Ο Ντον Λίνκολν είναι ανώτερος επιστήμονας στο ερευνητικό ίδρυμα Fermilab του Υπουργείου Ενέργειας του Ηνωμένου Βασιλείου, το μεγαλύτερο ερευνητικό ίδρυμα Μεγάλων Αδρονίων Collider της Αμερικής. Γράφει επίσης για την επιστήμη για το κοινό, συμπεριλαμβανομένου του πρόσφατου "The Large Hadron Collider: Η έκτακτη ιστορία του Higgs Boson και άλλα πράγματα που θα πνίξουν το μυαλό σας" (Johns Hopkins University Press, 2014). Μπορείτε να τον ακολουθήσετε στο Facebook. Ο Λίνκολν συνέβαλε αυτό το άρθρο στις εμπειρικές φωνές της Live Science: Op-Ed & Insights.
Πολλοί επιστήμονες-καταλαβαίνω άνθρωποι θεωρούν δεδομένο ότι το σύμπαν είναι κατασκευασμένο όχι μόνο από τα συχνά αναφερόμενα «δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια» γαλαξιών του Carl Sagan, αλλά και ένα τεράστιο ποσό μιας αόρατης ουσίας που ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Αυτή η περίεργη ύλη θεωρείται ότι είναι ένα νέο είδος υποατομικού σωματιδίου που δεν αλληλεπιδρά μέσω ηλεκτρομαγνητισμού, ούτε ισχυρών και αδύναμων πυρηνικών δυνάμεων. Η σκοτεινή ύλη είναι επίσης υποτιθέμενη ότι είναι πέντε φορές πιο διαδεδομένη στο σύμπαν από την συνηθισμένη ύλη των ατόμων.
Ωστόσο, η πραγματικότητα είναι ότι η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης δεν έχει αποδειχθεί ακόμα. Η σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να αποτελεί υπόθεση, αν και μάλλον καλά υποστηριζόμενη. Οποιαδήποτε επιστημονική θεωρία πρέπει να κάνει προβλέψεις και αν είναι σωστό, τότε οι μετρήσεις που κάνετε πρέπει να ευθυγραμμιστούν με τις προβλέψεις. Το ίδιο ισχύει για τη σκοτεινή ύλη. Για παράδειγμα, οι θεωρίες σκοτεινής ύλης κάνουν προβλέψεις για το πόσο γρήγοροι γαλαξίες περιστρέφονται. Μέχρι τώρα, όμως, οι μετρήσεις που έγιναν από τη λεπτομερή κατανομή της σκοτεινής ύλης στο κέντρο των γαλαξιών χαμηλής μάζας δεν έρχονται σε σχέση με αυτές τις προβλέψεις.
Ένας πρόσφατος υπολογισμός άλλαξε αυτό. Ο υπολογισμός βοηθά στην επίλυση του αδράνεια της σχέσης Tully-Fisher, το οποίο συγκρίνει την ορατή ή συνηθισμένη ύλη ενός γαλαξία με την ταχύτητα περιστροφής του. Με πολύ απλοποιημένους όρους, οι επιστήμονες έχουν βρει ότι όσο πιο μαζικός (και επομένως πιο φωτεινός) ένας σπειροειδής γαλαξίας είναι, τόσο πιο γρήγορα γυρίζει.
Αλλά αν υπάρχει σκοτεινή ύλη, πόσο "μεγάλο" είναι ένας γαλαξίας θα πρέπει να καθορίζεται όχι μόνο από την ορατή ύλη, αλλά και από τη σκοτεινή του ύλη. Με ένα τεράστιο κομμάτι της εξίσωσης - το ποσό της σκοτεινής ύλης - που λείπει, η σχέση Tully-Fisher δεν πρέπει να κρατήσει. Και όμως το κάνει. Ήταν δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς να συμβιβάσει αυτή τη σχέση με την υπάρχουσα θεωρία της σκοτεινής ύλης. Μέχρι τώρα.
Προέλευση της σκοτεινής ύλης
Οι πρώτες αναφορές ότι μπορεί να υπάρχει ανάγκη για κάτι σαν τη σκοτεινή ύλη χρονολογούνται από το 1932. Ο Ολλανδός αστρονόμος Jan Oort μέτρησε τις τροχιακές ταχύτητες των αστεριών μέσα στο Γαλαξία και διαπίστωσε ότι κινήθηκαν πολύ γρήγορα για να εξηγηθούν από την παρατηρούμενη μάζα του γαλαξία.
