Οι λεωφόροι των WIMP στο διάστημα μπορεί να λύσουν το κοσμικό μυστήριο της σκοτεινής ύλης

Από σελίδα του Πανεπιστημίου Utah, Μάρτιος 2004

Τα WIMP, που ταξιδεύουν με μια ταχύτητα 300 km/s σε μια "διαστημική λεωφόρο", μπορεί να έρθουν σαν μια βροχή σωματιδίων και στη Γη - ένα φαινόμενο που μπορεί να αποδείξει την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, με την οποία είναι φτιαγμένος κυρίως ο Γαλαξίας μας καθώς και το ένα τέταρτο του σύμπαντος.

Γι΄ αυτό απαιτείται να μελετήσουμε τα συντρίμμια από το γαλαξία Τοξότη, που 'καταβροχθίζεται'  από τον δικό μας γαλαξία. Αυτά θα ήταν τα σημάδια της λεγόμενης σκοτεινής ύλης, λέει μια μελέτη που συνυπογράφεται από ένα φυσικό του Πανεπιστημίου της Utah.

Πολλοί ερευνητές από καιρό έχουν υποψιαστεί ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να αποτελείται από WIMP. από τα αρχικά των λέξεων Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωμάτια Μεγάλης Μάζας, που είναι υποατομικά σωματίδια. Περισσότερες από 20 ομάδες φυσικών σε όλο τον κόσμο φτιάχνουν ή έχουν φτιάξει συσκευές για να τα ανιχνεύσουν.

Επιστήμονες, όμως, που δουλεύουν σε έναν ανιχνευτή WIMP, το DAMA (Σκοτεινή Ύλη) στην Ιταλία ισχυρίστηκαν το 1998 ότι η υπόγεια συσκευή τους 'αισθάνθηκε' τα WIMP που έφτασαν στη Γη από ένα απαρατήρητο φωτοστέφανο (άλως) γεμάτο με σκοτεινή ύλη και το οποίο περιβάλλει το Γαλαξία μας. Ο ισχυρισμός τους αυτός αμφισβητήθηκε από επιστήμονες που δουλεύουν σε άλλους ανιχνευτές των WIMP, οι οποίοι είναι σχεδιασμένοι με διαφορετικό τρόπο από τον ανιχνευτή DAMA αλλά δεν έχουν βρει ποτέ τους τα WIMP.

Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στις 19 Μαρτίου στο περιοδικό Physical Review Letters, συμβουλεύει πώς οι επιστήμονες DAMA μπορούν να αποδείξουν τον ισχυρισμό τους.

"Προτείνουμε έναν τρόπο για να ελέγξουμε εάν ο ισχυρισμός των επιστημόνων ότι το DAMA είδε WIMP είναι πραγματικός", λέει ο συντάκτης της μελέτης Paolo Gondolo, βοηθός καθηγητής της Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Utah. "Κι' αυτό για να ανακαλύψουμε τη σκοτεινή ύλη από την οποία είναι φτιαγμένο το 90% του Γαλαξία μας".

Ο Gondolo και οι συνάδελφοι του λένε ότι εκτός από τα WIMP, που φτάνουν σε μεγάλες ποσότητες στο Γαλαξία μας από τον περιβάλλοντα φωτοστέφανο, θα πρέπει να φτάνουν και WIMP στο ηλιακό σύστημά μας. Αφού όμως περάσουν κοντά από το γειτονικό μας γαλαξία του Τοξότη, ένα νάνο γαλαξία που αργά-αργά  'καταβροχθίζεται' και 'ξεσκίζεται' από τις βαρυτικές δυνάμεις του Γαλαξία μας.

Ο συνδυασμός των WIMP του Γαλαξία και εκείνων από το νάνο γαλαξία του Τοξότη θα πρέπει να δημιουργούν ένα καθαρό τρόπο ανίχνευσης των WIMP", προτείνει η νέα μελέτη.

