Η ύλη που συγκρατεί σαν κόλλα το Σύμπαν αλλά δεν την έχει δει μάτι ανθρώπου

Το πιο πιθανό σενάριο είναι ότι το Σύμπαν αποτελείται από ύλη και δεν έχει κενά. Τουλάχιστον αυτό ισχυρίζονται οι επιστήμονες. Δεν είναι όμως το σύνολο της ύλης αυτής ορατό από τον άνθρωπο και τα όργανα παρατήρησής του. Συγκεκριμένα το ποσοστό του Σύμπαντος που μπορούμε να δούμε ανέρχεται στο ιλιγγιώδες ποσοστό του 5%.

Τι είναι το Σύμπαν

Το Σύμπαν ορίζεται ως το σύνολο του Χώρου και του Χρόνου και όλων των περιεχομένων τους. Ο Στίβεν Χόκινγκ παίζοντας με τις κοσμολογικές αλλά και τις μεταφυσικές έννοιες, θέλησε να αποτυπώσει σε μία εικόνα τις διαπιστώσεις του, λέγοντας: «Ο Θεός όχι μόνο παίζει ζάρια με το Σύμπαν, αλλά και τα ρίχνει τόσο μακριά, που δεν μπορούμε να δούμε τι έφερε».

Το Σύμπαν λοιπόν είναι γεμάτο ύλη και ενέργεια και αυτό που το συγκρατεί ενωμένο είναι η ελκυστική δύναμη της βαρύτητας. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος άνθρωπος που συνειδητοποίησε ότι κενό στο -όπως το ονομάζουμε εμείς- διάστημα δεν υπάρχει.

Η ορατή ύλη είναι η συνηθισμένη μορφή ύλης, η οποία συγκροτεί όλα όσα βλέπουμε: από εμάς τους ίδιους μέχρι τους πλανήτες και τα άστρα. Αυτά που οι άνθρωποι μπορούν να δουν έχουν όρια, είναι πεπερασμένα, ενώ το Σύμπαν μάλλον είναι άπειρο. Το παρατηρήσιμο κομμάτι του είναι μία σφαιρική περιοχή με τη Γη στο κέντρο της, εντός της οποίας εμπεριέχονται όλα τα ουράνια σώματα και φαινόμενα που γνωρίζουμε.

Μόλις 100 χρόνια πριν, οι επιστήμονες θεωρούσαν ότι το Σύμπαν είναι αιώνιο και αμετάβλητο και ότι αποτελούνταν αποκλειστικά από τον Γαλαξία μας, ένα «σύμπαν-νησί» στο κενό του Διαστήματος. Στα χρόνια που ακολούθησαν, ωστόσο, ανακαλύψαμε ότι το Σύμπαν γεννήθηκε πριν από σχεδόν 14 δισ. χρόνια, ότι έκτοτε διαστέλλεται και ψύχεται διαρκώς και ότι εμπεριέχει εκατοντάδες δισεκατομμύρια γαλαξίες.

Στη δεκαετία του 1920 ο αστρονόμος Edwin Hubble, χρησιμοποιώντας το ισχυρότερο τηλεσκόπιο της εποχής του, ανακάλυψε άλλους γαλαξίες, αποδεικνύοντας ότι αυτοί απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητες ανάλογες της απόστασής τους. Αυτή ήταν η πρώτη, τεκμηριωμένη απόδειξη ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Μ’ αυτό, εννοούμε ότι ο χώρος «ξεχειλώνει» έτσι, ώστε η απόσταση μεταξύ δύο οποιωνδήποτε σημείων του να μεγαλώνει.

Από τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) το Σύμπαν άρχισε να επεκτείνεται προς τα έξω. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν το Σύμπαν προήλθε από μία υπέρθερμη και υπέρπυκνη αρχική κατάσταση και έκτοτε διαστέλλεται με επιβραδυνόμενο ρυθμό εξαιτίας της βαρύτητας που «αντιστέκεται» στην επέκτασή του. Οι επιστήμονες κάποτε πίστευαν ότι τελικά θα εξαντληθεί η ενέργειά του, καθώς η βαρύτητα το επιβράδυνε έλκοντας τα αντικείμενα προς το εσωτερικό του. Αλλά μελέτες απόμακρων υπερκαινοφανών αστέρων (σουπερνόβα) αποκάλυψαν ότι το Σύμπαν διαστέλλεται με γρηγορότερο ρυθμό από ό,τι στο παρελθόν, δείχνοντας ότι η επέκτασή του επιταχύνεται. Αυτό είναι δυνατόν μόνο αν το σύμπαν περιέχει αρκετή ενέργεια για να υπερνικήσει τη βαρύτητα.

