Οι επιστήμονες μπορεί σύντομα να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν την πιο μυστηριώδη οντότητα στο σύμπαν, τη σκοτεινή ύλη, χρησιμοποιώντας ένα στόλο δορυφόρων επόμενης γενιάς, σύμφωνα με μια νέα θεωρητική μελέτη.
Η σκοτεινή ύλη, μια ελάχιστα κατανοητή ουσία που δεν εκπέμπει, δεν απορροφά ή δεν αντανακλά το φως, αλλά ασκεί σαφή βαρυτική επίδραση σε άλλη ύλη, κυριαρχεί στο σύμπαν. Παρά το γεγονός ότι είναι περισσότερο από πέντε φορές πιο άφθονη στο διάστημα από τη συνηθισμένη ύλη, η σύνθεση και οι ιδιότητες της σκοτεινής ύλης παραμένουν εντελώς άγνωστες.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, ο θεωρητικός φυσικός στο γερμανικό κέντρο επιταχυντών ηλεκτρονίων Synchrotron (DESY), Hyungjin Kim, πρότεινε την αναζήτηση σωματιδίων σκοτεινής ύλης χρησιμοποιώντας ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων. Πρόκειται για όργανα σχεδιασμένα να μετρούν ανεπαίσθητους κυματισμούς στη δομή του χωροχρόνου που προβλέφθηκαν για πρώτη φορά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Η σκοτεινή ύλη ως κύματα
Υπάρχουν πολλές υποθέσεις σχετικά με τη φύση των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης, τα οποία συσσωρεύονται σε τεράστιες ποσότητες και σχηματίζουν τη λεγόμενη γαλαξιακή άλω στους γαλαξίες. Στη νέα εργασία, που δημοσιεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2023 στο Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ο Kim υπέθεσε ότι τα σωματίδια αυτά μπορεί να είναι εξαιρετικά ελαφριά, όπως προβλέπουν πολλές δημοφιλείς θεωρίες για τη σκοτεινή ύλη.
«Τα εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια εμφανίζονται συνήθως σε πολλές θεωρίες πέρα από το καθιερωμένο μοντέλο», δήλωσε ο Kim στο LiveScience. Μερικά από αυτά τα σωματίδια είναι «τέλειοι υποψήφιοι» για τη σκοτεινή ύλη, εγείροντας κάποιες ενδιαφέρουσες συνέπειες για το πώς μπορεί να συμπεριφέρεται η ασύλληπτη οντότητα, πρόσθεσε.
«Σε αντίθεση με άλλους υποψήφιους “σωματιδίων” σκοτεινής ύλης, τα υπέρ-ελαφρά σωματίδια σκοτεινής ύλης συμπεριφέρονται πιο παρόμοια με τα κλασικά [ηλεκτρομαγνητικά] κύματα», τόνισε ο Kim.
Οι κυματικές ιδιότητες της σκοτεινής ύλης θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε απροσδόκητες συμπεριφορές. Ειδικότερα, πρόσφατες θεωρητικές μελέτες υποδεικνύουν ότι η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης μέσα σε μια γαλαξιακή άλω θα πρέπει να υφίσταται τυχαίες μεταβολές, σπρώχνοντας ολόκληρους γαλαξίες και ενδεχομένως αφήνοντας ανεπαίσθητα στοιχεία για τη σύσταση της σκοτεινής ύλης.
«Φανταστείτε τα κύματα στον ωκεανό- βλέπουμε συνεχώς ότι υπάρχουν διακυμάνσεις στην επιφάνεια του ωκεανού και εξελίσσεται με απρόβλεπτους τρόπους», δήλωσε ο Kim. «Το ίδιο θα συνέβαινε και στην υπερελαφριά άλω σκοτεινής ύλης», με τις προκύπτουσες διακυμάνσεις να εκτείνονται ενδεχομένως εκατομμύρια φορές την απόσταση μεταξύ της Γης και του ήλιου, πρόσθεσε ο Kim.
Αν η σκοτεινή ύλη είναι υπέρ-ελαφριά και αν όντως συμπεριφέρεται σαν κύμα, τότε οι επιστήμονες θα μπορούσαν ενδεχομένως να ανιχνεύσουν τις κινήσεις της με ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων.
Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων
Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, τα βαρυτικά κύματα είναι κυματισμοί στον ιστό του χωροχρόνου.
Όταν ένα τέτοιο κύμα διέρχεται από έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων, μεταβάλλει τη γεωμετρία του χώρου στο εσωτερικό του, αλλάζοντας προσωρινά την απόσταση μεταξύ δύο κατόπτρων ή άλλων παρόμοιων αντικειμένων που είναι τοποθετημένα στο εσωτερικό του ανιχνευτή. Αυτή η μικροσκοπική αλλαγή επιτρέπει στους επιστήμονες να ανιχνεύσουν την παρουσία του βαρυτικού κύματος.
Στη μελέτη του, ο Kim προτείνει ότι η απόσταση αυτή θα μπορούσε να μεταβληθεί όχι μόνο από ένα βαρυτικό κύμα αλλά και από μια κινούμενη διακύμανση σκοτεινής ύλης, η οποία θα μπορούσε να προσελκύσει τα κάτοπτρα με το βαρυτικό της πεδίο, όπως η Γη προσελκύει τα ουράνια σώματα που ταξιδεύουν γύρω της.
«Αυτές οι διακυμάνσεις κινούνται τυχαία μέσα στο ηλιακό σύστημα και “βομβαρδίζουν” συνεχώς τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων», δήλωσε ο Kim.
Για να διαπιστώσει αν οι σύγχρονοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσαν θεωρητικά να ανιχνεύσουν την επίδραση της υπερελαφριάς σκοτεινής ύλης, ο Kim υπολόγισε πώς σωματίδια σκοτεινής ύλης διαφορετικών μεγεθών θα μπορούσαν να διαταράξουν τον χωροχρόνο. Ο Kim έπρεπε να εξερευνήσει ένα ευρύ φάσμα μαζών – από περίπου 16 έως 28 τάξεις μεγέθους μικρότερες από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου.
Η θεωρητική του ανάλυση έδειξε ότι για όλες αυτές τις μάζες, οι υπάρχοντες ανιχνευτές, όπως το Προηγμένο Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Λέιζερ (LIGO), το οποίο συνέβαλε στην απόδειξη της ύπαρξης των βαρυτικών κυμάτων το 2015, δεν θα ήταν σε θέση να ανιχνεύσουν τις διακυμάνσεις της σκοτεινής ύλης, επειδή η ευαισθησία τους είναι πολύ χαμηλή.
Ωστόσο, υπάρχουν διάφορα σχέδια για μελλοντικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων που θα βρίσκονται στο διάστημα και η απόσταση μεταξύ των δορυφόρων τους δεν θα είναι μερικά χιλιόμετρα, όπως η απόσταση μεταξύ των κατόπτρων του LIGO, αλλά περίπου ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη. Αν η απόσταση αυτή αλλάξει έστω και κατά ένα μικρό κλάσμα, το μέγεθος της αλλαγής θα πρέπει να είναι τόσο μεγάλο ώστε η επιρροή της σκοτεινής ύλης να είναι μετρήσιμη.
«Αυτό που διαπίστωσα είναι ότι ο βομβαρδισμός των διακυμάνσεων της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να αφήσει ένα διακριτό σήμα στους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, και ενδεχομένως μελλοντικοί διαστημικοί ανιχνευτές θα μπορούσαν να είναι σε θέση να ελέγξουν την υπόθεση της υπερελαφράς σκοτεινής ύλης», δήλωσε ο Kim. «Η πρότασή μου αξιοποιεί μελλοντικούς διαστημικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, όπως το Laser Interferometer Space Antenna (LISA)».
Με το LISA να έχει επί του παρόντος προγραμματιστεί να εκτοξευθεί στα μέσα της δεκαετίας του 2030, αυτή η θεωρία μπορεί να απέχει περισσότερο από μια δεκαετία από το να είναι ελέγξιμη. «Ωστόσο στο μεταξύ μπορεί να υπάρχουν άλλοι τρόποι ανίχνευσης της επιρροής της σκοτεινής ύλης στον χωροχρόνο» πρόσθεσε ο Kim.
«Ερευνώ επί του παρόντος την προοπτική των ταχέως περιστρεφόμενων αστέρων νετρονίων ως έναν άλλο τρόπο για να ανιχνεύσουμε τέτοιες διακυμάνσεις» κατέληξε.