ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ

Ένα από τα πιο συναρπαστικά αινίγματα  της  επιστήμης της κοσμολογίας είναι η ύπαρξη μιας αόρατης ύλης  στο σύμπαν που ονομάστηκε"σκοτεινή ύλη " . Η ύλη αυτή που έχει άγνωστη σύνθεση ,συνίσταται από υποθετικά σωματίδια ύλης , τα οποία δεν εκλύουν ούτε αντανακλούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ώστε να μπορεί να γίνουν άμεσα αντιληπτά με τα οπτικά τηλεσκόπια ή με τα ραδιοτηλεσκόπια.

Αν η σκοτεινή ύλη υπάρχει υπερβαίνει κατά πολύ τη μάζα το ορατού σύμπαντος .

Μόνο το 4% της εκατό της μάζας του σύμπαντος είναι ορατό .Το 23% είναι σκοτεινή ύλη ,το υπόλοιπο 73% αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια ένα άλλο αινιγματικό στοιχείο στο σύμπαν.

Πως οι αστρονόμοι οδηγήθηκαν στην ύπαρξη της σκοτεινή ύλης.

Παρόλο που οι επιστήμονες δεν τη βλέπουν, νιώθουν έντονα την παρουσία της βασιζόμενοι σε  παρατηρήσεις και θεωρητικές αποδείξεις.

Το 1933,  ο αστρονόμος Fritz Zwicky μελετούσε την κίνηση μακρινών σμηνών γαλαξιών μεγάλης μάζας, συγκεκριμένα το Σμήνος της Κόμης κι αυτό της Παρθένου.

Μέτρησε τη μάζα του σμήνους με δυο διαφορετικούς τρόπους .

Στο πρώτο τρόπο μέτρησε τη  μάζα κάθε γαλαξία του σμήνους  με βάση τη λαμπρότητα του γαλαξία .Άθροισε τη μάζα όλων των γαλαξιών και υπολόγισε τη συνολική μάζα του σμήνους.

Στο δεύτερο τρόπο υπολόγισε τη μάζα με βάση το δεύτερο Νόμο του Νεύτωνα .Βασίστηκε στη μέτρηση  της ταχύτητας κάθε γαλαξία του σμήνους.

Προς μεγάλη του έκπληξη, αυτός ο δεύτερος υπολογισμός δυναμικής μάζας ήταν 400 φορές πιο μεγάλος από τον υπολογισμό που βασιζόταν στο φως των γαλαξιών.

Αν το σμήνος είχε τη μάζα που υπολογίστηκε με το πρώτο τρόπο και τις ταχύτητες των γαλαξιών που μετρούνταν ,τότε η ταχύτητα τους θα ήταν μεγαλύτερη από τη ταχύτητα διαφυγής και το σμήνος θα διαλυόταν.

Η εξήγηση που δόθηκε από τον Zwicky στην ανακάλυψη του, ήταν ότι υπάρχει αυτό που ονόμασε ο ίδιος «σκοτεινή ύλη», ή ύλη που δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα αλλά μπορεί να προκύψει έμμεσα από την βαρυτική επίδραση της στην ορατή ύλη.

Μια άλλη απόδειξη ύπαρξης σκοτεινής ύλης είναι με τη μελέτη των σπειροειδών γαλαξιών. Αν  λάβουμε υπ' όψιν τους αστέρες που βρίσκονται κοντά στην περιφέρεια ενός σπειροειδούς γαλαξία, με τροχιακές ταχύτητες της τάξης των 200 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο . Αν ο γαλαξίας αποτελούταν μόνο από ύλη που μπορούμε να δούμε, οι αστέρες αυτοί θα τον εγκατέλειπαν σε σύντομο χρονικό διάστημα, δεδομένου ότι οι τροχιακές ταχύτητες τους είναι τέσσερεις φορές πιο μεγάλες από την ταχύτητα διαφυγής από το γαλαξία. Δεδομένου ότι δεν παρατηρούνται γαλαξίες που έχουν διασκορπιστεί με τέτοιο τρόπο, στο εσωτερικό τους πρέπει να υπάρχει μάζα την οποία δεν λαμβάνουμε υπ' όψιν όταν αθροίζουμε όλα τα τμήματα που μπορούμε να δούμε.

 Επίσης  από την εφαρμογή του νόμου του Κέπλερ στα αστέρια που βρίσκονται στη περιφέρεια των σπειροειδών γαλαξιών προκύπτει ότι πρέπει να υπάρχει μάζα στους γαλαξίες μη ορατή πέραν από τα ορατά όρια του γαλαξία.

Ποια η φύση της σκοτεινής ύλης?