Τα αστέρια περιστρέφονται γύρω από τον γονικό γαλαξία τους σε σχεδόν κυκλικά μονοπάτια και η βαρύτητα είναι η δύναμη που κρατά τα αστέρια σε αυτές τις τροχιές. Οι εξισώσεις του Νεύτωνα προβλέπουν ότι η δύναμη που κάνει τα αστέρια να κινούνται σε μια κυκλική πορεία, F (κυκλική), θα πρέπει να ισούται με τη δύναμη που οφείλεται στη βαρύτητα στο αστέρι, F (βαρύτητα), ή αλλιώς το αστέρι θα πετούσε στο διάστημα ή να πέσει το κέντρο του γαλαξία. Για όσους θυμούνται τη φυσική του γυμνασίου, η F (εγκύκλιος) είναι μια δήλωση αδράνειας και είναι απλά F = ma του Newton. Η F (βαρύτητα) είναι ο νόμος του Νεύτωνα της παγκόσμιας βαρύτητας.
Κοντά στο κέντρο των γαλαξιών, ο Rubin και ο Ford βρήκαν ότι η F (κυκλική) ήταν περίπου ίση με τη F (βαρύτητα), όπως αναμενόταν. Αλλά μακριά από το κέντρο των γαλαξιών, οι δύο πλευρές της εξίσωσης δεν ταιριάζουν πολύ καλά. Ενώ οι λεπτομέρειες διαφέρουν από τον γαλαξία σε γαλαξία, οι παρατηρήσεις τους ήταν ουσιαστικά καθολικές.
Μια τέτοια δραματική διαφορά χρειάζεται εξήγηση. Κοντά στο κέντρο των γαλαξιών, οι μετρήσεις του Ρούμπιν και της Ford σήμαιναν ότι η θεωρία λειτουργούσε, ενώ η απόκλιση σε μεγαλύτερες τροχιακές αποστάσεις σήμαινε κάτι που συνέχιζε να μην εξηγεί οι υπάρχουσες θεωρίες. Οι ιδέες τους αποκάλυψαν ότι είτε δεν καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί η αδράνεια (π.χ. F (κυκλική)), είτε δεν καταλαβαίνουμε πώς λειτουργεί η βαρύτητα (π.χ. F (βαρύτητα)). Μια τρίτη πιθανότητα είναι ότι το ίση σημάδι είναι λάθος, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει κάποια άλλη δύναμη ή αποτέλεσμα που η εξίσωση δεν περιλαμβάνει. Αυτές ήταν οι μοναδικές δυνατότητες.
Εξηγώντας τις διαφορές
Στα 40 χρόνια από το αρχικό έργο του Rubin και της Ford, οι επιστήμονες έχουν δοκιμάσει πολλές θεωρίες για να προσπαθήσουν να εξηγήσουν τις αποκλίσεις γαλαξιακής περιστροφής που βρήκαν. Ο φυσικός Mordehai Milgrom πρότεινε μια τροποποίηση της αδράνειας, που ονομάζεται "τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική", ή MOND. Στην αρχική του μορφή, θεώρησε ότι σε πολύ χαμηλές επιταχύνσεις, η εξίσωση του Newton F = ma δεν λειτούργησε.
Άλλοι φυσικοί πρότειναν τροποποιήσεις των νόμων της βαρύτητας. Η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν δεν βοηθάει εδώ, διότι, σε αυτόν τον τομέα, οι προβλέψεις του Αϊνστάιν και του Νεύτωνα είναι ουσιαστικά ταυτόσημες. Και οι θεωρίες της κβαντικής βαρύτητας, που προσπαθούν να περιγράψουν τη βαρύτητα χρησιμοποιώντας υποατομικά σωματίδια, δεν μπορούν να είναι η εξήγηση για τον ίδιο λόγο. Ωστόσο, υπάρχουν θεωρίες βαρύτητας που κάνουν προβλέψεις σε γαλαξιακές ή εξωγαλακτικές κλίμακες που διαφέρουν από τη Νευτώνεια βαρύτητα. Έτσι, αυτές είναι επιλογές.
Τότε υπάρχουν προβλέψεις ότι υπάρχουν νέες δυνάμεις. Αυτές οι ιδέες συγκεντρώνονται μαζί με το όνομα «η πέμπτη δύναμη», που υποδηλώνει μια δύναμη πέρα από τη βαρύτητα, τον ηλεκτρομαγνητισμό και τις ισχυρές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις.
Τέλος, υπάρχει η θεωρία της σκοτεινής ύλης: ότι ένας τύπος ύλης που δεν αλληλεπιδρά με το φως καθόλου, αλλά ασκεί μια βαρυτική έλξη, διαπερνά το σύμπαν.
