Σκοτεινή ύλη συγκρατεί το σύμπαν

Οι αποστάσεις ανάμεσα στους γαλαξίες και τα άστρα θα έπρεπε κανονικά να μεγαλώνουν συνεχώς. Τα αστρικά συστήματα, όμως, παραμένουν στη θέση τους, κι αυτό ίσως οφείλεται στη βαρύτητα μιας μυστηριώδους μορφής ύλης, που επιδρά πάνω τους. Οι αστρονόμοι βρίσκονται σήμερα στα ίχνη της.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι αστρονόμοι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ύλη που βλέπουμε με τη μορφή άστρων δεν αποτελεί παρά ένα πολύ μικρό μέρος της μάζας του σύμπαντος. Το υπόλοιπο, κατά πολύ μεγαλύτερο μέρος αποτελείται από σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια.

Παρ’ όλο που το μεγαλύτερο τμήμα του σύμπαντος είναι αόρατο, καθώς δεν εκπέμπει φως, ο ρόλος του είναι καθοριστικός. Οι έρευνες των ειδικών εστιάζονται τα τελευταία χρόνια στη σκοτεινή ύλη, που θεωρείται βασικό συστατικό στοιχείο του σύμπαντος. Ομάδα επιστημόνων από διάφορες χώρες κατέγραψε πέρσι, για πρώτη φορά, την κατανομή της σκοτεινής ύλης σε ένα τμήμα του διαστήματος. Διαπιστώθηκε ότι η σκοτεινή ύλη λειτουργεί σαν ένα είδος σκελετού, που συγκρατεί την ορατή ύλη στη θέση της. Χωρίς τη μάζα της σκοτεινής ύλης, οι γαλαξίες θα απομακρύνονταν ο ένας από τον άλλο, προς κάθε κατεύθυνση. Μπορούμε, επομένως, να πούμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι η δομή που υποβαστάζει το σύμπαν.

Με τη βοήθεια του τηλεσκόπιου Hubble, μια ομάδα αστρονόμων κατάφερε να αναπαραστήσει με αυτό τον τρόπο τη σκοτεινή ύλη σε μια τομή του διαστήματος

Η χαρτογράφηση της σκοτεινής ύλης θεωρείται ένα μεγάλο επιστημονικό επίτευγμα, ακριβώς επειδή δεν είναι εύκολο να γίνουν παρατηρήσεις σε μια μορφή ύλης που είναι αόρατη. Είναι σαν να προσπαθούμε να καταγράψουμε τη ρυμοτομία μιας μεγαλούπολης με βάση αεροφωτογραφίες τραβηγμένες τη νύχτα. Θα εντοπίζαμε ενδεχομένως τους κεντρικούς δρόμους από τα φώτα τους, καθώς και κάποια μεγάλα κτίρια, εφόσον ήταν φωταγωγημένα, αλλά για όλα τα υπόλοιπα μόνο υποθέσεις θα μπορούσαμε να κάνουμε.

Για να χαρτογραφηθεί η κατανομή της σκοτεινής ύλης χρειάστηκαν πράγματι μαραθώνιες προσπάθειες. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τον ειδικό εικονολήπτη ΑCS του τηλεσκόπιου Hubble, σε συνδυασμό με δεδομένα από μεγάλα επίγεια τηλεσκόπια. Με το όργανο ACS πήραν 575 εικόνες, που εν μέρει ήταν ταυτόσημες. Μόνο για τη λήψη των εικόνων διέθεσαν εκθέσεις διάρκειας μεγαλύτερης από 1.000 ώρες. Σχηματίστηκε έτσι μια ολοκληρωμένη εικόνα ενός τμήματος του ουρανού.

Στις φωτογραφίες αναγνωρίστηκαν πάνω από μισό εκατομμύριο απομακρυσμένοι γαλαξίες και καταγράφηκε η μορφή τους. Οι επιστήμονες κατάφεραν να αναπαραστήσουν την κατανομή της σκοτεινής ύλης αναλύοντας τη μεταβολή της μορφολογίας των γαλαξιών την οποία προκαλεί η διέλευση του φωτός τους από τα βαρυτικά πεδία της σκοτεινής ύλης που υπάρχει ανάμεσά τους. Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα αυτά με την απόσταση που έχουν οι γαλαξίες, μετρημένη με φασματοσκοπικές μεθόδους από επίγειο τηλεσκόπιο, κατόρθωσαν να δημιουργήσουν έναν τρισδιάστατο χάρτη, που μας πάει πίσω μέχρι τα μισά του χωροχρόνου από τη γένεση του σύμπαντος. Ο χάρτης δείχνει επίσης ότι η σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται όλο και πιο πολύ σε μεγάλους όγκους, όσο περισσότερος χρόνος έχει κυλήσει από τη Μεγάλη Έκρηξη.

