Η μελέτη ενός συστήματος τεσσάρων συγκρουόμενων γαλαξιών υποδεικνύει για πρώτη φορά ότι η σκοτεινή ύλη ενδέχεται να αλληλεπιδρά με τον εαυτό της διά μέσου μιας άγνωστης δύναμης, που αφήνει την συνηθισμένη «βαρυονική» ύλη ανεπηρέαστη.

Εάν το αποτέλεσμα της έρευνας αυτής επιβεβαιωθεί, θα συμβάλει αποφασιστικά στις προσπάθειες των αστρονόμων να αποκρυπτογραφήσουν την φύση της σκοτεινής ύλης, που αποτελεί το 24% της συνολικής μάζας-ενέργειας του Σύμπαντος. Στην εικόνα που παραθέτουμε σήμερα διακρίνονται οι τέσσερεις αλληλεπιδρώντες γαλαξίες της μελέτης (φωτογρ. ESO).

Η βαρυονική ύλη είναι η ύλη από την οποία απαρτίζονται όλα όσα βλέπουμε γύρω μας, από τους έμβιους οργανισμούς μέχρι τα άστρα του Σύμπαντος, και αποτελείται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια.

Η σκοτεινή ύλη, αντίθετα,  είναι μια άγνωστης μορφής ύλη, που δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και ως εκ τούτου είναι αόρατη.

Μέχρι πριν από λίγες δεκαετίες οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι όλοι οι γαλαξίες του Σύμπαντος αποτελούνται αποκλειστικά από βαρυονική ύλη.
 
Η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης «επιβλήθηκε» μέσα από τις μελέτες γαλαξιακών σμηνών και επί μέρους γαλαξιών, όταν άρχισε σιγά–σιγά να συνειδητοποιείται ότι η συνολική μάζα του κάθε γαλαξία είναι πολύ μεγαλύτερη απ’ αυτήν που αντιστοιχεί στην «φωτεινή» τους, ορατή ύλη.

Οι πρώτες ενδείξεις για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης ήρθαν στο φως στα μέσα περίπου της δεκαετίας του ‘30, χάρη στις πρωτοποριακές μελέτες που πραγματοποίησε ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky (1898–1974). Ο Zwicky, στην προσπάθειά του να υπολογίσει τη συνολική μάζα ενός γαλαξιακού σμήνους βρέθηκε μπροστά σ’ ένα κοσμικό «παράδοξο»: η μάζα που αντιστοιχούσε στην ορατή ύλη του σμήνους ήταν κατά πολύ μικρότερη απ’ αυτήν που απαιτούνταν, προκείμενου να «δικαιολογηθούν» οι μεγάλες ταχύτητες των επί μέρους γαλαξιών του.

Το εκπληκτικό συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε ήταν ότι το γαλαξιακό αυτό σμήνος, προκειμένου να «συγκρατεί» με την βαρυτική του έλξη τους γαλαξίες που το απαρτίζουν, θα πρέπει να εμπεριέχει και τεράστιες ποσότητες μιας άγνωστης μορφής ύλης, η οποία ονομάστηκε «σκοτεινή» διότι δεν εκπέμπει κάποιου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, που θα επέτρεπε την ανίχνευσή της.

Χρειάστηκε να περάσουν περίπου 40 χρόνια προκειμένου η επαναστατική αυτή ιδέα να γίνει ευρέως αποδεκτή από την αστρονομική κοινότητα. Στη διάρκεια της δεκαετίας του ‘70, όμως, η αμερικανή αστρονόμος Vera Rubin (1928–), υπολογίζοντας τις ταχύτητες με τις οποίες περιφέρονται τα άστρα γύρω από ορισμένους γαλαξιακούς πυρήνες κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα.

Έτσι, γνωρίζουμε σήμερα ότι κάθε γαλαξίας περιβάλλεται από μια σφαιρική άλω σκοτεινής ύλης, που αντιστοιχεί και στο μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής του μάζας. Ακόμα και σήμερα, όμως, η φύση της εξακολουθεί να παραμένει άγνωστη.

Οι περισσότεροι αστρονόμοι, ωστόσο, συμφωνούν ότι η σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος αποτελείται στο μεγαλύτερο μέρος της από παράξενα στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία δεν έχουν ακόμα ανιχνευθεί στο εργαστήριο, όπως είναι τα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα, ή WIMP από τα αρχικά της αγγλικής τους ονομασίας(Weakly Interacting Massive Particles).

Η ύπαρξη των WIMP προβλέπεται από ορισμένες θεωρίες στοιχειωδών σωματιδίων και, θεωρητικά τουλάχιστον, η παραγωγή τους μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι αυτή που απαιτείται για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος.

Το πρόβλημα με τα WIMP είναι ότι δεν αλληλεπιδρούν με τη βαρυονική ύλη παρά μόνο διά μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και κατά συνέπεια, εάν όντως υπάρχουν, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευθούν.

Όπως θα εξηγήσουμε στην συνέχεια, προκειμένου η σκοτεινή ύλη να αλληλεπιδρά με τον εαυτό της, όπως υποδεικνύει η σχετική μελέτη, απαιτείται η ύπαρξη μιας εξίσου «σκοτεινής» δύναμης, που θα καθορίζει τον τρόπο αλληλεπίδρασής της, καθώς και η ύπαρξη σκοτεινών μποζονίων, «φορέων» αυτής της δύναμης. Υπενθυμίζουμε, εδώ ότι υπάρχουν 4 βασικές αλληλεπιδράσεις στην φύση.

