Stalls αναζήτησης Dark Matter:Dwarf Galaxies Challenge Theories

Το κέντρο του Γαλαξία, που φαίνεται εδώ σε μια εικόνα από το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer, είναι η πηγή ενός ενδιαφέροντος σήματος ακτίνων γάμμα που θα μπορούσε να είναι απόδειξη της σκοτεινής ύλης.

NASA/JPL-Caltech

Για άλλη μια φορά, μια σκιά ενός σήματος που οι επιστήμονες ήλπιζαν ότι θα ενίσχυε σε πειστικές ενδείξεις για τη σκοτεινή ύλη έχει ισοπεδωθεί, επαναλαμβάνοντας ένα τρελό ρεφρέν στην αναζήτηση των αόρατων, πανταχού παρόντων σωματιδίων.

Το τηλεσκόπιο Fermi Large Area Telescope (LAT) απέτυχε να ανιχνεύσει τη λάμψη των ακτίνων γάμμα που εκπέμπονται από την εξόντωση της σκοτεινής ύλης σε μικροσκοπικούς «νάνους» γαλαξίες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον Γαλαξία μας, ανέφεραν επιστήμονες την Παρασκευή σε συνάντηση στη Ναγκόγια της Ιαπωνίας. Ο υπαινιγμός μιας τέτοιας λάμψης εμφανίστηκε σε μια ανάλυση Fermi πέρυσι, αλλά το στατιστικό χτύπημα εξαφανίστηκε καθώς συσσωρεύτηκαν περισσότερα δεδομένα.

«Προφανώς ήμασταν κάπως απογοητευμένοι που δεν είδαμε σήμα», είπε ο Μάθιου Γουντ, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που συμμετείχε κεντρικά στη νέα ανάλυση της συνεργασίας Fermi-LAT, σε ένα email.

Οι επιστήμονες που κατοικούσαν στους νάνους γαλαξίες αφού ο Dan Hooper, ένας θεωρητικός αστροφυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στη Μπαταβία, και η Lisa Goodenough, η μεταπτυχιακή φοιτήτριά του εκείνη την εποχή, εντόπισαν ένα ανεξήγητο σήμα ακτίνων γάμμα που προερχόταν από το κέντρο του Γαλαξία. Οι ακτίνες μπορεί να οφείλονται στη σκοτεινή ύλη με τη μορφή WIMP, ή σε ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια, τα οποία είναι οι κύριοι υποψήφιοι για την αόρατη ουσία που αποτελεί τα έξι έβδομα της μάζας του σύμπαντος. Όταν δύο WIMP συγκρούονται στο πυκνό γαλαξιακό κέντρο, θα πρέπει να εκμηδενιστούν, με τις ακτίνες γάμμα ως την πτώση. Τα τελευταία πέντε χρόνια, το συναρπαστικό σήμα ακτίνων γάμμα φαινόταν όλο και πιο πιθανό να είναι το υπόλειμμα των εξολοθρευτικών WIMP.

Ωστόσο, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι η ίδια λάμψη θα μπορούσε επίσης να προέρχεται από έναν άγνωστο πληθυσμό πάλσαρ χιλιοστών του δευτερολέπτου στο γαλαξιακό κέντρο — φωτεινά, ταχέως περιστρεφόμενα αστέρια που εκπέμπουν ακτίνες γάμμα στο διάστημα.

Αναζητώντας τρόπους για να διακρίνουν τις δύο πιθανότητες, οι επιστήμονες στράφηκαν σε νάνους γαλαξίες, οι οποίοι πιστεύεται ότι είναι πλούσιοι σε σκοτεινή ύλη αλλά χωρίς πάλσαρ. Εάν οι ερευνητές βρήκαν ακτίνες γάμμα που ξεχύνονται από νάνους γαλαξίες, η παρατήρηση θα απέκλειε εναλλακτικές εξηγήσεις και θα παρείχε εμφατικά στοιχεία των WIMP.

Ωστόσο, κανένα τέτοιο σήμα δεν έχει ανιχνευθεί εδώ και πέντε χρόνια με τα δεδομένα υψηλότερης ποιότητας από 15 κοντινούς νάνους, αναφέρουν ο Wood και οι συνεργάτες του. «Οι νάνοι γαλαξίες είναι ένας από τους λίγους στόχους που θα μπορούσαν να μας δώσουν μια οριστική επιβεβαίωση ενός σήματος στο γαλαξιακό κέντρο», είπε ο Wood. "Χωρίς αυτήν την επιβεβαίωση, η περίπτωση της ερμηνείας της σκοτεινής ύλης της περίσσειας του γαλαξιακού κέντρου αποδυναμώνεται σημαντικά."

Παραμένει η πιθανότητα ότι το σήμα από το κέντρο του Γαλαξία μας προέρχεται από τη σκοτεινή ύλη, αλλά μόνο εάν η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στον γαλαξία βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο των εκτιμήσεων των ερευνητών. Εάν η σκοτεινή ύλη είναι αρκετά πυκνή, δεν χρειάζεται να εκμηδενιστεί με πολύ υψηλό ρυθμό για να εξηγήσει το σήμα από το γαλαξιακό κέντρο. Και αν η σκοτεινή ύλη εξαφανίζεται με χαμηλό ρυθμό, τότε οι ερευνητές δεν θα πρέπει να εκπλαγούν όταν δεν δουν ένα σήμα να προέρχεται από τους πιο διάχυτους νάνους.

"Σε αυτό το στάδιο δεν αποκλείουμε εντελώς όλα τα μοντέλα σκοτεινής ύλης που προτείνονται για να εξηγήσουν την αναφερόμενη υπέρβαση", είπε ο Wood.

Ο Χούπερ, του οποίου το μοντέλο μετά βίας επιζεί από το χτύπημα των νέων ευρημάτων του νάνου-γαλαξία, φαίνεται αδιάφορος και διατηρεί τη θέση του ότι το σήμα από το γαλαξιακό κέντρο πιθανότατα προέρχεται από σύγκρουση WIMP που εξαφανίζονται σε ρουφηξιές ακτίνων γάμμα. «Εκεί είναι τα χρήματά μου», είπε στο Quanta Magazine τον Μάρτιο. Μιλώντας από τη συνάντηση στην Ιαπωνία, είπε, "Αυτό δεν έχει αλλάξει με κανέναν σημαντικό τρόπο."

Άλλοι επιστήμονες συμφωνούν ότι η εξήγηση της σκοτεινής ύλης της περίσσειας ακτίνων γάμμα εξακολουθεί να είναι βιώσιμη, προς το παρόν. «Είναι αυτό που είναι», είπε ο Σάββας Κουσιάππας, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Μπράουν και συν-συγγραφέας μιας άλλης πρόσφατης ανάλυσης των ακτίνων γάμμα από τους νάνους. "Υπάρχει μια ερμηνεία της σκοτεινής ύλης και οι νάνοι αυτή τη στιγμή δεν την απέκλεισαν ούτε την επιβεβαίωσαν. Ωστόσο, είμαστε κοντά."

Η Τρέισι Σλάιερ, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης που έχει συνεργαστεί με τον Χούπερ σε μοντέλα της περίσσειας του γαλαξιακού κέντρου, είπε ότι βρίσκει τα νέα αποτελέσματα «πραγματικά ενθαρρυντικά».

«Φυσικά, θα ήθελα η περίσσεια του γαλαξιακού κέντρου να προέρχεται από την εξόντωση της σκοτεινής ύλης, αλλά θα προτιμούσα να γνωρίζω με τον ένα ή τον άλλο τρόπο», είπε. "Αυτό το αποτέλεσμα αυξάνει την πιθανότητα να γνωρίζουμε σίγουρα στο εγγύς μέλλον."

