Πέντε λόγοι για τους οποίους πρέπει να υπάρχει σκοτεινή ύλη

Η σκοτεινή ύλη αποτελεί αναμφίβολα ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης επιστήμης. Με την επίδραση της βαρύτητάς της επηρεάζει την κίνηση άστρων, γαλαξιών, ακόμη και την εξέλιξη του ίδιου του Σύμπαντος.

Κι όμως, αν και έχει μάζα τουλάχιστον πέντε φορές μεγαλύτερη από τη συνήθη ύλη, οι επιστήμονες δε γνωρίζουν ποια σωματίδια την απαρτίζουν. Εκατοντάδες πειράματα σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να επαληθεύσουν κάποια από τις πιθανές θεωρίες που θα μπορούσαν να εξηγήσουν την προέλευση της δίχως όμως επιτυχία. Ποιοι είναι όμως οι λόγοι για τους οποίους οι περισσότεροι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι πως η σκοτεινή ύλη υπάρχει;



Γαλαξιακά σμήνη

Το 1933 ο Ελβετός αστρονόμος Φριτζ Ζουίκι, μελετώντας το κοντινό γαλαξιακό σμήνος Κόμα, ήταν ο πρώτος που παρατήρησε πως κάτι δεν πήγαινε καλά στην κίνηση των γαλαξιών. Εκτελώντας μετρήσεις της ταχύτητάς τους ο Ζουίκι υπολόγισε τη μάζα τους μέσω της θεωρίας της βαρύτητας, ενώ παράλληλα μέσω της φωτεινότητάς τους, υπολόγισε τη μάζα των άστρων που τους αποτελούσαν.

Αν και αυτοί οι δύο υπολογισμοί θα έπρεπε λογικά να συμπίπτουν, ο Ζουίκι διαπίστωσε πως η μάζα που είχε υπολογίσει μέσω της φωτεινότητας των άστρων ήταν αρκετές φορές μικρότερη από τη μάζα που υπολόγισε μέσω βαρύτητας, ενώ σύμφωνα με την ανάλυσή του, η «φωτεινή μάζα» των γαλαξιών δε θα έφτανε για να τους συγκρατήσει σε μία δομή. Με άλλα λόγια, αν οι γαλαξίες αποτελούνταν μόνο από τα άστρα που παρατηρούμε, γρήγορα θα διαλύονταν καθώς τα άστρα θα ξέφευγαν στο κενό. Για το λόγο αυτό, ο Ζουίκι ήταν ο πρώτος που έκανε λόγο για ενός είδους «σκοτεινή ύλη», που δρα σα συγκολλητική ουσία στους γαλαξίες.

Γαλαξιακό σμήνος, φωτογραφία από το Hubble

Οι καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών

Παρατηρώντας την κίνηση των άστρων εντός ενός γαλαξία, θα εξάγει κανείς την ίδια ανάγκη ύπαρξης σκοτεινής ύλης. Σύμφωνα με τη Νευτώνεια δυναμική, που είναι μία πολύ καλή προσέγγιση της θεωρίας της βαρύτητας, τα άστρα με μεγαλύτερες τροχιές γύρω από το γαλαξιακό κέντρο θα έπρεπε να κινούνται πιο αργά σε σχέση με τα άστρα που βρίσκονται πιο κοντά στο κέντρο του Γαλαξία.

Κάτι τέτοιο όμως φαίνεται πως δεν ισχύει, όπως έγινε αντιληπτό ήδη από τη δεκαετία του ’60 όταν οι αστρονόμοι μελέτησαν την κίνηση των άστρων στη γειτονική Ανδρομέδα, βρίσκοντας μία σχετικά σταθερή ταχύτητα για τα άστρα που βρίσκονταν μετά από μία συγκεκριμένη τροχιά. Το φαινόμενο αυτό, θα μπορούσε να εξηγηθεί εάν μία μεγάλη ποσότητα σκοτεινής ύλης κατοικούσε στη γαλαξιακή άλω, μία εκτεταμένη περιοχή πέρα από τα όρια της ορατής ύλης.

Η Μικροκυματική Ακτινοβολία Υποβάθρου

Ακόμη και στην πρώτη «φωτογραφία» του Σύμπαντος, στον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης θα βρει κανείς ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Κατά τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος, δύο αντίρροπες δυνάμεις μονομαχούσαν: από τη μία η πίεση των φωτονίων που ωθούσε το Σύμπαν στη διαστολή και από την άλλη η δύναμη της βαρύτητας που το συμπίεζε. Ο ανταγωνισμός αυτός προκάλεσε μία ταλάντωση των φωτονίων και της μάζας μεταξύ πυκνών και αραιών περιοχών. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης άφησε ένα πολύ χαρακτηριστικό ίχνος στην ακτινοβολία υποβάθρου και συνεισέφερε στη βαρυτική κατάρρευση ορισμένων περιοχών, καθώς δεν επηρεαζόταν από την πίεση των φωτονίων.

Δομές Μεγάλης Κλίμακας

Το προηγούμενο συμπέρασμα σχετίζεται και με τη διαπίστωση πως στο Σύμπαν υπάρχουν ορισμένες δομές που είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που μπορούν να εξηγηθούν εάν λάβει κανείς υπόψη την ηλικία του. H παρουσία της σκοτεινής ύλης, όπως εξηγήσαμε, δημιούργησε εκτεταμένες περιοχές με υψηλή πυκνότητα που θα μπορούσαν να επιταχύνουν το φαινόμενο της συγκέντρωσης περισσότερης μάζας γύρω από αυτές και συνεπώς των Δομών Μεγάλης Κλίμακας που παρατηρούνται στο σημερινό Σύμπαν.

Βαρυτικοί φακοί          

Παρατηρήσεις της ίδιας περιοχής με το τηλεσκόπιο Χαμπλ, έδειξαν ένα έντονο φαινόμενο βαρυτικού φακού, το οποίο συμβαίνει όταν μία μεγάλη συγκέντρωση μάζας συγκεντρώνει γύρω της ακτίνες φωτός, όπως ένας μεγεθυντικός φακός συγκεντρώνει τις ακτίνες του Ήλιου.  Η φωτεινή μάζα στο σμήνος της Σφαίρας, δεν επαρκεί για να εξηγήσει το βαρυτικό φακό που ανίχνευσε το Χαμπλ, διαφωνία που η ύπαρξη σκοτεινής ύλης παρακάμπτει.

Αυτά είναι πέντε από τα κυριότερα επιχειρήματα υπέρ της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης. Αν και υπάρχουν εναλλακτικές θεωρίες που υποστηρίζουν πως μπορούν να αναιρέσουν την ανάγκη για την ύπαρξή της, καμία γνωστή μέχρι στιγμής θεωρία δε μπορεί να εξηγήσει όλα τα παραπάνω φαινόμενα. Κι όμως, μέχρι σήμερα επίσης καμία θεωρία για τη δομή σκοτεινής ύλης δεν έχει δώσει τα αναμενόμενα πειραματικά αποτελέσματα.