Ο Gondolo πραγματοποίησε την έρευνα μαζί με τη φυσικό Katherine Freese και το μεταπτυχιακό σπουδαστή Matthew Lewis του Πανεπιστημίου του Μίτσιγκαν, καθώς και τον αστρονόμο Heidi Jo Newberg του Πολυτεχνικού Ινστιτούτου Rensselaer στο Troy της Νέας Υόρκης

Η σκοτεινή πλευρά του Σύμπαντος

Οι επιστήμονες ως γνωστόν αναγνώρισαν πριν μερικές δεκαετίες ότι οι κινήσεις των γαλαξιών μέσα στο Σύμπαν σεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν μόνο από τη βαρυτική έλξη των ορατών γαλαξιών, των αστεριών και των διαστρικών αερίων. Πολύ καιρό τώρα, οι επιστήμονες λένε ότι το 10% του σύμπαντος ήταν ορατή ύλη και το 90% ήταν απαρατήρητη σκοτεινή ύλη, που γεμίζει το διάκενο χώρο μεταξύ των αστεριών και των γαλαξιών.

Τα τελευταία χρόνια, εντούτοις, οι αστρονόμοι προσδιόρισαν ότι το σύμπαν και οι γαλαξίες του απομακρύνονται με ένα αυξανόμενο συνεχώς ρυθμό, ένα φαινόμενο που συμφωνεί με την ύπαρξη μιας αντιβαρυτικής δύναμης - γνωστής ως η "σκοτεινή ενέργεια του κενού". Ο Gondolo αναφέρει ότι οι επιστήμονες θεωρούν τώρα το Σύμπαν έχει ορατή ύλη σε ποσοστό περίπου 5%, σκοτεινή ύλη 25% και το 70% είναι η σκοτεινή ενέργεια.

Αντίθετα από τη σκοτεινή ύλη, που υπόκειται στη βαρυτική έλξη, η σκοτεινή ενέργεια δεν έλκεται στο γαλαξία μας, έτσι ο Γαλαξίας έχει περίπου 10% ορατή ύλη και 90% σκοτεινή ύλη, εξηγεί ο Gondolo.

Η περιστροφική κίνηση του πεπλατυσμένου σαν δίσκου Γαλαξία είναι πάρα πολύ γρήγορη για να εξηγηθεί μόνο από τη βαρύτητα των ορατών άστρων και των αερίων του, έτσι οι επιστήμονες θεωρούν ότι περιβάλλεται από έναν πολύ μεγαλύτερο φωτοστέφανο ή άλως. Αυτή μοιάζει με μία επίπεδη σφαίρα, που περιέχει μερικά άστρα αλλά κυρίως την απαρατήρητη σκοτεινή ύλη.

Θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη

Τα τελευταία χρόνια προτάθηκαν πολυάριθμες θεωρίες για τη φύση της σκοτεινής ύλης: από αμυδρούς καφέ αστέρια νάνους, που ποτέ δεν έφτασαν στο στάδιο της έκρηξης, που ονομάζονται MACHO (Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα Φωτοστεφάνου) μέχρι τα υποατομικά σωματίδια WIMP.

Ο Gondolo λέει ότι τώρα τα WIMP καθώς και άλλα υποατομικά σωματίδια, τα άξιον (axions), θεωρούνται ότι είναι τα πλέον πιθανά υποψήφια σωματίδια για την σκοτεινή ύλη.

Ο ανιχνευτής DAMA, που βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας, οργανώθηκε από μια διεθνή συνεργασία φυσικών, που καθοδηγούνται από το Πανεπιστήμιο της Ρώμης. Η ομάδα του ανιχνευτή DAMA ανήγγειλε το 1998 ότι βρήκε στοιχεία για WIMPS.

