Θα μάθουμε ποτέ τι είναι η σκοτεινή ύλη;
Η σκοτεινή ύλη είναι τόσο απτή όσο τα αστέρια και οι πλανήτες για τους περισσότερους αστρονόμους. Το χαρτογραφούμε τακτικά. Αντιλαμβανόμαστε τους γαλαξίες ως σβώλους σκοτεινής ύλης με επιφάνειες φωτεινού υλικού. Κατανοούμε τον σχηματισμό της κοσμικής δομής, καθώς και την εξέλιξη του σύμπαντος στο σύνολό του, από την άποψη της σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, μια δεκαετία εξελιγμένων αναζητήσεων απέτυχε να εντοπίσει το υλικό άμεσα. Βλέπουμε τη σκιά που ρίχνει, αλλά αγνοούμε εντελώς τι μπορεί να περιέχει η σκοτεινή πλευρά του σύμπαντος.
Σίγουρα δεν είναι ένα συνηθισμένο αντικείμενο ή σωματίδιο - που έχει αποκλειστεί εδώ και πολύ καιρό. Η θεωρητική προκατάληψη ευνοεί έναν νέο τύπο σωματιδίου που αλληλεπιδρά μόνο ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη. Τεράστιοι αριθμοί από αυτά τα σωματίδια θα πρέπει να ρέουν διαρκώς στον πλανήτη μας και από τα δικαιώματα θα περίμενε κανείς ότι μερικά από αυτά θα αφήσουν σημάδι. Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει κρυστάλλους και γέμισε κρυογονικές δεξαμενές, τους ανέβασαν βαθιά κάτω από τη γη για να εξαφανίσουν τα σωματίδια που τρέχουν από τον μύλο και παρακολουθούσαν για μικροσκοπικούς παλμούς θερμότητας και λάμψεις φωτός που θα πρόδιδαν το πέρασμα από κάτι που δεν είχε ξαναδεί. Τα μέχρι στιγμής αποτελέσματα δεν είναι ενθαρρυντικά. Στο Lead της Νότιας Ντακότα, το πείραμα LUX λειτουργεί ένα μίλι υπόγεια σε ένα εγκαταλελειμμένο χρυσωρυχείο. Δεν έχει βρει τίποτα. Στην Κίνα, το πείραμα PandaX στο υπόγειο εργαστήριο Jin-Ping λειτουργεί σε μια σήραγγα κάτω από 2,4 χιλιόμετρα βράχου. Δεν έχει βρει τίποτα. Σε μια οδική σήραγγα κοντά στο Fréjus στις γαλλικές Άλπεις, το πείραμα EDELWEISS, σε βάθος 1,7 km, δεν βρήκε τίποτα. Και η λίστα συνεχίζεται.
Τα μηδενικά αποτελέσματα συμπιέζουν γρήγορα τις περιοχές του χώρου παραμέτρων όπου μπορεί να κρύβεται η σκοτεινή ύλη. Αντιμέτωποι με την ξηρασία των δεδομένων, οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν κάνει εικασίες για περισσότερα εξωτικά σωματίδια, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία αυτών των υποψηφίων θα ήταν ακόμη πιο δύσκολο να ανιχνευθεί. Αντίθετα, θα μπορούσε κανείς να ελπίζει ότι θα παράγει σωματίδια σκοτεινής ύλης σε έναν επιταχυντή σωματιδίων, έτσι ώστε να μπορούμε να συμπεράνουμε την παρουσία τους από προεπιλογή:ελέγχοντας εάν η ενέργεια φαινόταν να χάνεται στις συγκρούσεις σωματιδίων. Αλλά ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων έχει δοκιμάσει ακριβώς αυτό και δεν έχει παρατηρήσει τίποτα μέχρι στιγμής. Μερικοί θεωρητικοί υποπτεύονται ότι η σκοτεινή ύλη δεν υπάρχει και η θεωρία της βαρύτητας μας -η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν- μας έχει παρασύρει. Η Γενική Σχετικότητα μας λέει ότι οι γαλαξίες θα πετούσαν χώρια αν δεν συγκρατούνταν μαζί από αόρατη ύλη, αλλά ίσως η θεωρία είναι λάθος. Ωστόσο, η γενική σχετικότητα έχει περάσει όλα τα άλλα τεστ παρατήρησης και όλες οι αντίπαλες θεωρίες έχουν φαινομενικά μοιραία ελαττώματα.
