σκοτεινή ύλη (3 άρθρα)

Tο Parker Solar Probe της NASA ως ανιχνευτής σκοτεινής ύλης.

Οι ερευνητές της NASA εκμεταλλευόμενοι τις στενές επαφές του διαστημικού σκάφους με τον Ήλιο αναζήτησαν μεταξύ άλλων και σήματα σκοτεινών φωτονίων στο στέμμα του Ήλιου.

Η σκοτεινή ύλη παρά το γεγονός ότι δεν έχουμε ιδέα περί τίνος πρόκειται, αντιπροσωπεύει το 27% του συνολικού ενεργειακού περιεχομένου του σύμπαντος και παίζει κρίσιμο ρόλο στο σχηματισμό των κοσμικών δομών, αποτελώντας τον σκελετό του «κοσμικού ιστού» των γαλαξιών. Όμως, οι μη βαρυτικές αλληλεπιδράσεις της με γνωστά σωματίδια παραμένουν ένα μυστήριο. Μεταξύ των πολλών τύπων σωματιδίων σκοτεινής ύλης που έχουν προταθεί, ένας πιθανός υποψήφιος είναι το υπερελαφρύ σκοτεινό φωτόνιο.

Το σκοτεινό φωτόνιο είναι ένα υποθετικό σωματίδιο του σκοτεινού τομέα, ένα νέο είδος μποζονίων βαθμίδας, που μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων της σκοτεινής ύλης. Προτείνεται ως φορέας δύναμης δυνητικά συνδεδεμένης με την σκοτεινή ύλη παρόμοιας με την ηλεκτρομαγνητική – φορέας της οποίας είναι το φωτόνιο του ηλεκτρομαγνητισμού.
Οι ερευνητές αναζήτησαν και στο παρελθόν σκοτεινά φωτόνια χρησιμοποιώντας εργαστηριακούς ανιχνευτές σωματιδίων και επίγεια τηλεσκόπια. Οι φυσικοί Haipeng An et al χρησιμοποίησαν ένα μοναδικό σημείο θέασης κοντά στον Ήλιο για να ανιχνεύσουν σήματα σκοτεινών φωτονίων. Αναλύοντας τα δεδομένα ραδιοσυχνοτήτων από το Parker Solar Probe, δεν βρήκαν φασματικές παραμορφώσεις που θα ήταν σημάδια σκοτεινών φωτονίων. Έτσι, οι ερευνητές έθεσαν τα ισχυρότερα μέχρι σήμερα όρια όσον αφορά τα σκοτεινά φωτόνια με μάζες γύρω στα 10⁻⁹ eV/c².

Το σκοτεινό φωτόνιο είναι ένας ελκυστικός υποψήφιος για τη σκοτεινή ύλη, επειδή αναδύεται με φυσικό τρόπο από ορισμένες θεωρίες σχετικές με τη θεωρία των χορδών. Όμως, αυτά τα μοντέλα δεν καθορίζουν την μάζα του σκοτεινού φωτονίου. Έτσι οι αναζητήσεις εκτείνονται σε πολλές τάξεις μεγέθους μάζας, από 10⁻¹⁸ έως 10⁶ eV/c². Το υπερελαφρύ σκοτεινό φωτόνιο (<1 eV/c²) ξεχωρίζει, καθώς προσφέρει χαρακτηριστικά κοσμολογικά αποτελέσματα και ιδιαίτερες πειραματικές υπογραφές.

Είναι πολύ σημαντικό το γεγονός ότι το σκοτεινό φωτόνιο θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με κανονικά σωματίδια διαμέσου ενός φαινομένου γνωστού ως κινητική ανάμειξη. Αυτή η ασθενής σύζευξη επιτρέπει στα σκοτεινά φωτόνια να «ταλαντώνονται» προς συνηθισμένα φωτόνια και αντιστρόφως, όπως ακριβώς τα νετρίνα ταλαντώνονται μεταξύ διαφορετικών γεύσεων. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να ενισχυθεί σε ορισμένα περιβάλλοντα, όπως το ηλιακό στέμμα – ένα υπέρθερμο, ιονισμένο αέριο που εκτείνεται εκατομμύρια χιλιόμετρα στο διάστημα γύρω από τον Ήλιο. Τα ηλεκτρόνια σε αυτό το πλάσμα αλληλεπιδρούν με κανονικά φωτόνια, κάνοντάς τα να συμπεριφέρονται σαν να είχαν μάζα. Η τιμή αυτής της ενεργού μάζας εξαρτάται από την πυκνότητα ηλεκτρονίων του στέμματος, η οποία μειώνεται με την απόσταση από τον Ήλιο. Αν ένα σκοτεινό φωτόνιο περάσει μέσα από το ηλιακό στέμμα και η μάζα του είναι ίση με την ενεργό μάζα σε μια συγκεκριμένη περιοχή του πλάσματος, τότε η μετατροπή από το σκοτεινό σε κανονικό ενισχύεται δραματικά διαμέσου ενός συντονισμού. Το προκύπτον φωτόνιο είναι εξαιρετικά μονοχρωματικό, με ενέργεια ίση με τη μάζα του σκοτεινού φωτονίου.

