Η σκοτεινή ύλη ίσως ξεκίνησε ως θερμά, γρήγορα σωματίδια

Η σκοτεινή ύλη ίσως ξεκίνησε ως θερμά, ελαφρά, άμαζα και γρήγορα σωματίδια στα πρώτα δευτερόλεπτα μετά τη γέννηση του σύμπαντος, σύμφωνα με νέο μοντέλο. Καθώς το σύμπαν ψυχόταν, αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να γίνουν βαριά, αργά και σκοτεινά, λειτουργώντας ως αόρατη «κόλλα» που συγκρατεί δομές όπως οι γαλαξίες.

Η συμπεριφορά τους, σύμφωνα με την ίδια θεωρητική προσέγγιση, ίσως βοηθά να εξηγηθεί και η σκοτεινή ενέργεια, το μυστηριώδες συστατικό που ευθύνεται για την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.

Η σκοτεινή ύλη δεν μοιάζει με την ύλη που βλέπουμε. Δεν αλληλεπιδρά με το ορατό φως ούτε με κάποια άλλη ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Παρ’ όλα αυτά, φαίνεται να επηρεάζει την κανονική ύλη μέσω της βαρυτικής της επίδρασης. Οι ενδείξεις είναι πολλές: τα άστρα κινούνται γύρω από τα κέντρα των γαλαξιών πολύ πιο γρήγορα απ’ όσο θα αναμενόταν, οι γαλαξίες κινούνται με μεγάλες ταχύτητες μέσα σε σμήνη, τα μαζικά αντικείμενα καμπυλώνουν το φως περισσότερο απ’ όσο εξηγεί η ορατή ύλη και η ιστορία του σύμπαντος δείχνει την εξαιρετικά γρήγορη ανάπτυξη γιγάντιων δομών.

Το συμπέρασμα είναι ότι στο σύμπαν υπάρχει κάτι περισσότερο από ό,τι μπορούν να αποκαλύψουν οι παραδοσιακές ηλεκτρομαγνητικές μετρήσεις. Κι όμως, αυτό το κάτι δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως. Τι μπορεί να είναι;

Το μόνο βέβαιο είναι ότι είναι ψυχρό, βαρύ και αργό. Νέα έρευνα όμως προτείνει ότι κάποτε μπορεί να ήταν το ακριβώς αντίθετο: θερμό, ελαφρύ, γρήγορο και ασήμαντο.

Η απάντηση, σύμφωνα με το άρθρο, βρίσκεται στη φυσική της υπεραγωγιμότητας, όπου το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει χωρίς αντίσταση. Σε νέα μελέτη, οι θεωρητικοί φυσικοί Guanming Liang και Robert Caldwell από το Dartmouth College περιγράφουν ένα υποθετικό σενάριο για τη δημιουργία σκοτεινής ύλης όταν το σύμπαν ήταν μόλις λίγα δευτερόλεπτα old.

Εδώ και δεκαετίες, οι κοσμολόγοι στηρίζονται σε μια βασική ιδέα για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, τα WIMPs, δηλαδή τα weakly interacting massive particles. Πρόκειται για υποθετικά σωματίδια που αλληλεπιδρούν με το υπόλοιπο σύμπαν μόνο μέσω της βαρύτητας και της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Ωστόσο, οι αναζητήσεις για WIMPs μέχρι σήμερα δεν έχουν αποδώσει.

Για να καλυφθούν τα κενά, θεωρητικοί έχουν αναπτύξει δεκάδες νέες θεωρίες κάθε χρόνο, προσπαθώντας να λύσουν το μυστήριο της σκοτεινής ύλης. Οι περισσότερες από αυτές προέρχονται από την περιοχή της σωματιδιακής φυσικής υψηλών ενεργειών και επικαλούνται εξωτικές διεργασίες ή υπερθεωρητικά σωματίδια που ίσως ανιχνευθούν κάποτε σε επιταχυντή, τις τεράστιες εγκαταστάσεις όπου συγκρούονται σωματίδια υψηλής ενέργειας.

Οι Liang και Caldwell ακολούθησαν διαφορετική προσέγγιση, στρέφοντας το βλέμμα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Αυτός ο κλάδος μελετά τη συνηθισμένη ύλη και εξηγεί φαινόμενα από το γιατί το γυαλί είναι διαφανές μέχρι το πώς μεταφέρεται η θερμότητα σε νέα υλικά. Μελετά επίσης υλικά κάτω από ακραίες συνθήκες, όπου εμφανίζονται εντελώς αντιδιαισθητικές συμπεριφορές.

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η ηλεκτρική αντίσταση. Τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα σε ένα σύρμα συγκρούονται μεταξύ τους και χάνουν ενέργεια. Γι’ αυτό δεν μπορούμε, για παράδειγμα, να έχουμε ηλιακά πάρκα στην έρημο που να μεταφέρουν την ηλεκτρική τους ενέργεια σε όλη τη χώρα.

Αν όμως ορισμένα υλικά ψυχθούν σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, τα ηλεκτρόνια ενώνονται σε μια νέα κατάσταση της ύλης. Τότε η αντίσταση εξαφανίζεται και το ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει ανεμπόδιστα. Αυτό είναι η υπεραγωγιμότητα και χάρη στους υπεραγωγούς μπορούμε να αξιοποιούμε πολύ μεγάλα ρεύματα σε τεχνολογίες όπως οι μαγνητικοί τομογράφοι και τα τρένα μαγνητικής αιώρησης.

Στο μοντέλο των Liang και Caldwell, η σκοτεινή ύλη ξεκινά ως θερμή «σούπα» από σωματίδια που κινούνται γρήγορα στο εξαιρετικά πρώιμο σύμπαν. Καθώς όμως το σύμπαν διαστέλλεται και ψύχεται, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ζευγαρώνουν, όπως τα ηλεκτρόνια σε έναν υπεραγωγό. Έτσι υφίστανται μια ριζική μεταμόρφωση και αποκτούν νέα χαρακτηριστικά: τα ζεύγη γίνονται αργά, βαριά και σκοτεινά.

Το μοντέλο όμως αποκάλυψε μια ασυνήθιστη ιδιαιτερότητα: αν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης έχουν έστω και ελάχιστη μάζα από την αρχή, τότε δεν ενώνονται όλα σε ζεύγη. Τα περισσότερα μένουν στο υπόβαθρο, όπου «απορροφούν» τον χωρόχρονο. Αυτή η συμπεριφορά ίσως δίνει εξήγηση για ένα ακόμη μυστηριώδες συστατικό του σύμπαντος, τη σκοτεινή ενέργεια, που ευθύνεται για την επιταχυνόμενη διαστολή του.

Μέχρι στιγμής, η ιδέα των Liang και Caldwell είναι μόνο μια υπόθεση για το πώς ίσως λειτουργεί το σύμπαν. Είναι όμως ελέγξιμη. Τα χαρακτηριστικά αυτών των ζευγαρωμένων σωματιδίων της σκοτεινής ύλης μπορεί να αφήνουν ένα λεπτό αποτύπωμα στην εικόνα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, του φωτός που έμεινε από τότε που το σύμπαν ψύχθηκε από πλάσμα σε ουδέτερη κατάσταση, περίπου 380.000 χρόνια μετά τη γέννησή του.

Για να είμαστε δίκαιοι, η ιδέα πιθανότατα είναι λανθασμένη. Αυτό όμως δεν είναι πρόβλημα. Δεν ξέρουμε τι είναι η σκοτεινή ύλη και χρειάζεται να επιστρατευτεί κάθε αναλυτικό και δημιουργικό εργαλείο για να λυθεί ένα αίνιγμα που αφορά ολόκληρο το σύμπαν. Χρειάζονται επίσης ιδέες από όσους περισσότερους κλάδους γίνεται, είτε από τη σωματιδιακή φυσική, είτε από τη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, είτε από αλλού.

Δεν ξέρουμε πότε θα έχουμε δίκιο. Μόνο ψάχνοντας μέσα στο σκοτάδι θα το ανακαλύψουμε.

Πηγή: popularmechanics.com.