Η σκοτεινή ύλη, το αόρατο υλικό που αποτελεί τη συντριπτική πλειονότητα της μάζας του σύμπαντος, μπορεί να συγκεντρωθεί σε άτομα, δείχνουν νέες προσομοιώσεις. Αυτά τα «σκοτεινά άτομα» μπορούν να αλλάξουν ριζικά την εξέλιξη των γαλαξιών και το σχηματισμό των αστεριών, δίνοντας στους αστρονόμους μια νέα ευκαιρία να κατανοήσουν αυτή τη μυστηριώδη ουσία.
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περισσότερο από το 80% της μάζας κάθε γαλαξία και σμήνος γαλαξιών στο σύμπαν. Όλες οι παρατηρήσεις μας δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι κάποιο νέο είδος σωματιδίου που δεν αλληλεπιδρά με τη συνηθισμένη ύλη ή ακόμα και με το φως. Μπορούμε να αναγνωρίσουμε τη σκοτεινή ύλη μόνο μέσω της βαρυτικής της αλληλεπίδρασης με οτιδήποτε άλλο. Όποια και αν είναι η σκοτεινή ύλη, είναι πέρα από τη σύγχρονη κατανόηση της φυσικής. Αλλά εξακολουθεί να έχει μάζα, άρα και βαρύτητα.
Δεν γνωρίζουμε ακόμη αν η σκοτεινή ύλη είναι απλή ή σύνθετη. Μπορεί να αποτελείται μόνο από έναν τύπο σωματιδίου που κυριαρχεί στο σύμπαν και δύσκολα αλληλεπιδρά ακόμη και με τον εαυτό του. Ή μπορεί να αποτελείται από διάφορους τύπους σωματιδίων, με την ίδια πλούσια ποικιλία που βλέπουμε στη συνηθισμένη ύλη. Επιπλέον, γνωρίζουμε μόνο τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης: τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό, την ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση και την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση. Αλλά μπορεί να υπάρχουν πρόσθετες δυνάμεις που δρουν μόνο μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης και δεν επηρεάζουν καθόλου την κανονική ύλη.
Η έννοια των πρόσθετων σωματιδίων της σκοτεινής ύλης και των σκοτεινών δυνάμεων δεν είναι τόσο τραβηγμένη όσο μπορεί να φαίνεται. Η κατανόησή μας για τη φυσική βασίζεται σε συμμετρίες, οι οποίες είναι βαθιές μαθηματικές σχέσεις μεταξύ των σωματιδίων. Είναι πιθανό ότι υπάρχουν πρόσθετες συμμετρίες στους νόμους της φύσης που κάνουν τη σκοτεινή ύλη αντίστοιχη της κανονικής ύλης και ότι για κάθε είδος αλληλεπίδρασης που μπορεί να εμπλέκεται η κανονική ύλη, υπάρχει ένα αντίστοιχο στον σκοτεινό τομέα.
Για παράδειγμα, από τη συνηθισμένη ύλη μπορούμε να φτιάξουμε απλά άτομα: ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, συνδεδεμένα μεταξύ τους, με ένα φωτόνιο, τον φορέα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, που μεσολαβεί στην αλληλεπίδραση. Μπορούμε επίσης να έχουμε μια έκδοση της ίδιας δομής της σκοτεινής ύλης, με ένα σκοτεινό πρωτόνιο συνδεδεμένο με σκοτεινά ηλεκτρόνια από σκοτεινά φωτόνια: σκοτεινά άτομα.
Η ατομική σκοτεινή ύλη θα συμπεριφερόταν πολύ διαφορετικά από τη σκοτεινή ύλη που αποτελείται από ένα μόνο σωματίδιο. Το πιο σημαντικό, θα ήταν πολύ δύσκολο για την απλή σκοτεινή ύλη να συσσωρευτεί μαζί, και θα το έκανε αργά, για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Η συνηθισμένη ύλη συλλέγεται σε αυτές τις λείες συστάδες σκοτεινής ύλης για να σχηματίσει γαλαξίες, αλλά κατά τα άλλα οδηγούν χωριστές ζωές. Η ατομική σκοτεινή ύλη, ωστόσο, μπορεί να σχηματίσει τους δικούς της σκιώδεις γαλαξίες – δομές σαν δίσκους που μιμούνται το μέγεθος και τη θέση των ορατών γαλαξιών.