Μερικά από αυτά τα τροποποιημένα φωτόνια θα απορροφηθούν ή θα σκεδαστούν στο πλάσμα, αλλά ένα μέρος από αυτά θα διαφύγει, οδηγώντας σε ένα παρατηρήσιμο «εξόγκωμα» στο φάσμα του στέμματος. Παλαιότερες αναζητήσεις τέτοιων υπογραφών σκοτεινών φωτονίων πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας επίγεια ραδιοτηλεσκόπια. Αυτές οι παρατηρήσεις έχουν περιοριστεί σε συχνότητες φωτονίων άνω των 10 MHz, που αντιστοιχούν σε μάζες σκοτεινων φωτονίων πάνω από 10⁻⁶ eV/c². Ο λόγος για αυτό το περιορισμένο εύρος είναι ότι οι ραδιοσυχνότητες κάτω από περίπου 10 MHz ανακλώνται πίσω στο διάστημα από την ιονόσφαιρα της Γης. Επίσης, τα επίγεια ραδιοτηλεσκόπια μειονεκτούν λαμβάνοντας εξασθενημένο σήμα λόγω της τεράστιας απόστασης Γης-Ήλιου.

Έτσι, το Parker Solar Probe (PSP) χρησιμοποιήθηκε ως ανιχνευτής σκοτεινής ύλης in situ. Το PSP είναι μια αποστολή της NASA που σχεδιάστηκε για να μελετήσει το ηλιακό στέμμα κινούμενο πιο κοντά στον Ήλιο από οποιοδήποτε άλλο διαστημόπλοιο. Εκτοξεύθηκε το 2018, και έφτασε στην πλησιέστερη απόσταση περιηλίου περίπου 10 ηλιακών ακτίνων τον Ιούλιο του 2022, αλλά η εξαιρετικά ελλειπτική τροχιά του του επέτρεψε να μελετήσει από κοντά το πλάσμα του στέμματος σε ένα ευρύ φάσμα ακτίνων – και επομένως σε ένα ευρύ φάσμα πυκνοτήτων ηλεκτρονίων. Οι δύο ραδιοφωνικοί δέκτες του PSP είναι ικανοί να μετρούν συχνότητες που κυμαίνονται από περίπου 20 kHz έως 20 MHz. Χρησιμοποιώντας αυτά τα ραδιοφωνικά δεδομένα και την τροχιακή διαδρομή του ανιχνευτή, οι Haipeng An et al μπόρεσαν να αναζητήσουν φασματικά «καρούμπαλα» που αντιστοιχούν σε μάζες σκοτεινών φωτονίων μεταξύ 3×10⁻¹⁰ και 8×10⁻⁸ eV/c². Για μικρότερες μάζες σκοτεινών φωτονίων (ισοδύναμα μικρότερες συχνότητες), το PSP έχει μικρότερη ευαισθησία. Έτσι, στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, οι ερευνητές έλαβαν επίσης υπόψη δεδομένα του Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO), το οποίο διατηρεί μια σταθερή τροχιακή απόσταση μιάς αστρονομικής μονάδας από τον Ήλιο.

Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να καθορίσουν τα όρια της κινητικής παραμέτρου, την αδιάστατη παράμετρο που περιγράφει την ισχύ ανάμειξης μεταξύ σκοτεινών και κανονικών φωτονίων. Στο προαναφερθέν εύρος μάζας, βρήκαν ανώτερα όρια περίπου 10⁻¹³ έως 10⁻¹⁴. Αυτά τα όρια ξεπερνούν τους περιορισμούς από τις παρατηρήσεις κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου, στις οποίες το υποτιθέμενο σήμα είναι μια φασματική παραμόρφωση που προκαλείται από μετατροπές σκοτεινών φωτονίων στο αρχέγονο σύμπαν. Υπερβαίνουν επίσης την περιοχή χαμηλής μάζας που ανιχνεύεται από εργαστηριακά αλωσκόπια, κοιλότητες μικροκυμάτων συντονισμένες για να μετατρέπουν σκοτεινή ύλη φωτονίων ή αξιονίων σε συνηθισμένα φωτόνια.

ΠΗΓΗ

Η συνεργασία NANOGrav πρόσφατα κατέγραψε τα πρώτα σημάδια βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας (nanohertz). Οι ερευνητές ανέλυσαν τα δεδομένα και, ειδικότερα, εξέτασαν το ενδεχόμενο αν αυτό μπορεί να δείξει μία νέα φυσική πέρα ​​από το καθιερωμένο μοντέλο.

