Πίνακας περιεχομένων:
Αστρονόμοι και φυσικοί μαλώνουν εδώ και χρόνια. Είναι αληθινή η μυστηριώδης σκοτεινή ύλη που παρατηρούμε βαθιά στο σύμπαν ή αυτό που βλέπουμε είναι αποτέλεσμα λεπτών αποκλίσεων από τους γνωστούς νόμους της βαρύτητας;
Το 2016, ο Ολλανδός φυσικός Έρικ Βέρλιντε πρότεινε ένα δεύτερο είδος θεωρίας: την αναδυόμενη βαρύτητα. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Astronomy & Astrophysics, διευρύνει το πεδίο παρατήρησης της σκοτεινής ύλης στις άγνωστες εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών και επαναξιολογεί αρκετά μοντέλα σκοτεινής ύλης και εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας. Οι μετρήσεις της βαρύτητας 259.000 απομονωμένων γαλαξιών δείχνουν μια πολύ στενή σχέση μεταξύ της συμβολής της σκοτεινής ύλης και της συνεισφοράς της συνηθισμένης ύλης, όπως προβλέπεται από την αναδυόμενη θεωρία της βαρύτητας του Verlinde και ενός εναλλακτικού μοντέλου Modified Newtonian Dynamics. Τα αποτελέσματα είναι σύμφωνα με προσομοιώσεις υπολογιστών του σύμπαντος, οι οποίες υποθέτουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι "πραγματικό υλικό".
Η νέα μελέτη πραγματοποιήθηκε από μια διεθνή ομάδα αστρονόμων με επικεφαλής την Margot Brower. Το 2016, ο Brower πραγματοποίησε επίσης την πρώτη δοκιμή των ιδεών του Verlinde. αυτή τη φορά ο ίδιος ο Verlinde εντάχθηκε στην ερευνητική ομάδα.
Matλη ή Βαρύτητα;
Μέχρι τώρα, η σκοτεινή ύλη δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ άμεσα - εξ ου και το όνομα. Αυτό που παρατηρούν οι αστρονόμοι στον νυχτερινό ουρανό είναι συνέπειες της δυνητικά παρούσας ύλης: η καμπυλότητα του φωτός των αστεριών, τα αστέρια που κινούνται γρηγορότερα από το αναμενόμενο, και επηρεάζουν ακόμη και την κίνηση ολόκληρων γαλαξιών. Χωρίς αμφιβολία όλες αυτές οι επιδράσεις προκαλούνται από τη βαρύτητα, αλλά το ερώτημα είναι, βλέπουμε πραγματικά επιπλέον βαρύτητα που προκαλείται από αόρατη ύλη ή οι ίδιοι οι νόμοι της βαρύτητας είναι κάτι που δεν έχουμε κατανοήσει ακόμη πλήρως;
Για να απαντήσει σε αυτήν την ερώτηση, η νέα μελέτη χρησιμοποιεί μια μέθοδο παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε στο αρχικό τεστ το 2016. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια συνεχή σειρά φωτογραφικών μετρήσεων που ξεκίνησαν πριν από μια δεκαετία: την Έρευνα KiloDegree (KiDS), που πραγματοποιήθηκε με το τηλεσκόπιο έρευνας ESO VLT στη Χιλή. Οι παρατηρήσεις μετρούν πώς το αστρικό φως από μακρινούς γαλαξίες εκτρέπεται από τη βαρύτητα στο δρόμο προς τα τηλεσκόπια μας. Το 2016, οι μετρήσεις τέτοιων "φαινομένων φακών" κάλυψαν μόνο μια περιοχή περίπου 180 τετραγωνικών βαθμών στον νυχτερινό ουρανό και επεκτάθηκαν σε περίπου 1000 τετραγωνικούς βαθμούς, επιτρέποντας στους ερευνητές να μετρήσουν την κατανομή της βαρύτητας σε περίπου ένα εκατομμύριο διαφορετικούς γαλαξίες.
Συγκριτική δοκιμή
Η Brower και οι συνεργάτες της επέλεξαν περισσότερους από 259.000 απομονωμένους γαλαξίες για τους οποίους μπόρεσαν να μετρήσουν τον λεγόμενο «λόγο ακτινικής επιτάχυνσης» (RAR). Αυτό το RAR συγκρίνει την ποσότητα της βαρύτητας που αναμένεται με βάση την ορατή ύλη στον γαλαξία με την ποσότητα της βαρύτητας που είναι πραγματικά παρούσα. Με άλλα λόγια, το αποτέλεσμα δείχνει πόση «πρόσθετη» βαρύτητα υπάρχει επιπλέον της βαρύτητας που δημιουργεί η κανονική ύλη. Μέχρι τώρα, η ποσότητα της πρόσθετης βαρύτητας προσδιοριζόταν μόνο στις εξωτερικές περιοχές των γαλαξιών παρατηρώντας την κίνηση των άστρων, και σε μια περιοχή περίπου 5 φορές μεγαλύτερη, μετρώντας την ταχύτητα περιστροφής του ψυχρού αερίου. Χρησιμοποιώντας τα εφέ της βαρύτητας, οι ερευνητές μπόρεσαν τώρα να ανιχνεύσουν το RAR σε 100 φορές λιγότερη βαρύτητα, επιτρέποντάς τους να διεισδύσουν πολύ βαθύτερα σε περιοχές πολύ πέρα από μεμονωμένους γαλαξίες.