Το ογδόντα πέντε τοις εκατό της ύλης είναι άγνωστο. Ο μεγαλύτερος φόβος μας είναι ότι θα παραμείνει πάντα έτσι.
Αν και τα περισσότερα πειράματα έχουν αποτύχει, δύο ισχυρίζονται ότι εντόπισαν τη σκοτεινή ύλη. Και οι δύο ισχυρισμοί είναι ιδιαίτερα αμφιλεγόμενοι, για διαφορετικούς λόγους. Αυτές οι ακραίες τιμές μπορεί κάλλιστα να είναι λάθος, αλλά αξίζουν μια πιο προσεκτική ματιά. Αν μη τι άλλο, αυτές οι περιπτώσεις απεικονίζουν τη δυσκολία εντοπισμού της σκοτεινής ύλης ανάμεσα σε όλα τα άλλα υπολείμματα του σύμπαντος.
Ο ανιχνευτής σωματιδίων DAMA/LIBRA στο εργαστήριο Gran Sasso, που είναι εγκατεστημένος σε μια σήραγγα 1,4 χιλιόμετρα κάτω από ένα βουνό στη βόρεια Ιταλία, αναζητά λάμψεις φωτός που προκαλούνται από σωματίδια σκοτεινής ύλης που διασκορπίζονται από τους ατομικούς πυρήνες σε έναν κρύσταλλο ιωδιούχου νατρίου. Συλλέγει δεδομένα για πάνω από 13 χρόνια και έχει δει ένα πολύ περίεργο πράγμα. Ο ρυθμός ανίχνευσης σωματιδίων αυξάνεται και μειώνεται με τις εποχές, με μέγιστο τον Ιούνιο και ελάχιστο τον Δεκέμβριο.
Αυτό ακριβώς περιμένεις από τη σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη θεωρείται ότι σχηματίζει ένα τεράστιο σύννεφο που περιβάλλει τον γαλαξία του Γαλαξία. Το ηλιακό μας σύστημα ως μονάδα κινείται μέσα από αυτό το σύννεφο. Αλλά μεμονωμένοι πλανήτες κινούνται μέσα από το σύννεφο με ποικίλη ταχύτητα λόγω της τροχιακής τους κίνησης γύρω από τον ήλιο. Η ταχύτητα της Γης σε σχέση με το υποτιθέμενο σύννεφο κορυφώνεται τον Ιούνιο και μειώνεται τον Δεκέμβριο. Αυτό θα καθόριζε τον ρυθμό με τον οποίο τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης ρέουν μέσω ενός ανιχνευτή που βασίζεται στη Γη.
Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η DAMA ανιχνεύει μια τέτοια εποχιακή διαμόρφωση με πολύ υψηλή στατιστική σημασία. Αλλά πολλές άλλες πηγές σωματιδίων ποικίλλουν επίσης ανάλογα με τις εποχές, όπως οι ροές των υπόγειων υδάτων (που επηρεάζουν το επίπεδο ραδιενέργειας του υποβάθρου) και η παραγωγή άλλων σωματιδίων, όπως τα μιόνια, στην ατμόσφαιρα. Τέλος, άλλα πέντε πειράματα σε όλο τον κόσμο ισχυρίζονται όρια που δεν συνάδουν με τον ισχυρισμό του DAMA. Αλλά ο μόνος τρόπος για να είμαστε σίγουροι είναι να επαναλάβουμε το πείραμα με τον ίδιο τύπο ανιχνευτή σε μία ή περισσότερες διαφορετικές τοποθεσίες, και πολλά τέτοια πειράματα βρίσκονται τώρα σε εξέλιξη. Το ένα θα είναι στον Νότιο Πόλο, όπου οι τοπικές εποχικές επιπτώσεις είναι εκτός φάσης και πολύ διαφορετικές από εκείνες στην Ιταλία.