Πριν από δύο δεκαετίες οι φυσικοί πίστευαν ότι η Σκοτεινή Ύλη ήταν τελικά συνήθης ύλη: αποτελούνταν από τα συνήθη σωματίδια (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) σε κάποια όχι άμεσα παρατηρήσιμη μορφή. Πρόσφατα όμως οι έρευνες σχετικά με τη γένεση των γαλαξιών οδήγησαν σε διαφορετικά συμπεράσματα. Το μεγαλύτερο μέρος της Σκοτεινής Ύλης μπορεί να οφείλεται σε πολύ ελαφρά στοιχειώδη σωματίδια (αξιόνια και νετρίνα) ή σε πολύ εξωτικά είδη σωματιδίων όπως είναι τα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Βαριά Σωματίδια Wimp (Weakly Interactive Massive Particle).

 Αυτά τα βαριά σωματίδια, περίπου πενήντα φορές πιο βαριά από ένα πρωτόνιο, βρίσκονται διάσπαρτα παντού στο σύμπαν και δεν παρουσιάζουν καμιά αλληλεπίδραση με τη συνήθη ύλη, αλλά τη διαπερνούν. Σύμφωνα με κάποιες αξιόπιστες κοσμολογικές θεωρίες, η Σκοτεινή Ύλη είναι ψυχρή, δηλαδή αποτελείται από σωματίδια με μεγάλη μάζα και μικρή κινητική ενέργεια, τα οποία σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σύμφωνα μ' αυτό το σενάριο, ο γαλαξίας μας περιβάλλεται από μια αχλή ή άλω βαρέων σωματιδίων.

 Έτσι το ηλιακό μας σύστημα, που κινείται με 230 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο μέσα στο γαλαξιακό σύστημα, βρίσκεται συνεχώς εκτεθειμένο σ' έναν άνεμο από Wimp, που ποικίλλει ανάλογα με τη θέση που έχει η Γη σε σχέση με τον Ήλιο. Απευθείας μετρήσεις των Wimp είναι δύσκολο να γίνουν, γιατί η ύλη μέσα σ' αυτά είναι σχεδόν διαφανής.

Η μελέτη των Wimp, των πολυποίκιλων βαρέων σωματιδίων, των Λευκών Νάνων και των αστέρων νετρονίων, δεν αρκεί για να εξηγήσει τη δημιουργία όλης της Σκοτεινής Ύλης. Έτσι μερικοί ερευνητές προχώρησαν σε άλλες εκπληκτικές υποθέσεις.

Ανατροπή του Νόμου της Βαρύτητας.?

Η πιο επαναστατική απ' αυτές είναι εκείνη του Moti Milgrom  το 1983, ο οποίος υποστηρίζει ότι αρκεί να τροποποιήσουμε το Νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα για να εξηγήσουμε όσα δεν κατανοούμε, χωρίς να προσφύγουμε στην ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης. Αυτή η τροποποίηση αποκαλείται MOND (Modified Newtonian Dynamics) και αναφέρεται στο δεύτερο νόμο του Νεύτωνα που συνδέει τη δύναμη με τη μεταβολή της ταχύτητας, δηλαδή την επιτάχυνση. Αυτό που τροποποιείται είναι η σχέση μεταξύ δύναμης και επιτάχυνσης, όταν η επιτάχυνση είναι πολύ μικρή.

 "Σ' αυτή την περίπτωση η αναγκαία δύναμη, προκειμένου να επιτευχθεί μια δεδομένη επιτάχυνση, είναι πάντα μικρότερη απ' όση απαιτείται από τη νευτώνεια δυναμική" εξηγεί ο Milgrom . Έτσι, για να εξηγηθούν οι παρατηρούμενες επιταχύνσεις των γαλαξιών είναι αναγκαία μια μικρότερη ποσότητα ύλης.

 Μ' αυτό τον τρόπο περιορίζεται η ανάγκη προσφυγής στη Σκοτεινή Ύλη.

Η επικρατούσα άποψη όμως στο κόσμο της επιστήμης είναι της σκοτεινή ύλης .

Το 2001 επιστήμονες από το ΜΙΤ το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνιας με τη βοήθεια του παρατηρητηρίου Chandra των ακτίνων–Χ της ΝASA καθόρισαν για πρώτη φορά ακριβώς τη κατανομή της σκοτεινή ύλης σε ένα απόμακρο σμήνος γαλαξιών ,το ΕΜSS1358+6245.Στην εικόνα το σμήνος emss1358.

 1)To Chandra X-ray Observatory  είναι ένα δορυφορικό παρατηρητήριο που τοποθετήθηκε σε τροχιά το 1999. Πήρε το όνομα του από τον Ινδό Φυσικό  Subrahmanyan Chandrasekhar που είναι γνωστός από τον προσδιορισμό της οριακής μάζας των αστέρων που λεγονται "λευκοί νάνοι", "Chandra" σημαίνει και φεγγάρι στα Σανσκριτικά.

2)Η εικόνα δείνει ένα σμήνος γαλαξιών ,η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται ως φωτοστέφανος σε μπλε χρώμα, ενώ η ορατή ύλη χρωματίστηκε κόκκινη.