Το Dark Matter ήταν κάτι σαν μυστήριο από τότε που προτάθηκε για πρώτη φορά. Εκτός από την προσπάθεια να βρουν κάποιες άμεσες αποδείξεις της ύπαρξής του, οι επιστήμονες πέρασαν επίσης τις τελευταίες δεκαετίες αναπτύσσοντας θεωρητικά μοντέλα για να εξηγήσουν πώς λειτουργεί. Τα τελευταία χρόνια, η δημοφιλής αντίληψη ήταν ότι η Σκοτεινή Ύλη είναι «ψυχρή» και κατανεμημένη σε συστάδες σε όλο το Σύμπαν, μια παρατήρηση που υποστηρίζεται από το Αποστολή Πλανκ δεδομένα.
Ωστόσο, μια νέα μελέτη που εκπονήθηκε από μια διεθνή ομάδα ερευνητών παρουσιάζει μια διαφορετική εικόνα. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από το Έρευνα Πτυχίου Κιλού (KiDS), αυτοί οι ερευνητές μελέτησαν πώς το φως που προερχόταν από εκατομμύρια μακρινούς γαλαξίες επηρεάστηκε από τη βαρυτική επίδραση της ύλης στη μεγαλύτερη κλίμακα. Αυτό που βρήκαν ήταν ότι η Σκοτεινή Ύλη φαίνεται να κατανέμεται πιο ομαλά σε όλο το διάστημα από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
Τα τελευταία πέντε χρόνια, η έρευνα KiDS χρησιμοποιεί το VLT Survey Telescope (VST) – το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο του ESO Παρατηρητήριο La Silla Paranal στη Χιλή – για έρευνα 1500 τετραγωνικών μοιρών του νότιου νυχτερινού ουρανού. Αυτός ο όγκος χώρου έχει παρακολουθηθεί σε τέσσερις ζώνες (UV, IR, πράσινο και κόκκινο) χρησιμοποιώντας μετρήσεις ασθενούς βαρυτικού φακού και φωτομετρικής μετατόπισης προς το κόκκινο.
Δεδομένα παντός ουρανού από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck της ESA. Πίστωση: ESA
Συνεπής με του Αϊνστάιν Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας , ο βαρυτικός φακός περιλαμβάνει τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο το βαρυτικό πεδίο ενός τεράστιου αντικειμένου θα κάμψει το φως. Εν τω μεταξύ, το redshift προσπαθεί να μετρήσει την ταχύτητα με την οποία άλλοι γαλαξίες απομακρύνονται από τον δικό μας, μετρώντας την έκταση στην οποία το φως τους μετατοπίζεται προς το κόκκινο άκρο του φάσματος (δηλαδή το μήκος κύματος του γίνεται μεγαλύτερο όσο πιο γρήγορα απομακρύνεται η πηγή).
Ο βαρυτικός φακός είναι ιδιαίτερα χρήσιμος όταν πρόκειται για τον προσδιορισμό του πώς δημιουργήθηκε το Σύμπαν. Το σημερινό μας κοσμολογικό μοντέλο, γνωστό ως το Λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης Το μοντέλο (Lambda CDM), δηλώνει ότι η Σκοτεινή Ενέργεια είναι υπεύθυνη για την καθυστερημένη επιτάχυνση στη διαστολή του Σύμπαντος και ότι η Σκοτεινή Ύλη αποτελείται από τεράστια σωματίδια που είναι υπεύθυνα για το σχηματισμό της κοσμολογικής δομής.
Χρησιμοποιώντας μια μικρή παραλλαγή αυτής της τεχνικής γνωστής ως cosmic sheer, η ερευνητική ομάδα μελέτησε το φως από μακρινούς γαλαξίες για να προσδιορίσει πώς στρεβλώνεται από την παρουσία των μεγαλύτερων δομών στο Σύμπαν (όπως υπερσμήνη και νήματα). Όπως είπε ο Δρ. Hendrik Hildebrandt – ένας αστρονόμος από το Ινστιτούτο Αστρονομίας Argelander (AIfA) και ο κύριος συγγραφέας της εργασίας – είπε στο Universe Today μέσω email:
«Συνήθως σκέφτεται κανείς μια μεγάλη μάζα σαν ένα σμήνος γαλαξιών που προκαλεί αυτή την εκτροπή του φωτός. Αλλά υπάρχει επίσης ύλη σε όλο το Σύμπαν. Το φως από μακρινούς γαλαξίες εκτρέπεται συνεχώς από αυτή τη λεγόμενη δομή μεγάλης κλίμακας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι γαλαξίες που βρίσκονται κοντά στον ουρανό να «δείχνουν» προς την ίδια κατεύθυνση. Είναι ένα μικροσκοπικό αποτέλεσμα, αλλά μπορεί να μετρηθεί με στατιστικές μεθόδους από μεγάλα δείγματα γαλαξιών. Όταν έχουμε μετρήσει πόσο έντονα οι γαλαξίες «στρέφουν» προς την ίδια κατεύθυνση, μπορούμε να συμπεράνουμε από αυτό τις στατιστικές ιδιότητες της δομής μεγάλης κλίμακας, π.χ. η μέση πυκνότητα της ύλης και πόσο έντονα η ύλη είναι συσσωρευμένη/συστάδα».
