Δύο από τα πιο μυστηριώδη σωματίδια του Σύμπαντος ενδέχεται να συγκρούονται αόρατα σε ολόκληρο το Σύμπαν μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα και πιο επίμονα προβλήματα του καθιερωμένου μοντέλου της κοσμολογίας. Αυτά τα δύο αινιγματικά κοσμικά συστατικά — η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα (ή «σωματίδια-φαντάσματα») υπάρχουν παντού στο Σύμπαν ωστόσο παραμένουν ελάχιστα κατανοητά.
Με δημοσίευση τους στην επιθεώρηση «Nature Astronomy» μια διεθνής ομάδα ερευνητών βρήκε ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα μπορεί να συγκρούονται μεταξύ τους μεταφέροντας ορμή κατά τη διαδικασία. Αυτή η απροσδόκητη αλληλεπίδραση θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί το Σύμπαν έχει λιγότερες πυκνές περιοχές, όπως γαλαξίες, από όσες προβλέπεται θεωρητικά.
Σκοτεινή ύλη και νετρίνα: Ένα άλυτο αίνιγμα
Η σκοτεινή ύλη είναι η μυστηριώδης, αόρατη ουσία που αποτελεί περίπου το 85% της ύλης στο Σύμπαν. Όπως υποδηλώνει και το όνομά της δεν εκπέμπει φως επομένως η ύπαρξή της έχει καταγραφεί μόνο έμμεσα, μέσω της βαρυτικής της επίδρασης που παρατηρείται σε κοσμολογικές μετρήσεις.
Τα νετρίνα είναι υποατομικά σωματίδια με απειροελάχιστη μάζα και χωρίς ηλεκτρικό φορτίο γεγονός που τα κάνει να αλληλεπιδρούν εξαιρετικά σπάνια με άλλα σωματίδια. Παράγονται σε μεγάλες ποσότητες από πυρηνικές διεργασίες όπως η πυρηνική σύντηξη στα άστρα και οι εκρήξεις υπερκαινοφανών (σουπερνόβα).
Κάθε δευτερόλεπτο περίπου 100 δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν από κάθε τετραγωνικό εκατοστό του ανθρώπινου σώματος. Σύμφωνα όμως με το κοσμολογικό μοντέλο, γνωστό ως μοντέλο Λάμδα–Ψυχρής Σκοτεινής Ύλης (ΛCDM), η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα δεν θα έπρεπε να αλληλεπιδρούν. Το μοντέλο αυτό αποτελεί τη βάση για την κατανόηση της μεγάλης κλίμακας δομής του Σύμπαντος.
Ένα κοσμολογικό παράδοξο
Ωστόσο η νέα μελέτη προσφέρει ενδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη και τα νετρίνα ίσως τελικά αλληλεπιδρούν όπως έχουν προτείνει ορισμένοι ερευνητές τα τελευταία 20 χρόνια. Αν πράγματι συγκρούονται και ανταλλάσσουν ορμή αυτό θα απαιτούσε επανεξέταση του μοντέλου ΛCDM. Τέτοιες συγκρούσεις θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν την αποκαλούμενη «ένταση S8», δηλαδή τη διαφορά ανάμεσα στη θεωρητικά αναμενόμενη και την πραγματικά παρατηρούμενη συμπαγικότητα του Σύμπαντος.
«Αυτή η ένταση δεν σημαίνει ότι το καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο είναι λάθος αλλά ίσως ότι είναι ελλιπές» εξήγησε η Ελεονόρα Ντι Βαλεντίνο συν-συγγραφέας της μελέτης και ανώτερη ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ. «Η μελέτη μας δείχνει ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ σκοτεινής ύλης και νετρίνων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εξήγηση αυτής της διαφοράς προσφέροντας νέα εικόνα για το πώς σχηματίστηκαν οι δομές στο Σύμπαν».
