Το σύμπαν αποτελείται από τουλάχιστον δύο είδη ύλης. Πρωτίστως, υπάρχει το υλικό που μπορούμε να ανιχνεύσουμε, το οποίο οι αστρονόμοι αποκαλούν "βαρυονική" ύλη. Θεωρείται ως "συνηθισμένη" ύλη επειδή είναι κατασκευασμένη από πρωτόνια και νετρόνια, τα οποία μπορούν να μετρηθούν. Η βαρυονική ύλη περιλαμβάνει τα αστέρια και τους γαλαξίες, καθώς και όλα τα αντικείμενα που περιέχουν.
Υπάρχει επίσης "ουσία" εκεί μέσα στο σύμπαν που δεν μπορεί να ανιχνευθεί με κανονικά μέσα παρατήρησης. Ωστόσο, υπάρχει επειδή οι αστρονόμοι μπορούν να μετρήσουν την βαρυτική επίδρασή της στη βαριονική ύλη. Οι αστρονόμοι αποκαλούν αυτό το υλικό "σκοτεινή ύλη" επειδή, είναι, είναι σκοτεινό. Δεν αντανακλά ή εκπέμπει φως. Αυτή η μυστηριώδης μορφή της ύλης παρουσιάζει μερικές μεγάλες προκλήσεις για την κατανόηση πολλών πραγμάτων σχετικά με το σύμπαν, πηγαίνοντας πίσω στην αρχή, περίπου 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.
Η ανακάλυψη της σκοτεινής ύλης
Πριν από δεκαετίες, οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι δεν υπήρχε αρκετή μάζα στο σύμπαν για να εξηγηθούν πράγματα όπως η περιστροφή των αστεριών στο
τους γαλαξίες και τις κινήσεις των συστάδων αστέρων. Η μάζα επηρεάζει την κίνηση ενός αντικειμένου μέσα από το διάστημα, είτε είναι ένας γαλαξίας είτε ένα αστέρι ή ένας πλανήτης. Κρίνοντας από τον τρόπο που κάποιοι γαλαξίες περιστρέφονται, για παράδειγμα, φάνηκε ότι υπήρχε περισσότερη μάζα εκεί κάπου. Δεν εντοπίστηκε. Ήταν κάπως "λείπει" από το μαζικό απόθεμα που συναρμολόγησαν χρησιμοποιώντας αστέρια και νεφελώματα για να εκχωρήσουν έναν γαλαξία σε δεδομένη μάζα. Η Δρ. Vera Rubin και η ομάδα της παρατηρούσαν γαλαξίες όταν διαπίστωσαν για πρώτη φορά μια διαφορά μεταξύ των αναμενόμενων ρυθμών περιστροφής (βάσει των εκτιμώμενων μαζών αυτών των γαλαξιών) και των πραγματικών ρυθμών που παρατηρούσαν.Οι ερευνητές άρχισαν να σκάβουν βαθύτερα στο να υπολογίζουν πού έλειπε όλη η έλλειψη μάζας. Θεώρησαν ότι ίσως η κατανόηση της φυσικής μας, δηλ. γενική σχετικότητα, ήταν λανθασμένη, αλλά πάρα πολλά άλλα πράγματα δεν προστίθενται. Έτσι, αποφάσισαν ότι ίσως η μάζα ήταν ακόμα εκεί, αλλά απλά δεν ήταν ορατή.
Ενώ είναι ακόμα πιθανό ότι λείπει κάτι θεμελιώδες στις θεωρίες της βαρύτητας, η δεύτερη επιλογή ήταν πιο ευχάριστη για τους φυσικούς. Από εκείνη την αποκάλυψη γεννήθηκε η ιδέα της σκοτεινής ύλης. Υπάρχουν στοιχεία παρατήρησης γι 'αυτό γύρω από τους γαλαξίες, και οι θεωρίες και τα μοντέλα δείχνουν την εμπλοκή της σκοτεινής ύλης νωρίς στο σχηματισμό του σύμπαντος. Έτσι, οι αστρονόμοι και οι κοσμολόγοι γνωρίζουν ότι είναι εκεί έξω, αλλά δεν έχουν ακόμη καταλάβει τι είναι ακόμα.
Ψυχρή σκοτεινή ύλη (CDM)
Έτσι, τι θα μπορούσε να είναι η σκοτεινή ύλη; Μέχρι στιγμής, υπάρχουν μόνο θεωρίες και μοντέλα. Μπορούν να χωριστούν σε τρεις γενικές ομάδες: καυτή σκοτεινή ύλη (HDM), ζεστή σκοτεινή ύλη (WDM) και ψυχρή σκοτεινή ύλη (CDM).
Από τα τρία, το CDM είναι από καιρό ο κορυφαίος υποψήφιος για το τι είναι αυτή η έλλειψη μάζας στο σύμπαν. Μερικοί ερευνητές εξακολουθούν να προτιμούν μια θεωρία των συνδυασμών, όπου οι όψεις και των τριών τύπων σκοτεινής ύλης υπάρχουν μαζί για να καλύψουν τη συνολική έλλειψη μάζας.
