ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന ഡാര്‍ക്ക് മാറ്റര്‍

Simple Science Technology

ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന ഡാര്‍ക്ക് മാറ്റര്‍ (Dark matter) 

വിദ്യുത്കാന്തിക വികിരണങ്ങളുപയോഗിച്ചാണ് ആധുനിക കാലത്ത് ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ പ്രപഞ്ച പഠനം നടത്തുന്നത്. ഗാമാകിരണങ്ങള്‍ മുതല്‍ റേഡിയോ തരംഗങ്ങള്‍ വരെ അതിലുള്‍പ്പെടും. ദൃശ്യപ്രകാശവും ഈ വര്‍ണ്ണരാജിയിലെ ഒരംഗമാണ്. തരംഗ ദൈര്‍ഘ്യത്തിന്റെ ആരോഹണ ക്രമത്തില്‍ വിന്യസിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ള ഈ വര്‍ണ്ണരാജിയില്‍ പ്രകാശം മാത്രമേ മനുഷ്യ നേത്രത്തിന് ഗോചരമാവുകയുള്ളൂ. എന്നാല്‍ സാങ്കേതിക വിദ്യയുടെ വളര്‍ച്ച ഗാമാകിരണങ്ങള്‍, എക്‌സ് കിരണങ്ങള്‍, അള്‍ട്രാവയലറ്റ്, ഇന്‍ഫ്രാറെഡ് തരംഗങ്ങള്‍, റേഡിയോ തരംഗങ്ങള്‍ എന്നിങ്ങനെ വിദ്യുത്കാന്തിക സ്‌പെക്ട്രത്തിലെ എല്ലാ അംഗങ്ങളും പ്രപഞ്ച പഠനത്തിനുപയോഗിക്കുന്ന ടൂളുകളായി മാറ്റുന്നതിന് ശാസ്ത്രത്തിന് കഴിഞ്ഞു.

ഇത്തരം തരംഗ ദൈര്‍ഘ്യമുപയോഗിച്ച് തിരിച്ചറിയാന്‍ കഴിയാത്തതും ഗുരുത്വാകര്‍ഷണ സ്വഭാവം മാത്രം പ്രകടിപ്പിക്കുന്നതുമായ സുതാര്യ ദ്രവ്യരൂപമാണ് ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന ഡാര്‍ക്ക്മാറ്റര്‍. പ്രപഞ്ചത്തിലെ ദ്രവ്യ ഊര്‍ജ വിന്യാസം പരിഗണിച്ചാല്‍ നക്ഷത്രസമൂഹങ്ങളും, നക്ഷത്രാന്തര ധൂളീപടലവും, വാതക മേഘങ്ങളും, നെബുലകളും, ഗ്രഹ കുടുംബങ്ങളുമെല്ലാം ഉള്‍പ്പെടുന്ന സാധാരണ ദ്രവ്യം (Baryonic Matter) പ്രപഞ്ചത്തിന്റെ കേവലം 4.9 ശതമാനം മാത്രമേ ഉണ്ടാകൂ. ആകെ പ്രപഞ്ച ദ്രവ്യത്തിന്റെ 26.8 ശതമാനവും ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന ദുരൂഹ പ്രതിഭാസമാണ് . അവശേഷിക്കുന്ന 68.3 ശതമാനം പ്രപഞ്ചവും ഡാര്‍ക്ക് എനര്‍ജിയെന്ന ഋണ മര്‍ദമാണ്. പേരു സൂചിപ്പിക്കുന്നതുപോലെ ഈ നെഗറ്റീവ് എനര്‍ജി ഒരു ഊര്‍ജരൂപമൊന്നുമല്ല. പ്രപഞ്ച വികാസം സൂചിപ്പിക്കുന്നതിന് കോസ്‌മോളജിസ്റ്റുകള്‍ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഒരു ടൂളാണിത്.

ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന പരികല്‍പന ഏഴു പതിറ്റാണ്ടു മുമ്പു മുതല്‍ ശാസ്ത്രലോകം ചര്‍ച്ചചെയ്തു തുടങ്ങിയതാണ്. 1932 മുതല്‍ യാന്‍ ഊര്‍ട്ട് എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞന്‍ ക്ഷീരപഥത്തിലെ നക്ഷത്രങ്ങളുടെ എണ്ണവും ഗാലക്സിയുടെ ഭ്രമണ വേഗതയും തമ്മില്‍ പൊരുത്തപ്പെടുന്നില്ലെന്നു കണ്ടെത്തി. അദൃശ്യമായ മറ്റേതെങ്കിലുമൊരു ദ്രവ്യ പിണ്ഡം പ്രധാനം ചെയ്യുന്ന ഗുരുത്വബലമായിരിക്കണം പൊരുത്തപ്പെടാത്ത ഇത്തരം ഭ്രമണ വേഗതയ്ക്കു പിന്നില്ലെന്ന് അദ്ദേഹം സിദ്ധാന്തിച്ചു. 1933ല്‍ ഫ്രിട്‌സ് സ്വിക്കിയും പിന്നീട് 1939ല്‍ ഹൊറെയ്‌സ് ഡബ്ല്യു. ബാബ്‌കോക്കും ഇതേ സംശയം പ്രകടിപ്പിച്ചു. എന്നാല്‍ ഇതൊന്നും ശ്യാമദ്രവ്യമെന്ന ദൂരൂഹ ദ്രവ്യരൂപത്തെക്കുറിച്ച് സംശയിക്കാന്‍ തക്ക ബലമുള്ള സിദ്ധാന്തങ്ങളായിരുന്നില്ല. 1960കളില്‍ വേര റൂബിന്‍ നക്ഷത്ര സമൂഹങ്ങളുടെ ഭ്രമണവക്രം അപഗ്രഥിച്ചു നടത്തിയ പഠനങ്ങളാണ് ശ്യാമദ്രവ്യത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം സൈദ്ധാന്തികമായി തെളിയിച്ചത്. വിദൂര ഗാലക്‌സികള്‍ പ്രദര്‍ശിപ്പിക്കുന്ന അയഥാര്‍ഥ പ്രതിബിംബങ്ങള്‍ സമീപ നക്ഷത്രകുടുംബങ്ങളിലുള്ള ശ്യാമദ്രവ്യത്തിന്റെ സ്വാധിനത്തിലുണ്ടാകുന്ന ഗ്രാവിറ്റേഷണല്‍ ലെന്‍സിംഗ് എന്ന പ്രതിഭാസം കാരണമാണെന്ന് ഇന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ക്കറിയാം. സാധാരണ ദ്രവ്യകണികകള്‍ കൊണ്ടല്ല ഡാര്‍ക്ക് മാറ്റര്‍ നിര്‍മ്മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത്. അതുകൊണ്ടുതന്നെ അത് തിരിച്ചറിയുന്നതും അത്ര എളുപ്പമല്ല. നിരവധി ഭൂതല ബഹിരാകാശ ഡിറ്റക്ടറുകള്‍ ശ്യാമദ്രവ്യത്തെ തേടിയുള്ള പരീക്ഷണങ്ങളില്‍ ഏര്‍പ്പെട്ടുകൊണ്ടിരിക്കുകയാണ്.

 സംശയാസ്പദവും നിഗൂഢവുമെന്നാണ് കോസ്‌മോളജിസ്റ്റുകള്‍ ശ്യാമദ്രവ്യത്തെ വിശേഷിപ്പിക്കുന്നത്. പ്രപഞ്ചദ്രവ്യത്തെ മാത്രം പരിഗണിച്ചാല്‍ ആകെ ദ്രവ്യത്തിന്റെ 84.5 ശതമാനവും നിര്‍മ്മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്നത് ഈ ദുരൂഹ ദ്രവ്യരൂപം കൊണ്ടാണ്. ഭൗതിക ശാസ്ത്രത്തിലെ എല്ലാ പ്രമാണങ്ങളും പടുത്തുയര്‍ത്തിയിരിക്കുന്നത് അവശേഷിക്കുന്ന 15.5 ശതമാനം ബേര്യോണിക് മാറ്ററിലാണ്. ഡാര്‍ക്ക് എനര്‍ജിയെന്ന നെഗററീവ് ഊര്‍ജ്ജത്തെ പരിഗണിച്ചിട്ടില്ലെന്നുമറിയണം. ശ്യാമദ്രവ്യത്തെക്കുറിച്ച് ഇന്ന് നിലവിലുള്ള പരികല്‍പ്പനകള്‍ എന്താണെന്നു പരിശോധിക്കാം.