Μια ομάδα αστροφυσικών χρησιμοποίησε αυτή την ενδιαφέρουσα δυνατότητα για να μοντελοποιήσει την εξέλιξη των γαλαξιών και να δει ποιες παρατηρούμενες διαφορές μπορεί να προκύψουν. Επέτρεψαν στην ατομική σκοτεινή ύλη να εξελιχθεί σύμφωνα με τις δικές της δυνάμεις και στη συνέχεια διερεύνησαν πώς αυτές οι νέες δομές θα επηρέαζαν τους ορατούς γαλαξίες μέσω της νέας οργάνωσης της βαρύτητας. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους σε μια ηλεκτρονική βάση δεδομένων προεκτύπωσης τον Απρίλιο arXiv.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ακόμη και μια μικρή ποσότητα ατομικής σκοτεινής ύλης - μόλις το 6% της συνολικής σκοτεινής ύλης στο σύμπαν, χωρίς να συμπεριλαμβάνεται η υπόλοιπη - είναι αρκετή για να αλλάξει ριζικά την εξέλιξη των γαλαξιών. Επειδή η ατομική σκοτεινή ύλη είναι ικανή να αλληλεπιδρά, μπορεί εύκολα να συμπυκνωθεί, χάνοντας ενέργεια μέσω της εκπομπής κάποιας μορφής σκοτεινής ακτινοβολίας. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι ένας «σκοτεινός δίσκος» εμφανίζεται γρήγορα μέσα σε κάθε γαλαξία, η περιστροφή του οποίου ταιριάζει πολύ με την περιστροφή των ορατών, κανονικών στοιχείων.
Από εκεί, η ατομική σκοτεινή ύλη συνέχισε να συμπυκνώνεται, ακριβώς όπως το κανονικό αέριο συμπυκνώνεται σε σύννεφα και τελικά αστέρια. Στην προσομοίωση, η ατομική σκοτεινή ύλη σχημάτισε τα δικά της σκοτεινά αστέρια και θα μπορούσε ακόμη και να προκαλέσει τη δημιουργία των δικών της μαύρων τρυπών. Αυτές οι συστάδες στη συνέχεια βυθίστηκαν στον γαλαξιακό πυρήνα, όπου η πυκνότητα αυξήθηκε.
Λόγω αυτής της επιπλέον βαρύτητας, ο σχηματισμός άστρων στους πυρήνες των γαλαξιών επιταχύνεται, σχηματίζοντας αστέρια πολύ πιο γρήγορα από τους γαλαξίες με απλή σκοτεινή ύλη. Αυτές οι προσομοιώσεις στην πραγματικότητα απέκλεισαν ορισμένα μοντέλα ατομικής σκοτεινής ύλης επειδή αυτά τα μοντέλα έκαναν τους γαλαξίες τους να εξαντλήσουν το νέο υλικό σχηματισμού άστρων πολύ γρήγορα.
Αλλά ορισμένα μοντέλα έχουν επιβιώσει από τα σημερινά όρια των παρατηρήσεων, επιτρέποντας την περαιτέρω πιθανότητα ύπαρξης ατομικής σκοτεινής ύλης. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι περαιτέρω θεωρητικές και πειραματικές μελέτες θα ρίξουν φως στην αληθοφάνεια αυτής της ενδιαφέρουσας μορφής εξωτικής ύλης. Για παράδειγμα, επειδή η ατομική σκοτεινή ύλη συμπυκνώνεται τόσο αποτελεσματικά, μπορεί να είμαστε σε θέση να ανιχνεύσουμε πυκνές μάζες που μοιάζουν με αστέρια με μελλοντικές μελέτες βαρυτικού μικροφακού χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace της NASA στη Ρώμη.
Διαβάστε επίσης: