Το ζήτημα της προέλευσης του Σύμπαντος, του παρελθόντος και του μέλλοντός του ανησυχεί τους ανθρώπους από αμνημονεύτων χρόνων. Για πολλούς αιώνες, θεωρίες έχουν προκύψει και διαψεύδονται, προσφέροντας μια εικόνα του κόσμου βασισμένη σε γνωστά δεδομένα. Ένα θεμελιώδες σοκ για τον επιστημονικό κόσμο ήταν η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Συνέβαλε επίσης τεράστια στην κατανόηση των διαδικασιών που σχηματίζουν το Σύμπαν. Ωστόσο, η θεωρία της σχετικότητας δεν θα μπορούσε να ισχυριστεί ότι είναι η απόλυτη αλήθεια, η οποία δεν απαιτεί καμία προσθήκη. Η βελτίωση των τεχνολογιών επέτρεψε στους αστρονόμους να κάνουν προηγουμένως αδιανόητες ανακαλύψεις που απαιτούσαν μια νέα θεωρητική βάση ή μια σημαντική επέκταση των υφιστάμενων διατάξεων. Ένα τέτοιο φαινόμενο είναι η σκοτεινή ύλη. Αλλά πρώτα πρώτα.
Περιπτώσεις περασμένων ημερών
Για να κατανοήσουμε τον όρο «σκοτεινή ύλη» ας πάμε πίσω στις αρχές του περασμένου αιώνα. Εκείνη την εποχή κυριαρχούσε η ιδέα του Σύμπαντος ως ακίνητης δομής. Εν τω μεταξύ, η γενική θεωρία της σχετικότητας (GR) υπέθεσε ότι αργά ή γρήγορα η δύναμη της έλξης θα οδηγούσε στο «κόλλημα» όλων των διαστημικών αντικειμένων σε μια ενιαία μπάλα, θα συνέβαινε έτσιπου ονομάζεται βαρυτική κατάρρευση. Δεν υπάρχουν απωστικές δυνάμεις μεταξύ διαστημικών αντικειμένων. Η αμοιβαία έλξη αντισταθμίζεται από φυγόκεντρες δυνάμεις που δημιουργούν μια συνεχή κίνηση άστρων, πλανητών και άλλων σωμάτων. Με αυτόν τον τρόπο διατηρείται η ισορροπία του συστήματος.
Για να αποτρέψει τη θεωρητική κατάρρευση του Σύμπαντος, ο Αϊνστάιν εισήγαγε μια κοσμολογική σταθερά - μια τιμή που φέρνει το σύστημα στην απαραίτητη ακίνητη κατάσταση, αλλά ταυτόχρονα επινοείται στην πραγματικότητα, χωρίς προφανή βάση.
Διαστελλόμενο Σύμπαν
Οι υπολογισμοί και οι ανακαλύψεις του Friedman και του Hubble έδειξαν ότι δεν υπάρχει ανάγκη να παραβιαστούν οι αρμονικές εξισώσεις της γενικής σχετικότητας με τη βοήθεια μιας νέας σταθεράς. Έχει αποδειχτεί, και σήμερα αυτό το γεγονός είναι πρακτικά αναμφισβήτητο, ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, κάποτε είχε μια αρχή και δεν μπορεί να γίνει λόγος για στασιμότητα. Η περαιτέρω ανάπτυξη της κοσμολογίας οδήγησε στην εμφάνιση της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης. Η κύρια επιβεβαίωση των νέων υποθέσεων είναι η παρατηρούμενη αύξηση της απόστασης μεταξύ των γαλαξιών με το χρόνο. Ήταν η μέτρηση της ταχύτητας απομάκρυνσης μεταξύ των γειτονικών διαστημικών συστημάτων που οδήγησε στον σχηματισμό της υπόθεσης ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια.
Τα δεδομένα δεν συνάδουν με τη θεωρία
Ο Fritz Zwicky το 1931, και στη συνέχεια ο Jan Oort το 1932 και τη δεκαετία του 1960, μετρούσαν τη μάζα της ύλης των γαλαξιών σε ένα μακρινό σμήνος και την αναλογία της με την ταχύτητα απομάκρυνσής τους ο ένας από τον άλλο. Κατά καιρούς, οι επιστήμονες κατέληξαν στα ίδια συμπεράσματα: αυτή η ποσότητα ύλης δεν αρκεί για να μπορέσει να συγκρατήσει η βαρύτητα που δημιουργείται από αυτήνμαζί γαλαξίες που κινούνται με τόσο υψηλές ταχύτητες. Οι Zwicky και Oort πρότειναν ότι υπάρχει μια κρυμμένη μάζα, η σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος, η οποία δεν επιτρέπει στα διαστημικά αντικείμενα να διασκορπιστούν σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
Ωστόσο, η υπόθεση αναγνωρίστηκε από τον επιστημονικό κόσμο μόλις τη δεκαετία του εβδομήντα, μετά την ανακοίνωση των αποτελεσμάτων της εργασίας της Vera Rubin.
Έφτιαξε καμπύλες περιστροφής που καταδεικνύουν ξεκάθαρα την εξάρτηση της ταχύτητας κίνησης της ύλης του γαλαξία από την απόσταση που τη χωρίζει από το κέντρο του συστήματος. Σε αντίθεση με τις θεωρητικές υποθέσεις, αποδείχθηκε ότι οι ταχύτητες των αστεριών δεν μειώνονται καθώς απομακρύνονται από το γαλαξιακό κέντρο, αλλά αυξάνονται. Μια τέτοια συμπεριφορά των φωτιστικών θα μπορούσε να εξηγηθεί μόνο από την παρουσία ενός φωτοστέφανου στον γαλαξία, ο οποίος είναι γεμάτος με σκοτεινή ύλη. Η αστρονομία, λοιπόν, αντιμέτωπη με ένα εντελώς ανεξερεύνητο μέρος του σύμπαντος.
