Στις 21 Αυγούστου 2006 η NASA εξέδωσε μια ανακοίνωση, η οποία αποτελεί σημαντική στιγμή στη διεύρυνση των γνώσεών μας για το Σύμπαν: η σκοτεινή ύλη υπάρχει! Οι ερευνητές της NASA κατέληξαν στο συμπέρασμα αυτό, αναμενόμενο είναι η αλήθεια από τους περισσότερους αν όχι όλους τους ερευνητές, έπειτα από την ανάλυση των δεδομένων που συνέλεξαν σε 100 και πλέον ώρες παρατηρήσεων του γαλαξιακού σμήνους 1Ε0657-56 με το διαστημικό τηλεσκόπιο Chandra.

Το σμήνος αυτό, γνωστό στους αστρονόμους και ως «σμήνος της σφαίρας», από το εντυπωσιακό και υπέρθερμο νέφος αερίων που περιέχει, σχηματίστηκε κατά τη βίαιη κοσμική σύγκρουση δύο άλλων γαλαξιακών σμηνών.

Παράλληλα με τις παρατηρήσεις του Chandra, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope) του Ευρωπαϊκού Νότιου Παρατηρητηρίου (European Southern Observatory) καθώς και τα οπτικά τηλεσκόπια Μαγγελάνος, προκειμένου να προσδιορίσουν τη σχετική θέση και κατανομή της μάζας στα δύο σμήνη.

Σε γενικές γραμμές κάθε γαλαξιακό σμήνος αποτελείται από άστρα, αέρια και σκοτεινή ύλη, καθένα από τα οποία συμπεριφέρεται διαφορετικά κατά τη μακραίωνη διάρκεια της κοσμικής αυτής σύγκρουσης.

Τα άστρα των δύο σμηνών, παρ? όλο που οι τροχιές τους επηρεάζονται από τις πολύπλοκες βαρυτικές αλληλεπιδράσεις που αναπτύσσονται, χωρίζονται από τόσο μεγάλες αποστάσεις, που τα περισσότερα από αυτά θα περάσουν μέσα από τα γαλαξιακά σμήνη χωρίς εντυπωσιακές συγκρούσεις και μεταβολές.

Τα αέρια από την άλλη, αν και κινούνται με τεράστιες ταχύτητες, αλληλεπιδρούν ηλεκτρομαγνητικά μεταξύ τους και επιβραδύνονται.

Αντιθέτως, η σκοτεινή ύλη παρατηρήθηκε να κινείται σχεδόν ανεμπόδιστα.

Αυτό είχε ως αποτέλεσμα το «διαχωρισμό» της σκοτεινής ύλης και των αερίων, με τη σκοτεινή ύλη να προπορεύεται και τα υπέρθερμα αέρια να την ακολουθούν.

Ο διαχωρισμός αυτός που φανέρωσαν τα δεδομένα των παρατηρήσεων αποτελεί, ίσως, την ισχυρότερη ένδειξη ως σήμερα για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

Αν και οι περισσότεροι ερευνητές δεν έτρεφαν ουδεμία αμφιβολία για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, υπήρχαν εντούτοις και κάποιοι που είχαν προτείνει εναλλακτικές θεωρίες, σύμφωνα με τις οποίες η βαρύτητα σε μεσογαλαξιακές κλίμακες είναι με κάποιο τρόπο ισχυρότερη απ ό,τι σε μικρότερες. Αυτές όμως θα πρέπει τώρα να αναθεωρηθούν, καθώς δεν μπορούν να εξηγήσουν τα αποτελέσματα της κοσμικής αυτής σύγκρουσης.

Τι είναι όμως η σκοτεινή ύλη και ποια μορφή μπορεί να έχει; Οι πρώτες ενδείξεις για την αναγκαιότητα της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης είχαν ήδη εμφανιστεί 70 περίπου χρόνια πριν, όταν, μετρώντας τις ταχύτητες περιστροφής των γαλαξιών, οι αστρονόμοι βρέθηκαν ξαφνικά μπροστά σε ένα κοσμικό παράδοξο.

Αυτό που βρήκαν ήταν ότι οι γαλαξίες περιστρέφονταν με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτές που θα «έπρεπε» να είχαν, εάν η ορατή τους 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 όσο μεγάλη θα έπρεπε για να τους συγκρατήσει. Κάτι τέτοιο όμως δεν είχε παρατηρηθεί.

