Οι επιστήμονες αναζητούν την «σκοτεινή ύλη» – μια άγνωστη και αόρατη ουσία που νομίζουμε ότι δρα σαν συγκολλητική ουσία για να φτιαχτούν οι μεγάλες δομές, όπως οι γαλαξίες, στο σύμπαν, ενώ αντιπροσωπεύει περίπου το 85% της ύλης και περίπου το 1/4 της συνολικής ενεργειακής της πυκνότητας – για σχεδόν έναν αιώνα. Ο λόγος αυτής της επιμονής είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι απαραίτητη σε μια ποικιλία αστροφυσικών παρατηρήσεων, συμπεριλαμβανομένων των βαρυτικών αποτελεσμάτων που δεν μπορούν να εξηγηθούν, εκτός κι εάν υπάρχει περισσότερη ύλη από ό, τι μπορεί να δει κανείς. Για το λόγο αυτό, οι περισσότεροι ειδικοί πιστεύουν ότι η σκοτεινή ύλη είναι πανταχού παρούσα στο σύμπαν και ότι είχε ισχυρή επιρροή στη δομή και την εξέλιξή του. Ωστόσο, οι αναζητήσεις σκοτεινής ύλης παρέμειναν έως τώρα ανεπιτυχείς.
Το σμήνος γαλαξιών Bullet
Υπάρχουν όμως και άλλες προσεγγίσεις για να κατανοήσουμε γιατί οι γαλαξίες συμπεριφέρονται τόσο περίεργα. Μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στην Εφημερίδα της Κοσμολογίας και της Φυσικής των Αστροσωματιδίων, δείχνει ότι, μεταβάλλοντας λίγο τους νόμους της βαρύτητας στις τεράστιες κλίμακες των γαλαξιών, ίσως δεν χρειάζεται τελικά η σκοτεινή ύλη .
Ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky ανακάλυψε τη δεκαετία του 1930 ότι οι ταχύτητες στα σμήνη των γαλαξιών ήταν πολύ υψηλές για την ορατή μάζα που μπορούσαμε να δούμε. Ένα παρόμοιο φαινόμενο περιγράφηκε από αρκετές ομάδες αστρονόμων, όπως οι Vera Rubin και Kent Ford , όταν μελέτησαν την κίνηση των άστρων στις μακρινές άκρες του γαλαξία της Ανδρομέδας.
Οι ταχύτητες των άστρων μακριά από το κέντρο τους αναμενόταν να μειώνονται, καθώς θα αντιμετώπιζαν μικρότερη βαρυτική δύναμη. Αυτό συμβαίνει επειδή, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, η βαρυτική έλξη της ύλης είναι ίση με το γινόμενο της μάζας και της επιτάχυνσής του.
Ωστόσο, οι μετρήσεις έδειξαν ότι δεν υπήρχε τέτοια μείωση στις ταχύτητες με την αύξηση της απόστασης. Αυτό οδήγησε τους επιστήμονες να πιστεύουν ότι πρέπει να υπάρχει κάποια αόρατη ύλη εκεί για να δημιουργήσει μια ισχυρότερη βαρυτική έλξη και ταχύτερη αστρική κίνηση. Τις τελευταίες δεκαετίες, αμέτρητοι άλλοι ανιχνευτές συστημάτων βαρύτητας σε κλίμακες πολύ μεγάλου μήκους έδειξαν το ίδιο πρόβλημα.
Καμπύλη περιστροφής του σπειροειδούς γαλαξία του Τριγώνου
Το μυστήριο της πραγματικής σκοτεινής ύλης παραμένει η τελευταία πρόκληση της σύγχρονης θεμελιώδους φυσικής. Το βασικό ερώτημα είναι αν είναι αναγκαία μια άγνωστη πηγή μάζας με ένα νέο τύπο ύλης (σαν τη σκοτεινή ύλη), ή αν ο βαρυτικός νόμος είναι απλά διαφορετικός σε γιγαντιαίες κλίμακες μήκους.
