Τροποποίηση της θεωρίας της βαρύτητας για να εξηγήσουμε τη Σκοτεινή Ύλη

Πηγή: Universe ToDay, 13 Φεβρουαρίου 2006

Ερευνητές στο πανεπιστήμιο του Αγίου Ανδρέα και το Ελεύθερο Πανεπιστήμιο των Βρυξελλών νομίζουν ότι έχουν βρει μια λύση που κάνει μικρο-αλλαγές στην ριζοσπαστική θεωρία της βαρύτητας Einstein για να εξηγηθεί η επίδραση της σκοτεινής ύλης. Ο Hong Sheng Zhao και ο Benoit Famaey έχουν δημιουργήσει έναν νέο τύπο που επιτρέπει στην ισχύ της βαρύτητας να μεταβάλλεται μέσα σε γαλαξιακές αποστάσεις, ταιριάζοντας τέλεια με τις παρατηρήσεις που γίνονται από τους αστρονόμους.

Η σκοτεινή ύλη εμφανίζεται, σε αυτή την εικόνα ενός σμήνους γαλαξιών, ως φωτοστέφανος σε μπλε χρώμα, ενώ η ορατή ύλη χρωματίστηκε κόκκινη.

Ο νέος νόμος για τη βαρύτητα, που αναπτύχθηκε από τον κινέζο φυσικό Hong Sheng Zhao και το βέλγο συνεργάτη του Benoit Famaey στοχεύει να βρει εάν η θεωρία του Αϊνστάιν ήταν στην πραγματικότητα σωστή και εάν το αστρονομικό μυστήριο της σκοτεινής ύλης υπάρχει πραγματικά. Η έρευνά τους δημοσιεύθηκε στο Astrophysical Journal Letters. Η εξίσωση της βαρύτητας τους προτείνει ότι η βαρύτητα μειώνεται κατά τι λιγότερο με την απόσταση όπως στον Αϊνστάιν, και αλλάζει πολύ λίγο από τα ηλιακά συστήματα στους γαλαξίες και στο σύμπαν.

Η θεωρία της φυσικής της βαρύτητας αναπτύχθηκε αρχικά από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1687 και τελειοποιήθηκε από τη Γενική Θεωρία της σχετικότητας το 1905, που επιτρέπει στο φως να κάμπτεται. Ενώ είναι η πρώτη γνωστή δύναμη, η βαρύτητα παραμένει ακόμα ένα μεγάλο μυστήριο με θεωρίες που ακόμα δεν έχουν επιβεβαιωθεί από τις αστρονομικές παρατηρήσεις στο διάστημα.

Αυτό δεν είναι το μήλο του Νεύτωνα!

Το "πρόβλημα" με τους χρυσούς νόμους του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν είναι ότι ενώ λειτουργούν πολύ καλά στη γη, δεν εξηγούν την κίνηση των άστρων στους γαλαξίες και την κάμψη του φωτός με ακρίβεια. Στους γαλαξίες, τα αστέρια περιστρέφονται γρήγορα προς ένα κεντρικό σημείο, τοποθετούμενα σε τροχιά με τη βοήθεια της βαρυτικής έλξης της ύλης στο γαλαξία. Εντούτοις οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι κινούνταν πολύ πιο γρήγορα για να συγκρατούνται από την αμοιβαία βαρύτητά τους - δεν υπάρχει αρκετή βαρύτητα (από την ορατή ύλη) για να συγκρατήσει τα αστέρια των γαλαξιών μαζί, αντίθετα πρέπει να απομακρύνονται μακριά προς όλες τις κατευθύνσεις!

Η λύση σε αυτό το πρόβλημα, που προτάθηκε από τον Fritz Zwicky το 1933, ήταν ότι υπήρχε κάποιο αθέατο - απαρατήρητο υλικό στους γαλαξίες, έχοντας αρκετή βαρύτητα για να συγκρατήσει τους γαλαξίες μαζί. Δεδομένου ότι αυτό το υλικό δεν εκπέμπει καμία φωτεινή ακτινοβολία οι αστρονόμων την ονόμασαν "σκοτεινή ύλη". Θεωρείται ότι αυτή αποτελεί μέχρι και το 90% του ύλης στον κόσμο. Εντούτοις, δεν δέχονται όλοι οι επιστήμονες τη θεωρία της σκοτεινής ύλης. Μια αντίπαλη λύση προτάθηκε από τον Moti Milgrom το 1983 και υποστηρίχτηκε από τον Jacob Bekenstein το 2004, Αντί να υπάρχει αυτό το απαρατήρητο υλικό, ο Milgrom πρότεινε ότι δεν κατανοούν οι αστρονόμοι καλά τη βαρύτητα. Πρότεινε δε ότι μια ώθηση στη βαρύτητα της συνηθισμένης ύλης είναι η αιτία αυτής της επιτάχυνσης.

Η θεωρία του Milgrom έχει επεξεργαστεί από διάφορους αστρονόμους από τότε ενώ οι Zhao και Famaey έχουν προτείνει μια νέα διατύπωση της δικιάς του εργασίας,  που υπερνικά πολλά από τα προβλήματα που έχουν αντιμετωπίσει οι προηγούμενες θεωρίες του.

Αυτοί οι δύο έχουν δημιουργήσει έναν τύπο που επιτρέπει στη βαρύτητα να αλλάζει συνεχώς ανάλογα με τις διάφορες κλίμακες των αποστάσεων και, επιπλέον, ταιριάζει με τα παρατηρησιακά στοιχεία των γαλαξιών. Το να ταιριάξουν τα στοιχεία των γαλαξιών εξίσου καλά με το αντίπαλο παράδειγμα της Σκοτεινής Ύλης θα ήταν αρκετά προκλητικό, σαν να ισορροπούσε μια σφαίρα πάνω σε μια βελόνα. Κάτι, που παρακίνησε τους δύο αστρονόμους να εξετάσουν μια εναλλακτική ιδέα της βαρύτητας.

Ο μύθος λέει ότι ο Νεύτωνας άρχισε να ενδιαφέρεται για τη βαρύτητα όταν έπεσε ένα μήλο στο κεφάλι του, αλλά σύμφωνα με τον Δρ Zhao, "δεν είναι προφανές πώς ένα μήλο θα έπεφτε σε έναν γαλαξία. Η θεωρία του Νεύτωνα θα ήταν λαθεμένη  - το μήλο του θα πετούσε μακριά από το Γαλαξία. Οι προσπάθειες να αποκατασταθεί το μήλο σε μια τροχιά γύρω από το Γαλαξία τα τελευταία χρόνια έχουν οδηγήσει σε δύο σχολές σκέψης: Σκοτεινή ύλη εναντίον της θεωρίας της μη νευτώνειας βαρύτητας.

Τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης προέρχονται φυσικά από τη φυσική, με όμορφες συμμετρίες και εξηγούν την κοσμολογία υπέροχα. Αυτά τα σωματίδια τείνουν να είναι παντού. Το πραγματικό μυστήριο είναι πώς να τα κρατήσεις μακριά από μερικές γωνίες του σύμπαντος. Επίσης, η σκοτεινή ύλη έρχεται χέρι --χέρι με τη σκοτεινή ενέργεια. Θα ήταν ομορφότερο εάν υπάρχει μια απλή απάντηση σε όλα αυτά τα μυστήρια.

Ο Zhao, που βρίσκεται στο τμήμα της φυσικής και της αστρονομίας στο πανεπιστήμιο του Αγίου Ανδρέα, λέει ότι υπάρχει πάντα μια λογική πιθανότητα οι αστρονόμοι να ξαναγράψουν το νόμο της βαρύτητας. Αυτός μαζί με τον Benoit Famaey έχουν δημιουργήσει έναν νέο τύπο για τη βαρύτητα, την οποία ονομάζουν "ο απλός τύπος", και που είναι πραγματικά μια καλύτερη επεξεργασία της θεωρίας των Milgrom και Bekenstein. Είναι σύμφωνη με τα στοιχεία των γαλαξιών μέχρι τώρα, και εάν οι προβλέψεις της ελεγχθούν για το ηλιακό σύστημα και την κοσμολογία, θα μπορούσε να λύσει το μυστήριο της σκοτεινής ύλης.

"Μπορεί να είμαστε σε θέση να απαντήσουμε στις συνηθισμένες ερωτήσεις, όπως, εάν η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι σωστή και εάν η αποκαλούμενη σκοτεινή ύλη υπάρχει πραγματικά", συνεχίζει ο Zhao.

Ο νέος τύπος θα παρουσιαστεί σε μια διεθνής συνάντηση στο Βασιλικό Παρατηρητήριο του Εδιμβούργου τον Απρίλιο του 2006, και θα δοθεί τότε η ευκαιρία να εξεταστεί και να συζητηθεί η νέα θεωρία. Ο Δρ Zhao και ο Δρ Famaey θα αποδείξουν το νέο τύπο τους σε ένα ακροατήριο ειδικών της Σκοτεινής Ύλης και της Βαρύτητας από δέκα διαφορετικές χώρες.

Ο Δρ Famaey σχολιάζει "Είναι πιθανόν ότι ούτε η τροποποιημένη θεωρία βαρύτητας, ούτε η θεωρία της σκοτεινής ύλης, όπως διατυπώνονται σήμερα, θα λύσει όλα τα προβλήματα της γαλαξιακής δυναμικής ή της κοσμολογίας. Η αλήθεια θα μπορούσε να βρεθεί κάπου ενδιάμεσα, αλλά είναι πολύ εύλογο ότι χάνουμε κάτι θεμελιώδες για τη βαρύτητα, και ότι θα απαιτηθεί μια ριζικά νέα θεωρητική προσέγγιση για να λύσει όλα αυτά τα προβλήματα. Εντούτοις, ο τύπος μας είναι τόσο γοητευτικά απλός που μπιορεί να φανεί ως τμήμα μιας ακόμα άγνωστης θεμελιώδους θεωρίας. Όλα τα στοιχεία των γαλαξιών φαίνονται να εξηγούνται".