Αντί λοιπόν οι ταχύτητες περιφοράς των άστρων σε κάθε γαλαξία να μειώνονται όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο του (όπως περίπου μειώνονται και οι ταχύτητες των πλανητών του Ηλιακού μας Συστήματος όσο μακρύτερα βρίσκονται από τον Ήλιο) αυτές παρέμεναν σταθερές σε μεγάλες αποστάσεις. Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαν τα άστρα αυτά να περιφέρονται με τις παρατηρούμενες ταχύτητες θα ήταν ο κάθε γαλαξίας να εμπεριέχει πολύ μεγαλύτερη ποσότητα ύλης απ’ αυτήν που μπορούμε να δούμε. Κάθε γαλαξίας, με άλλα λόγια, θα πρέπει να περιβάλλεται από ένα σφαιρικό φωτοστέφανο αόρατης, σκοτεινής ύλης, που αντιστοιχεί και στο μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής του μάζας.

Η σκοτεινή ύλη

Έχουν περάσει δεκαετίες από τότε που ανακαλύφθηκαν οι πρώτες ενδείξεις για μία παράξενη μορφή ύλης που υπάρχει παντού και όμως είναι αόρατη: τη σκοτεινή ύλη. Οι πρώτες απ’ αυτές προέκυψαν στη διάρκεια της δεκαετίας του ‘30, όταν ο αστρονόμος Fritz Zwicky διαπίστωσε ότι οι ταχύτητες των γαλαξιών που απαρτίζουν το γαλαξιακό σμήνος Κόμη είναι ασύμβατες με τη Νευτώνεια φυσική, εκτός και εάν εμπεριέχουν περισσότερη ύλη απ’ αυτήν που αντιστοιχεί στην ορατή τους ύλη. Στο ίδιο συμπέρασμα κατέληξε περίπου 40 χρόνια αργότερα η αστρονόμος Vera Rubin, διαπιστώνοντας ότι οι ταχύτητες των άστρων που κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις από τους γαλαξιακούς πυρήνες είναι τόσο υψηλές που, χωρίς τη βαρυτική έλξη της σκοτεινής ύλης, θα έπρεπε να είχαν εκτιναχθεί στο Διάστημα.

Ο Ελβετός Zwicky χρησιμοποίησε τις ταχύτητες των επί μέρους γαλαξιών του σμήνους που μέτρησε ο ίδιος, τη διάμετρο του σμήνους, καθώς και την απλή Νευτώνεια φυσική. Υπολόγισε τη συνολική μάζα που θα έπρεπε να έχει το σμήνος, ώστε οι γαλαξίες που το απαρτίζουν να κινούνται με τις ταχύτητες που είχε μετρήσει. Στη συνέχεια, προκειμένου να επιβεβαιώσει το αποτέλεσμά του, υπολόγισε τη συνολική μάζα του σμήνους σε συνάρτηση με τη φωτεινότητα των γαλαξιών του.

Το αποτέλεσμα ήταν παράδοξο καθώς η μάζα που αντιστοιχούσε στη «φωτεινή» ύλη του σμήνους ήταν κατά πολύ μικρότερη από αυτή που απαιτούνταν προκειμένου να δικαιολογηθούν οι ταχύτητες των γαλαξιών του. Και έτσι το εκπληκτικό συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε ήταν ότι το σμήνος γαλαξιών της Κόμης θα πρέπει να εμπεριέχει και τεράστιες ποσότητες ενός άγνωστου είδους ύλης, γιατί διαφορετικά οι μεγάλες ταχύτητες των γαλαξιών που το απαρτίζουν θα το είχαν «διαμελίσει». Η ύλη αυτή, επειδή δεν εκπέμπει κάποιου είδους ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που θα επέτρεπε την ανίχνευσή της, ονομάστηκε «σκοτεινή ύλη». Αυτό συμβαίνει διότι δεν αλληλεπιδρά με την ακτινοβολία και κατά συνέπεια είναι αόρατη. Το μεγαλύτερο μέρος της ύλης που εμπεριέχουν οι γαλαξίες δεν αντιστοιχεί στα άστρα και στα αέρια νέφη τους.

Η Αμερικανίδα αστρονόμος Vera Rubin κατέληξε στο ίδιο συμπέρασμα τη δεκαετία του ‘70. Επειδή η κεντρική περιοχή ενός σπειροειδούς γαλαξία εμπεριέχει και τη μεγαλύτερη συσσώρευση ορατών άστρων, οι περισσότεροι αστρονόμοι της εποχής πίστευαν ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας ενός γαλαξία ήταν συγκεντρωμένο σε αυτήν ακριβώς την κεντρική περιοχή που περιβάλλει τον πυρήνα του γαλαξία, όπου η βαρυτική του έλξη είναι και ισχυρότερη. Αυτό σήμαινε ότι όσο μακρύτερα βρισκόταν ένα άστρο από το κέντρο του γαλαξία, τόσο μικρότερη θα ήταν και η ταχύτητα περιφοράς του.