Ενώ η πρώτη επιλογή φαίνεται πολύ δελεαστική, δεν βρήκαμε ακόμη κάποια σκοτεινή ύλη. Επίσης, ενώ οι νόμοι βαρύτητας δοκιμάζονται καλά μέσα στο ηλιακό σύστημα, πρέπει κανείς να τους προσεγγίσει προσεκτικά σε κλίμακες που είναι τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερες.
Μια καλά γνωστή προσπάθεια για να απαλλαγούμε από την ανάγκη για την παρουσία της σκοτεινής ύλης είναι η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND), η οποία υποδηλώνει ότι ο νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα γίνεται ακανόνιστος όταν η βαρυτική έλξη είναι πολύ αδύναμη – όπως συμβαίνει στις εξωτερικές περιοχές του Γαλαξία. Αλλά αυτή η θεωρία, αν και επιτυχής από πολλές απόψεις, δεν έχει περάσει τις ίδιες αυστηρές δοκιμές με το καθιερωμένο μοντέλο κοσμολογίας μας, το οποίο περιλαμβάνει τη σκοτεινή ύλη.
Το κύριο πρόβλημα είναι ότι η MOND δεν μπορεί να εξηγήσει ταυτόχρονα το πρόβλημα της έλλειψης μάζας που υπάρχει στους γαλαξίες και στα σμήνη των γαλαξιών. Ένα άλλο πολύ ισχυρό επιχείρημα εναντίον της MOND βασίζεται στην παρατήρηση των συγκρούσεων μεταξύ των γαλαξιών, όπου τα αστέρια του κάθε γαλαξία περνούν το ένα προς τον άλλο, αλλά τα νέφη του αερίου συγκολλούνται στον κάθε γαλαξία και παραμένουν πίσω. Ένα διάσημο παράδειγμα είναι το σμήνος Bullet, το οποίο αποτελείται από δύο τέτοια συγκρουόμενα σμήνη. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη ακολουθεί τα αστέρια σε αυτά τα γεγονότα, τα οποία έχουν χαμηλότερη συνολική μάζα από το νέφος αερίου. Η MOND όμως δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί συμβαίνει αυτό.
Το σμήνος Bullet περιέχει σκοτεινή ύλη και καυτό αέριο
Έγινε λοιπόν στη νέα μελέτη μια τροποποίηση των νόμων της βαρύτητας με διαφορετικό τρόπο από τη MOND. Η προσέγγισή υποθέτει ότι εκδηλώνεται ένα φαινόμενο γνωστό ως προβολή Vainshtein. Αυτό υποδηλώνει ότι κάθε αρκετά πυκνό, συμπαγές αντικείμενο στο διάστημα δημιουργεί μια αόρατη σφαίρα γύρω του, που καθορίζει πώς συμπεριφέρονται οι νόμοι της φυσικής ανάλογα με την αύξηση της απόστασης. Αυτή η σφαίρα είναι μια θεωρητική έννοια που μας βοηθά να κατανοήσουμε τη διαφορά μεταξύ μικρών και μεγάλων κλιμάκων, αντί μιας πραγματικής φυσικής μεμβράνης.
Σύμφωνα με τη θεωρία, μέσα σε αυτή τη φυσαλίδα οι νόμοι της συνηθισμένης Νευτώνειας βαρύτητας που βλέπουμε στο ηλιακό μας σύστημα συγκρατούν τα αντικείμενα που αλληλεπιδρούν με το τεράστιο σώμα στο κέντρο. Εκτός όμως της φυσαλίδας, η νέα θεωρία υποδηλώνει ότι η βαρυτική έλξη από το κεντρικό αντικείμενο μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά – παρόλο που δεν υπάρχει περισσότερη μάζα.