Το παράδειγμα ότι η σκοτεινή ύλη πιθανότατα αποτελείται από WIMP βασιλεύει από καιρό μεταξύ των φυσικών λόγω του «θαύματος WIMP» ή του γεγονότος ότι το ίδιο υποθετικό σωματίδιο θα μπορούσε να εξηγήσει τα μυστήρια τόσο του κοσμικού όσο και του κβαντικού κόσμου. Με περίπου την ίδια μάζα με πολλά από τα γνωστά σωματίδια στη φύση, τα WIMP θα εξουδετερώσουν τις επιδράσεις αυτών των σωματιδίων στις κβαντικές εξισώσεις με τρόπο που θα έκανε τους φαινομενικά λανθασμένους υπολογισμούς να λειτουργούν. Και η παρουσία ενός φωτοστέφανου WIMP γύρω από τους γαλαξίες θα εξηγούσε γιατί οι γαλαξίες περιστρέφονται γρηγορότερα από το αναμενόμενο στις παρυφές τους — η πιο συναρπαστική έμμεση απόδειξη ότι υπάρχει σκοτεινή ύλη.

Αλλά το γεγονός ότι τα WIMP θα αντιπροσώπευαν μια κομψή λύση σε βαθιές ερωτήσεις δεν σημαίνει ότι είναι αληθινά. Οι επιστήμονες πέρασαν την τελευταία δεκαετία παρακολουθώντας υπερψυκτικές δεξαμενές υγρών χημικών ουσιών που βρίσκονται βαθιά κάτω από τη γη σε επαναχρησιμοποιημένα φρεάτια ορυχείων σε όλο τον κόσμο, ελπίζοντας ότι τα WIMP περιστασιακά θα άφηναν ίχνη ενέργειας καθώς διέσχιζαν τα υγρά. Αλλά η αναζήτηση δεν έδωσε ούτε ένα πειστικό μήνυμα.

Καθώς τα πειράματα γίνονται όλο και πιο ευαίσθητα, τρώνε τον αφηρημένο χώρο όλων των βιώσιμων μοντέλων WIMP, δίνοντάς του την όψη του ελβετικού τυριού. Τα αποθαρρυντικά αποτελέσματα έχουν ωθήσει τους ερευνητές να γίνουν πιο δημιουργικοί. "Αν και πολλοί άνθρωποι εργάζονται πολύ σκληρά για το παράδειγμα WIMP, οι άνθρωποι αρχίζουν να σκέφτονται ευρύτερα", δήλωσε ο Mark Trodden, καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια.

Οι νάνοι γαλαξίες έχουν ήδη εμπνεύσει εναλλακτικές λύσεις στην τυπική εικόνα WIMP. Εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους (αντί να «ασθενώς αλληλεπιδρούν» μόνο με τη συνηθισμένη ύλη, όπως στα συμβατικά μοντέλα WIMP), θα μεταφέρουν θερμότητα καθώς συγκρούονται. "Όταν μεταφέρετε θερμότητα, έχετε ένα λιγότερο πυκνό κέντρο", εξήγησε ο David Spergel, ένας αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ο οποίος, μαζί με τον συνάδελφό του Paul Steinhardt, πρότειναν για πρώτη φορά το σενάριο της σκοτεινής ύλης που αλληλεπιδρά με τον εαυτό σας το 2000. Πράγματι, οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει ότι οι πυρήνες των νάνων γαλαξιών θα βασίζονταν λιγότερο σε πολλαπλούς γαλαξίες. που χρησιμοποιούν WIMP.

Η σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό της έχει προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον μεταξύ των επιστημόνων, αλλά δεν αισθάνονται όλοι άνετα να υποθέσουν μια νέα ιδιότητα για να διορθωθούν τα προβλήματα με τα τρέχοντα μοντέλα.

«Απλώς κάνουμε αυτό το αόρατο σωματίδιο όλο και πιο περίπλοκο», είπε ο Τζάστιν Χούρι, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια. "Είμαι διχασμένος για αυτό."

