Όταν το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA ξεκινήσει επιστημονικές επιχειρήσεις το 2027, θα χρησιμοποιήσει ένα φαινόμενο καμπύλωσης του χώρου που είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1916, σε μια προσπάθεια να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της επιστήμης: τη φύση της σκοτεινής ύλης.
Βαρυτική φακοποίηση
Το φαινόμενο αυτό είναι η «βαρυτική φακοποίηση». Το αριστούργημα της θεωρίας της βαρύτητας του μεγάλου φυσικού, η γενική σχετικότητα, προτείνει ότι αυτό συμβαίνει όταν αντικείμενα μεγάλης μάζας παραμορφώνουν το ίδιο το ύφασμα του χωροχρόνου (την τετραδιάστατη ενοποίηση του χώρου και του χρόνου) και το φως από πηγές στο φόντο καμπυλώνεται καθώς περνά από αυτές τις «λακκούβες» στο σύμπαν.
Μια νέα μελέτη υποδεικνύει ότι οι εικόνες που θα δημιουργήσει το Roman καθώς εκτελεί τις κοσμικές του έρευνες θα μπορούσαν να περιέχουν περίπου 160.000 βαρυτικούς φακούς. Η ερευνητική ομάδα εκτιμά ότι περίπου 500 από αυτούς θα μπορούσαν να είναι ιδανικοί για τη διερεύνηση της σκοτεινής ύλης, του πιο μυστηριώδους «πράγματος» του σύμπαντος.
«Τελικά, η ερώτηση που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι: Ποιο ή ποια σωματίδια αποτελούν τη σκοτεινή ύλη;» δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας Tansu Daylan, ερευνητικός συνεργάτης στο McDonnell Center for the Space Sciences του Washington University στο Σεντ Λούις.
«Ενώ ορισμένες ιδιότητες της σκοτεινής ύλης είναι γνωστές, ουσιαστικά δεν έχουμε ιδέα από τι αποτελείται», πρόσθεσε ο Daylan. «Το Roman θα μας βοηθήσει να διακρίνουμε πώς κατανέμεται η σκοτεινή ύλη σε μικρές κλίμακες και, επομένως, τη σωματιδιακή της φύση».
Σκοτεινή ύλη και παραμορφωμένος χώρος
Η σκοτεινή ύλη αντιπροσωπεύει ένα τόσο μεγάλο αίνιγμα για τους επιστήμονες επειδή, παρά το γεγονός ότι αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο σύμπαν, γνωρίζουμε ελάχιστα για το τι είναι στην πραγματικότητα. Η ουσία του προβλήματος είναι ότι η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με το φως (πιο επίσημα, με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία).
Αυτό σημαίνει όχι μόνο ότι η σκοτεινή ύλη είναι ουσιαστικά αόρατη, αλλά και ότι δεν μπορεί να αποτελείται από σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια και νετρόνια που συνθέτουν τα άτομα της καθημερινής ύλης, όπως τα άστρα, οι πλανήτες, τα φεγγάρια.
Η απουσία αλληλεπίδρασης με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος, έχει οδηγήσει τους επιστήμονες να αναζητούν πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, για νέα σωματίδια που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη.
Ίσως αναρωτιέστε πώς μπορεί η σκοτεινή ύλη να καμπυλώνει το φως αν δεν αλληλεπιδρά με αυτό. Η απάντηση είναι ότι χρησιμοποιεί έναν μεσάζοντα, μία άλλη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του σύμπαντος: τη βαρύτητα. Η γενική σχετικότητα δηλώνει ότι όλα τα σώματα με μάζα καμπυλώνουν τον χωροχρόνο σε κάποιον βαθμό. Το φως τότε αναγκάζεται να ακολουθήσει αυτή την καμπύλη. Έτσι, η σκοτεινή ύλη μπορεί να παίξει ρόλο στη βαρυτική φακοποίηση.
Η βαρυτική φακοποίηση συμβαίνει όταν το φως από μια πηγή στο φόντο περνά δίπλα από ένα αντικείμενο μεγάλης μάζας, όπως ένας γαλαξίας. Αυτό το φως καμπυλώνεται, αλλά το πόσο ακραία είναι αυτή η καμπύλωση εξαρτάται από το πόσο κοντά στο σώμα με μάζα περνά το φως.
Αυτό σημαίνει ότι το φως από την ίδια πηγή μπορεί να ακολουθήσει διαδρομές διαφορετικού μήκους γύρω από έναν βαρυτικό φακό, φτάνοντας έτσι στο ίδιο τηλεσκόπιο σε διαφορετικές χρονικές στιγμές.
Υπάρχουν μερικά πιθανά αποτελέσματα αυτού του φαινομένου. Η πηγή στο φόντο μπορεί να μεγεθυνθεί σημαντικά – ένα φαινόμενο που χρησιμοποιεί το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA για να εντοπίσει πρώιμους γαλαξίες – ή μπορεί να εμφανιστεί σε πολλαπλά σημεία στην ίδια εικόνα, σχηματίζοντας συχνά εντυπωσιακές διατάξεις όπως οι δακτύλιοι και οι σταυροί του Αϊνστάιν.
Αλλά το φαινόμενο της βαρυτικής φακοποίησης μπορεί επίσης να αποκαλύψει λεπτομέρειες για τον ίδιο τον φακό. Αν αυτός είναι ένας γαλαξίας, μπορεί να δείξει την κατανομή της «αόρατης» σκοτεινής ύλης του.
«Αυτό το φαινόμενο παράγει πολλαπλές εικόνες του γαλαξία στο φόντο που μεγεθύνονται και παραμορφώνονται διαφορετικά», είπε ο Daylan.
Αυτές οι «διπλές εικόνες» επιτρέπουν στους επιστήμονες να πραγματοποιήσουν πολλαπλές μετρήσεις για το πώς κατανέμεται η μάζα του φακού-γαλαξία, οδηγώντας σε μια πολύ πιο ακριβή μέτρηση.
