Μια μελέτη από ερευνητές του Dartmouth προτείνει μια νέα θεωρία για την προέλευση της σκοτεινής ύλης, της μυστηριώδους και αόρατης ουσίας που πιστεύεται ότι δίνει στο σύμπαν το σχήμα και τη δομή του. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η υποθετική δύναμη που διαμορφώνει το σύμπαν προήλθε από σωματίδια που συμπυκνώθηκαν γρήγορα, όπως ο ατμός που μετατρέπεται σε νερό.
Πώς σχηματίστηκε η σκοτεινή ύλη
Σύμφωνα με τη δημοσίευση στο Physical Review Letters, η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να είχε σχηματιστεί στα πρώτα στάδια της ζωής του σύμπαντος από τη σύγκρουση υψηλής ενέργειας σωματιδίων χωρίς μάζα, τα οποία έχασαν την ορμή τους και απέκτησαν τεράστια ποσότητα μάζας αμέσως μετά τη σύζευξή τους, σύμφωνα με τα μαθηματικά μοντέλα των ερευνητών.
Η υποθετική σκοτεινή ύλη πιστεύεται ότι υπάρχει βάσει των παρατηρούμενων βαρυτικών επιδράσεων που δεν μπορούν να εξηγηθούν από την ορατή ύλη. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι το 85% της συνολικής μάζας του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη.
Η διακριτή θεωρία των ερευνητών
Οι συγγραφείς της μελέτης επισημαίνουν ότι η θεωρία τους είναι μοναδική, καθώς μπορεί να δοκιμαστεί με τα υπάρχοντα παρατηρησιακά δεδομένα. Τα εξαιρετικά χαμηλής ενέργειας σωματίδια που προτείνουν ότι συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη θα είχαν ένα μοναδικό αποτύπωμα στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB), την ακτινοβολία που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη και γεμίζει ολόκληρο το σύμπαν.
«Η σκοτεινή ύλη ξεκίνησε τη ζωή της ως σχετικιστικά σωματίδια χωρίς μάζα, σχεδόν όπως το φως», λέει ο Robert Caldwell, καθηγητής φυσικής και αστρονομίας και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Αυτό είναι εντελώς αντίθετο με την τρέχουσα αντίληψη για τη σκοτεινή ύλη – ότι είναι ψυχροί όγκοι που δίνουν τη μάζα στους γαλαξίες», προσθέτει ο Caldwell. «Η θεωρία μας προσπαθεί να εξηγήσει πώς από φως έγινε όγκος».
Η θεωρία πίσω από τη μεταμόρφωση των σωματιδίων
Μετά την έκρηξη ενέργειας που είναι γνωστή ως Μεγάλη Έκρηξη, η οποία οι επιστήμονες πιστεύουν ότι πυροδότησε την επέκταση του σύμπαντος πριν από 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια, κυριάρχησαν σωματίδια τα οποία κινούνταν με υψηλή ταχύτητα, παρόμοια με τα φωτόνια, τα σωματίδια χωρίς μάζα, που είναι η βασική μορφή ενέργειας ή κβάντα του φωτός.
Μέσα σε αυτό το χαοτικό περιβάλλον, ένας τεράστιος αριθμός αυτών των σωματιδίων συνδέθηκε μεταξύ τους, σύμφωνα με τον Caldwell και τον Guanming Liang, κύριο συγγραφέα της μελέτης και τελειόφοιτο του Dartmouth.
Οι δύο επιστήμονες θεωρούν ότι αυτά τα σωματίδια χωρίς μάζα ενώθηκαν λόγω των αντίθετων κατευθύνσεων του σπιν τους, όπως η έλξη μεταξύ των πόλων βορρά και νότου των μαγνητών.
Το στάδιο μετάβασης σε σκοτεινή ύλη
Καθώς τα σωματίδια ψύχονταν, μια ανισορροπία στα σπιν τους προκάλεσε την απότομη πτώση της ενέργειάς τους, όπως ο ατμός που ψύχεται γρήγορα και μετατρέπεται σε νερό. Το αποτέλεσμα ήταν τα ψυχρά, βαριά σωματίδια που οι επιστήμονες πιστεύουν ότι αποτελούν τη σκοτεινή ύλη.
«Το πιο απροσδόκητο μέρος του μαθηματικού μας μοντέλου ήταν η απότομη πτώση της ενέργειας που γεφυρώνει την υψηλής πυκνότητας ενέργεια με τη χαμηλής πυκνότητας μορφή», δηλώνει ο Liang.
Ο Caldwell συμπληρώνει: «Σε αυτό το στάδιο, είναι σαν αυτά τα ζεύγη να προετοιμάζονταν να γίνουν σκοτεινή ύλη. Αυτή η φάση μετάβασης βοηθά στην εξήγηση της αφθονίας της σκοτεινής ύλης που μπορούμε να ανιχνεύσουμε σήμερα. Προήλθε από τη συμπύκνωση των εξαιρετικά ενεργειακών σωματιδίων του πρώιμου σύμπαντος».
Σύνδεση με την υπεραγωγιμότητα
Οι ερευνητές εισάγουν ένα θεωρητικό σωματίδιο που θα μπορούσε να είχε προκαλέσει τη μετάβαση στη σκοτεινή ύλη. Ήδη γνωρίζουμε ότι τα υποατομικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, μπορούν να υποστούν παρόμοια μετάβαση.
Σε χαμηλές θερμοκρασίες, δύο ηλεκτρόνια μπορούν να σχηματίσουν τα λεγόμενα ζεύγη Cooper, τα οποία μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, ενεργοποιώντας την υπεραγωγιμότητα. Ο Caldwell και ο Liang αναφέρουν την ύπαρξη των ζευγών Cooper ως απόδειξη ότι τα σωματίδια χωρίς μάζα στη θεωρία τους θα μπορούσαν να συμπυκνωθούν σε σκοτεινή ύλη.
«Αναζητήσαμε ενδείξεις στην υπεραγωγιμότητα για να δούμε αν μια συγκεκριμένη αλληλεπίδραση θα μπορούσε να προκαλέσει τόσο ξαφνική πτώση στην ενέργεια», λέει ο Caldwell. «Τα ζεύγη Cooper αποδεικνύουν ότι ο μηχανισμός υπάρχει».
Η θεωρία τους υποδεικνύει ότι τα ζεύγη σωματιδίων εισήλθαν σε μια ψυχρή, σχεδόν χωρίς πίεση κατάσταση καθώς επιβράδυναν και έγιναν βαρύτερα. Αυτό το χαρακτηριστικό θα μπορούσε να τα κάνει να ξεχωρίσουν στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.
Οι παρατηρήσεις από τα υπάρχοντα και μελλοντικά δεδομένα θα μπορούσαν να δοκιμάσουν τη θεωρία των Caldwell και Liang, σύμφωνα με τους ερευνητές.
«Είναι συναρπαστικό», λέει ο Caldwell. «Προτείνουμε μια νέα προσέγγιση για να σκεφτούμε και ενδεχομένως να εντοπίσουμε τη σκοτεινή ύλη».
Περισσότερες πληροφορίες: Guanming Liang, Robert Caldwell, Ψυχρή σκοτεινή ύλη βασισμένη σε μια αναλογία με την υπεραγωγιμότητα, Physical Review Letters (2025) DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.191004
Πληροφορίες περιοδικού: Physical Review Letters
Παρέχεται από το Κολλέγιο Ντάρτμουθ