Μια δεύτερη ενδιαφέρουσα ένδειξη της σκοτεινής ύλης προέρχεται από έμμεσα πειράματα, τα οποία δεν αναζητούν τα άπιαστα σωματίδια αυτά καθαυτά, αλλά για τα δευτερεύοντα σωματίδια που θα παρήγαγαν όταν συγκρούονται μεταξύ τους και αλληλοεξουδετερώνονται. Το 2008 ένας Ιταλο-Ρωσικός δορυφόρος που ονομάζεται PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) παρατήρησε έναν απροσδόκητα υψηλό αριθμό ποζιτρονίων, την αντιύλη εκδοχή του ηλεκτρονίου, που προέρχονταν από το βαθύ διάστημα. Η παρατήρηση επιβεβαιώθηκε πρόσφατα από το Alpha Magnetic Spectrometer στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Εν τω μεταξύ, ο δορυφόρος Fermi ανέφερε μια διάχυτη λάμψη ακτίνων γάμμα που εκτείνεται έως και περίπου 20 μοίρες από το κέντρο του γαλαξία μας. Έχει ακριβώς το σχήμα που αναμένεται από τη σκοτεινή ύλη:σφαιρικά συμμετρικό ως προς το γαλαξιακό κέντρο, με ένταση που ανεβαίνει προς τη μέση.
Φαίνεται σχεδόν πολύ καλό για να είναι αληθινό. Δυστυχώς, τόσο οι παρατηρήσεις των ποζιτρονίων όσο και των ακτίνων γάμμα μπορούν να εξηγηθούν από ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια νετρονίων γνωστά ως πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου. Τα ποζιτρόνια απλώς δεν ταιριάζουν με την υπογραφή βιώσιμων υποψηφίων για τη σκοτεινή ύλη. Για να διευθετήσουμε την υπόθεση, πρέπει να ελέγξουμε αν τα ποζιτρόνια τείνουν να προέρχονται από την κατεύθυνση γνωστών άστρων νετρονίων. Οι διακυμάνσεις στις ακτίνες γάμμα τείνουν ήδη να ευνοούν την επιλογή πολλών αδύναμων και άλυτων πηγών πάλσαρ κοντά στο γαλαξιακό κέντρο. Επίσης, εάν τα γάμα προέρχονταν από τη σκοτεινή ύλη, οι αστρονόμοι θα πρέπει να ανιχνεύσουν ένα παρόμοιο σήμα από κοντινούς μικρούς νάνους γαλαξίες, οι οποίοι έχουν αναλογικά μεγαλύτερη ποσότητα σκοτεινής ύλης από τον δικό μας γαλαξία. Δεν έχει εντοπιστεί τέτοιο σήμα.
Οι περισσότερες από τις προσπάθειές μας αναζήτησής μας έχουν επικεντρωθεί στα πιο απλά υποψήφια σωματίδια, γνωστά ως WIMP:ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια. Η λέξη «αδύναμα» είναι διπλή ιδέα:Η αλληλεπίδραση είναι αδύναμη και συμβαίνει μέσω της λεγόμενης ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Τέτοια σωματίδια είναι μια φυσική επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Ακόμη και χωρίς να γνωρίζουμε τις λεπτομέρειες, το επίρρημα «αδύναμα» είναι αρκετή πληροφορία για να υπολογίσουμε πόσα τέτοια σωματίδια θα πρέπει να κατακλύζουν το σύμπαν. Στην καυτή αρχέγονη σούπα της μεγάλης έκρηξης, τα σωματίδια δημιουργούνται και καταστρέφονται φυσικά. Καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, η θερμοκρασία πέφτει και ένα προς ένα, διαφορετικοί τύποι σωματιδίων παύουν να σχηματίζονται, ανάλογα με τη μάζα τους. Τα σωματίδια μπορούν ακόμα να καταστραφούν με ρυθμό που εξαρτάται από την ισχύ αλληλεπίδρασής τους, έως ότου απλωθούν πολύ διάχυτα για να συγκρουστούν το ένα με το άλλο.