Το CDM είναι ένα είδος σκοτεινής ύλης που, αν υπάρχει, κινείται αργά σε σύγκριση με την ταχύτητα του φωτός. Θεωρείται ότι ήταν παρούσα στο σύμπαν από την αρχή και πολύ πιθανόν επηρέασε την ανάπτυξη και την εξέλιξη των γαλαξιών. καθώς και το σχηματισμό των πρώτων αστεριών. Οι αστρονόμοι και οι φυσικοί πιστεύουν ότι είναι πιθανότατα κάποιο εξωτικό σωματίδιο που δεν έχει ακόμη εντοπιστεί. Είναι πολύ πιθανό να έχει κάποιες πολύ συγκεκριμένες ιδιότητες:
Θα χρειαζόταν έλλειψη αλληλεπίδρασης με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Αυτό είναι αρκετά προφανές δεδομένου ότι η σκοτεινή ύλη είναι σκοτεινή. Επομένως δεν αλληλεπιδρά με, αντανακλά ή εκπέμπει οποιοδήποτε είδος ενέργειας στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα.
Ωστόσο, κάθε υποψήφιο σωματίδιο που σχηματίζει κρύα σκοτεινή ύλη θα πρέπει να λάβει υπόψη ότι πρέπει να αλληλεπιδράσει με ένα πεδίο βαρύτητας. Για να το αποδείξουν αυτό, οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει ότι οι συσσωρεύσεις σκοτεινής ύλης σε συστάδες γαλαξιών ασκούν βαρυτική επίδραση στο φως από πιο μακρινά αντικείμενα που τυχαίνει να περνούν. Αυτό το λεγόμενο "εφέ βαρύτητας" έχει παρατηρηθεί πολλές φορές.
Υποψήφια κρύα σκοτεινά αντικείμενα
Παρόλο που καμία γνωστή ύλη δεν πληροί όλα τα κριτήρια για κρύα σκοτεινή ύλη, τουλάχιστον τρεις θεωρίες έχουν προχωρήσει για να εξηγήσουν το CDM (εάν υπάρχουν).
- Αδύναμη αλληλεπίδραση των μαζικών σωματιδίων: Γνωστός και ως WIMPs, αυτά τα σωματίδια, εξ ορισμού, καλύπτουν όλες τις ανάγκες του CDM. Ωστόσο, δεν βρέθηκε ποτέ τέτοιο σωματίδιο. Τα WIMPs έχουν γίνει ο όρος "catch-all" για όλους τους υποψήφιους κρύους σκοτεινής ύλης, ανεξάρτητα από το γιατί πιστεύεται ότι το σωματίδιο θα προκύψει.
- Axions: Αυτά τα σωματίδια διαθέτουν (τουλάχιστον οριακά) τις απαραίτητες ιδιότητες της σκοτεινής ύλης, αλλά για διάφορους λόγους πιθανότατα δεν είναι η απάντηση στο ερώτημα της ψυχρής σκοτεινής ύλης.
- MACHOs: Αυτό είναι ένα ακρωνύμιο για Μαζικά συμπαγή αντικείμενα Halo, τα οποία είναι αντικείμενα όπως μαύρες τρύπες, αρχαίος αστέρια νετρονίων, καφέ νάνοι και πλανητικά αντικείμενα. Όλα αυτά είναι μη φωτεινά και μαζικά. Όμως, λόγω των μεγάλων μεγεθών τους, τόσο σε όγκο όσο και σε μάζα, θα ήταν σχετικά εύκολο να ανιχνευθούν με την παρακολούθηση τοπικών βαρυτικών αλληλεπιδράσεων. Υπάρχουν προβλήματα με την υπόθεση MACHO. Η παρατηρούμενη κίνηση των γαλαξιών, για παράδειγμα, είναι ομοιόμορφη κατά τρόπο που θα ήταν δύσκολο να εξηγηθεί εάν οι MACHOs παρείχαν την έλλειψη μάζας. Επιπλέον, οι συστάδες αστέρων απαιτούν πολύ ομοιόμορφη κατανομή τέτοιων αντικειμένων εντός των ορίων τους. Αυτό φαίνεται πολύ απίθανο. Επίσης, ο πλήθος των MACHOs που θα έπρεπε να είναι αρκετά μεγάλοι για να εξηγήσουν τη λείπουν μάζα.
Αυτή τη στιγμή, το μυστήριο της σκοτεινής ύλης δεν έχει ακόμα μια προφανή λύση. Οι αστρονόμοι συνεχίζουν να σχεδιάζουν πειράματα για να αναζητήσουν αυτά τα αόρατα σωματίδια. Όταν καταλάβουν τι είναι και πώς κατανέμονται σε όλο το σύμπαν, θα έχουν ξεκλειδώσει ένα άλλο κεφάλαιο στην κατανόησή μας για τον Κόσμο.