Deathblow Dealt σε δίσκους Dark Matter
Ογδόντα χρόνια μετά την ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης, οι φυσικοί παραμένουν εντελώς μπερδεμένοι με τη φύση αυτού του μη αντανακλαστικού υλικού που, αν κρίνουμε από τα βαρυτικά του αποτελέσματα, διαποτίζει το σύμπαν σε πολύ μεγαλύτερη αφθονία από όλη την ύλη που μπορούμε να δούμε. Από άξιον έως WIMP (ή «ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια»), πολλοί υποψήφιοι έχουν προταθεί ως ταυτότητα της σκοτεινής ύλης - και αναζητήθηκαν χωρίς αποτέλεσμα σε δεκάδες πειράματα. Μια δελεαστική εικασία που έχει προκύψει τα τελευταία χρόνια φαντάζεται ότι η σκοτεινή ύλη δεν είναι ένα ενιαίο, μονολιθικό πράγμα. Αντίθετα, μπορεί να υπάρχει μια ολόκληρη οικογένεια σκοτεινών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω άγνωστων σκοτεινών δυνάμεων, όπως η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από κουάρκ, ηλεκτρόνια και έναν πολυσύχναστο ζωολογικό κήπο με άλλα φωτοευαίσθητα κβάντα.
Η ύπαρξη ενός πλούσιου «σκοτεινού τομέα» σωματιδίων θα μπορούσε να έχει συνέπειες στη γαλαξιακή κλίμακα. Ενώ η σκοτεινή ύλη ενός μεμονωμένου, αδρανούς τύπου, όπως ένα axion, θα περικάλυπτε τους γαλαξίες σε σφαιρικά σύννεφα που ονομάζονται φωτοστέφανα, τα σωματίδια σε έναν σκοτεινό τομέα μπορεί να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους με τρόπους που απελευθερώνουν ενέργεια, επιτρέποντάς τους να κρυώσουν και να εγκατασταθούν σε μια διάταξη χαμηλότερης ενέργειας . Συγκεκριμένα, αυτά τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης που ψύχονται θα κατέρρεαν σε περιστρεφόμενους δίσκους, όπως τα αστέρια και το αέριο κατακάθονται σε περιστρεφόμενους γαλαξίες σε σχήμα τηγανίτας και πλανήτες σε τροχιά γύρω από τα αστέρια τους σε ένα επίπεδο. Τα τελευταία χρόνια, η Lisa Randall, μια θεωρητική φυσική στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, υποστήριξε την ιδέα ότι μπορεί να υπάρχει ακριβώς ένας τέτοιος δίσκος σκοτεινής ύλης που διέρχεται από το επίπεδο του Γαλαξία.
Ο Randall και οι συνεργάτες του λένε ότι αυτός ο υποθετικός σκοτεινός δίσκος θα μπορούσε να εξηγήσει πολλές παρατηρήσεις, συμπεριλαμβανομένης μιας πιθανής αύξησης κρούσεων αστεροειδών και κομητών και σχετικών μαζικών εξαφανίσεων στη Γη κάθε 35 ή και κάτι εκατομμύρια χρόνια. Όπως αναφέρει η Randall στο βιβλίο της το 2015, Dark Matter and the Dinosaurs , η ανεπαίσθητη περιοδικότητα μπορεί να συμβεί επειδή τα διαστημικά αντικείμενα αποσταθεροποιούνται κάθε φορά που το ηλιακό μας σύστημα διέρχεται από τον σκοτεινό δίσκο ενώ εκτινάσσεται πάνω-κάτω στο δρόμο του γύρω από τον γαλαξία.
Ωστόσο, όταν ανέφερα την υπόθεση του σκοτεινού δίσκου τον Απρίλιο του 2016, ο δίσκος και ό,τι θα υπονοούσε σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης είχαν ήδη πρόβλημα. Οι καταγραφές του Γαλαξία έδειξαν ότι η μάζα των αστεριών και του αερίου στο γαλαξιακό επίπεδο και οι κινήσεις ανατινάξεων των αστεριών που περιπλέουν τον γαλαξία ταιριάζουν βαρυτικά, αφήνοντας μόνο ένα μικρό χώρο περιστροφής στον οποίο χωράει ένας αόρατος σκοτεινός δίσκος. Εκείνη την εποχή, θα μπορούσε να υπάρχει μόνο ένας εξαιρετικά λεπτός δίσκος, ο οποίος δεν αντιπροσώπευε περισσότερο από το 2 τοις εκατό της συνολικής ποσότητας σκοτεινής ύλης στον γαλαξία, με το υπόλοιπο να είναι του αδρανούς, που σχηματίζει φωτοστέφανο.
