Έλεγχος ταχύτητας για τη σκοτεινή ύλη προτείνεται από επιστήμονες

21 Ιανουαρίου 2016      Egno Editorial

Η σκοτεινή ύλη κυριαρχεί στη δυναμική ευρείας κλίμακας του σύμπαντος, αλλά το τι ακριβώς είναι παραμένει ένα πρόβλημα. Πρόσφατες παρατηρήσεις μιας ανεξήγητης γραμμής ακτίνων-Χ σε εκπομπή από τον Γαλαξία μας, καθώς και από απόμακρους γαλαξίες, υποδηλώνουν ότι μπορεί να έχουν ανιχνευτεί-τουλάχιστον έμμεσα-σωμάτια που μπορεί να συνιστούν την σκοτεινή ύλη. Αλλά μέχρι στιγμής οι αστροφυσικοί δεν μπορούν να αποκλείσουν την πιθανότητα η φασματική γραμμή να προέρχεται από σύνηθες αέριο. Μια επιστημονική ομάδα, τώρα, υποστηρίζει ότι η προέλευση το σήματος θα μπορούσε να εντοπιστεί παρατηρώντας την εκπομπή από τον Γαλαξία μας και αναλύοντας πώς μετατοπίζεται η συχνότητα της γραμμής όταν παρατηρείται σε διαφορετικές κατευθύνσεις, σε σχέση με το Γαλαξιακό Κέντρο. Το πρόσημο της μετατόπισης (προς υψηλότερες ή χαμηλότερες συχνότητες) είναι διαφορετικό για σωμάτια σκοτεινής ύλης και σωμάτια συνήθους αερίου, εξαιτίας των διακριτών κατανομών της ταχύτητάς τους. Παρόλο που αυτές οι αλλαγές συχνότητας είναι τόσο μικρές για να ανιχνευτούν με τα υπάρχοντα φασματόμετρα ακτίνων-Χ, θα μπορούσαν να είναι ανιχνεύσιμα από προσεχείς αποστολές.

Οι βαρυτικές επιδράσεις της σκοτεινής ύλης ανακαλύφθηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1930 από τον Fritz Zwicky, ο οποίος σημείωσε τις ακανόνιστα υψηλές ταχύτητες της συνήθους μάζας σε γαλαξιακά σμήνη. Περισσότερα από 40 χρόνια πριν, οι μετρήσεις των γαλαξιακών περιστροφικών ταχυτήτων, της Vera Rubin, έδειξαν ότι χρειάζεται η σκοτεινή ύλη για να οργανωθούν γαλαξίες και άλλες δομές στο Σύμπαν. Σήμερα, ορισμένοι φυσικοί αμφισβητούν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Είναι γνωστό, από κοσμολογικές παρατηρήσεις, ότι αποτελεί το 25,7% του Σύμπαντος (κατά πυκνότητα), περισσότερο από 5 φορές από ότι είναι η συνεισφορά από τα συνήθη άτομα. Οι ερευνητές επίσης συμφωνούν γενικώς ότι η σκοτεινή ύλη πιθανώς αποτελείται από ένα νέο, αλλά έτσι μακράν μη-ανιχνεύσιμο, σωμάτιο. Αλλά πέρα από την κρίσιμη βαρυτική επιρροής της, λίγα είναι γνωστά σχετικά με την σκοτεινή ύλη, εξαιτίας της ασθενούς αλληλεπίδρασής της με τη συνήθη ύλη.

Διάφορα καλά αιτιολογημένα μοντέλα προβλέπουν ότι τα σωμάτια της σκοτεινή ύλης μπορούν να εκμηδενιστούν ή διασπόνται σε φωτόνια σε μια στενή περιοχή ενεργειών. Τέτοια μοντέλα απέκτησαν πρόσφατα ανανεωμένο ενδιαφέρον εξαιτίας της ανίχνευσης μιας έντονης γραμμής ακτίνων-Χ, στα 3,55 keV, σε εκπομπές από το κέντρο του Γαλαξία μας, του γαλαξία της Ανδρομέδας και σμηνών γαλαξιών, με όλα να θεωρείται ότι περιβάλλονται από μια σφαιρική άλω σκοτεινής ύλης (ένθετο εικόνας). Ένα μοντέλο που εξηγεί τη γραμμή εκπομπής, υποθέτει ότι το σωμάτιο σκοτεινής ύλης είναι ένα «στείρο» νετρίνο με μάζα 7,1 keV, που παράγει ένα φωτόνιο και ένα ελαφρύτερο νετρίνο όταν διασπάται. Υπάρχουν, ωστόσο, άλλα μοντέλα σκοτεινής ύλης, που δεν περιλαμβάνουν στείρα νετρίνα, που επίσης προβλέπουν μια γραμμή 3,55 keV. Αυτά τα μοντέλα μπορούν να αιτιολογήσουν καλύτερα την αξιοσημείωτη απουσία εκπομπών ακτίνων-Χ στα φάσματα από γαλαξίες.

