Σκοτεινή ύλη

Στην επιστήμη της κοσμολογίας, η σκοτεινή ύλη αναφέρεται σε υποθετικά σωματίδια ύλης, άγνωστης σύνθεσης, τα οποία δεν εκλύουν ούτε αντανακλούν αρκετή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ώστε να μπορούν να γίνουν άμεσα ανιχνεύσιμα. Η ύπαρξή τους μπορεί να διαπιστωθεί από τα βαρυτικά αποτελέσματα σε ορατή ύλη, όπως τα αστέρια και οι γαλαξίες. Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης έχει σαν στόχο να εξηγήσει διάφορες αστρονομικές παρατηρήσεις που δεν συμφωνούν με τη θεωρία μας για τη βαρύτητα, όπως ανωμαλίες στην ταχύτητα περιστροφής των αστεριών στις παρυφές 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 (γεγονός όμως για το οποίο υπάρχουν πολλά αντίθετα επιχειρήματα) είτε με τη θεώρηση της ύπαρξης μιας μεγάλης ποσότητας μάζας που, προς το παρόν τουλάχιστον, δεν μπορούμε να δούμε. Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης θα έλυνε ένα πλήθος προβλημάτων συνέπειας στη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης.

Αν η σκοτεινή ύλη υπάρχει, υπερβαίνει σημαντικά σε μάζα το ορατό μέρος του σύμπαντος. Μόνο το 4% της συνολικής μάζας του σύμπαντος μπορεί να γίνει άμεσα ορατό. Περίπου το 22% υπολογίζεται ότι αποτελείται από σκοτεινή ύλη. Το υπόλοιπο 74% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια, ένα ακόμα πιο περίεργο στοιχείο, διάσπαρτο στο διάστημα, το οποίο πιθανότατα δεν μπορεί να λογιστεί σαν συνήθη σωματίδια. Ο καθορισμός της φύσης αυτής της χαμένης μάζας είναι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα της σύγχρονης κοσμολογίας και της φυσικής των σωματιδίων.

Τα πρώτα δεδομένα βασισμένα στην παρατήρηση

Η ιστορία ξεκίνησε το 1933, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελετούσε την κίνηση μακρινών σμηνών γαλαξιών μεγάλης μάζας, συγκεκριμένα το Σμήνος της Κόμης κι αυτό 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.

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 στα σοβαρά υπ' όψιν. Η ύπαρξη τέτοιας ύλης δεν θα είχε μόνο επιλύσει την έλλειψη μάζας στα σμήνη γαλαξιών, αλλά θα είχε επίσης αποτελέσματα πολύ μεγαλύτερης εμβέλειας σχετικά με την εξέλιξη και τη μοίρα του ίδιου του Σύμπαντος.

Ένα επιπρόσθετο 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 (πρόκειται για απλό συμπέρασμα του τρίτου 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 φαινομενικά κοντά 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.

Ορίστε ένας άλλος τρόπος αντιμετώπισης του προβλήματος: ας λάβουμε υπ' όψιν τους αστέρες που βρίσκονται κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία, με τροχιακές ταχύτητες της τάξης των 200 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο κατά γενική ομολογία. Αν ο γαλαξίας αποτελούταν μόνο από ύλη που μπορούμε να δούμε, οι αστέρες αυτοί θα τον εγκατέλειπαν σε σύντομο χρονικό διάστημα, δεδομένου ότι οι τροχιακές ταχύτητες τους είναι τέσσερεις φορές πιο μεγάλες από την ταχύτητα διαφυγής από το γαλαξία. Δεδομένου ότι δεν παρατηρούνται γαλαξίες που έχουν διασκορπιστεί με τέτοιο τρόπο, στο εσωτερικό τους πρέπει να υπάρχει μάζα την οποία δεν λαμβάνουμε υπ' όψιν όταν αθροίζουμε όλα τα τμήματα που μπορούμε να δούμε.