Οι επιστήμονες αναζητούν απαντήσεις: Μέρος της σκοτεινής ύλης είναι φορέας ηλεκτρικού φορτίου;

Αστρονόμοι έχουν προτείνει ένα νέο μοντέλο για το αόρατο υλικό που συνιστά το μεγαλύτερο μέρος της ύλης του σύμπαντος. Μελέτησαν αν ένα μέρος των σωματίων σκοτεινής ύλης μπορεί να έχουν ένα πολύ μικρό ηλεκτρικό φορτίο. «Έχετε ακούσει για ηλεκτρικά αυτοκίνητα και ηλεκτρονικά βιβλία, όμως τώρα μιλάμε σχετικά με ηλεκτρική σκοτεινή ύλη», είπε ο Julian Munoz του Πανεπιστημίου Harvard στο Cambridge, ο οποίος ηγείται της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature. «Αν και αυτό το ηλεκτρικό φορτίο είναι σε πολύ μικρότερες κλίμακες». Ο Munoz και ο συνεργάτης του, Avi Loeb, του Harvard-Smithsonian CfA (Center for Astrophysics) στο Cambridge, εξερευνούν την πιθανότητα αυτά τα φορτισμένα σωμάτια να αλληλεπιδρούν με την κανονική ύλη με ηλεκτρομαγνητική δύναμη.

Η νέα εργασία τους συνδέεται με ένα πρόσφατα ανακοινωθέν αποτέλεσμα από τη συνεργασία για το Πείραμα για την Ανίχνευση της Παγκόσμιας EoR (Epoch of Reionization) Υπογραφής (EDGES). Το Φεβρουάριο, επιστήμονες από αυτό το πρόγραμμα ισχυρίστηκαν ότι είχαν ανιχνεύσει τη ράδιο-υπογραφή από την πρώτη γενιά των άστρων και πιθανά στοιχεία για την αλληλεπίδραση μεταξύ σκοτεινής ύλης και κανονικής ύλης. Ορισμένοι αστρονόμοι γρήγορα αμφισβήτησαν τον ισχυρισμό της ομάδας EDGES. Την ίδια ώρα, οι Munoz και Loeb αναζητούσαν ήδη την υποκείμενη θεωρητική βάση του.

«Μπορέσαμε να πούμε μια θεμελιώδη φυσική ιστορία με την έρευνά μας ανεξαρτήτως του πώς μεταφράζετε το αποτέλεσμα της EDGES», ανέφερε ο Loeb, ο οποίος είναι ο πρόεδρος του Τμήματος Αστρονομίας του Harvard. «Η φύση της σκοτεινής ύλης είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην επιστήμη και χρειαζόταν να χρησιμοποιήσουμε κάθε σχετικό νέο δεδομένο για να το αντιμετωπίσουμε».

Η ιστορία αρχίζει με τα πρώτα άστρα, τα οποία εξέπεμπαν υπεριώδες (UV) φως. Σύμφωνα με το κοινά αποδεκτό σενάριο, αυτό το UV φως αλληλεπίδρασε με ψυχρά άτομα υδρογόνου στο αέριο που απλώνονταν μεταξύ των άστρων και επέτρεψε σε αυτά να απορροφήσουν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (ακτινοβολία CMB), την απομείνασα ακτινοβολία από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η απορρόφηση αυτή οδήγησε σε μια πτώση της έντασης της CMB κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η οποία συνέβη λιγότερο από 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ομάδα EDGES δήλωσε ότι ανίχνευσε στοιχεία για αυτή την απορρόφηση της ακτινοβολίας CMB, αν και αυτό δεν έχει επαληθευτεί ανεξάρτητα από άλλους επιστήμονες. Ωστόσο, η θερμοκρασία του αερίου υδρογόνου στα δεδομένα της EDGES είναι περίπου η μισή της αναμενόμενης τιμής.

«Αν η ομάδα EDGES έχει ανιχνεύσει ψυχρότερο από ότι αναμένονταν αέριο υδρογόνο κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής, τι θα μπορούσε να το εξηγήσει;» αναρωτήθηκε ο Munoz. «Μια πιθανότητα είναι ότι το αέριο υδρογόνο ψύχθηκε από τη σκοτεινή ύλη».