Αυτό κατέστησε δυνατή τη μέτρηση της επιπλέον βαρύτητας με μεγάλη ακρίβεια - αλλά είναι αυτή η βαρύτητα το αποτέλεσμα της αόρατης σκοτεινής ύλης ή υπάρχει ανάγκη να βελτιώσουμε την κατανόηση της ίδιας της βαρύτητας; Ο συγγραφέας Kyle Oman επισημαίνει ότι η υπόθεση «πραγματικό πράγμα», τουλάχιστον εν μέρει, φαίνεται να λειτουργεί: «Στη μελέτη μας, συγκρίνουμε μετρήσεις με τέσσερα διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα: δύο που υποθέτουν την ύπαρξη σκοτεινής ύλης και αποτελούν τη βάση του υπολογιστή προσομοιώσεις του σύμπαντός μας., και δύο που αλλάζουν τους νόμους της βαρύτητας - το μοντέλο της αναδυόμενης βαρύτητας του Eric Verlinde και το λεγόμενο "Modified Newtonian Dynamics" ή MOND. Μία από τις δύο προσομοιώσεις σκοτεινής ύλης, το MICE, κάνει προβλέψεις που συμβαδίζουν πολύ με τις μετρήσεις μας. Cameταν έκπληξη για εμάς ότι μια άλλη προσομοίωση, η BAHAMAS, οδήγησε σε πολύ διαφορετικές προβλέψεις. Το γεγονός ότι οι προβλέψεις των δύο μοντέλων ήταν γενικά διαφορετικές ήταν ήδη εκπληκτικό, αφού τα μοντέλα είναι πολύ παρόμοια. Επιπλέον, περιμέναμε ότι το BAHAMAS θα είχε καλύτερη απόδοση όταν διαπιστώθηκε διαφορά. Είναι ένα πολύ πιο λεπτομερές μοντέλο από το MICE. Ωστόσο, το MICE αποδίδει καλύτερα αν συγκρίνουμε τις προβλέψεις του με τις μετρήσεις μας. Στο μέλλον, με βάση τα ευρήματά μας, θέλουμε να συνεχίσουμε να διερευνάμε τους λόγους για τις διαφορές μεταξύ των προσομοιώσεων ».
Νέοι και μεγάλοι γαλαξίες
Φαίνεται ότι ένα μοντέλο σκοτεινής ύλης λειτουργεί πραγματικά. Αλλά εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας προβλέπουν επίσης το μετρημένο RAR. Ποιο μοντέλο είναι σωστό; Η Margot Brouwer, η οποία ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας, συνεχίζει: «Με βάση τις δοκιμές, καταλήξαμε στο αρχικό συμπέρασμα ότι τα δύο εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας και MICE ταιριάζουν αρκετά στις παρατηρήσεις μας. Αλλά το πιο συναρπαστικό δεν είχε έρθει ακόμη: επειδή είχαμε πρόσβαση σε πάνω από 259.000 γαλαξίες. Θα μπορούσαμε να τους κατηγοριοποιήσουμε σε διάφορους τύπους - σχετικά νέους γαλαξίες με μπλε σπείρα έναντι σχετικά παλαιών κόκκινων ελλειπτικών γαλαξιών ». Αυτοί οι δύο τύποι γαλαξιών προκύπτουν με διαφορετικούς τρόπους: Κόκκινοι ελλειπτικοί γαλαξίες σχηματίζονται όταν αλληλεπιδρούν διαφορετικοί γαλαξίες, όπως όταν δύο μπλε σπειροειδείς γαλαξίες περνούν κοντά ο ένας στον άλλο ή ακόμη και συγκρούονται. Ως αποτέλεσμα, στο πλαίσιο της θεωρίας των σωματιδίων σκοτεινής ύλης, αναμένεται ότι η αναλογία μεταξύ κανονικής και σκοτεινής ύλης σε διαφορετικούς τύπους γαλαξιών μπορεί να είναι διαφορετική. Από την άλλη πλευρά, μοντέλα όπως η θεωρία του Verlinde και το MOND δεν χρησιμοποιούν σωματίδια σκοτεινής ύλης και ως εκ τούτου προβλέπουν μια σταθερή αναλογία μεταξύ της αναμενόμενης και της μετρημένης βαρύτητας σε δύο τύπους γαλαξιών, δηλαδή ανεξάρτητα από τον τύπο τους.