Δεδομένης της δύναμης αλληλεπίδρασης που πρέπει να έχουν τα WIMP, μπορείτε να εκτελέσετε τους αριθμούς και διαπιστώνετε ότι το καζάνι του πρώιμου σύμπαντος θα έπρεπε να είχε δημιουργήσει την παρατηρούμενη ποσότητα σκοτεινής ύλης. Τα προκύπτοντα σωματίδια θα πρέπει να ζυγίζουν εκατοντάδες μάζες πρωτονίων. Εν ολίγοις, υπάρχει ένα φυσικό γλυκό σημείο για σωματιδιακή σκοτεινή ύλη, που ονομάζεται "θαύμα WIMP".
Αλλά ίσως αυτή είναι μια περίπτωση μιας όμορφης υπόθεσης που σκοτώθηκε από ένα άσχημο γεγονός. Οι φυσικοί γίνονται όλο και πιο απελπισμένοι, εξερευνώντας επιλογές που χρησιμοποιούσαν για να εξετάσουν μακρινές δεύτερες καλύτερες πιθανότητες.
Ίσως τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης να είναι εξαιρετικά τεράστια. Ωστόσο, υπάρχει ένα βασικό αντάλλαγμα. Όσο πιο μαζικό είναι το σωματίδιο, τόσο λιγότερα από αυτά χρειάζονται για να ληφθεί υπόψη η συνολική μάζα που παρατηρούν οι αστρονόμοι και μπορεί να είναι τόσο λίγα που οι ανιχνευτές μας θα τα χάνουν. Οι φυσικοί θα πρέπει να βρουν κάποια εντελώς εναλλακτική στρατηγική αναζήτησης, που ίσως να περιλαμβάνει τις επιπτώσεις που μπορεί να έχουν αυτά τα σωματίδια σε παλιά αστέρια νετρονίων ή άλλα ουράνια αντικείμενα.
Πηγαίνοντας προς την άλλη κατεύθυνση, το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης μπορεί να είναι πολύ ελαφρύ για να αφήσει μεγάλο σημάδι στους ανιχνευτές μας. Για να το ψάξουν, οι φυσικοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν έναν ανιχνευτή που η φύση έχει ήδη παράσχει για εμάς:τον ήλιο. Ο ήλιος μπορεί να παρασύρει σωματίδια καθώς κινείται μέσα από το γαλαξιακό σύννεφο σκοτεινής ύλης. Αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να διασκορπίσουν πρωτόνια στον ήλιο και να τροποποιήσουν το προφίλ θερμοκρασίας του. Αυτό θα επηρέαζε τις τυρβώδεις κινήσεις των στροβιλισμών αερίων που ανεβαίνουν, πέφτουν και στροβιλίζονται στα ανώτερα στρώματα του ήλιου. Και θα πρέπει να μπορούμε να το δούμε αυτό μέσω της επιστήμης της ηλιοσεισμολογίας, η οποία μελετά τις διαταραχές που διαδίδονται μέσα στον ήλιο και την επίδρασή τους στην επιφάνεια, όπως μελετάμε τους επίγειους σεισμούς με σεισμολογία. Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν ανεξήγητες ηλιοσεισμολογικές ανωμαλίες που είναι δύσκολο να συμβιβαστούν με το τυπικό μας μοντέλο του ήλιου.
Εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης συγκεντρωθούν στον ήλιο, μπορεί επίσης να εκμηδενιστούν στον πυρήνα. Αυτό θα παράγει ενεργητικά νετρίνα που θα μπορούσαν να δουν ανιχνευτές όπως το Super-Kamiokande στην κεντρική Ιαπωνία και το παρατηρητήριο IceCube στο Νότιο Πόλο. Μέχρι στιγμής δεν έχουν αναφερθεί υποψήφιες εκδηλώσεις.
