Οι αστρονόμοι πιστεύουν ότι μπορεί να υπάρχουν αστέρια που λάμπουν χωρίς σύντηξη, φωτιζόμενα από σκοτεινή ύλη βαθιά στον πυρήνα τους. Η εύρεση ενός τέτοιου άστρου θα έλυνε ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος.
Σε αντίθεση με τα τυπικά αστέρια, οι «σκοτεινοί νάνοι» λάμπουν χωρίς να καίνε υδρογόνο, και η θερμότητά τους θα μπορούσε να προέρχεται από αόρατα σωματίδια που συγκρούονται μεταξύ τους στο εσωτερικό τους. Αν εντοπίσουμε έναν, ειδικά χωρίς το χημικό στοιχείου του λιθίου, θα μπορούσε να μας οδηγήσει κατευθείαν στην πραγματική ταυτότητα της σκοτεινής ύλης.
Η νέα μελέτη του JCAP υποστηρίζει την υπόθεση ότι οι «σκοτεινοί νάνοι» μπορούν να συμβάλλουν στην αποκάλυψη ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια στην σύγχρονη αστροφυσική, την πραγματική ταυτότητα της σκοτεινής ύλης.
Η σκοτεινή ύλη αποτελεί περίπου το 1/4 της ύλης στο σύμπαν
Η αγγλο-αμερικανική ομάδα πίσω από τη μελέτη ονόμασε αυτού του είδους τα άστρα «σκοτεινούς νάνους». Όχι επειδή είναι πράγματι σκοτεινά σώματα, αλλά εξαιτίας της ιδιαίτερης σύνδεσής τους με τη σκοτεινή ύλη, ένα από τα πιο κεντρικά θέματα της τρέχουσας έρευνας στην κοσμολογία και την αστροφυσική.
«Πιστεύουμε ότι το 25% του σύμπαντος αποτελείται από ένα είδος ύλης που δεν εκπέμπει φως, καθιστώντας το αόρατο στα μάτια και τα τηλεσκόπια μας. Την ανιχνεύουμε μόνο μέσω των βαρυτικών της επιδράσεων. Γι’ αυτό την αποκαλούμε σκοτεινή ύλη», εξηγεί ο Jeremy Sakstein, καθηγητής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης.
Τι γνωρίζουμε για τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη
Η σκοτεινή ύλη παραμένει ακόμα ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια στο σύμπαν. Αυτό που γνωρίζουμε σήμερα για αυτήν είναι ότι υπάρχει και πώς συμπεριφέρεται – αλλά όχι ακόμη τι είναι στην πραγματικότητα. Τα τελευταία πενήντα χρόνια, έχουν προταθεί διάφορες υποθέσεις, αλλά καμία δεν έχει συγκεντρώσει ακόμη αρκετά στοιχεία για να επικρατήσει. Μελέτες όπως αυτή του Sakstein και των συνεργατών του είναι σημαντικές επειδή προσφέρουν συγκεκριμένα εργαλεία για να βγούμε από αυτό το αδιέξοδο.
Μεταξύ των πιο γνωστών υποψηφίων για σκοτεινή ύλη είναι τα Ασθενώς Αλληλεπιδρώντα Μαζικά Σωματίδια (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) – πολύ μεγάλα σωματίδια που αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς με τη συνηθισμένη ύλη: περνούν μέσα από πράγματα απαρατήρητα, δεν εκπέμπουν φως και δεν ανταποκρίνονται στις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις (οπότε δεν αντανακλούν το φως και παραμένουν αόρατα), και αποκαλύπτονται μόνο μέσω των βαρυτικών τους επιδράσεων.
Αυτός ο τύπος σκοτεινής ύλης θα ήταν απαραίτητος για την ύπαρξη σκοτεινών νάνων. «Η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρά βαρυτικά, οπότε θα μπορούσε να αιχμαλωτιστεί από τα αστέρια και να συσσωρευτεί στο εσωτερικό τους. Αν συμβεί αυτό, θα μπορούσε επίσης να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό της και να εξαϋλωθεί, απελευθερώνοντας ενέργεια που θερμαίνει το άστρο», εξηγεί ο Sakstein.
Σε τι διαφέρουν οι σκοτεινοί νάνοι από τα κανονικά άστρα
Τα συνηθισμένα αστέρια – όπως ο Ήλιος μας – λάμπουν επειδή στους πυρήνες τους λαμβάνουν χώρα διαδικασίες πυρηνικής σύντηξης, οι οποίες παράγουν μεγάλα ποσά θερμότητας και ενέργειας. Η σύντηξη συμβαίνει όταν η μάζα ενός άστρου είναι αρκετά μεγάλη ώστε οι βαρυτικές δυνάμεις να συμπιέζουν την ύλη προς το κέντρο με τέτοια ένταση ώστε να πυροδοτούν αντιδράσεις μεταξύ ατομικών πυρήνων.
Η διαδικασία αυτή απελευθερώνει τεράστια ποσότητα ενέργειας, την οποία βλέπουμε ως φως. Οι σκοτεινοί νάνοι εκπέμπουν επίσης φως – αλλά όχι λόγω πυρηνικής σύντηξης. «Οι σκοτεινοί νάνοι είναι αντικείμενα πολύ χαμηλής μάζας, περίπου το 8% της μάζας του Ήλιου», εξηγεί ο Sakstein. Μια τόσο μικρή μάζα δεν επαρκεί για να πυροδοτήσει αντιδράσεις σύντηξης. Για το λόγο αυτό, τέτοια αντικείμενα — αν και πολύ συνηθισμένα στο σύμπαν — εκπέμπουν συνήθως μόνο ένα αμυδρό φως (λόγω της ενέργειας που παράγεται από τη σχετικά μικρή βαρυτική τους συστολή) και είναι γνωστά στους επιστήμονες ως καφέ νάνοι.