Ωστόσο, η παρουσία οποιουδήποτε σκοτεινού δίσκου, ακόμη και ενός από μια μειοψηφία σωματιδίων σκοτεινής ύλης, θα έφερε επανάσταση στη φυσική. Θα αποδείκνυε ότι υπάρχουν πολλά είδη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων σκοτεινής ύλης και θα επέτρεπε στους φυσικούς να μάθουν τις ιδιότητες αυτών των σωματιδίων από τα χαρακτηριστικά του δίσκου. Και έτσι οι ερευνητές περίμεναν μια πιο ακριβή απογραφή του Γαλαξία μας για να δουν αν χρειάζεται ένας λεπτός δίσκος για να ταιριάζει ακριβώς τη μάζα του υλικού στο γαλαξιακό επίπεδο με τις κινήσεις των αστεριών γύρω του. Τώρα, με τους αριθμούς μέσα, κάποιοι λένε ότι ο δίσκος είναι νεκρός.
Η Katelin Schutz, μεταπτυχιακή φοιτήτρια κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, και οι συνεργάτες της έχουν ελέγξει για σκοτεινό δίσκο χρησιμοποιώντας την πρώτη απελευθέρωση δεδομένων από τον δορυφόρο Gaia, ένα ευρωπαϊκό διαστημόπλοιο που προσπαθεί να μετρήσει τις ταχύτητες και τις θέσεις ενός δισεκατομμυρίου άστρων του Γαλαξία. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο στις 9 Νοεμβρίου και σύντομα θα υποβληθεί στο Physical Review Letters , ο Schutz και οι συνεργάτες του ανέλυσαν ένα υποσύνολο των άστρων που μετρήθηκε από τη Γαία (που αντιπροσωπεύει 20 φορές περισσότερα αστέρια από όσα είχαν αναλυθεί προηγουμένως). Τα ευρήματά τους απέκλεισαν την παρουσία οποιουδήποτε σκοτεινού δίσκου πυκνότερου από περίπου τα τέσσερα χιλιοστά της μάζας του ήλιου ανά κυβικό έτος φωτός στο μέσο επίπεδο του γαλαξία. Ένας δίσκος περίπου δύο φορές πιο πυκνός θα χρειαζόταν για να εξηγήσει την περιοδικότητα της πρόσκρουσης του κομήτη και άλλες πρωτότυπες δικαιολογίες για την ιδέα του σκοτεινού δίσκου. «Τα νέα μας όρια δεν ευνοούν την παρουσία ενός λεπτού δίσκου σκοτεινής ύλης», έγραψαν ο Schutz και οι συγγραφείς - και αυτό είναι η περίπτωση, πρόσθεσε μέσω email, παρόλο που «προσπαθήσαμε να είμαστε αρκετά γενναιόδωροι και συντηρητικοί με τις εκτιμήσεις μας για συστηματική αβεβαιότητα».
«Νομίζω ότι είναι πραγματικά νεκρό!» είπε ο David Hogg, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης και το Ινστιτούτο Flatiron (το οποίο, όπως το Quanta , χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons), και κορυφαίος ειδικός στην ανάλυση αστρονομικών δεδομένων. "Είναι λυπηρό, φυσικά."
Ωστόσο, ο Ράνταλ και ο Έρικ Κράμερ, ο μαθητής-συνεργάτης της σε μια εφημερίδα του 2016 που βρήκε χώρο για έναν λεπτό σκοτεινό δίσκο, δεν είναι διατεθειμένοι να παραδεχτούν την ήττα. «Είναι μια καλή σταθερή ανάλυση, αλλά δεν νομίζω ότι αποκλείει έναν σκοτεινό δίσκο», είπε ο Randall. Συγκεκριμένα, αυτή και ο Kramer αμφισβητούν την υπόθεση των συγγραφέων ότι τα αστέρια που ανέλυσαν ήταν σε ισορροπία αντί να ταλαντώνονταν ή να κουδουνίζουν. Σύμφωνα με τον Randall, υπάρχουν ορισμένες ενδείξεις ότι «η πιο απλή ανάλυση ισορροπίας μπορεί να μην είναι επαρκής».
«Νομίζω ότι δεν πρόκειται ποτέ να πείσεις τους πάντες και η επιστήμη είναι πάντα μια συζήτηση παρά μια δήλωση», είπε ο Schutz. Ωστόσο, το απόθεμα του Milky Way θα γίνει ακόμη πιο ακριβές και τυχόν επιδράσεις μη ισορροπίας μπορούν να εξαλειφθούν, καθώς θα είναι διαθέσιμα περισσότερα δεδομένα Gaia.
Ακόμα κι αν δεν υπάρχει σκοτεινός δίσκος, είναι ακόμα πιθανό να υπάρχει σκοτεινός τομέας. Θα έπρεπε να αποτελείται από σωματίδια που - σε αντίθεση με τα σωματίδια στον τομέα του φωτός - δεν αλληλεπιδρούν και συνδυάζονται με τρόπους που εκπέμπουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας. Οι δυνατότητες για τη σκοτεινή ύλη είναι ουσιαστικά ατελείωτες, δεδομένης της εκπληκτικής απουσίας πειραματικών υπαινιγμών για τη φύση της. Αυτή η έλλειψη ενδείξεων είναι γιατί ο σκοτεινός δίσκος "θα ήταν φοβερός", είπε ο Hogg.