Επειδή το DAMA είναι υπόγειο, οι βράχοι που βρίσκονται πάνω του παίζουν το ρόλο του φίλτρου για τα σωματίδια που δημιουργούνται όταν οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν τη γήινη ατμόσφαιρα και παράγουν δευτερογενή σωματίδια. Τα WIMP, που είναι "ασθενώς αλληλεπιδρώντα" σωματίδια, μπορούν να περνούν μέσω της Γης. Όμως, μπορούν να πέσουν πάνω σε κρυστάλλους ιωδιούχου νατρίου, μέσα στον DAMA, προκαλώντας έτσι λάμψεις φωτός, ενώ τα ιόντα του νατρίου ή του ιωδίου ανακρούονται.

Εάν τα WIMP υπάρχουν, ρέουν προς το ηλιακό σύστημά μας από το φωτοστέφανο γύρω από το γαλαξία μας. Καθώς η Γη στρέφεται γύρω από τον ήλιο, κινείται μερικές φορές αντίθετα στη ροή των WIMP, και μερικές φορές με την ίδια φορά με τη ροή. Οι επιστήμονες του DAMA θεωρούν ότι αυτό εξηγεί τις μεταβολές στον αριθμό των σωματιδίων, που ανιχνεύονται από το DAMA, και υποστηρίζουν ότι αυτά τα σωματίδια είναι WIMP.

Άλλοι φυσικοί, εντούτοις, δεν έχουν πειστεί. Οι ανιχνευτές τους, που χρησιμοποιούν το γερμάνιο ως αισθητήρα αντί του ιωδιούχου νατρίου, πρέπει να είναι εξίσου ευαίσθητοι, αλλά δεν έχουν ποτέ αντιληφθεί WIMP. Υποστηρίζουν δε ότι η ετήσια διακύμανση στον αριθμό των σωματιδίων που ανιχνεύονται από το DAMA μπορεί να προκαλείται από τις εποχιακές αλλαγές στην ατμόσφαιρα, από τον ανιχνευτή DAMA ή το περιβάλλον στο DAMA. Γι' αυτό και ποτέ τα σωματίδια δεν έχουν αποδειχθεί ότι είναι WIMP.

Η νέα μελέτη: Μια λύση από τον Τοξότη;

Ο ορατός Γαλαξίας μας είναι απέραντος με μια διάμετρο, περίπου, 100.000 έτη φωτός ή 10¹⁸ km. Για αιώνες, ο Γαλαξίας απορροφά και ξεσκίζει το γειτονικό του νάνο γαλαξία Τοξότη, με διάμετρο το ένα δέκατο του Γαλαξία μας.

Ο Newberg και άλλοι αστρονόμοι ανακάλυψαν πρόσφατα δύο ουρές σε σχήμα τόξου ή ρεύματα αστεριών που ρέουν από το Τοξότη. Τα ρεύματα αυτά θεωρούνται ότι περιέχουν, επίσης, και σωματίδια WIMP εάν βέβαια υπάρχουν. Το ηλιακό μας σύστημα βρίσκεται σε ένα από αυτά τα ρεύματα, τα οποία οι Gondolo και Freese περιγράφουν ως πιθανή "λεωφόρο σκοτεινής ύλης", που βρέχει σωματίδια WIMP στο ηλιακό σύστημα.

Στη νέα μελέτη, ο Gondolo μαζί με συνάδελφους του προτείνουν πώς ο συνδυασμός των WIMP από το φωτοστέφανο του Γαλαξία μας και από το ρεύμα του Τοξότη θα μπορούσε να αναγνωριστεί στον ανιχνευτή DAMA:

