Οι γαλαξίες στο σύμπαν μας φαίνεται να επιτυγχάνουν ένα αδύνατο κατόρθωμα. Περιστρέφονται με τέτοια ταχύτητα που η βαρύτητα που παράγεται από την παρατηρήσιμη ύλη τους δεν θα μπορούσε να τους κρατήσει ενωμένους. Θα έπρεπε να έχουν διαλυθεί εδώ και πολύ καιρό. Το ίδιο ισχύει και για τους γαλαξίες σε σμήνη, γεγονός που οδηγεί τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι κάτι που δεν μπορούμε να δούμε λειτουργεί. Πιστεύουν ότι κάτι που δεν έχουμε ακόμη ανιχνεύσει άμεσα δίνει σε αυτούς τους γαλαξίες επιπλέον μάζα, δημιουργώντας την επιπλέον βαρύτητα που χρειάζονται για να παραμείνουν άθικτοι. Αυτή η παράξενη και άγνωστη ύλη ονομάστηκε «σκοτεινή ύλη» αφού δεν είναι ορατή.
Σκοτεινή ύλη
Σε αντίθεση με την κανονική ύλη, η σκοτεινή ύλη δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι δεν απορροφά, αντανακλά ή εκπέμπει φως, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολο τον εντοπισμό του. Στην πραγματικότητα, οι ερευνητές μπόρεσαν να συμπεράνουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης μόνο από τη βαρυτική επίδραση που φαίνεται να έχει στην ορατή ύλη. Η σκοτεινή ύλη φαίνεται να υπερτερεί της ορατής ύλης περίπου έξι προς ένα, αποτελώντας περίπου το 27% του σύμπαντος. Εδώ είναι ένα απογοητευτικό γεγονός: Η ύλη που γνωρίζουμε και που αποτελεί όλα τα αστέρια και τους γαλαξίες αντιπροσωπεύει μόνο το 5% του περιεχομένου του σύμπαντος! Τι είναι όμως η σκοτεινή ύλη;
Μια ιδέα είναι ότι θα μπορούσε να περιέχει «υπερσυμμετρικά σωματίδια» – υποθετικά σωματίδια που είναι συνεργάτες με εκείνα που είναι ήδη γνωστά στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Τα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) μπορεί να παρέχουν πιο άμεσες ενδείξεις για τη σκοτεινή ύλη.
Πολλές θεωρίες λένε ότι τα σωματίδια σκοτεινής ύλης θα είναι αρκετά ελαφριά για να παραχθούν στον LHC. Αν δημιουργούνταν στον LHC, θα διέφευγαν μέσω των ανιχνευτών απαρατήρητοι. Ωστόσο, θα παρασύρουν ενέργεια και ορμή, έτσι ώστε οι φυσικοί να μπορούν να συμπεράνουν την ύπαρξή τους από την ποσότητα ενέργειας και ορμής που «λείπει» μετά από μια σύγκρουση. Οι υποψήφιοι για σκοτεινή ύλη εμφανίζονται συχνά σε θεωρίες που προτείνουν φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, όπως η υπερσυμμετρία και οι επιπλέον διαστάσεις. Μια θεωρία προτείνει την ύπαρξη μιας «Κρυμμένης Κοιλάδας», ενός παράλληλου κόσμου φτιαγμένου από σκοτεινή ύλη που έχει πολύ λίγα κοινά με την ύλη που γνωρίζουμε. Εάν μία από αυτές τις θεωρίες αποδειχθεί αληθινή, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη σύνθεση του σύμπαντος μας και, ειδικότερα, πώς οι γαλαξίες συγκρατούνται.
Σκοτεινή ενέργεια
Η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί περίπου το 68% του σύμπαντος και φαίνεται να συνδέεται με το κενό στο διάστημα. Κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το σύμπαν, όχι μόνο στο χώρο αλλά και στο χρόνο – με άλλα λόγια, η επίδρασή του δεν αραιώνεται καθώς το σύμπαν διαστέλλεται. Η ομοιόμορφη κατανομή σημαίνει ότι η σκοτεινή ενέργεια δεν έχει τοπικές βαρυτικές επιδράσεις, αλλά μάλλον μια παγκόσμια επίδραση στο σύμπαν ως σύνολο. Αυτό οδηγεί σε μια απωθητική δύναμη, η οποία τείνει να επιταχύνει την επέκταση του σύμπαντος. Ο ρυθμός διαστολής και η επιτάχυνσή του μπορούν να μετρηθούν με παρατηρήσεις που βασίζονται στο νόμο Hubble. Αυτές οι μετρήσεις, μαζί με άλλα επιστημονικά δεδομένα, έχουν επιβεβαιώσει την ύπαρξη της σκοτεινής ενέργειας και παρέχουν μια εκτίμηση για το πόσο από αυτή τη μυστηριώδη ουσία υπάρχει.