Ωστόσο, αν οι καφέ νάνοι βρίσκονται σε περιοχές όπου η σκοτεινή ύλη είναι ιδιαίτερα άφθονη — όπως το κέντρο του γαλαξία μας — μπορούν να μεταμορφωθούν σε κάτι άλλο. «Τα αντικείμενα αυτά συλλέγουν τη σκοτεινή ύλη που τα βοηθά να γίνουν σκοτεινοί νάνοι. Όσο περισσότερη σκοτεινή ύλη έχεις γύρω σου, τόσο περισσότερη μπορείς να συλλέξεις», εξηγεί ο Sakstein. «Και, όσο περισσότερη σκοτεινή ύλη καταλήγει στο εσωτερικό του άστρου, τόσο περισσότερη ενέργεια θα παραχθεί μέσω της εξαΰλωσής της».
Προϋπόθεση τα ογκώδη σωματίδια για τους σκοτεινούς νάνους
Όμως όλα αυτά βασίζονται σε έναν συγκεκριμένο τύπο σκοτεινής ύλης. «Για να υπάρχουν σκοτεινοί νάνοι, η σκοτεινή ύλη πρέπει να αποτελείται από WIMPs, ή οποιοδήποτε βαρύ σωματίδιο που αλληλεπιδρά με τον εαυτό του τόσο ισχυρά ώστε να παράγει ορατή ύλη», λέει ο Sakstein.
Άλλοι υποψήφιοι που προτείνονται για να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη — όπως τα αξιόνια, τα ασαφή υπέρ-ελαφρά σωματίδια ή τα στείρα νετρίνα — είναι όλοι πολύ ελαφροί για να παράγουν το αναμενόμενο αποτέλεσμα σε αυτά τα αντικείμενα. Μόνο ογκώδη σωματίδια, ικανά να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους και να εξαϋλωθούν σε ορατή ενέργεια, θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έναν σκοτεινό νάνο.
Πώς θα ταυτοποιηθεί ένας σκοτεινός νάνος
Όλη αυτή η υπόθεση, ωστόσο, θα είχε μικρή αξία αν δεν υπήρχε ένας συγκεκριμένος τρόπος για την αναγνώριση ενός σκοτεινού νάνου. Για το λόγο αυτό, ο Sakstein και οι συνεργάτες του προτείνουν έναν διακριτικό δείκτη: «Υπήρχαν μερικοί δείκτες, αλλά προτείναμε το λίθιο-7 επειδή θα ήταν πραγματικά ένα μοναδικό αποτέλεσμα» εξηγεί ο επιστήμονας. Το λίθιο-7 καίγεται πολύ εύκολα και καταναλώνεται γρήγορα στα συνηθισμένα αστέρια. «Έτσι, αν μπορούσατε να βρείτε ένα αντικείμενο που έμοιαζε με σκοτεινό νάνο, θα μπορούσατε να αναζητήσετε την παρουσία αυτού του λιθίου, διότι δεν θα υπήρχε αν επρόκειτο για καφέ νάνο ή παρόμοιο αντικείμενο».
Εργαλεία όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μπορεί ήδη να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν εξαιρετικά ψυχρά ουράνια αντικείμενα όπως οι σκοτεινοί νάνοι. Αλλά, σύμφωνα με τον Sakstein, υπάρχει και μια άλλη πιθανότητα: «Το άλλο πράγμα που θα μπορούσατε να κάνετε είναι να εξετάσετε έναν ολόκληρο πληθυσμό αντικειμένων και να ρωτήσετε, με στατιστικό τρόπο, αν περιγράφεται καλύτερα έχοντας έναν υποπληθυσμό σκοτεινών νάνων ή όχι».
Η υπόθεση ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIMPs
Αν τα επόμενα χρόνια καταφέρουμε να εντοπίσουμε έναν ή περισσότερους σκοτεινούς νάνους, πόσο ισχυρό θα ήταν αυτό το στοιχείο για την υποστήριξη της υπόθεσης ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από WIMPs;
«Αρκετά ισχυρή. Με ελαφρούς υποψήφιους σκοτεινής ύλης, κάτι σαν ένα σωματίδιο αξίον, δεν νομίζω ότι θα μπορούσαμε να βρούμε κάτι σαν σκοτεινό νάνο. Δεν συσσωρεύονται μέσα στα αστέρια. Αν καταφέρουμε να βρούμε έναν σκοτεινό νάνο, θα παρείχε πειστικές αποδείξεις ότι η σκοτεινή ύλη είναι βαριά, αλληλεπιδρά ισχυρά με τον εαυτό της, αλλά μόνο ασθενώς με το καθιερωμένο πρότυπο. Αυτό περιλαμβάνει κατηγορίες WIMPs, αλλά θα περιλάμβανε και κάποια άλλα πιο εξωτικά μοντέλα“, καταλήγει ο Sakstein. Η παρατήρηση ενός σκοτεινού νάνου δεν θα μας έλεγε οριστικά ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα WIMP, αλλά θα σήμαινε ότι είναι είτε ένα WIMP είτε κάτι που, για όλες τις προθέσεις και τους σκοπούς, συμπεριφέρεται σαν WIMP”.
*Με πληροφορίες από Sissa Medialab και ScienceDaily