Το μέγεθος των φυσαλίδων θα είναι ανάλογο με τη μάζα του κεντρικού αντικειμένου. Εάν, για παράδειγμα, σε έναν γαλαξία η σφαίρα έχει ακτίνα λίγων χιλιάδων ετών φωτός – μια τυπική απόσταση στην οποία παρατηρούνται σημάδια σκοτεινής ύλης – η αντίστοιχη σφαίρα του ήλιου μας θα έχει ακτίνα 50.000 αστρονομικών μονάδων A.U. (η απόσταση μεταξύ του ήλιου και της Γης). Ωστόσο, η άκρη του ηλιακού συστήματος απέχει μόλις 50 αστρονομικές μονάδες. Με άλλα λόγια, δεν υπάρχουν αντικείμενα που θα μπορούσαμε να παρατηρήσουμε τόσο μακριά από τον ήλιο για να ελέγξουμε εάν ο ήλιος έχει διαφορετική βαρυτική έλξη σε αυτά από αυτή που έχει στη Γη. Μόνο η παρατήρηση ολόκληρων συστημάτων πολύ μακριά μας επιτρέπει να το κάνουμε αυτό.
Το εκπληκτικό αποτέλεσμα αυτής της θεωρίας είναι ότι το μέγεθος της Νευτώνιας φυσαλίδας μεγαλώνει με την μάζα που περικλείει με έναν συγκεκριμένο τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι ο νόμος της βαρύτητας αλλάζει σε διαφορετικές κλίμακες μήκους σε γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών αντίστοιχα και επομένως μπορεί να εξηγήσει την φαινόμενη σκοτεινή ύλη και στα δύο συστήματα ταυτόχρονα. Αυτό δεν είναι δυνατό με τη MOND. Επιπλέον, είναι σύμφωνο με την παρατήρηση του Σμήνος Bullet. Αυτό συμβαίνει επειδή τα νέφη αερίων που έμειναν πίσω κατά τη σύγκρουση δεν είναι αρκετά συμπαγή για να δημιουργήσουν μια σφαίρα γύρω τους – πράγμα που σημαίνει ότι η φαινόμενη σκοτεινή ύλη είναι αξιοσημείωτη μόνο γύρω από τα πιο συμπαγή αστέρια. Η MOND όμως δεν διακρίνει τα αστέρια και τα νέφη αερίων.
Προς μεγάλη έκπληξη των επιστημόνων, η θεωρία τους επέτρεψε να εξηγήσουν τις αστρικές ταχύτητες στους γαλαξίες πολύ καλύτερα από ό, τι με τη γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν , που επιτρέπει τη ύπαρξη της σκοτεινής ύλης. Έτσι, μπορεί να υπάρχει λιγότερο μυστηριώδης σκοτεινή ύλη εκεί έξω από όσο πιστεύουμε – και ίσως και καθόλου.
Οι ειδικοί σχεδιάζουν να διερευνήσουν περαιτέρω αυτό το ενδιαφέρον φαινόμενο. Θα μπορούσε επίσης να είναι υπεύθυνη για την υψηλή μεταβλητότητα της γαλαξιακής κίνησης , για την οποία συγκεντρώνουν όλο και περισσότερα στοιχεία.
Κάθε τεράστιο σώμα στρεβλώνει το χώρο και το χρόνο γύρω του, σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα. Το αποτέλεσμα αυτής της στρέβλωσης είναι οι φωτεινές ακτίνες να λαμβάνουν μια εμφανή στρέβλωση γύρω από το αντικείμενο αντί να ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή – ένα φαινόμενο που ονομάζεται βαρυτικός φακός. Μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα δοκιμή του ευρήματος της νέας θεωρίας θα ήταν η παρατήρηση της ακριβούς βαρυτικής εκτροπής του φωτός από μεμονωμένους γαλαξίες, η οποία όμως είναι μια δύσκολη μέτρηση. Η θεωρία αυτή προβλέπει μια ισχυρότερη παραμόρφωση του φωτός για πολύ συμπαγείς γαλαξίες. Έτσι, θα μπορούσε κάποια στιγμή η θεωρία είτε να διαψευστεί ή να επιβεβαιωθεί από μια τέτοια μέτρηση.