Το πιο ακραίο παράδειγμα ενός εξαιρετικά ελαφρού σωματιδίου είναι το άξιον, ένα υποθετικό σωματίδιο που αλληλεπιδρά ασθενώς με ένα τρισεκατομμυριοστό ή λιγότερο από τη μάζα ενός πρωτονίου. Δεν θα ήταν εντελώς σκοτεινό, αλλά θα αλληλεπιδρούσε ηλεκτρομαγνητικά και θα μπορούσε να δημιουργήσει φωτόνια μικροκυμάτων μέσα σε κοιλότητες ισχυρού μαγνητικού πεδίου. Πειράματα που στοχεύουν στην ανίχνευση αξόνων λειτουργούν από τη δεκαετία του 1980, με τόσο μικρή επιτυχία όσο οι ανιχνευτές WIMP.
Ίσως το σκοτεινό σωματίδιο να μην είναι καν ένα σωματίδιο, αλλά ένα «μη σωματίδιο», όπως ονομάστηκε από έναν θεωρητικό. Τα μη σωματίδια είναι μακρινά ξαδέρφια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου των οποίων η ενέργεια δεν έρχεται σε διακριτές συσκευασίες. Θα μπορούσαν να αφήσουν ένα έμμεσο ίχνος στα δεδομένα των επιταχυντών. Ίσως η ταυτότητα της σκοτεινής ύλης δεν έχει ενιαία λύση. Εξάλλου, η συνηθισμένη ύλη αποτελείται επίσης από πολλούς τύπους σωματιδίων. Η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε επίσης να έχει αρκετούς συνεισφέροντες, καθιστώντας την αναζήτηση πιο δύσκολη, αραιώνοντας την πιθανή υπογραφή οποιουδήποτε συγκεκριμένου υποψηφίου σωματιδίου. Ίσως η σκοτεινή ύλη να μην αλληλεπιδρά καθόλου, παρά μόνο βαρυτικά. Αυτό θα έκανε τη ζωή του πειραματιστή ακόμα πιο εφιάλτη.
Κατά μία έννοια, βρισκόμαστε στην κατάσταση που ονειρεύεται κάθε επιστήμονας. Οι παλιές ιδέες δεν λειτουργούν. χρειάζονται καινούργια. Αυτά μπορεί να προέρχονται από την εξερεύνηση νέων τύπων σωματιδίων ή μπορεί να ανακαλύψουμε μια πλήρως συνεπή νέα θεωρία της βαρύτητας που απαλλάσσεται εξ ολοκλήρου από τη σκοτεινή ύλη.
Η ενοχλητική ανησυχία είναι ότι η φύση έχει βάλει τη νέα φυσική σε ένα μέρος όπου δεν μπορούμε να τη βρούμε. Παρόλο που δεν έχουμε εξαντλήσει εντελώς την αναζήτηση για WIMP, υπάρχουν πολλά περισσότερα που μπορούν να κάνουν τα πειράματα. Καθώς γίνονται πιο ευαίσθητα στη σκοτεινή ύλη, γίνονται επίσης πιο ευαίσθητα στα σωματίδια σκουπιδιών και δεν μπορούν πάντα να κάνουν διάκριση μεταξύ των δύο. Με τον σημερινό ρυθμό βελτίωσης, μέσα σε μια δεκαετία θα τυφλωθούν από νετρίνα που εκπέμπονται είτε από τον ήλιο είτε από κοσμικές ακτίνες που συγκρούονται με την ατμόσφαιρα της Γης.