ക്വാര്‍ക്കുകള്‍, ഇലക്‌ട്രോണുകള്‍ എന്നീ മൗലിക കണങ്ങള്‍ കൊണ്ട് നിര്‍മ്മിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ള ബേര്യോണിക് ദ്രവ്യവുമായി വളരെ കുറച്ചു മാത്രം പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കുന്നതും (Weakly Interacting Massive Particles-WIMPs) പിണ്ഡമുള്ളതും വൈദ്യുതപരമായി നിര്‍വീര്യമായതുമായ കണങ്ങള്‍ കൊണ്ടാണ് ഡാര്‍ക്ക് മാറ്റര്‍ നിര്‍മ്മിക്കപ്പെട്ടിട്ടുള്ളത് എന്നാണ് ഭൂരിഭാഗം കോസ്‌മോളജിസ്റ്റുകളും അഭിപ്രായപ്പെടുന്നത്. ഒരു ഇലക്‌ട്രോണിന്റെ പിണ്ഡത്തിന്റെ പത്തു ലക്ഷത്തില്‍ ഒരു ഭാഗം മാത്രമാണ് ഈ കണികകളുടെ മാസ്. ഇലക്‌ട്രോണുകളുടെ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തന ശേഷിയുടെ ആയിരം കോടിയില്‍ ഒന്നു മാത്രമാണ് ഈ കണികകളുടെ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തന തീവ്രത. ആക്‌സിയോണുകള്‍ എന്ന പേരാണ് പൊതുവെ കോസ്‌മോളജിസ്റ്റുകള്‍ ശ്യാമദ്രവ്യ കണികകളെ അഭിസംബോധന ചെയ്യാന്‍ ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ആക്‌സിയോണുകളുടെ മാസ് 0.00001 ഇലക്‌ട്രോണ്‍ വോള്‍ട്ട് ആണെന്നാണ് കണക്കാക്കപ്പെടുന്നത്. പ്രകാശ ക്വാണ്ടമായ ഫോട്ടോണ്‍, ഗുരുത്വ ക്വാണ്ടമായ ഗ്രാവിറ്റോണ്‍, ഈ ബോസോണുകളുടെ കൗണ്ടര്‍ പാര്‍ട്ടായ ഫോട്ടിനോ, ഗ്രാവിറ്റിനോ, അതുമല്ലെങ്കില്‍ ഇവ കൂടിച്ചേര്‍ന്ന മറ്റൊരു കണമോ, ന്യൂട്രിനോകള്‍ എന്ന അതിശീഘ്ര ന്യൂട്രല്‍ കണമോ, അതിന്റെ പ്രതികണമായ ന്യൂട്രാലിനോ എന്നിങ്ങനെയുള്ള കണങ്ങളോ ആയിരിക്കാം ശ്യാമദ്രവ്യത്തിന്റെ അടിസ്ഥാന കണികകള്‍ എന്നാണ് ഭൂരിപക്ഷം ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞരും കരുതുന്നത്. സാധാരണ ദ്രവ്യവുമായുള്ള പ്രതിപ്രവര്‍ത്തന ശേഷിയനുസരിച്ച് ശ്യാമദ്രവ്യത്തെ കോള്‍ഡ്, വാം, ഹോട്ട്, മിക്‌സഡ് എന്നിങ്ങനെ നാലായി വര്‍ഗീകരിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇതില്‍ പ്രതിപ്രവര്‍ത്തനശേഷി നന്നേ കുറഞ്ഞ കോള്‍ഡ് ഡാര്‍ക്ക് മാറ്ററാണ് പ്രപഞ്ചത്തില്‍ ആധിപത്യം പുലര്‍ത്തുന്നത് എന്നാണ് കരുതപ്പെടുന്നത്.