Την ώρα που η ακτινοβολία CMB απορροφάτο, τα όποια ελεύθερα ηλεκτρόνια ή πρωτόνια που συνδέονταν με την κανονική ύλη θα κινούντο στις πιο αργές πιθανές ταχύτητες (από ότι αργότερα που θερμάνθηκαν με ακτίνες-Χ από τις πρώτες μαύρες τρύπες). Η σκέδαση φορτισμένων σωματίων είναι πιο αποτελεσματική σε χαμηλές ταχύτητες. Έτσι, κάθε αλληλεπίδραση μεταξύ κανονικής ύλης και σκοτεινής ύλης κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου θα ήταν ισχυρότερη εάν κάποια από τα σωμάτια σκοτεινής ύλης είναι φορτισμένα. Αυτή η αλληλεπίδραση θα έκανε το αέριο υδρογόνο να ψυχθεί, επειδή η σκοτεινή ύλη είναι ψυχρή, πιθανώς αφήνοντας μια παρατηρήσημη υπογραφή όπως αυτή που δηλώθηκε από το πρόγραμμα EDGES.

«Περιορίζουμε την πιθανότητα ότι τα σωμάτια σκοτεινής ύλης φέρουν ένα ελαχιστότατο φορτίο – ίσο με ένα εκατομμυριοστό αυτού του ηλεκτρονίου – μέσω μετρήσιμων σημάτων από την κοσμική αυγή», είπε ο Loeb. «Τέτοια ελαχιστότατα φορτία είναι αδύνατο να παρατηρηθούν ακόμη και με τους μεγαλύτερους επιταχυντές σωματιδίων».

Μόνο μικρά ποσά σκοτεινής ύλης με ασθενές ηλεκτρικό φορτίο μπορούν και να εξηγήσουν τα δεδομένα του EDGES και να αποφύγουν ασυμφωνίες με άλλες παρατηρήσεις. Αν περισσότερο μέρος της σκοτεινής ύλης είναι φορτισμένο, τότε τα σωμάτια αυτά θα εκτρέπονταν μακριά από περιοχές κοντά στο δίσκο του δικού μας Γαλαξία και θα αποτρέπονταν η επανείσοδός τους. Αυτό συγκρούεται με τις παρατηρήσεις που δείχνουν ότι μεγάλα ποσά σκοτεινής ύλης είναι εντοπισμένα κοντά στο δίσκο του Γαλαξία μας. Οι επιστήμονες γνωρίζουν από παρατηρήσεις της CMB ότι πρωτόνια και ηλεκτρόνια συνδυάστηκαν στο πρώιμο σύμπαν για να σχηματίσουν ουδέτερα άτομα. Μόνο ένα μικρό κλάσμα αυτών των φορτισμένων σωματιδίων, περίπου ένα σε μερικές χιλιάδες, παραμένουν ελεύθερα. Οι Munoz και Loeb σκέφτηκαν την πιθανότητα ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί να έχει δράσει με παρόμοιο τρόπο. Τα δεδομένα από το EDGES και παρόμοια πειράματα, ίσως είναι ο μόνος τρόπος να ανιχνευτούν τα λίγα παραμένοντα φορτισμένα σωμάτια, καθώς το περισσότερο μέρος της σκοτεινής ύλης θα ήταν ουδέτερο.

«Ο χώρος για αυτό το σενάριο να είναι εφικτό είναι αρκετά περιορισμένος, όμως αν επιβεβαιωνόταν από μελλοντικές παρατηρήσεις, βεβαίως θα μαθαίναμε κάτι θεμελιακό σχετικά με τη φύση της σκοτεινής ύλης, ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα που έχουμε σήμερα στη φυσική», σημείωσε η Cora Dvorkin του Harvard η οποία δεν εμπλέκονταν με τη νέα μελέτη. Ο Lincoln Greenhill, επίσης από το CfA, ελέγχει τώρα τον παρατηρησιακό ισχυρισμό από την ομάδα EDGES. Ηγείται του προγράμματος LEDA (Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages), που χρησιμοποιεί τη Συστοιχία Μεγάλου Μήκους κύματος (Long Wavelength Array) στην κοιλάδα του Owen στην California και το Socorro, Νέου Μεξικού.

Πηγή: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Περισσότερα στη δημοσίευση: A small amount of mini-charged dark matter could cool the baryons in the early Universe. Nature.