Εν τω μεταξύ, νέες και βελτιωμένες προσομοιώσεις από την Alyson Brooks του Πανεπιστημίου Rutgers και τους συνεργάτες της υποδηλώνουν ότι οι νάνοι γαλαξίες μπορούν να μοντελοποιηθούν σωστά χωρίς αυτοαλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης, αν οι προσομοιώσεις περιλαμβάνουν τα αποτελέσματα των συνηθισμένων σωματιδίων - το ένα έβδομο όλης της ύλης που βλέπουμε, αλλά τα μοντέλα που συχνά αγνοούν την απλότητα. Όταν τα αστέρια γίνονται σουπερνόβα, εξήγησε ο Μπρουκς, παράγουν καυτές φυσαλίδες αερίου που διαστέλλονται γρήγορα. "Αποδεικνύεται ότι η διαδικασία δίνει ενέργεια στη σκοτεινή ύλη στο κέντρο των γαλαξιών και την ωθεί προς τα έξω", είπε.

Αν και οι προσομοιώσεις του Brooks ταιριάζουν με τις παρατηρήσεις, ορισμένοι άλλοι κορυφαίοι μοντελιστές δεν μπορούν να πάρουν τα αποτελέσματα της συνηθισμένης ύλης για να διορθώσουν την ασυμφωνία στις δικές τους προσομοιώσεις, τροφοδοτώντας το ενδιαφέρον για τη σκοτεινή ύλη που αλληλεπιδρά με τον εαυτό τους.

Περιπλέκει τη συζήτηση είναι το γεγονός ότι εάν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης αλληλεπιδρούν αυτο-αλληλεπιδρούν, αυτό σημαίνει ότι δεν εξαφανίζονται κατά την επαφή σε εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Σε αυτήν την περίπτωση, το σήμα από το κέντρο του Γαλαξία δεν θα προερχόταν από τη σκοτεινή ύλη.

"Αν όλα αυτά ακούγονται ζωηρά, αντιφατικά και μπερδεμένα, έχετε τη σωστή ιδέα", είπε ο Steinhardt.

Ο Khoury έχει απομακρυνθεί όσο το δυνατόν περισσότερο από την εικόνα του WIMP με ένα πρόσφατο χαρτί που υποθέτει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να μην αποτελείται καθόλου από σωματίδια. Η θεωρία του ανανεώνει μια παλιά ιδέα που ονομάζεται τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική ή MOND, η οποία προτείνει μια αλλαγή στο νόμο της βαρύτητας. Στη θεωρία του Khoury, η σκοτεινή ύλη είναι ένα πεδίο που μοιάζει με ρευστό που διαπερνά το διάστημα, αλληλεπιδρώντας με τα βαρυτικά πεδία των γαλαξιών με τρόπο που μεταβάλλει την περιστροφή τους.

Ο Erik Verlinde, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ στην Ολλανδία, έχει προτείνει μια διαφορετική θεωρία τροποποιημένης βαρύτητας, μια θεωρία στην οποία η σκοτεινή ύλη δεν υπάρχει καθόλου και οι ταχύτητες περιστροφής των γαλαξιών αντικατοπτρίζουν την εντροπία ή την αταξία του χώρου και του χρόνου.

Σε αυτό το στάδιο, η εικασία ενός θεωρητικού φαίνεται εξίσου καλή με αυτή ενός άλλου.

«Υπάρχουν πολλά, πολλά, πολλά πράγματα που θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη», είπε ο Τρόντεν. «Αν μου έδινες άδεια να καταγράψω τη σωματιδιακή φυσική [μοντέλα] που θα μπορούσαν να μου δώσουν τη σκοτεινή ύλη, θα μπορούσα να γράψω 10 που δεν έχουν σκεφτεί πριν». Όσο για το ποια υπόσχονται περισσότερο, το σύμπαν δεν το λέει.

Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 26 Οκτωβρίου 2014, για να παρουσιάσει το πλήρες απόσπασμα του Μάθιου Γουντ σχετικά με την κατάσταση της ερμηνείας της σκοτεινής ύλης της περίσσειας ακτίνων γάμμα του γαλαξιακού κέντρου. Το αρχικό συντομευμένο απόσπασμα δεν απέδιδε με ακρίβεια το επιδιωκόμενο νόημα του Wood.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο NationalGeographic.com.