Απεικόνιση της Γης που είναι ενσωματωμένη στον χωροχρόνο και η οποία παραμορφώνεται από τα κύματα βαρύτητας του υπόβαθρου, καθώς και οι επιπτώσεις τους στα ραδιοσήματα που προέρχονται από τα παρατηρούμενα πάλσαρ

Ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό SciPost Physics ( “Ψίθυροι από τη σκοτεινή πλευρά: Αντιμετώπιση της νέας φυσικής με τα δεδομένα NANOGrav” ), αναφέρει ότι το σήμα βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας  που ανιχνεύτηκε,  είναι συνεπές τόσο με τη μετάβαση φάσης στο πρώιμο σύμπαν όσο και με την παρουσία ενός πεδίου από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALP). Τα τελευταία θεωρούνται ότι είναι πολλά υποσχόμενα υποψήφια σωματίδια για την σκοτεινή ύλη.

Τα βαρυτικά κύματα ανοίγουν ένα παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν. Ενώ το πανταχού παρόν κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δεν δίνει ενδείξεις για τα πρώτα 280.000 χρόνια του σύμπαντος, παρέχουν κάποιες ματιές για το τι συνέβη κατά τη διάρκεια του Big Bang. «Είναι ακριβώς αυτό το πολύ πρώιμο σύμπαν που είναι τόσο συναρπαστικό για τους φυσικούς σωματιδίων», εξηγεί ο Pedro Schwaller, καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Mainz (JGU). «Τότε ήταν  η στιγμή που υπήρχαν τα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα κουάρκ και τα γλουόνια, και στη συνέχεια συνδυάζονται μαζί για να σχηματίσουν τα δομικά στοιχεία των ατομικών πυρήνων.»

Το ιδιαίτερο γεγονός με τα βαρυτικά κύματα που η NANOGrav Collaboration εντόπισε για πρώτη φορά είναι ότι έχουν πολύ χαμηλή συχνότητα 10 ^ -8 Hertz, που ισοδυναμεί με περίπου μία ταλάντωση ετησίως. Αυτό οφείλεται στο αντίστοιχο μεγάλο μήκος κύματος, που για να τα ανιχνεύσουμε ο κάθε ανιχνευτής θα πρέπει επίσης να είναι εξίσου μεγάλος. Επειδή ένας τέτοιος ανιχνευτής δεν είναι δυνατόν να γίνει εδώ στη Γη, οι αστρονόμοι στο NANOGrav χρησιμοποιούν απομακρυσμένους πάλσαρ και τα φωτεινά τους σήματα ως τεράστιους ανιχνευτές.

Ο Wolfram Ratzinger περιγράφει το κίνητρο πίσω από τη δουλειά τους: «Παρόλο που μέχρι στιγμής τα δεδομένα μας παρέχουν μόνο μια πρώτη υπόδειξη για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, είναι πολύ συναρπαστικό για εμάς να συνεργαστούμε μαζί τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τέτοια κύματα θα μπορούσαν να παραχθούν από διάφορες διαδικασίες που συνέβησαν στο πρώιμο σύμπαν. Μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα και θα πρέπει ήδη να αποφασίσουμε, ποια από αυτά θα ληφθούν υπόψη και ποια δεν ταιριάζουν καθόλου. “

Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες με έδρα το Μάιντς αποφάσισαν να ρίξουν μια προσεκτική ματιά σε δύο σενάρια που θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει τα παρατηρούμενα κύματα βαρύτητας χαμηλής συχνότητας: Μεταβάσεις φάσης στο πρώιμο σύμπαν και ένα πεδίο σκοτεινής ύλης από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALPs). Μεταβάσεις φάσης, όπως αυτές συμβαίνουν λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας στην αρχέγονη σούπα μετά το Big Bang και έχουν ως αποτέλεσμα τεράστιες αναταράξεις – ωστόσο, όπως η σκοτεινή ύλη δεν καλύπτονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα, οι Pedro Schwaller και Wolfram Ratzinger ερμηνεύουν τα αποτελέσματα της ανάλυσής τους με σχετική προσοχή: «Ίσως λίγο πιο πιθανό είναι το σενάριο μετάβασης της πρώιμης φάσης του σύμπαντος». Από την άλλη πλευρά, οι δύο φυσικοί πιστεύουν ότι το γεγονός ότι είναι σε θέση να επεξεργαστούν ορισμένες δυνατότητες με βάση μόνο περιορισμένα δεδομένα, αποδεικνύει το δυναμικό της προσέγγισής τους. “Η δουλειά μας είναι μια πρώτη, αλλά σημαντική εξέλιξη – μας δίνει μεγάλη εμπιστοσύνη ότι με πιο ακριβή δεδομένα μπορούμε να βγάλουμε αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με το μήνυμα που τα βαρυτικά κύματα μας στέλνουν από το πρώιμο σύμπαν.”
«Επιπλέον,» καταλήγει ο Pedro Schwaller, «μπορούμε ήδη να αρχίσουμε να εντοπίζουμε ορισμένα χαρακτηριστικά των σεναρίων αυτών και να θέσουμε περιορισμούς, στην περίπτωσή μας την ισχύ της μετάβασης φάσης και τη μάζα των αξιονίων.»

Πηγή: Johannes Gutenberg University Mainz