 ശ്യാമദ്രവ്യം ഉണ്ടാകുന്നത് 

പരമ്പരാഗത മഹാവിസ്‌ഫോടന മാതൃകയനുസരിച്ച് പ്രപഞ്ചോല്പത്തിയുടെ ആദ്യ നിമിഷങ്ങളിലെ ഉന്നത താപനിലയിലും മര്‍ദത്തിലും നിറഞ്ഞുനിന്ന അതാര്യമായ പ്ലാസ്മയിലെ തീവ്ര വികിരണങ്ങള്‍ ബേര്യോണിക് ദ്രവ്യമെന്ന ക്വാര്‍ക്ക്-ഇലക്‌ട്രോണ്‍ ദ്രവ്യ രൂപീകരണം തടസപ്പെടുത്തി. എന്നാൽ പ്രതിപ്രവർത്തനശേഷിയില്ലാത്ത ശ്യാമദ്രവ്യ രൂപീകരണം ഈ ഘട്ടത്തില്‍ അനായാസമായി നടന്നു. പ്രപഞ്ചോൽപത്തിയേത്തുടര്‍ന്നുള്ള ആദ്യത്തെ 3,80,000 വര്‍ഷങ്ങളില്‍ ഈ അവസ്ഥ നിലനിന്നു. പിന്നീട് പ്ലാസ്മ തണുക്കുകയും സുതാര്യമാവുകയും ചെയ്തപ്പോഴാണ് സാധാരണ ദ്രവ്യരൂപീകരണം നടന്നത്. അപ്പോഴേക്കും ശ്യാമദ്രവ്യം പ്രപഞ്ചമാകെ വ്യാപിക്കുകയും പ്രപഞ്ച വികാസത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന മുഖ്യ ഗുരുത്വ സ്രോതസ്സായി മാറുകയും ചെയ്തു. 

ശ്യാമദ്രവ്യം പ്രദാനം ചെയ്യുന്ന ഗുരുത്വബലം ശൈശവ പ്രപഞ്ചത്തിലെ നക്ഷത്ര കുടുംബങ്ങളുടെ പരിണാമത്തെ നിയന്ത്രിച്ചു നിര്‍ത്തിയിരുന്നിലെങ്കില്‍ പ്രപഞ്ചത്തില്‍ ഗ്രഹരൂപീകരണമോ, അവയില്‍ ജീവനോ ഉണ്ടാകുമായിരുന്നില്ല.

ഇനി പരോക്ഷമായെങ്കിലും ശ്യാമദ്രവ്യ സാന്നിധ്യം എങ്ങനെയാണ് ശാസ്ത്രജ്ഞര്‍ കണ്ടെത്തുന്നത് എന്നു നോക്കാം. വിദൂര ഗാലക്‌സികളില്‍ നിന്നുവരുന്ന പ്രകാശ കിരണങ്ങള്‍ സ്‌പേസിലുള്ള ഡാര്‍ക്ക് മാറ്റര്‍ സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഗുരുത്വബലം കാരണം വക്രീകരിക്കപ്പെടുകയും ഗാലക്‌സികളുടെ ഒന്നിലധികം അയഥാര്‍ഥ പ്രതിബിംബങ്ങള്‍ സൃഷ്ടിക്കുകയും ചെയ്യും. ഗ്രാവിറ്റേഷണല്‍ ലെന്‍സിംഗ് എന്നാണീ പ്രതിഭാസം അറിയപ്പെടുന്നത്. ഒരു ഫിഷ് ടാങ്കിലേക്കു നോക്കുന്ന നിരീക്ഷകന് അതിനുള്ളിലുള്ള വസ്തുക്കള്‍ ദൃശ്യമാകുമ്പോഴും അവയുടെ സ്ഥാനത്തേക്കുറിച്ചുള്ള അവ്യക്തത നിലനില്‍ക്കുന്നതിന് തുല്യമാണിതും. സുതാര്യവും വിദ്യുത്കാന്തിക വികിരണങ്ങളുമായി പ്രതിപ്രവര്‍ത്തിക്കാത്തതുമാണെങ്കിലും ഡാര്‍ക്ക് മാറ്ററിന് മാസുണ്ട്. അതു സൃഷ്ടിക്കുന്ന ഗുരുത്വ വലിവില്‍ പ്രകാശമുള്‍പ്പെടെയുള്ള വികിരണങ്ങള്‍ക്ക് സംഭവിക്കുന്ന വക്രീകരണ തോത് കണക്കുകൂട്ടിയാണ് പ്രപഞ്ചത്തില്‍ ഡാര്‍ക്ക് മാറ്ററിന്റെ സാന്നിധ്യം സൈദ്ധാന്തികമായി തെളിയിക്കുന്നത്