Οι ημερομηνίες που έχουμε μέγιστο και ελάχιστο στον αριθμό των WIMP, που ανιχνεύονται από το DAMA, εξαρτώνται αν υπολογίζουμε ή όχι τη σκοτεινή ύλη του Τοξότη. Κι' αυτό επειδή τα WIMP του Τοξότη κτυπούν τη Γη από μια διαφορετική γωνία από αυτά του φωτοστέφανου του Γαλαξία αλλάζει αλλάζοντας έτσι τις ημερομηνίες του μέγιστου και του ελάχιστου αριθμού των WIMP που ανιχνεύει το DAMA. Ο Gondolo λέει η αιχμή πρέπει να είναι στις 25 Μαΐου αντί στις 2 Ιουνίου, εάν θεωρήσουμε ότι WIMP από τον Τοξότη και το φωτοστέφανο χτυπούν ταυτόχρονα τη Γη. Το DAMA βρήκε ότι το μέγιστο ήταν 21 Μαΐου, συν ή μείον 22 ημέρες.

Η ένδειξη που θα μας δείξει αν υπάρχουν τα WIMP είναι πολύ περίπλοκη. Όταν τα σωματίδια χτυπούν τα άτομα του ιωδιούχου νατρίου στο DAMA, η ανάκρουση των ιόντων είναι ανάλογη προς τη μάζα και την ταχύτητα του εισερχόμενου σωματιδίου. Ο Gondolo ισχυρίζεται ότι τα WIMP από το φωτοστέφανο του Γαλαξία κινούνται με ταχύτητες έως και 600 km/sec με μια μέση ταχύτητα 220 km/sec. Το ρεύμα των WIMP όμως που έρχονται από το Τοξότη ή τη 'διαστημική λεωφόρο',  κινούνται με μια ταχύτητα 300 km/sec. Όταν οι ενέργειες ανάκρουσης των δύο ειδών WIMP συνδυαστούν και σχεδιαστούν σε μια γραφική παράσταση, θα πρέπει να υπάρχει ένα απότομο "βήμα" στον αριθμό των συγκρούσεων με υψηλότερες ενέργειες ανάκρουσης. Αυτό θα αποδεικνύει ότι η ταχύτητα των WIMP του Τοξότη δεν υπερβαίνει τις 300.000 km/sec.

Εάν οι επιστήμονες στον ανιχνευτή DAMA βρουν αυτό το "βήμα" στο γράφημα των στοιχείων τους, πρέπει να είναι η ένδειξη ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη υπό μορφή WIMP, εξηγεί ο Gondolo.

"Η μέθοδος για να ελέγξουν οι ερευνητές εάν πραγματικά έχουν δει τα WIMP, είναι να ψάξουν για τη συγκεκριμένη υπογραφή των WIMP στο ρεύμα του Τοξότη".

Οι επιστήμονες στον DAMA γνωρίζουν τη νέα μελέτη και επανελέγχουν τα στοιχεία τους για να διαπιστώσουν εάν περιέχει στοιχεία που θα μπορούσαν να αποδείξουν την ανίχνευση των WIMP. Η διαδικασία αυτή θα μπορούσε να τραβήξει μήνες, και θα διαρκέσει αρκετά χρόνια μέχρι νεώτεροι ανιχνευτές επιβεβαιώσουν την ανακάλυψη των WIMP, αναφέρει ο Gondolo.

Τέλος, αυτός και οι συνάδελφοί του υποψιάζονται ότι οι άλλοι ανιχνευτές δεν έχουν βρεί WIMP, επειδή τα σωματίδια μπορούν να είναι ελαφρύτερα και μικρότερα από ότι αναμένεται, έτσι το γερμάνιο δεν ανακρούεται πολύ όταν πέφτει πάνω του ένα εισερχόμενο WIMP, ενώ τα ιόντα του DAMA έχουν μια μετρήσιμη ανάκρουση.

Ο Gondolo αναφέρει ότι μελετά την σκοτεινή ύλη επειδή "θέλω να ξέρω από τι είναι φτιαγμένο το σύμπαν. Ήμουν ανικανοποίητος όταν έμαθα ότι το μεγαλύτερο τμήμα του σύμπαντος δεν αποτελείται από τα γνωστά άτομα."