 |
Ο σπειροειδής γαλαξίας NGC 6946 και η καμπύλη περιστροφής του, που περιγράφει πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα περιστροφής των αστέρων γύρω από το κέντρο του (κατακόρυφος άξονας) ως συνάρτηση της απόστασης τους από αυτό (οριζόντιος άξονας). Η πράσινη καμπύλη αντιστοιχεί στην πρόβλεψη της Νευτώνειας βαρύτητας λαμβάνοντας υπόψη μόνο τη φωτεινή μάζα του γαλαξία. Η Νευτώνειας βαρύτητα υπολείπεται των παρατηρήσεων και απαιτεί την ύπαρξη σκοτεινής ύλης επιπλέον της φωτεινής. Η κίτρινη γραμμή είναι η πρόβλεψη της τροποποιημένης βαρύτητας, η οποία ερμηνεύει σωστά τις παρατηρήσεις χωρίς την ανάγκη επιπλέον σκοτεινής ύλης. (πηγή περιοδικό SCIENCE vol 317, 3 August 2007) |
Η υπόθεση της σκοτεινής ύλης έχει εδραιωθεί σε τέτοιο βαθμό στην επιστημονική και ευρύτερη κοινότητα ώστε δεν αναρωτιόμαστε πλέον αν πράγματι υπάρχει, αλλά ποια είναι η φύση της. Πειράματα βρίσκονται σε εξέλιξη στα βάθη της Γης για να εντοπίσουν το αινιγματικό σωματίδιο της σκοτεινής ύλης, ενώ αστρονόμοι προσπαθούν να παρατηρήσουν την ακτινοβολία γάμμα που εκπέμπεται κατά την διάσπαση των υποθετικών αυτών σωματιδίων.
Όμως υπάρχει και αντίλογος. Η υπόθεση της σκοτεινές ύλης στηρίζεται στην παραδοχή ότι η βαρύτητα, όπως περιγράφεται από τη Νευτώνεια δυναμική ή τη γενική θεωρία της σχετικότητας, ισχύει αναλλοίωτη σε μεγάλες (γαλαξιακές) κλίμακες. Είναι όμως γεγονός ότι ο νόμος της βαρύτητα έχει επαληθευθεί πειραματικά μόνο στο Ηλιακό μας σύστημα, το οποίο είναι πολλές τάξεις μεγέθους μικρότερο από τις διαστάσεις του Γαλαξία. Είναι πιθανόν λοιπόν σε πολύ μεγάλες κλίμακες να υπάρχουν αποκλίσεις από το νόμο της βαρύτητας που έχει καθιερωθεί και επαληθευθεί στις Γήινες διαστάσεις. Τέτοιες αποκλίσεις θα γίνονταν αντιληπτές μόνο σε παρατηρήσεις των κινήσεων αστέρων γύρω από γαλαξίες, της δυναμικής των γαλαξιών σε σμήνη ή της διαστολής ολόκληρου του Σύμπαντος.
Η υπόθεση της τροποποιημένης βαρύτητας (Modified Newtonian dynamics, MOND) διατυπώθηκε στην δεκαετία του 80 και προτείνει ότι ο νόμος του Νεύτωνα ισχύει μόνο για μεγάλες επιταχύνσεις και πρέπει να τροποποιηθεί για πολύ μικρές τιμές της επιτάχυνσης, παρόμοιες με αυτές που νιώθουν τα αστέρια όταν κινούνται στο δυναμικό ενός γαλαξία ή οι γαλαξίες ενός σμήνους. Η ανάπτυξη της υπόθεσης αυτής έχει ομοιότητες με την γέννεση της κβαντομηχανικής στις αρχές του 20ου αιώνα, όπου πειράματα σε κλίμακες πολύ μικρότερες από αυτές που μας είναι άμεσα αντιληπτές υποχρέωσαν τους επιστήμονες να δημιουργήσουν μια νέα πιθανοκρατική θεωρία για τον μικρόκοσμο.
Αν και η θεωρία της τροποποιημένης βαρύτητας για πολλά χρόνια θεωρούνταν αιρετική και αποκομμένη από την πραγματικότητα, τα τελευταία χρόνια κερδίζει συνεχώς έδαφος και πλέον ανταγωνίζεται στα ίσα την υπόθεση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας.
Πρόσφατη ανακοίνωση συνοψίζει τη θέση των δυο υποθέσεων, σκοτεινή ύλη και τροποποιημένη βαρύτητα, έναντι των παρατηρησιακών δεδομένων. Η τροποποιημένη βαρύτητα είναι σε θέση να εξηγήσει την περιστροφή των σπειροειδών γαλαξιών χωρίς την προσθήκη σκοτεινής ενέργειας. Επιπλέον μεγάλη της επιτυχία αποτελεί η ορθή πρόβλεψη του λόγου φωτεινότητας προς μάζα των νάνων γαλαξιών που γεννώνται στον απόηχο γαλαξιακών συγκρούσεων μεγάλης ταχύτητας από αέριο που εκτινάσσεται σε μεγάλες αποστάσεις από το αρχικό σύστημα. Αυτοί οι νάνοι γαλαξίες αποτελούν πονοκέφαλο για την υπόθεση της σκοτεινής ύλης, η οποία αδυνατεί να εξηγήσει την παρατηρούμενη μάζα και φωτεινότητα.