Τι συνέβαινε επομένως; Με μια πρώτη ματιά, δύο πιθανές εξηγήσεις μπορεί να υπάρχουν: είτε οι γνώσεις μας για τη βαρύτητα είναι κατά κάποιον τρόπο ελλιπείς ή λανθασμένες είτε οι γαλαξίες πρέπει να περιβάλλονται και να εμπεριέχουν τεράστιες ποσότητες και κάποιας άγνωστης και αόρατης σε όλα τα μήκη κύματος μορφή ύλης.

Οι προβλέψεις όμως της γενικής θεωρίας της σχετικότητας έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά τόσες φορές και το θεωρητικό αυτό οικοδόμημα είναι τόσο ευφυές και κομψό που μάλλον το δεύτερο θα πρέπει να συμβαίνει.

Υπάρχουν με άλλα λόγια πολλά περισσότερα «εκεί έξω» από όσα μπορούσαμε ποτέ να δούμε ή και να φανταστούμε, για να παραφράσουμε τον Άμλετ, ίσως ακόμα και πέντε φορές περισσότερη σκοτεινή από ορατή ύλη. Τι λοιπόν θα μπορούσε να είναι;

Σε γενικές γραμμές υπάρχουν δύο «οικογένειες» σκοτεινής ύλης που ερευνούν οι επιστήμονες: η βαρυονική και η μη βαρυονική. Η πρώτη είναι συνηθισμένης μορφής ύλη, η οποία για κάποιο λόγο δεν εκπέμπει κάποιας μορφής ακτινοβολία που θα την καθιστούσε ορατή.

Συλλογικά, τα ουράνια σώματα που αποτελούν τη βαρυονική σκοτεινή ύλη ονομάζονται MACHOs (MAssive Compact Halo Objects, δηλαδή Μεγάλης Μάζας Συμπαγή Αντικείμενα της Άλω), όπως για παράδειγμα οι καφέ νάνοι, «Δίες», λευκοί νάνοι, αστέρες νετρονίων και μαύρες τρύπες.

Η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει παράξενα στοιχειώδη σωματίδια, εξωτικές μορφές ύλης που δεν έχουν ακόμα ανιχνευθεί στο εργαστήριο, όπως τα WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, δηλαδή Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα) και τα αξιόνια. Οι δύο ακρωνυμίες MACHOs και WIMPs δίνουν μια αίσθηση του αγγλοσαξονικού χιούμορ αφού macho είναι «ο νταής, ο ζόρικος, ο δυνατός» ενώ wimp, είναι «ο κλαψιάρης, ο ασθενικός και ο αδύναμος». Ας τα δούμε με τη σειρά.

Οι καφέ νάνοι είναι ουράνια σώματα με μάζα μικρότερη των 0,08 περίπου ηλιακών μαζών, πολύ χαμηλή για να επιτρέψει την έναρξη πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό τους, που θα τα έκανε να λάμπουν.

Οι «Δίες» από την άλλη, όπως φανερώνει και το όνομά τους, είναι αέριοι πλανήτες-γίγαντες όπως ο Δίας.

Όμως, ενώ έχουν ήδη εντοπιστεί τέτοια ουράνια σώματα, δεν φαίνεται να υπάρχουν στις τεράστιες ποσότητες που απαιτούνται για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη του Γαλαξία μας.

Οι λευκοί νάνοι από την άλλη, αποτελούν το τελικό στάδιο της εξέλιξης των άστρων με μάζα παραπλήσια μ? αυτήν του Ηλίου.

Οι λευκοί νάνοι θα μπορούσαν, θεωρητικά τουλάχιστον, να υπάρχουν στους αριθμούς που απαιτούνται για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη. Το πρόβλημα σε αυτήν την περίπτωση είναι ότι οι λευκοί νάνοι κατά το σχηματισμό τους έχουν τεράστιες θερμοκρασίες, κάτι που τους καθιστά ορατούς.

Για να είναι λοιπόν ένας λευκός νάνος «σκοτεινός», να έχει δηλαδή μετατραπεί σε μαύρο νάνο, όπως λένε οι αστρονόμοι, θα πρέπει η θερμοκρασία του να έχει μειωθεί πολύ γρηγορότερα απ? όσο προβλέπει η κρατούσα θεωρία σχηματισμού του, σύμφωνα με την οποία ο χρόνος που χρειάζεται γι αυτήν τη μετατροπή υπερβαίνει και αυτήν ακόμα την ηλικία του Σύμπαντος.