Η παρατήρηση μιας γραμμής μη-αναμενόμενου φωτονίου στην διάχυτη εκπομπή από τη γαλαξιακή άλω έχει, από καιρό προαναγγελθεί σαν ένα όπλο που καπνίζει για τη σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, μετά από πολλές συζητήσεις, οι αστροφυσικοί ακόμη δεν έχουν σαφώς αποκλείσει την πιθανότητα η γραμμή να έχει μια πιο συνηθισμένη προέλευση, προερχόμενη από διαδικασίες ισχυρής εκπομπής, συμπεριλαμβανομένων των διεγερμένων καταστάσεων των ατόμων. Σύμφωνα με τον Carl Sagan: «Ασυνήθιστοι ισχυρισμοί, απαιτούν ασυνήθιστες αποδείξεις».

Σε μια νέα ανάλυση, ο Eric Speckhard του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Ohio, Columbus και οι συνεργάτες του, προτείνουν μια μέθοδο για έρευνα ασυνήθιστης απόδειξης σε μελλοντικές παρατηρήσεις της γραμμής εκπομπής. Ειδικώς, υποστηρίζουν ότι μια φασματική γραμμή που παράγεται από σκοτεινή ύλη θα παρατηρείται σε μια ελαφρώς διαφορετική συχνότητα από αυτή που προέρχεται από εκπομπή συνήθους αερίου (εικόνα). Ο λόγος είναι ότι τα σωμάτια σκοτεινής ύλης και τα σωμάτια του αερίου έχουν διαφορετικές κατανομές ταχύτητας σχετικά με το σύστημα αναφοράς του Ηλιακού Συστήματος. Τα σωμάτια του αερίου παράγοντας τις ισχυρότερες γραμμές εκπομπής συν-περιστρέφονται με το Γαλαξιακό δίσκο και έχουν μια ευρεία κατανομή ταχύτητας, που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την τυρβώδη δυναμική του αερίου. Όπως φαίνεται στην εικόνα στο κειμένου, αν αυτά τα σωμάτια παρατηρούνται προς την κατεύθυνση της περιστροφής του Γαλαξία, θα εμφανίζονται να απομακρύνονται και έτσι οι εκπομπές τους θα μετατοπίζονται προς το ερυθρό. Αντίθετα, τα σωμάτια του αερίου που παρατηρούνται σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτή της περιστροφής θα εμφανίζονται να μετατοπίζονται προς το μπλε. Σε αντιδιαστολή με τα σωμάτια του αερίου, τα σωμάτια της σκοτεινής ύλης κινούμενα μέσα στην Γαλαξιακή άλω αναμένεται να έχουν μια περισσότερο ισότροπη, περίπου τύπου Maxwell, κατανομή. Σχετικά με το σύστημα ηρεμίας του Γαλαξία μας, οι ταχύτητές τους, κατά μέσο όρο, θα είναι μηδέν. Οι μετατοπίσεις Doppler από τις εκπομπές της σκοτεινής ύλης, λόγω της κίνησης του Ήλιου, θα έχουν αντίθετο πρόσημο σε σύγκριση με αυτές από το αέριο: Μετατοπίσεις στο μπλε όταν ερευνώνται προς την κατεύθυνση της περιστροφής και μετατόπιση στο ερυθρό όταν ερευνώνται αντίθετα με αυτήν. Υποθέτοντας τυπικές Γαλαξιακές ταχύτητες 200-300 km/s (περίπου 0,1% της ταχύτητας του φωτός), οι συγγραφείς εκτίμησαν ότι τα φάσματα θα πρέπει να αποκτηθούν με μια προσέγγιση ενέργειας 0,1% για να διακρίνουν μια πηγή σκοτεινής ύλης από μια συνήθους αερίου. Ένας παρόμοιος έλεγχος θα μπορούσε να επιχειρηθεί στις φασματικές γραμμές από την παρατήρηση του γαλαξία της Ανδρομέδας.