«Διαπιστώσαμε ότι τα RAR για τους δύο τύπους γαλαξιών είναι σημαντικά διαφορετικά. Αυτό θα ήταν μια ισχυρή ένδειξη για την ύπαρξη σκοτεινής ύλης ως σωματιδίου », λέει ο Brower.
Υπάρχει όμως μια απόχρωση: αέριο. Πολλοί γαλαξίες περιβάλλονται από ένα διάχυτο σύννεφο θερμού αερίου που είναι πολύ δύσκολο να παρατηρηθεί. Αν δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου αέριο γύρω από νεαρούς μπλε σπειροειδείς γαλαξίες και παλιοί κόκκινοι ελλειπτικοί γαλαξίες ζούσαν σε ένα μεγάλο νέφος αερίου - περίπου την ίδια μάζα με τα ίδια τα άστρα - τότε αυτό θα μπορούσε να εξηγήσει τη διαφορά στο RAR μεταξύ των δύο τύπων… Επομένως, για να καταλήξουμε σε ένα τελικό συμπέρασμα σχετικά με τη μετρούμενη διαφορά, είναι επίσης απαραίτητο να μετρήσουμε την ποσότητα του διάχυτου αερίου - το οποίο είναι ακριβώς αυτό που είναι αδύνατο με τα τηλεσκόπια KiDS. Άλλες μετρήσεις έχουν πραγματοποιηθεί σε μια μικρή ομάδα εκατό περίπου γαλαξιών, και αυτές οι μετρήσεις αποκάλυψαν περισσότερο αέριο γύρω από ελλειπτικούς γαλαξίες, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές πόσο αντιπροσωπευτικές είναι αυτές οι μετρήσεις για τους 259.000 γαλαξίες που μελετήθηκαν στην τρέχουσα μελέτη.
Εάν αποδειχθεί ότι το πρόσθετο αέριο δεν μπορεί να εξηγήσει τη διαφορά μεταξύ των δύο τύπων γαλαξιών, τότε οι μετρήσεις θα είναι ευκολότερο να γίνουν κατανοητές ως προς τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης παρά ως προς τα εναλλακτικά μοντέλα βαρύτητας. Αλλά ακόμα και τότε το ζήτημα δεν έχει λυθεί ακόμη. Ενώ οι μετρημένες διαφορές είναι δύσκολο να εξηγηθούν με το MOND, ο Eric Verlinde εξακολουθεί να βλέπει μια διέξοδο για το δικό του μοντέλο. Verlinde: «Το τρέχον μοντέλο μου ισχύει μόνο για στατικούς, απομονωμένους σφαιρικούς γαλαξίες, οπότε δεν μπορεί κανείς να περιμένει ότι μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ διαφορετικών τύπων γαλαξιών. Βλέπω αυτά τα αποτελέσματα ως πρόκληση και έμπνευση για την ανάπτυξη μιας ασύμμετρης, δυναμικής εκδοχής της θεωρίας μου, στην οποία οι γαλαξίες με διαφορετικό σχήμα και ιστορία μπορεί να έχουν διαφορετικές ποσότητες «ορατής σκοτεινής ύλης».
Επομένως, ακόμη και μετά από νέες μετρήσεις, η διαφορά μεταξύ σκοτεινής ύλης και εναλλακτικών θεωριών βαρύτητας δεν έχει ακόμη επιλυθεί. Ωστόσο, τα νέα αποτελέσματα είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός: εάν η μετρημένη διαφορά βαρύτητας μεταξύ των δύο τύπων γαλαξιών είναι σωστή, τότε το τελικό μοντέλο, όποιο κι αν είναι, πρέπει να είναι αρκετά ακριβές για να το εξηγήσει. Αυτό σημαίνει ότι πολλά υπάρχοντα μοντέλα μπορούν να απορριφθούν, γεγονός που μειώνει σημαντικά το εύρος των πιθανών εξηγήσεων. Επιπλέον, νέα έρευνα δείχνει ότι χρειάζονται συστηματικές μετρήσεις θερμού αερίου γύρω από τους γαλαξίες. Ο Έντουιν Βαλεντίν το θέτει ως εξής: «Ως αστρονόμοι παρατηρητές, φτάσαμε σε ένα σημείο όπου μπορούμε να μετρήσουμε την πρόσθετη βαρύτητα γύρω από τους γαλαξίες με μεγαλύτερη ακρίβεια από την ποσότητα της ορατής ύλης. Το αμφιλεγόμενο συμπέρασμα είναι ότι η παρουσία της συνηθισμένης ύλης με τη μορφή θερμού αερίου γύρω από τους γαλαξίες πρέπει πρώτα να μετρηθεί προτού μελλοντικά τηλεσκόπια όπως ο Ευκλείδης μπορέσουν επιτέλους να λύσουν το μυστήριο της σκοτεινής ύλης.