Αφού καταγράφηκε η κατανομή της σκοτεινής ύλης, οι αστρονόμοι σχεδίασαν και ένα χάρτη της κατανομής συνηθισμένων φωτεινών γαλαξιών στην ίδια περιοχή του διαστήματος. Συγκρίνοντας τους δύο χάρτες, διαπίστωσαν ότι η συνηθισμένη ύλη συσσωρεύεται εκεί που η πυκνότητα σκοτεινής ύλης είναι μεγαλύτερη. Αυτό σημαίνει ότι η σκοτεινή ύλη συγκρατεί την ορατή ύλη στη θέση της. Ο χάρτης δείχνει μια χαλαρή νηματοειδή δομή, που διασταυρώνεται σε πυκνές δομές στα μέρη όπου υπάρχουν σμήνη γαλαξιών.

Με τους χάρτες αυτούς, οι κοσμολόγοι έχουν τώρα μια χειροπιαστή απόδειξη για την επίδραση της σκοτεινής ύλης στη δομή του σύμπαντος. Μέχρι σήμερα, οι μελέτες της σκοτεινής ύλης βασίζονταν ουσιαστικά σε προσομοιώσεις, οι οποίες γίνονταν με τη βοήθεια ειδικών προγραμμάτων σε υπολογιστές.

Ψυχρή και θερμή σκοτεινή ύλη

Για να καταλάβουν τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, οι αστρονόμοι ανατρέχουν στην εξέλιξη της δομής της μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Μεταξύ άλλων, παρατηρούν πολύ απομακρυσμένους γαλαξίες, γυρίζοντας έτσι πίσω στο χρόνο, αλλά μελετούν και το νέο τρισδιάστατο χάρτη. Και στις δύο περιπτώσεις, το συμπέρασμα είναι ότι η ύλη έχει την τάση, με την πάροδο του χρόνου, να «σβολιάζει», να συσσωρεύεται δηλαδή σε μεγαλύτερους όγκους. Αυτό υποδηλώνει, πάντως, ότι ορισμένες από τις ιδιότητες της σκοτεινής ύλης μοιάζουν με εκείνες της συνηθισμένης ύλης.

Η ιδιότητα της σκοτεινής ύλης να συσσωρεύεται σε μεγαλύτερους όγκους παίζει ρόλο και στη διάκριση ανάμεσα σε ψυχρή και θερμή σκοτεινή ύλη που κάνουν συνήθως οι κοσμολόγοι. Παρά την ονομασία τους, οι χαρακτηρισμοί αυτοί δεν έχουν να κάνουν με τη θερμοκρασία της ύλης αλλά με την ταχύτητα των σωματιδίων.

Η θερμή σκοτεινή ύλη περιέχει σωματίδια που κινούνται με ταχύτητα παραπλήσια εκείνης του φωτός. Η ύλη αυτού του τύπου δύσκολα συνενώνεται σε μεγάλες μάζες, αλλά, όταν συμβαίνει κάτι τέτοιο, δημιουργούνται πάρα πολύ πυκνά συστήματα –π.χ., σμήνη γαλαξιών που, σε χαρακτηριστικές περιπτώσεις, αντιστοιχούν σε 1016 ηλιακές μάζες–, διαφορετικά τα σωματίδια θα διέφευγαν γρήγορα ξανά στο διάστημα. Και το αντίστροφο: Ψυχρή σκοτεινή ύλη, που τα σωματίδιά της έχουν ταχύτητα πολύ μικρότερη από το φως, μπορεί εύκολα να συγκεντρωθεί σε δομές που αντιστοιχούν σε 108 έως 1015 ηλιακές μάζες, όσο περίπου οι μάζες των νάνων γαλαξιών.

Σε συνεργασία με το Science Illustrated