Τα αποτελέσματα των μετρήσεων όμως έδειχναν ακριβώς το αντίθετο: αντί οι ταχύτητες περιφοράς των άστρων να μειώνονται όσο απομακρυνόμαστε από το κέντρο, παρέμεναν σταθερές σε μεγάλες αποστάσεις. Με άλλα λόγια, τα άστρα στις παρυφές των γαλαξιών διέγραφαν τροχιές με πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες από αυτές που θα «έπρεπε» να είχαν, εάν η ορατή γαλαξιακή ύλη, τα αναρίθμητα δηλαδή αστέρια και τα αέρια που εμπεριείχαν, αντιστοιχούσε επακριβώς και στη συνολική τους μάζα.

Η διαπίστωση αυτή φαίνεται να έρχεται σε αντίθεση με την κοινή λογική, αφού σύμφωνα με τη Νευτώνεια φυσική η ταχύτητα περιφοράς των άστρων θα έπρεπε να μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από το γαλαξιακό κέντρο, όπως περίπου μειώνονται και οι ταχύτητες των πλανητών του Ηλιακού μας Συστήματος όσο μακρύτερα αυτοί βρίσκονται από τον Ήλιο. Ο μόνος τρόπος που θα μπορούσαν τα άστρα αυτά να περιφέρονται σε τόσο μεγάλες αποστάσεις από τους γαλαξιακούς πυρήνες με αυτές τις ταχύτητες θα ήταν να εμπεριέχει ο κάθε γαλαξίας πολύ μεγαλύτερη ποσότητα ύλης απ’ αυτήν που μπορούμε να δούμε.

Κάθε γαλαξίας με άλλα λόγια θα πρέπει να περιβάλλεται από μια σφαιρική άλω αόρατης, σκοτεινής ύλης, που αντιστοιχεί και στο μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής του μάζας. Όμως, ακόμα και σήμερα η φύση της εξακολουθεί να παραμένει άγνωστη. Οι περισσότεροι επιστήμονες συμφωνούν ότι η σκοτεινή ύλη απαρτίζεται από παράξενα στοιχειώδη σωματίδια που, αν και προβλέπεται θεωρητικά ότι σχηματίστηκαν στις πρώτες απειροστές στιγμές της κοσμικής ιστορίας, η ύπαρξή τους δεν έχει ακόμη επιβεβαιωθεί πειραματικά.

Το γνωστό υλικό του σύμπαντος, η βαρυονική ύλη, συνίσταται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Η σκοτεινή ύλη ενδέχεται να εμπεριέχει βαρυονική ή μη-βαρυονική ύλη. Θα πρέπει να αντιστοιχεί σε στοιχειώδη σωματίδια, εξωτικές μορφές ύλης, όπως είναι τα WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, δηλαδή Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Σωματίδια με Μάζα) και τα αξιόνια. Η ύπαρξη των WIMPs προβλέπεται από ορισμένες θεωρίες στοιχειωδών σωματιδίων και, θεωρητικά τουλάχιστον, η παραγωγή τους μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι αυτή που απαιτείται για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη του Σύμπαντος. Το πρόβλημα με τα WIMPs είναι ότι δεν αλληλεπιδρούν με τη βαρυονική ύλη παρά μόνο διά μέσου της ασθενούς και της βαρυτικής αλληλεπίδρασης (δύναμης) και κατά συνέπεια, εάν όντως υπάρχουν, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ανιχνευτούν.

Δεν συντείνουν όμως όλοι οι επιστήμονες στη θεωρία της σκοτεινής ύλης. Υπάρχουν πολλοί φυσικοί που υποστηρίζουν ότι η αδυναμία να εντοπίσουμε τα στοιχεία που απαρτίζουν το άγνωστο υλικό του Σύμπαντος οφείλεται στο ότι δεν υπάρχει και ότι απλώς οι γνώσεις που έχουμε έως τώρα για τη βαρύτητα είναι ελλιπείς.

Η σκοτεινή ενέργεια

Η βαρυτική έλξη μεταξύ όλων των μορφών ύλης που εμπεριέχει το Σύμπαν επιβραδύνει τη διαστολή του. Το 1998, όμως, δύο ανεξάρτητες ομάδες αστροφυσικών, υπολογίζοντας τις αποστάσεις ενός είδους αστρικών εκρήξεων, ανακάλυψαν ότι η διαστολή του Σύμπαντος επιταχύνεται. Για να ισχύει αυτό, θα πρέπει το Σύμπαν να «κυριαρχείται» από μία παράξενη μορφή ενέργειας με βαρυτικά απωστικές ιδιότητες, που ονομάστηκε σκοτεινή ενέργεια.

Σύμφωνα με τα όσα γνωρίζουμε έως τώρα, η σκοτεινή ενέργεια απαρτίζει το 68%, η σκοτεινή ύλη το 27% και η ορατή ύλη το 5% της συνολικής ύλης και ενέργειας του Σύμπαντος. Και αυτό αν θεωρήσουμε δεδομένο ότι αυτά που ξέρουμε ισχύουν. Γιατί το Σύμπαν εξακολουθεί να δημιουργεί ερωτήματα και να διευρύνει τα όρια της ανθρώπινης φαντασίας.