Αν οι μετρήσεις γαλαξιακής περιστροφής ήταν τα μόνα δεδομένα που έχουμε, ίσως είναι δύσκολο να επιλέξουμε μεταξύ αυτών των διαφορετικών θεωριών. Μετά από όλα, ίσως είναι δυνατό να τροποποιήσετε κάθε θεωρία για να λύσετε το πρόβλημα της γαλαξιακής περιστροφής. Υπάρχουν όμως πολλές παρατηρήσεις πολλών διαφορετικών φαινομένων που μπορούν να βοηθήσουν στην αναγνώριση της πιο εύλογης θεωρίας.
Η μία είναι η ταχύτητα των γαλαξιών μέσα σε μεγάλες συστάδες γαλαξιών. Οι γαλαξίες κινούνται πολύ γρήγορα για να συσπειρωθούν οι ομάδες. Μια άλλη παρατήρηση είναι του φωτός από πολύ απομακρυσμένους γαλαξίες. Οι παρατηρήσεις αυτών των πολύ απομακρυσμένων αρχαίων γαλαξιών δείχνουν ότι το φως τους παραμορφώνεται περνώντας μέσα από τα βαρυτικά πεδία των πλησιέστερων συμπλεγμάτων γαλαξιών. Υπάρχουν επίσης μελέτες μικρών μη ομοιομορφιών στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο που είναι η γενέθλια κραυγή του σύμπαντος. Όλες αυτές οι μετρήσεις (και πολλά άλλα) πρέπει επίσης να αντιμετωπιστούν με οποιαδήποτε νέα θεωρία για να εξηγήσουν τις ταχύτητες περιστροφής γαλαξίας.
Οι αναπάντητες ερωτήσεις της σκοτεινής ύλης
Η θεωρία της σκοτεινής ύλης έχει κάνει μια λογική δουλειά στην πρόβλεψη πολλών από αυτές τις μετρήσεις, γι 'αυτό και είναι καλά σεβαστή στην επιστημονική κοινότητα. Αλλά η σκοτεινή ύλη εξακολουθεί να είναι ένα απροσδιόριστο μοντέλο. Όλα τα αποδεικτικά στοιχεία για την ύπαρξή του μέχρι στιγμής είναι έμμεσες. Αν υπάρχει σκοτεινή ύλη, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να παρατηρούμε άμεσα τις αλληλεπιδράσεις της σκοτεινής ύλης καθώς περνά μέσα από τη Γη και θα μπορούσαμε να είμαστε σε θέση να κάνουμε σκοτεινή ύλη σε μεγάλους επιταχυντές σωματιδίων, όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων. Και όμως, ούτε η προσέγγιση ήταν επιτυχής.
Επιπλέον, η σκοτεινή ύλη πρέπει να συμφωνεί με όλες, όχι μόνο πολλές, αστρονομικές παρατηρήσεις. Ενώ η σκοτεινή ύλη είναι το πιο επιτυχημένο μοντέλο μέχρι τώρα, δεν είναι εντελώς επιτυχημένη. Τα μοντέλα σκοτεινής ύλης προβλέπουν περισσότερους δορυφορικούς γαλαξίες γύρω από τους μεγάλους γαλαξίες, όπως ο Γαλαξία, από ό, τι ανιχνεύονται. Αν και υπάρχουν περισσότεροι νάνοι γαλαξίες, υπάρχουν ακόμα λίγοι σε σύγκριση με τις προβλέψεις της σκοτεινής ύλης.
Ένα άλλο μεγάλο, ανοιχτό ερώτημα είναι πώς η σκοτεινή ύλη επηρεάζει τη σχέση μεταξύ της φωτεινότητας των γαλαξιών και της ταχύτητας περιστροφής τους. Αυτή η σχέση, η οποία παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1977, ονομάζεται σχέση Tully-Fisher και έχει δείξει πολλές φορές ότι η ορατή μάζα ενός γαλαξία συσχετίζεται καλά με την ταχύτητα περιστροφής της.
Σκληρές προκλήσεις για τη σκοτεινή ύλη
Έτσι, αυτό τελειώνει την πίσω ιστορία. Τι είναι νέο?
Η σχέση Tully-Fisher είναι μια δύσκολη πρόκληση για μοντέλα σκοτεινής ύλης. Η περιστροφή ενός γαλαξία διέπεται από τη συνολική ποσότητα της ύλης που περιέχει. Εάν η σκοτεινή ύλη υπάρχει πραγματικά, τότε η συνολική ποσότητα της ύλης είναι το άθροισμα τόσο της συνηθισμένης όσο και της σκοτεινής ύλης.
