μας. Οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι όλα αυτά τα είδη ύλης και ενέργειας υπάρχουν πραγματικά, όμως ακόμη και όλα μαζί δεν είναι ικανά να δικαιολογήσουν ολόκληρη την ποσότητα της ελλείπουσας μάζας. Το τελικό συμπέρασμα είναι ότι τα άτομα κάθε είδους χημικών στοιχείων αποτελούν το 12% της συνολικής μάζας του Σύμπαντος, τα νετρίνα το 10% και η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία άλλο ένα 15%, ενώ το υπόλοιπο 63% αντιπροσωπεύει ύλη, η φύση της οποίας δεν είναι σήμερα γνωστή. Υποθέτουμε ότι η ύλη αυτή αποτελείται από σωματίδια που «αισθάνονται» τη βαρύτητα αλλά δεν «αισθάνονται» τις πυρηνικές δυνάμεις ώστε να σχηματίσουν άτομα, ούτε είναι ηλεκτρικά φορτισμένα ώστε να δέχονται ηλεκτρικές δυνάμεις, ενώ είναι πιθανό να «αισθάνονται» τη λεγόμενη «ασθενή πυρηνική δύναμη», δηλαδή την τέταρτη από τις τέσσερις γνωστές σήμερα δυνάμεις της Φύσης. Για τον λόγο αυτόν τα υποθετικά αυτά σωματίδια αναφέρονται από τους επιστήμονες με το όνομα «WIMPs», που είναι το αρκτικόλεξο της ονομασίας «Weakly Interacting Massive Particles» (σωματίδια με μάζα τα οποία αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς δύναμης).

Τα νετρίνα είναι ένα είδος WIMPs, αφού δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και επηρεάζονται μόνο από τη βαρυτική και την ασθενή πυρηνική δύναμη. Οπως όμως αναφέρθηκε ήδη, ο αριθμός τους, που είναι γνωστός από πειράματα και θεωρητικές εκτιμήσεις, δεν μπορεί να δικαιολογήσει παρά ένα μέρος μόνο της ελλείπουσας μάζας. Ετσι η μόνη «λογική» λύση που απομένει στο μυστήριο της ελλείπουσας μάζας είναι η ύπαρξη σωματιδίων που δεν έχουν ανιχνευθεί ως σήμερα. Αν αυτό είναι σωστό, τότε χιλιάδες τέτοιου είδους σωματίδια θα πρέπει να διέρχονται από κάθε τετραγωνικό εκατοστό του σώματός μας κάθε δευτερόλεπτο. Δυστυχώς, ως σήμερα δεν έχει αναφερθεί η ανίχνευσή τους με πειραματικά στοιχεία πέραν πάσης αμφιβολίας. Αν όμως θεωρεί κανείς ότι η αδυναμία πειραματικής επιβεβαίωσης της ύπαρξης αυτών των σωματιδίων, η οποία θα έλυνε το μυστήριο της ελλείπουσας μάζας, είναι ένα είδος βόμβας στα θεμέλια της σήμερα αποδεκτής επιστημονικής γνώσης, η περίπτωση να μην υπάρχουν τελικά τέτοιου είδους σωματίδια έχει ακόμη πιο σοβαρές συνέπειες. Κι αυτό επειδή υπάρχουν περιορισμένες εναλλακτικές ερμηνείες του μυστηρίου της ελλείπουσας μάζας, οι οποίες δημιουργούν ακόμη «χειρότερα» προβλήματα. Συγκεκριμένα, θα πρέπει να κάνουμε μία ή περισσότερες από τις παρακάτω υποθέσεις. Ο νόμος της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα δεν ισχύει για όλες τις αποστάσεις, η παγκόσμια σταθερά της έλξης δεν είναι σταθερά, ο χώρος αποτελείται από 10 διαστάσεις και, τέλος, ο χώρος δεν είναι συνεχής αλλά αποτελείται από τη συνένωση στοιχειωδών σωματιδίων χωροχρόνου. Καμία από τις παραπάνω εναλλακτικές ερμηνείες δεν ανήκει στο σήμερα γενικά αποδεκτό οικοδόμημα της Φυσικής. Η διευκρίνιση του ποια τελικά από τις ερμηνείες ισχύει, η ύπαρξη άγνωστων σωματιδίων ή η ανατροπή των γνωστών νόμων της Φυσικής, αποτελεί μια από τις σπουδαιότερες προκλήσεις της σύγχρονης επιστήμης.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.