Η βαρύτητα, η ασθενέστερη απ’ όλες, περιγράφεται από την Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αντιθέτως, το θεωρητικό μοντέλο το οποίο περιγράφει τις άλλες τρεις, δηλαδή τις ηλεκτρομαγνητικές, τις ασθενείς και τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων, είναι το επονομαζόμενο Καθιερωμένο Πρότυπο (περισσότερες πληροφορίες στο θέμα Απριλίου 2014).

Σύμφωνα με αυτό το Πρότυπο, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών σωματιδίων ύλης οφείλονται στην ανταλλαγή «σωματιδίων-φορέων» της κάθε δύναμης, τα οποία ονομάζονται μποζόνια και μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο. Κάθε δύναμη έχει και τα δικά της χαρακτηριστικά μποζόνια: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, τα γλουόνια για την ισχυρή και τα μποζόνια W και Ζ για την ασθενή.

Για παράδειγμα, όταν δύο πρωτόνια πλησιάζουν το ένα το άλλο, καθένα απ’ αυτά απελευθερώνει ένα φωτόνιο, το οποίο απορροφάται από το άλλο πρωτόνιο, και τα δύο πρωτόνια απωθούνται μεταξύ τους.

Κατά αντίστοιχο τρόπο, θα μπορούσε να υποθέσει κάποιος ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ δύο σωματιδίων σκοτεινής ύλης, εάν όντως υφίσταται, οφείλεται σε μια άγνωστη έως τώρα «σκοτεινή» δύναμη, η οποία μεταφέρεται διά μέσου ενός «σκοτεινού» μποζονίου.

Τον Απρίλιο του 2015 όμως, ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον Richard Massey από το Πανεπιστήμιο Durham της Αγγλίας, ανακοίνωσε τις πρώτες ενδείξεις ότι οι σκοτεινές αυτές δυνάμεις και τα σκοτεινά μποζόνια όντως υπάρχουν.

Χρησιμοποιώντας το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο VLT του Ευρωπαϊκού Νότιου Αστεροσκοπείου στην Χιλή, αλλά και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble, οι αστρονόμοι αυτοί μελέτησαν το γαλαξιακό σμήνος Abell 3827, στο κέντρο του οπoίου συγκρούονται 4 γαλαξίες.

Προκειμένου να χαρτογραφήσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης σε αυτήν την περιοχή του σμήνους, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν το φαινόμενο του βαρυτικού φακού, το οποίο προέβλεψε ο ίδιος ο Αϊνστάιν σε μελέτη του το 1936, 20 περίπου χρόνια μετά την δημοσίευση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται όταν μια μεγάλη συσσώρευση μάζας παρεμβάλλεται μεταξύ του παρατηρητή και ενός ακόμη πιο απομακρυσμένου αντικειμένου, στρεβλώνοντας με την βαρυτική της έλξη τον χώρο γύρω της και κατά συνέπεια εξαναγκάζοντας το φως του πιο απομακρυσμένου αντικειμένου που διέρχεται απ’ αυτήν την περιοχή να καμπυλωθεί.

Στην συγκεκριμένη περίπτωση, η καμπύλωση του φωτός που προέρχεται από αντικείμενα τα οποία βρίσκονται πίσω από το γαλαξιακό σμήνος αφήνουν χαρακτηριστικά «αποτυπώματα», όπως τοξοειδείς γραμμές και διπλά είδωλα του ίδιου σώματος (δες φωτογραφία).

Η λεπτομερής ανάλυση αυτών των «αποτυπωμάτων» χρησιμοποιείται από τους αστρονόμους, προκειμένου να υπολογίσουν την μάζα της σκοτεινής ύλης που εμπεριέχει το σμήνος.

Η ανάλυση των δεδομένων από τα τηλεσκόπια VLT και Hubble έδειξε ότι η σκοτεινή ύλη ενός τουλάχιστον από τους 4 συγκρουόμενους γαλαξίες είχε διαχωριστεί από την ορατή ύλη του (άστρα, αέρια κ.λπ.) κατά περίπου 5.000 έτη φωτός.

Μία ερμηνεία του διαχωρισμού αυτού είναι ότι η σκοτεινή ύλη του γαλαξία αλληλεπίδρασε με την σκοτεινή ύλη ενός εκ των υπολοίπων γαλαξιών και ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις την επιβράδυναν, εξαναγκάζοντάς την να διαχωριστεί από την συνηθισμένη ύλη.

Θα πρέπει εντούτοις, να αναφερθεί ότι, προκειμένου το αποτέλεσμα αυτής της μελέτης να γίνει ευρέως αποδεκτό από την διεθνή επιστημονική κοινότητα, θα πρέπει να επαληθευθεί από την μελέτη και άλλων συγκρουόμενων γαλαξιών.

Αυτό, όμως, δεν έχει συμβεί μέχρι τώρα, γι’ αυτό και μέχρι στιγμής το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης με τον εαυτό της δεν έχει εντοπιστεί σε άλλους γαλαξίες.

π