Αλλά η υπάρχουσα θεωρία της σκοτεινής ύλης προβλέπει ότι οποιοσδήποτε τυχαίος γαλαξίας μπορεί να περιέχει μεγαλύτερα ή μικρότερα κλάσματα σκοτεινής ύλης. Έτσι, όταν κάποιος μετρά την ορατή μάζα, θα μπορούσατε να χάσετε ένα τεράστιο κομμάτι της συνολικής μάζας. Ως αποτέλεσμα, η ορατή μάζα πρέπει να είναι ένας πολύ κακός προγνωστικός δείκτης της συνολικής μάζας (και συνεπώς της ταχύτητας περιστροφής) του γαλαξία. Η μάζα του γαλαξία θα μπορούσε να είναι παρόμοια με εκείνη της ορατής (συνηθισμένης) μάζας ή θα μπορούσε να είναι πολύ μεγαλύτερη.
Επομένως, δεν υπάρχει λόγος να αναμένουμε ότι η ορατή μάζα θα πρέπει να είναι ένας καλός προγνωστικός δείκτης της ταχύτητας περιστροφής του γαλαξία. Ωστόσο, είναι.
Στην πραγματικότητα, σε ένα έγγραφο που κυκλοφόρησε φέτος, οι σκεπτικιστές της σκοτεινής ύλης χρησιμοποίησαν τις μετρήσεις της σχέσης Tully-Fisher για διάφορους γαλαξίες για να υποστηρίξουν την υπόθεση της σκοτεινής ύλης και για μια τροποποιημένη έκδοση αδράνειας, όπως η MOND.
Καλύτερη εφαρμογή για τη σκοτεινή ύλη
Ωστόσο, σε μια δημοσίευση που δημοσιεύθηκε τον Ιούνιο, οι επιστήμονες έδωσαν σημαντική ώθηση στα μοντέλα της σκοτεινής ύλης. Όχι μόνο η νέα δουλειά αναπαράγει τις επιτυχίες προηγούμενων προβλέψεων του μοντέλου της σκοτεινής ύλης, αλλά και την σχέση Tully-Fisher.
Το νέο χαρτί είναι ένα "ημι-αναλυτικό" μοντέλο, που σημαίνει ότι είναι ένας συνδυασμός αναλυτικών εξισώσεων και προσομοίωσης. Προσομοιώνει τη συσσώρευση της σκοτεινής ύλης στο πρώιμο σύμπαν που μπορεί να έχει σπείρει το σχηματισμό των γαλαξιών, αλλά περιλαμβάνει επίσης την αλληλεπίδραση της συνηθισμένης ύλης, περιλαμβανομένων και των πραγμάτων όπως είναι η προσβολή της συνηθισμένης ύλης σε άλλο ουράνιο σώμα λόγω της βαρυτικής έλξης, του σχηματισμού των αστεριών και της θέρμανσης από το αέριο που διογκώνει το αστέρι και τα σουπερνόβα. Με τον προσεκτικό συντονισμό των παραμέτρων, οι ερευνητές ήταν σε καλύτερη θέση να ταιριάξουν με την προβλεπόμενη σχέση Tully-Fisher. Το κλειδί του υπολογισμού είναι ότι η προβλεπόμενη περιστροφική ταχύτητα περιλαμβάνει μια ρεαλιστική τιμή για την αναλογία των βαρυονίων προς τη σκοτεινή ύλη στον γαλαξία.
Ο νέος υπολογισμός είναι ένα σημαντικό πρόσθετο βήμα στην επικύρωση του μοντέλου της σκοτεινής ύλης. Ωστόσο, δεν είναι η τελευταία λέξη. Κάθε επιτυχημένη θεωρία πρέπει να συμφωνεί με όλες τις μετρήσεις. Η αποτυχία της συμφωνίας σημαίνει ότι είτε η θεωρία είτε τα δεδομένα είναι λανθασμένα ή τουλάχιστον ελλιπή. Μερικές διαφορές μεταξύ της πρόβλεψης και της μέτρησης παραμένουν (όπως ο αριθμός των μικρών δορυφορικών γαλαξιών γύρω από τα μεγάλα), αλλά αυτό το νέο έγγραφο μας δίνει την πεποίθηση ότι οι μελλοντικές εργασίες θα επιλύσουν αυτές τις εναπομένουσες αποκλίσεις. Η σκοτεινή ύλη παραμένει μια ισχυρά προγνωστική θεωρία για τη δομή του σύμπαντος. Δεν είναι πλήρης και χρειάζεται επικύρωση με την ανακάλυψη του πραγματικού σωματιδίου σκοτεινής ύλης. Συνεπώς, εξακολουθεί να υπάρχει ακόμη δουλειά. Αλλά αυτός ο πιο πρόσφατος υπολογισμός είναι ένα σημαντικό βήμα προς την ημέρα που θα γνωρίζουμε μια για πάντα αν το σύμπαν πραγματικά κυριαρχείται από τη σκοτεινή πλευρά.