Σε εκείνο το σημείο, θα μπορούσαμε ακόμα να επιδιώξουμε έμμεσα μέσα ανίχνευσης. Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα είναι το Cherenkov Telescope Array, ένα συγκρότημα με περισσότερα από 100 τηλεσκόπια στη Χιλή και στη Λα Πάλμα, το οποίο, μεταξύ άλλων στόχων, θα αναζητήσει ακτίνες γάμμα που παράγονται από την εξάλειψη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης στον γαλαξία μας και άλλους. Αλλά τελικά αυτή η στρατηγική αναζήτησης θα αντιμετωπίσει ένα άλλο πρόβλημα:το κόστος. Προς το παρόν, οι ανιχνευτές σκοτεινής ύλης είναι από τα πιο οικονομικά από τα μεγάλα πειράματα φυσικής, αλλά αν χρειαστεί να συνεχίσουμε να αυξάνουμε το μέγεθος, την ευαισθησία και την πολυπλοκότητά τους, η τιμή τους θα μπορούσε να ανταγωνιστεί μεγαθήρια όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (σχεδόν 7 δισεκατομμύρια δολάρια για την κατασκευή ) και το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (περίπου 8 δισεκατομμύρια δολάρια), χωρίς καμία εγγύηση επιτυχίας - μια πολύ δύσκολη πώληση για τους πολιτικούς.
Το ισχυρότερο εργαλείο για την ανακάλυψη των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης θα ήταν ένας νέος επιταχυντής σωματιδίων. Σε τρεις δεκαετίες από τώρα, οι φυσικοί σχεδιάζουν να κατασκευάσουν έναν επιταχυντή με επταπλάσια ισχύ από τον LHC. Οι μελέτες βρίσκονται σε εξέλιξη τόσο στην Κίνα όσο και στην Ευρώπη. Αν κλιμακωθεί ωμά από τον LHC, θα κόστιζε 25 δισεκατομμύρια δολάρια σε σημερινά δολάρια. Μοιρασμένο μεταξύ των εθνών και διασκορπισμένο στις δεκαετίες, αυτό θα μπορούσε απλώς να είναι εφικτό. Αλλά μάλλον είναι το όριο. Ακόμα κι αν οι φυσικοί είχαν απεριόριστους πόρους, τίποτα δεν θα κέρδιζε φτιάχνοντας οτιδήποτε μεγαλύτερο. Σε εκείνο το σημείο, κάθε άγνωστο σωματίδιο θα έπρεπε να έχει τόση μάζα που, εάν το σωματίδιο παρήχθη με τον ίδιο τρόπο όπως τα ελαφρύτερα αντίστοιχά του, η μεγάλη έκρηξη δεν θα το είχε παραγάγει σε επαρκή ποσότητα.
Παρά αυτές τις τεράστιες προσπάθειες, μπορεί να μην βρούμε κανένα σήμα. Αυτή θα ήταν μια ζοφερή προοπτική. Ίσως δεν υπάρχει σκοτεινή ύλη. Συνεχίζουμε να ψάχνουμε για αποκλίσεις από τη γενική σχετικότητα. Μέχρι στιγμής δεν έχουμε βρει κανένα. Αντίθετα, η ανίχνευση μαύρων τρυπών το 2016 από βαρυτικά κύματα ενίσχυσε τη θεωρία του Αϊνστάιν — και το συμπέρασμά της, την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.
Αλλά κοιτάξτε τη φωτεινή πλευρά. Θα μπορούσαν να υπάρξουν τεράστια μυστήρια και αποκαλύψεις για τη σκοτεινή πλευρά της φύσης που δεν θα δούμε ποτέ αν δεν ψάξουμε. Προς το παρόν, συνεχίζουμε να ψάχνουμε για σωματίδια. Δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτα άλλο από το να πατήσουμε.
Ο Τζόζεφ Σιλκ είναι κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, με ραντεβού επίσης στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Παρισιού και στο Πανεπιστήμιο Τζονς Χόπκινς. Είναι πρωτοπόρος στη μελέτη της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου μικροκυμάτων και του σχηματισμού της κοσμικής δομής.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Nautilus Cosmos τον Φεβρουάριο του 2017.