Όμως η τροποποιημένη βαρύτητα αντιμετωπίζει επίσης προβλήματα. Ένα από αυτά είναι ότι αποτυγχάνει να εξηγήσει την συνολική μάζα των σμηνών γαλαξιών. Εκεί απαιτείται μάζα 2 φορές περισσότερη από αυτή που βλέπουμε (η θεωρία της σκοτεινής ύλης απαιτεί μάζα 10 φορές μεγαλύτερη της φωτεινής) για να εξηγηθούν οι μετρούμενες ταχύτητες των γαλαξιών που ανήκουν στο σμήνος. Αυτό είναι ανησυχητικό. Η θεωρία που επιδιώκει να εξαλείψει την ανάγκη της σκοτεινής ύλης, στην περίπτωση των σμηνών γαλαξιών πρέπει να επικαλεστεί την ύπαρξη της. Για κάποιους επιστήμονες όμως η ασυμφωνία κατά ένα παράγοντα 2 δεν είναι καταστροφική καθώς υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη διαφορά. Είναι πολύ πιθανό παραδείγματος χάρη, μεγάλες ποσότητες συνήθους φωτεινής ύλης να βρίσκονται σε κατάσταση πυκνότητας και θερμοκρασίας που κάνει τον εντοπισμό της εξαιρετικά δύσκολο από τα υπάρχοντα τηλεσκόπια. Επιπλέον αν υποατομικά σωματίδια όπως τα νετρίνα αποδειχθεί ότι έχουν αρκετά μεγάλη μάζα (ξέρουμε ότι δεν είναι μηδέν αλλά δεν έχουμε ακόμη μετρήσει την ακριβή τιμή της) τότε η τροποποιημένη βαρύτητα δεν θα αντιμετώπιζε πρόβληματα στα σμήνη γαλαξιών.
Κύρια πρόκληση όμως για τη θεωρία της τροποποιημένης βαρύτητας είναι η ερμηνεία κοσμολογικών παρατηρήσεων, όπως οι διαταραχές της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και η δημιουργία των δομών μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν (π.χ. σμήνη και υπερσμήνη γαλαξιών), τα οποία η υπόθεση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας εξηγεί με μεγάλη επιτυχία και ακρίβεια. Μέχρι σήμερα κάτι τέτοιο δεν έχει επιτευχθεί από τους υποστηρικτές της τροποποιημένης βαρύτητας. Κάποιες παραλλαγές της θεωρίας έχουν φτάσει κοντά στο να ερμηνεύσουν κάποια κοσμολογικά δεδομένα, άλλα όχι στο βαθμό ακρίβειας που επιτυγχάνει η θεωρία της σκοτεινής ενέργειας. Η αντιπαράθεση ανάμεσα στα δύο στρατόπεδα συνεχίζεται.
Όμως η τροποποιημένη βαρύτητα αντιμετωπίζει επίσης προβλήματα. Ένα από αυτά είναι ότι αποτυγχάνει να εξηγήσει την συνολική μάζα των σμηνών γαλαξιών. Εκεί απαιτείται μάζα 2 φορές περισσότερη από αυτή που βλέπουμε (η θεωρία της σκοτεινής ύλης απαιτεί μάζα 10 φορές μεγαλύτερη της φωτεινής) για να εξηγηθούν οι μετρούμενες ταχύτητες των γαλαξιών που ανήκουν στο σμήνος. Αυτό είναι ανησυχητικό. Η θεωρία που επιδιώκει να εξαλείψει την ανάγκη της σκοτεινής ύλης, στην περίπτωση των σμηνών γαλαξιών πρέπει να επικαλεστεί την ύπαρξη της. Για κάποιους επιστήμονες όμως η ασυμφωνία κατά ένα παράγοντα 2 δεν είναι καταστροφική καθώς υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη διαφορά. Είναι πολύ πιθανό παραδείγματος χάρη, μεγάλες ποσότητες συνήθους φωτεινής ύλης να βρίσκονται σε κατάσταση πυκνότητας και θερμοκρασίας που κάνει τον εντοπισμό της εξαιρετικά δύσκολο από τα υπάρχοντα τηλεσκόπια. Επιπλέον αν υποατομικά σωματίδια όπως τα νετρίνα αποδειχθεί ότι έχουν αρκετά μεγάλη μάζα (ξέρουμε ότι δεν είναι μηδέν αλλά δεν έχουμε ακόμη μετρήσει την ακριβή τιμή της) τότε η τροποποιημένη βαρύτητα δεν θα αντιμετώπιζε πρόβληματα στα σμήνη γαλαξιών.
Κύρια πρόκληση όμως για τη θεωρία της τροποποιημένης βαρύτητας είναι η ερμηνεία κοσμολογικών παρατηρήσεων, όπως οι διαταραχές της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και η δημιουργία των δομών μεγάλης κλίμακας στο Σύμπαν (π.χ. σμήνη και υπερσμήνη γαλαξιών), τα οποία η υπόθεση της σκοτεινής ύλης και ενέργειας εξηγεί με μεγάλη επιτυχία και ακρίβεια. Μέχρι σήμερα κάτι τέτοιο δεν έχει επιτευχθεί από τους υποστηρικτές της τροποποιημένης βαρύτητας. Κάποιες παραλλαγές της θεωρίας έχουν φτάσει κοντά στο να ερμηνεύσουν κάποια κοσμολογικά δεδομένα, άλλα όχι στο βαθμό ακρίβειας που επιτυγχάνει η θεωρία της σκοτεινής ενέργειας. Η αντιπαράθεση ανάμεσα στα δύο στρατόπεδα συνεχίζεται.