Η απόκλιση προκύπτει από το γεγονός ότι το σημερινό Σύμπαν φαίνεται λιγότερο πυκνό απ’ όσο προβλέπεται από τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (CMB) αυτού δηλαδή που θεωρείται το πρώτο φως του Σύμπαντος και εκπέμφθηκε όταν αυτό ήταν μόλις 380,000 ετών.
«Η διατύπωση ότι οι κοσμικές δομές είναι ‘λιγότερο συμπαγής’ πρέπει να γίνεται κατανοητή με στατιστική έννοια και όχι ως αλλαγή στην εμφάνιση μεμονωμένων γαλαξιών ή σμηνών. Αναφέρεται σε μειωμένη αποδοτικότητα στην ανάπτυξη των κοσμικών δομών με την πάροδο του χρόνου» δήλωσε ο Ουίλιαμ Γκιαρέ συν-συγγραφέας της μελέτης και κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης.
Συνδυάζοντας πολλαπλές ενδείξεις
Οι ερευνητές προσπάθησαν να ενοποιήσουν στοιχεία από τις διακυμάνσεις ενέργειας και πυκνότητας στην CMB, από τις βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις (BAO) — κύματα πίεσης που «πάγωσαν» από τις πρώτες στιγμές του Σύμπαντος — και από πιο πρόσφατες παρατηρήσεις της μεγάλης κλίμακας δομής του σύμπαντος.
Τα δεδομένα του πρώιμου Σύμπαντος προήλθαν από το Atacama Cosmology Telescope στη Χιλή και από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Τα δεδομένα του μεταγενέστερου σύμπαντος προήλθαν από το τηλεσκόπιο Victor M. Blanco στη Χιλή και από το Sloan Digital Sky Survey, ένα εικοσαετές πρόγραμμα χαρτογράφησης εκατομμυρίων γαλαξιών σε περισσότερα από 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός.
Επιπλέον, ενσωματώθηκαν δεδομένα κοσμικής διάτμησης (από το Dark Energy Survey, δηλαδή παραμορφώσεις μακρινών ουράνιων αντικειμένων λόγω ασθενούς βαρυτικής φακοποίησης, όταν μαζικές δομές καμπυλώνουν τον χωροχρόνο. Όταν οι ερευνητές συνδύασαν όλα αυτά τα δεδομένα και μοντελοποίησαν την εξέλιξη του Σύμπαντος λαμβάνοντας υπόψη συγκρούσεις μεταξύ σκοτεινής ύλης και νετρίνων, οι προσομοιώσεις παρήγαγαν ένα σύμπαν που συμφωνεί καλύτερα με τις πραγματικές παρατηρήσεις.
Προσοχή αλλά και αισιοδοξία
Παρά τα ενθαρρυντικά αποτελέσματα, απαιτείται προσοχή: η ένδειξη αλληλεπίδρασης έχει στατιστική βεβαιότητα 3 σίγμα, που σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα 0,3% να οφείλεται σε τυχαίο σφάλμα. Αν και δεν φτάνει το «χρυσό πρότυπο» των 5 σίγμα, είναι αρκετά σημαντική ώστε να δικαιολογεί περαιτέρω έρευνα.
«Η τελική ετυμηγορία θα προέλθει από μελλοντικές μεγάλης κλίμακας αστρονομικές έρευνες, όπως εκείνες του Παρατηρητηρίου Vera C. Rubin, και από πιο ακριβή θεωρητική εργασία. Αυτά θα μας επιτρέψουν να διαπιστώσουμε αν βρισκόμαστε μπροστά σε μια νέα ανακάλυψη στον “σκοτεινό τομέα” ή αν τα κοσμολογικά μας μοντέλα χρειάζονται περαιτέρω προσαρμογές. Σε κάθε περίπτωση, πλησιάζουμε περισσότερο στη λύση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης» δήλωσε ο Σεμπάστιαν Τοζανόφσκι, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας.