Το κυνήγι για την πέμπτη δύναμη εστιάζεται στο σμήνος Bullet

Πηγή: Physics Web, 9 Μαΐου 2007

Πολλοί φυσικοί θα σας πουν ευτυχώς που το σύμπαν αποτελείται κυρίως από την σκοτεινή ύλη, αλλά δεν μπορούν να σας απαντήσουν γιατί δεν έχουμε δει ακόμα άμεσα αυτή την ύλη. Ερευνητές στις ΗΠΑ, εντούτοις, θεωρούν ότι η απάντηση θα μπορούσε να βρεθεί στα κατάλοιπα της σύγκρουσης δύο σμηνών γαλαξιών, όπου μπορεί να έχουν συλλάβει μια μικρή ένδειξη της σκοτεινής ύλης να αλληλεπιδρά μέσω μιας πέμπτης δύναμης με μεγάλο εύρος. Εάν δε η πέμπτη δύναμη υπάρχει, θα απαιτούσε μια σημαντική αναθεώρηση του σημερινού καθιερωμένου μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής, που είναι σε ισχύ για σχεδόν 30 χρόνια (Phys. Rev. Lett. 98 171302).

Σύμφωνα με τους απόλυτα δοκιμασμένους νόμους της βαρύτητας, οι γαλαξίες δεν έχουν αρκετή ορατή ύλη για να σταματήσουν την διάλυση τους όταν περιστρέφονται. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος για τον οποίο οι φυσικοί νομίζουν ότι πρέπει να περιέχουν πρόσθετη ύλη, την σκοτεινή όπως λέγεται γιατί έχει παραμείνει κρυμμένη παρά τις προσπάθειές μας να την παρατηρήσουμε άμεσα. Η μη παρατήρηση τους θα μπορούσε να οφείλεται επειδή οι αλληλεπιδράσεις της με τη συνηθισμένη ύλη είναι τόσο ασθενής, που είναι κάτω από το κατώτατο όριο ανίχνευσης όλων των σημερινών εργαστηριακών πειραμάτων εδώ στη Γη. Αφ' ετέρου, θα μπορούσε να αλληλεπιδρά μέσω κάποιας πέμπτης δύναμης μεγάλης ακτίνας δράσης, διαφορετικής από τις τέσσερις δυνάμεις που εμφανίζονται στο καθιερωμένο μοντέλο μας, που σημαίνει ότι θα αποκαλυφθεί η σκοτεινή δύναμη έμμεσα μόνο με τη μελέτη μεγάλων αντικειμένων, όπως είναι οι γαλαξίες.

Εξετάζοντας την ταχύτητα της σύγκρουσης μεταξύ δύο σμηνών γαλαξιών που δημιούργησαν το σμήνος Bullet (Σφαίρα), η Glennys Farrar και η Rachel Rosen στο πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης, νομίζουν ότι ίσως θα είναι σε θέση να δουν αν η σκοτεινή ύλη αλληλεπιδρώ μέσω μιας "πέμπτης δύναμης", εκτός από τις τέσσερις που προβλέπεται από το Καθιερωμένο Μοντέλο της Σωματιδιακής Φυσικής.

Η Glennys Farrar μαζί με την μεταπτυχιακή σπουδάστρια Rachel Rosen του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης νομίζουν ότι τις αποδείξεις για μια τέτοια "πέμπτη δύναμη" θα μπορούσαν να τις βρουν αν μελετήσουν μια σύγκρουση μεταξύ δύο μεμονωμένων σμηνών γαλαξιών, περίπου τρία δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Από τη σύγκρουση δύο ξεχωριστών σμηνών δημιουργήθηκε ένα σμήνος που λέγεται Σμήνος Bullet (Σφαίρα).  Στο τελευταίο σμήνος ένα μικρότερο σμήνος γαλαξιών έχει περάσει σαν 'σφαίρα' μέσα από ένα εξαιρετικά μεγάλο σμήνος γαλαξιών.  

Το τέχνασμα στο συλλογισμό τους είναι να μπουν εύλογοι περιορισμοί στον αρχικό υπολογισμό της κατανομής της ταχύτητας και της μάζας της Σφαίρας, από αυτά που οι αστρονόμοι ξέρουν ήδη για τη δυναμική άλλων σμηνών γαλαξιών. Μετά, καταγράφοντας το πόσο γρήγορα απομακρύνεται η Σφαίρα από το μεγαλύτερο σμήνος, θα ήταν σε θέση να συμπεράνουν εάν η επιτάχυνση που μετράται είναι η τιμή που θα παραγόταν μόνο από τη βαρύτητα αν δρούσε στην σκοτεινή ύλη. .

Αριστερά: η αστροφυσικός Glennys Farrar

Οι Farrar και Rosen έχουν εξετάσει ήδη τη θεωρία τους χρησιμοποιώντας στοιχεία από τις ακτίνες X, που πάρθηκαν από το δορυφόρο Chandra, και που προτείνουν ότι η ταχύτητα του "μετώπου κλονισμού" της Σφαίρας είναι 4.740 km/s. Αυτή η ταχύτητα είναι πάρα πολύ υψηλή για να έχει παραχθεί μόνο από τη βαρύτητα, κάτι που υπονοεί ότι η βαρύτητα που ενεργεί πάνω στην σκοτεινή ύλη στο Σμήνος Bullet αυξάνεται από μια πέμπτη δύναμη κατά 0,4 έως 1,2 φορές σε ισχύ. Μια τέτοια πέμπτη δύναμη, εάν υπάρχει, θα ήταν η απόδειξη ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι ελλιπές -- ενδεχομένως απαιτώντας κάποιες επεκτάσεις όπως η υπερσυμμετρία που περιλαμβάνει πρόσθετα σωματίδια που μεταφέρουν δυνάμεις.

Εντούτοις, οι φυσικοί τώρα νομίζουν ότι η ταχύτητα της Σφαίρας όπως δίνεται από τα στοιχεία του Chandra μπορεί να μην είναι αρκετά σωστή. Ειδικότερα, η Farrar θεωρεί ότι η ταχύτητα που καταγράφηκε ήταν του μετώπου κλονισμού σε σχέση με το περιβάλλον αέριο, το οποίο εισέρχεται στο σμήνος. Αυτό σημαίνει ότι αυτά τα στοιχεία παρήγαγαν μια εκτίμηση της γενικής ταχύτητας της σύγκρουσης πάρα πολύ υψηλή, περίπου, 1500 km/s.

Η Farrar λέει ότι πρόκειται πάρα πολύ σύντομα να ξέρει εάν το γεγονός αυτό θα αποκλείσει την ύπαρξη μιας πέμπτης δύναμης, καθώς η ίδια τώρα θα πρέπει να αναλύσει ξανά τα δεδομένα από το Σμήνος Cluster χρησιμοποιώντας τις ενημερωμένες μετρήσεις. Εντούτοις, ο Douglas Clowe, ένας κοσμολόγος από το πανεπιστήμιο του Οχάιου που έχει ξοδέψει πολύ χρόνο ψάχνοντας για αποδείξεις της σκοτεινής ύλης στο σμήνος αυτό, λέει ότι η δοκιμασία για την πέμπτη δύναμη που σχεδιάζεται από τις Farrar και Rosen θα έχει ακόμα σημασία για το μέλλον. "Εάν τελικά βρεθεί μια πέμπτη δύναμη ή εμείς βάλουμε ένα όριο για το πόσο ισχυρή θα μπορούσε να είναι, αυτό θα βοηθήσει στη συνεχή αναζήτησή μας για το τι είναι πραγματικά η σκοτεινή ύλη - αλλά είναι απίθανο να είναι το τελικό κομμάτι της ιστορίας.