Ιδιότητες και σύνθεση
Σκοτεινή αυτό το είδος ύλης ονομάζεται επειδή δεν μπορεί να φανεί με κανένα υπάρχον μέσο. Η παρουσία του αναγνωρίζεται από ένα έμμεσο πρόσημο: η σκοτεινή ύλη δημιουργεί ένα βαρυτικό πεδίο, ενώ δεν εκπέμπει εντελώς ηλεκτρομαγνητικά κύματα.
Το πιο σημαντικό καθήκον που προέκυψε ενώπιον των επιστημόνων ήταν να λάβουν μια απάντηση στο ερώτημα από τι αποτελείται αυτή η ύλη. Οι αστροφυσικοί προσπάθησαν να το «γεμίσουν» με τη συνηθισμένη βαρυονική ύλη (η βαρυονική ύλη αποτελείται από περισσότερο ή λιγότερο μελετημένα πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια). Το σκοτεινό φωτοστέφανο των γαλαξιών περιελάμβανε συμπαγή, ασθενώς ακτινοβολούμενα αστέρια αυτού του τύπουκαφέ νάνοι και τεράστιοι πλανήτες κοντά στον Δία σε μάζα. Ωστόσο, αυτές οι υποθέσεις δεν στάθηκαν αντάξιες για έλεγχο. Ως εκ τούτου, η βαρυονική ύλη, γνωστή και γνωστή, δεν μπορεί να παίξει σημαντικό ρόλο στην κρυμμένη μάζα των γαλαξιών.
Σήμερα, η φυσική αναζητά άγνωστα στοιχεία. Η πρακτική έρευνα των επιστημόνων βασίζεται στη θεωρία της υπερσυμμετρίας του μικρόκοσμου, σύμφωνα με την οποία για κάθε γνωστό σωματίδιο υπάρχει ένα υπερσυμμετρικό ζεύγος. Αυτά είναι που συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, δεν έχουν ληφθεί ακόμη στοιχεία για την ύπαρξη τέτοιων σωματιδίων, ίσως αυτό είναι θέμα για το εγγύς μέλλον.
Σκοτεινή ενέργεια
Η ανακάλυψη ενός νέου τύπου ύλης δεν τελείωσε τις εκπλήξεις που ετοίμασε το Σύμπαν για τους επιστήμονες. Το 1998, οι αστροφυσικοί είχαν άλλη μια ευκαιρία να συγκρίνουν τα δεδομένα των θεωριών με τα γεγονότα. Αυτή η χρονιά σημαδεύτηκε από την έκρηξη ενός σουπερνόβα σε έναν γαλαξία μακριά από εμάς.
Οι αστρονόμοι μέτρησαν την απόσταση από αυτό και εξεπλάγησαν εξαιρετικά από τα δεδομένα που ελήφθησαν: το αστέρι φούντωσε πολύ περισσότερο από ό,τι θα έπρεπε σύμφωνα με την υπάρχουσα θεωρία. Αποδείχτηκε ότι ο ρυθμός διαστολής του σύμπαντος αυξάνεται με το χρόνο: τώρα είναι πολύ υψηλότερος από ό,τι ήταν πριν από 14 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν υποτίθεται ότι συνέβη το Big Bang.
Όπως γνωρίζετε, για να επιταχύνει την κίνηση του σώματος, χρειάζεται να μεταφέρει ενέργεια. Η δύναμη που προκαλεί το σύμπαν να διαστέλλεται ταχύτερα έχει γίνει γνωστή ως σκοτεινή ενέργεια. Αυτό δεν είναι λιγότερο μυστηριώδες μέρος του σύμπαντος από τη σκοτεινή ύλη. Είναι γνωστό μόνο ότι είναι χαρακτηριστικόομοιόμορφη κατανομή σε όλο το σύμπαν και η επίδρασή του μπορεί να καταγραφεί μόνο σε τεράστιες κοσμικές αποστάσεις.
Και πάλι η κοσμολογική σταθερά
Η σκοτεινή ενέργεια έχει κλονίσει τη θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης. Μέρος του επιστημονικού κόσμου αντιμετωπίζει με σκεπτικισμό την πιθανότητα μιας τέτοιας ουσίας και την επιτάχυνση της διαστολής που προκαλείται από αυτήν. Κάποιοι αστροφυσικοί προσπαθούν να αναβιώσουν την ξεχασμένη κοσμολογική σταθερά του Αϊνστάιν, η οποία και πάλι από την κατηγορία ενός μεγάλου επιστημονικού λάθους μπορεί να πάει στον αριθμό των υποθέσεων εργασίας. Η παρουσία του στις εξισώσεις δημιουργεί αντιβαρύτητα, οδηγώντας σε επιτάχυνση της διαστολής. Ωστόσο, ορισμένες από τις συνέπειες της παρουσίας της κοσμολογικής σταθεράς δεν συμφωνούν με τα δεδομένα παρατήρησης.
Σήμερα, η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια, που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν, είναι μυστήρια για τους επιστήμονες. Δεν υπάρχει ενιαία απάντηση στο ερώτημα σχετικά με τη φύση τους. Επιπλέον, ίσως αυτό να μην είναι το τελευταίο μυστικό που μας κρατάει ο χώρος. Η σκοτεινή ύλη και η ενέργεια μπορεί να γίνουν το κατώφλι νέων ανακαλύψεων που μπορούν να αλλάξουν την κατανόησή μας για τη δομή του Σύμπαντος.