Ένα σπάνιο φαινόμενο γνωστό ως «σπρίτες» που παρατηρείται πάνω από το Παρατηρητήριο La Silla στη Χιλή, Πίστωση: ESO/Petr Horálek
Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε μια ανάλυση 450 τετραγωνικών μοιρών δεδομένων KiDS, που αντιστοιχεί περίπου στο 1% ολόκληρου του ουρανού. Μέσα σε αυτόν τον όγκο του διαστήματος, παρατηρήθηκε πώς το φως που προέρχεται από περίπου 15 εκατομμύρια γαλαξίες αλληλεπιδρά με όλη την ύλη που βρίσκεται μεταξύ αυτών και της Γης.
Συνδυάζοντας τις εξαιρετικά ευκρινείς εικόνες που λαμβάνονται από το VST με προηγμένο λογισμικό υπολογιστή, η ομάδα κατάφερε να πραγματοποιήσει μία από τις πιο ακριβείς μετρήσεις που έγιναν ποτέ κοσμικής διάτμησης. Είναι αρκετά ενδιαφέρον ότι τα αποτελέσματα δεν ήταν συνεπή με εκείνα που παρήγαγε η αποστολή Planck της ESA, η οποία ήταν η πιο ολοκληρωμένη χαρτογράφηση του Σύμπαντος μέχρι σήμερα.
Η αποστολή Planck έχει παράσχει μερικές υπέροχα λεπτομερείς και ακριβείς πληροφορίες σχετικά με το Κοσμικό Υπόβαθρο Μικροκυμάτων (CMB). Αυτό βοήθησε τους αστρονόμους να χαρτογραφήσουν το πρώιμο Σύμπαν, καθώς και να αναπτύξουν θεωρίες για το πώς κατανεμήθηκε η ύλη κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Όπως εξήγησε η Hildebrandt:
«Ο Πλανκ μετρά πολλές κοσμολογικές παραμέτρους με εξαιρετική ακρίβεια από τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου, δηλαδή τις φυσικές διεργασίες που συνέβησαν 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Δύο από αυτές τις παραμέτρους είναι η μέση πυκνότητα ύλης του Σύμπαντος και ένα μέτρο του πόσο ισχυρά είναι συσσωρευμένη αυτή η ύλη. Με την κοσμική διάτμηση, μετράμε επίσης αυτές τις δύο παραμέτρους, αλλά πολύ μεταγενέστερους κοσμικούς χρόνους (μερικά δισεκατομμύρια χρόνια πριν ή ~ 10 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη), δηλαδή στο πιο πρόσφατο παρελθόν μας».
Το κοσμολογικό μοντέλο LCDM υποθέτει την ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης και της Σκοτεινής Ενέργειας και ότι και οι δύο έπαιξαν ενεργό ρόλο στο σχηματισμό του Σύμπαντος. Προσφορά: Wikipedia Commons/Alex Mittelmann
Ωστόσο, ο Hildebrandt και η ομάδα του βρήκαν τιμές για αυτές τις παραμέτρους που ήταν σημαντικά χαμηλότερες από αυτές που βρήκε ο Planck. Βασικά, τα αποτελέσματα της κοσμικής διάτμησης υποδηλώνουν ότι υπάρχει λιγότερη ύλη στο Σύμπαν και ότι είναι λιγότερο συγκεντρωμένη από ό,τι προέβλεπαν τα αποτελέσματα του Planck. Αυτά τα αποτελέσματα είναι πιθανό να έχουν αντίκτυπο στις κοσμολογικές μελέτες και στη θεωρητική φυσική τα επόμενα χρόνια.
Ως έχει, η Σκοτεινή Ύλη παραμένει μη ανιχνεύσιμη χρησιμοποιώντας τυπικές μεθόδους. Όπως οι μαύρες τρύπες, η ύπαρξή της μπορεί να συναχθεί μόνο από τα παρατηρήσιμα βαρυτικά αποτελέσματα που έχει στην ορατή ύλη. Σε αυτή την περίπτωση, η παρουσία και η θεμελιώδης φύση του μετρώνται από το πώς έχει επηρεάσει την εξέλιξη του Σύμπαντος τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια. Όμως, δεδομένου ότι τα αποτελέσματα φαίνεται να είναι αντικρουόμενα, οι αστρονόμοι μπορεί τώρα να χρειαστεί να επανεξετάσουν ορισμένες από τις προηγούμενες αντιλήψεις τους.
«Υπάρχουν πολλές επιλογές: επειδή δεν καταλαβαίνουμε τα κυρίαρχα συστατικά του Σύμπαντος (σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια) μπορούμε να παίξουμε με τις ιδιότητες και των δύο», είπε ο Hildebrandt. «Για παράδειγμα, διαφορετικές μορφές σκοτεινής ενέργειας (πιο πολύπλοκες από την απλούστερη πιθανότητα, που είναι η «κοσμολογική σταθερά» του Αϊνστάιν) θα μπορούσαν να εξηγήσουν τις μετρήσεις μας. Μια άλλη συναρπαστική πιθανότητα είναι ότι αυτό είναι ένα σημάδι ότι οι νόμοι της βαρύτητας στην κλίμακα του Σύμπαντος είναι διαφορετικοί από τη Γενική Σχετικότητα. Το μόνο που μπορούμε να πούμε προς το παρόν είναι ότι κάτι φαίνεται να μην πάει καλά!».