Δύο άλλα ουράνια σώματα, υποψήφια για τη βαρυονική σκοτεινή ύλη, είναι οι αστέρες νετρονίων και οι αστρικές μαύρες τρύπες, που αποτελούν τα τελικά στάδια εξέλιξης άστρων με μεγάλη έως πολύ μεγάλη μάζα. Και εδώ όμως τα προβλήματα δεν απουσιάζουν.

Τα περισσότερα άστρα του Γαλαξία μας, αλλά και των άλλων γαλαξιών, είναι άστρα με μάζα παραπλήσια ή μικρότερη του Ηλίου και ως εκ τούτου, ο αριθμός των αστέρων νετρονίων και των μαύρων τρυπών αναμένεται να είναι κατά πολύ μικρότερος απ αυτόν των λευκών νάνων.

Εκτός αυτού, εάν υπήρχαν αστέρες νετρονίων και μαύρες τρύπες στον αριθμό που απαιτείται για να εξηγηθεί πλήρως η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, οι ποσότητες των βαρέων στοιχείων στο διάστημα θα έπρεπε να είναι πολύ μεγαλύτερες απ αυτές που έχουν εντοπιστεί.

Συμπερασματικά, ενώ είναι ήδη γνωστό ότι ουράνια σώματα σαν κι αυτά που αναφέρθηκαν ως τώρα υπάρχουν ή/και έχουν εντοπιστεί, η πιθανότητα να αποτελούν αυτά την κυρίαρχη μορφή σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν δεν είναι και πολύ μεγάλη.

Τα WIMPs από την άλλη είναι «εξωτικά» υποατομικά σωματίδια, η ύπαρξη των οποίων προβλέπεται από ορισμένες θεωρίες στοιχειωδών σωματίων. Θεωρητικά η παραγωγή τους αμέσως 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 γνωστή ύλη από την οποία αποτελούνται τα άστρα και εμείς οι ίδιοι, παρά μόνο διά μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης (των δύο από τις τέσσερεις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης) και κατά συνέπεια, εάν όντως υπάρχουν, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευτούν.

Παρόλα αυτά ήδη διεξάγονται πειράματα ή σχεδιάζονται για το άμεσο μέλλον, όπως για παράδειγμα στο νέο γιγάντιο επιταχυντή που κατασκευάζεται στο CERN. Τέλος, τα αξιόνια είναι και αυτά εξωτικά υποθετικά σωματίδια, τα οποία προτάθηκαν, προκειμένου να «καθαρίσουν» ένα σοβαρό πρόβλημα που αντιμετώπιζε μια θεωρία της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων.

Γι αυτό και ο εμπνευστής τους τα βάφτισε δίνοντάς τους το όνομα ενός απορρυπαντικού! Θεωρητικά η μάζα τους υπολογίζεται ότι είναι απειροελάχιστη, μόλις το ένα εκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου, ενώ σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, γεγονός που καθιστά την ανίχνευσή τους εξαιρετικά δύσκολη. Παρόλα αυτά είναι δυνατό να δημιουργήθηκαν στο αρχέγονο Σύμπαν σε τόσο μεγάλες ποσότητες, που να τα καθιστά σοβαρό υποψήφιο για την επικρατέστερη μορφή της σκοτεινής ύλης.

Συμπερασματικά, τα MACHOs είναι γνωστό ότι υπάρχουν και μάλιστα αρκετά από αυτά έχουν ανιχνευθεί. Κατά συνέπεια, κάποιο τουλάχιστον ποσοστό της συνολικής σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος θα εμφανίζεται με τη μορφή ουράνιων σωμάτων όπως αυτά που αναφέραμε νωρίτερα. Απ ό,τι φαίνεται όμως στη συντριπτική της πλειοψηφία η σκοτεινή ύλη αποτελείται από κάποιας εξωτικής μορφής υποατομικά σωματίδια όπως τα αξιόνια ή τα νετραλίνα.

Ποιο απ αυτά αποτελεί τον κύριο όγκο της σκοτεινής ύλης του Σύμπαντος εξακολουθεί να αποτελεί αντικείμενο έντονης έρευνας. 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 και να είναι, πρέπει να είναι η αλήθεια».

π