Έχει ενδιαφέρον ότι, ο φασματογράφος μαλακών ακτίνων-Χ της αποστολής Astro-H, που προγραμματίστηκε για να εκτοξευθεί το 2016, έχει σχεδιαστικές προδιαγραφές που είναι ακριβώς αυτού του επιπέδου του 0,1%. Υποθέτοντας ένα χρόνο έκθεσης λίγο πάνω από 23 ημέρες για κάθε περιοχή των Γαλαξιακών μηκών, οι συγγραφείς εκτιμούν ότι το φασματόμετρο θα μπορούσε να ανιχνεύσει ένα αρκετά ευρύ σήμα για να επιβεβαιώσουν ή να διαψεύσουν μια γραμμή των 3,55 KeV προερχόμενη από τη σκοτεινή ύλη.

Το να ψάχνεις στον ουρανό για σκοτεινή ύλη είναι μια προσπάθεια γεμάτη παγίδες. Όχι μόνο πρέπει να βρεις βελόνα στα άχυρα-το φάσμα του Σύμπαντος είναι γεμάτο από γραμμές εκπομπής-πρέπει επίσης να τη βρεις σε άχυρα που είναι γεμάτα με πονηρούς αστρονομικούς απατεώνες. Μοντέλα σκοτεινής ύλης που προβλέπουν την ακτινοβολία γραμμής, ειδικά στην επικράτεια των ακτίνων γάμμα, αποκλείουν ισχυρά περίπου όλους τους απατεώνες. Αλλά η φασματοσκοπία ταχύτητας της σκοτεινής ύλης που προτάθηκε από τον Speckhard κ.ά. μπορεί να πάει ένα βήμα παραπέρα, επιβεβαιώνοντας ενεργά τη προέλευση της ακτινοβολίας γραμμής από σκοτεινή ύλη και επιτρέποντας να μετρηθεί άμεσα η οργάνωση της ταχύτητας της σκοτεινής ύλης.

Η γραμμή 3,55 keV μπορεί τελικά να αποδειχθεί ότι έχει άλλες προελεύσεις από την διάσπαση της σκοτεινής ύλης. Όμως η τεχνική που περιγράφεται από τον Speckhard και τους συνεργάτες θα μπορούσε να είναι ένα ισχυρό τεστ για την επόμενη υποψήφια γραμμή σκοτεινής ύλης που θα εμφανιστεί. Μελλοντικές αποστολές ακτίνων-Χ και ακτίνων γάμμα θα πρέπει οπωσδήποτε να προσπαθήσουν να επιτύχουν μια σχετική φασματική ανάλυση κάτω από 0,1%. Τελικά, αν η γραμμή ακτινοβολίας της σκοτεινής ύλης εντοπιστεί και επιβεβαιωθεί, θα έχουμε ένα μέσο για να παρατηρούμε στοιχεία της σκοτεινής ύλης στο Γαλαξία μας, σε άλλους γαλαξίες και μάλιστα σε όλο το σύμπαν. Μια τέτοια επιβεβαίωση θα αναγγέλλει μια νέα εποχή στην αστρονομία της σκοτεινής ύλης, όπου το Σύμπαν λάμπει από φωτόνια που εκπέμπονται από τη σκοτεινή ύλη. Όχι πλέον σκοτεινά και αόρατα, η άλως και οι μεγάλης κλίμακας δομές του κοσμικού ιστού θα μπορούσαν να απεικονιστούν και να χαρτογραφηθούν άμεσα και καθαρά. Θα μπορούσαμε να έχουμε πρόσβαση σε κρυμμένα μυστικά του σκοτεινού μας Σύμπαντος, που μέχρι στιγμής φαίνονται μόνο ως θολές σκιές στο βαρυτικό πεδίο.

Πηγή: APS physics

Περισσότερα στην εργασία: Dark Matter Velocity Spectroscopy, Phys. Rev. Lett. 116, 031301 – Published 19 January 2016