Ένα «τεστ ταχύτητας» για την σκοτεινή ύλη

 

 Photon emissions observed in our Galaxy could be produced by dark matter, or they could be from ordinary gas

Ένα από τα πιο συναρπαστικά χαρακτηριστικά της σύγχρονης φυσικής είναι το γεγονός ότι παρότι δεν μπορεί ακόμα να δώσει απάντηση στο ερώτημα «τι ακριβώς είναι η σκοτεινή ύλη;»,
τουναντίον μπορεί να αποδείξει πειραματικά και θεωρητικά ότι η σκοτεινή ύλη αποτελεί το 84.5% της συνολικής ύλης του σύμπαντος και το 26.8% του συνολικού περιεχομένου του σύμπαντος (το 68,3% είναι η σκοτεινή ενέργεια).

Ένας καλός υποψήφιος για σωματίδια σκοτεινής ύλης είναι τα επονομαζόμενα στείρα νετρίνα που δεν αλληλεπιδρούν τα μποζόνια W και Ζ, εφόσον έχουν μάζα της τάξης των keV και διαθέτουν τον κατάλληλο χρόνο ζωής. Σύμφωνα με θεωρίες πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, όταν ένα τέτοιο νετρίνο διασπάται παράγει φωτόνιο με ενέργεια από 1 έως 50 keV. Οι θεωρίες αυτές απέκτησαν ενδιαφέρον πριν από 2 χρόνια περίπου, εξαιτίας της ανίχνευσης μιας μονοχρωματικής γραμμής φωτονίων ενέργειας 3,6 keV που εκπέμπονται από το κέντρο του γαλαξία μας, τον γαλαξία της Ανδρομέδας και γαλαξιακά σμήνη, τα οποία θεωρούνται ότι περιβάλλονται από μια σφαιρική «άλω» σκοτεινής ύλης (βλέπε το ένθετο στην παραπάνω εικόνα).

Ένα από τα θεωρητικά μοντέλα εξηγεί την γραμμή εκπομπής υποθέτοντας ότι τα σωματίδια σκοτεινής ύλης είναι «στείρα» νετρίνα μάζας 7.1 keV, τα οποία όταν διασπώνται παράγουν ένα φωτόνιο και ένα ελαφρύτερο νετρίνο.  Υπάρχουν όμως κι άλλα θεωρητικά μοντέλα σκοτεινής ύλης, που δεν περιλαμβάνουν στείρα νετρίνα, αλλά επίσης προβλέπουν μια γραμμή 3.55 keV. Αυτά τα μοντέλα μπορούν να εξηγήσουν καλύτερα την χαρακτηριστική απουσία εκπομπών ακτίνων Χ στα φάσματα γαλαξιών που κυριαρχούνται από την σκοτεινή ύλη.

Η προαναφερθείσα παρατήρηση των φωτονίων ενέργειας 3.55 keV μπορεί να θεωρείται ως ένδειξη ανίχνευσης σκοτεινής ύλης, όμως οι αστροφυσικοί δεν έχουν ακόμα αποκλείσει την πιθανότητα μιας πιο συνηθισμένης ερμηνείας γι αυτά τα φωτόνια. Να εκπέμπονται δηλαδή φωτόνια με την συγκεκριμένη ενέργεια από την γνωστή ύλη, μέσα από διάφορες γνωστές διαδικασίες [π.χ. η παρατηρηθείσα ροή φωτονίων στα 3.55 keV θα μπορούσε να εξηγηθεί από φωτόνια εκπομπής των στοιχείων Καλίου και Χλωρίου].

Σε μια νέα ανάλυση [Dark Matter Velocity Spectroscopy] ο Eric Speckhard και οι συνεργάτες του προτείνουν μια μέθοδο για την διάκριση των φασματικών γραμμών εκπομπής που οφείλονται στην σκοτεινή ύλη.  Πιο συγκεκριμένα, υποστηρίζουν ότι μια συγκεκριμένη φασματική γραμμή που παράγεται από σωματίδια σκοτεινής ύλης θα παρατηρείται σε μια λίγο διαφορετική συχνότητα σε σχέση με αυτή που παράγεται από εκπομπή συνήθους αερίου.

Ο λόγος είναι ότι τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης και τα σωματίδια του αερίου έχουν διαφορετικές κατανομές ταχύτητας ως προς το σύστημα αναφοράς του ηλιακού μας συστήματος.

γαλαξιαςΤα σωματίδια του αερίου περιστρέφονται με τον γαλαξιακό δίσκο και έχουν μια ευρεία κατανομή ταχυτήτων που εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την τυρβώδη δυναμική του αερίου. Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, αν η ανίχνευση της ακτινοβολίας που εκπέμπουν αυτά τα σωματίδια γίνεται προς την κατεύθυνση της περιστροφής του γαλαξία, θα φαίνονται σαν να απομακρύνονται , οπότε η συχνότητά τους θα μετατοπίζεται προς το ερυθρό. Όμως, όταν τα σωματίδια του αερίου παρατηρούνται προς την αντίθετη με την περιστροφή του γαλαξία κατεύθυνση, τότε η συχνότητα θα μετατοπίζεται προς το μπλε.

Σε αντίθεση με το αέριο, τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης κινούμενα μέσα στην γαλαξιακή άλω αναμένεται να έχουν μια πιο ισότροπη κατανομή ταχυτήτων, περίπου σαν την κατανομή Maxwell. Σε σχέση με το σύστημα ηρεμίας του γαλαξία μας, οι ταχύτητές τους κατά μέσο όρο θα είναι μηδέν. Οι μετατοπίσεις Doppler της ακτινοβολίας από τις εκπομπές της σκοτεινής ύλης λόγω της κίνησης του Ήλιου, θα έχουν αντίθετο πρόσημο σε σύγκριση με αυτές του αερίου: μετατοπίσεις στο μπλε όταν ανιχνεύονται προς την κατεύθυνση της περιστροφής και μετατόπιση στο ερυθρό όταν ανιχνεύονται αντίθετα με αυτήν.

http://arxiv.org/pdf/1507.04744v2.pdf

Υποθέτοντας τυπικές γαλαξιακές ταχύτητες 200 με 300 km/s (περίπου το 0.1% της ταχύτητας του φωτός), οι ερευνητές εκτίμησαν ότι αν τα φάσματα που θα συλλεχθούν έχουν ακρίβεια 0.1% ως προς την ενέργεια των φωτονίων, τότε είναι δυνατός ο διαχωρισμός των φωτονίων που οφείλονται στη σκοτεινή ύλη από με αυτά που παράγονται από τη συνηθισμένη ύλη. Ένας παρόμοιος έλεγχος θα μπορούσε να γίνει και στις αντίστοιχες φασματικές γραμμές του γαλαξία της Ανδρομέδας.

Ας σημειωθεί ότι, ο φασματογράφος μαλακών ακτίνων Χ (SXS) της αποστολής Astro-H, που θα εκτοξευθεί στις 12-2-2016, διαθέτει την ικανότητα  ανίχνευσης φωτονίων με ακρίβεια 0,1%. Σύμφωνα με τους ερευνητές θα αρκούσαν μετρήσεις διάρκειας 23 ημερών για να αποκτηθούν φάσματα ικανοποιητικής στατιστικής που θα μπορούσαν να επιβεβαιώσουν αν η γραμμή των 3,6 KeV προέρχεται από τη σκοτεινή ύλη ή όχι…

διαβάστε περισσότερα: A Speed Test for Dark Matter  

Πηγή

Advertisements