Δυναμική του γαλαξία μας

Θα παραθέσω μία άσκηση για την κίνηση του ήλιου μας στον γαλαξία, απλά για να δούμε τάξεις μεγέθους. Η πραγματικότητα είναι εξαιρετικά πολύπλοκη λόγω δύο δεδομένων.

Α) Ο γαλαξίας μας όπως ο ήλιος και οι αέριοι γίγαντες του ηλιακού μας συστήματος Δίας και Κρόνος που δεν είναι συμπαγή στερεά περιστρέφονται διαφορικά, δηλαδή περιστρέφονται ταχύτερα στον ισημερινό και πιο αργά όσο απομακρυνόμαστε απο αυτόν.

Β) Ένα σοβαρό πρόβλημα όμως είναι το γεγονός ότι οι ταχύτητες καθώς πλησιάζουμε στα όρια του γαλαξία μας είναι σημαντικά μεγαλύτερες απο τις αναμενόμενες όπως βλέπουμε στο παρακάτω διάγραμμα. Η κόκκινη γραμμή είναι οι μετρούμενες ταχύτητες και οι μπλέ διακεκομένες οι αναμενόμενες αν ο γαλαξίας μας αποτελούνταν μόνο απο συνηθισμένη βαρυονική ύλη.

Πάντως αν ο γαλαξίας μας αποτελούνταν μόνο απο βαρυονική ύλη θα είχε αυτοδιαλυθεί δεδομένου ότι τα αστέρια στις παρυφές του θα ήταν χαλαρά συνδεδεμένα βαρυτικά με τον πυρήνα. Η μόνη εξήγηση που προκρίνεται σήμερα για τα παραπάνω είναι η παρουσία σκοτεινής ύλης σε μία άλω γύρω απο τον πυρήνα και σε ποσοστό που αγγίζει το 90% της συνολικής μάζας. Η παρουσία σκοτεινής ύλης λύνει και άλλα ζητήματα όπως η συνοχή σμηνών και υπερσμηνών γαλαξιών καθώς και η  παρατηρούμενη εικόνα απο βαρυτικούς φακούς.Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει καμία ακτινοβολία σε κανένα μήκος κύματος εξ ου και αόρατη. Αλληλεπιδρά όμως βαρυτικά με τη βαρυονική ύλη. Ζητούμενο επομένως είναι να προσδιοριστεί η φύση της ή να βρεθεί κάτι άλλο στη θέση της. Μια μειοψηφία αστροφυσικών προτείνει μια τροποποιημένη Νευτώνεια βαρύτητα που θα απαντά στα παραπάνω ζητήματα. Όπως και να έχει η πιο οικεία μας δύναμη η βαρύτητα, μας δημιουργεί τα πιο σοβαρά προβλήματα(ας μην ξεχνάμε και την επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος), παρά το γεγονός ότι έχουμε δύο θεωρίες για τη βαρύτητα που και οι δύο είναι …σωστές. Ακολουθεί η άσκηση.

milky-way

(Visited 424 times, 1 visits today)
Subscribe
Ειδοποίηση για
11 Σχόλια
Inline Feedbacks
Όλα τα σχόλια
Διονύσης Μάργαρης
Διαχειριστής
5 μήνες πριν

Καλημέρα Άρη.
Όπως και να έχει η πιο οικεία μας δύναμη η βαρύτητα, μας δημιουργεί τα πιο σοβαρά προβλήματα… παρά το γεγονός ότι έχουμε δύο θεωρίες για τη βαρύτητα που και οι δύο είναι …σωστές” !!!

Ανδρέας Ριζόπουλος
Αρχισυντάκτης
5 μήνες πριν

Καλησπέρα Άρη. Πολύ καλή και κατανοητή από τους μαθητές άσκηση. Δεν αντέχω να μην ξανααναφέρω το κακό που κάνει – σε σχέση με τις 2 μόνο ώρες και τις κενές αίθουσες λόγω covid – η τράπεζα θεμάτων. Μας έχουν βάλει να τρέχουμε σαν άλογα να τελειώσουμε την ύλη σε Α και Β, προσπερνώντας έτσι ωραία θέματα βαρύτητας ή αργότερα ηλεκτρισμού και θερμοδυναμικής. Οι μαθητές της Β΄ξέροντας ότι δε θα δώσουν βαρύτητα κ.λ.π. στις Πανελλαδικές, αδιαφορούν και εμείς ψάχνουμε τρόπους να τους ενεργοποιήσουμε. Παρατηρώ επίσης και το μειωμένο ενδιαφέρον ΚΑΙ των συναδέλφων και αυτό το θεωρώ πολύ άσχημο γεγονός. Αν εμείς απαξιώνουμε τη Φυσική που διδάσκουμε με τι κότσια να ζητάμε κάτι διαφορετικό από τα παιδιά;
Δες για παράδειγμα την ανάρτησή μου
Ένα αστέρι νετρονίων με 0 σχόλια…
Ως δημόσιος δάσκαλος κάνω όλη τη Φυσική που μου επιτρέπεται, γιατί πολλοί μαθητές, δε θα ξανακούσουν ποτέ – από Φυσικό τουλάχιστον – κάποια πράγματα.
Σε ευχαριστούμε για αυτές τις αναρτήσεις, που μας διδάσκουν όλους σε έναν τομέα που στη χώρα μας βρίσκεται στα αζήτητα.
Στη φωτογραφία γράφει We are here!.
Πόσο εύκολο όμως είναι σε έναν Πυρηνικό Πολιτισμό να γίνει
We were here!

Ανδρέας Ριζόπουλος
Αρχισυντάκτης
5 μήνες πριν
Απάντηση σε  Ραμαντάς Άρης

Άρη μια και το ανέφερες, αν έχεις χρόνο, κοίτα και την
Βάρος και βαρύτητα
Στα 800Ν μου βγαίνει στον Ισημερινό, μείωση “ένδειξης βάρους” κατά 2,72Ν.
Να είσαι καλά!

Διονύσης Μάργαρης
Διαχειριστής
5 μήνες πριν

Καλησπέρα Ανδρέα.
Παρατηρώ επίσης και το μειωμένο ενδιαφέρον ΚΑΙ των συναδέλφων και αυτό το θεωρώ πολύ άσχημο γεγονός. Αν εμείς απαξιώνουμε τη Φυσική που διδάσκουμε με τι κότσια να ζητάμε κάτι διαφορετικό από τα παιδιά;
Δες για παράδειγμα την ανάρτησή μου
Ένα αστέρι νετρονίων με 0 σχόλια…”
Ακριβώς αυτό συμβαίνει Ανδρέα…

Ανδρέας Ριζόπουλος
Αρχισυντάκτης
5 μήνες πριν
Απάντηση σε  Διονύσης Μάργαρης

Καλησπέρα Διονύση. Και στην Α΄τάξη βλέπω δυστυχώς αντίστοιχα φαινόμενα.
Η κίνηση με την επίδραση τριών δυνάμεων με 2 σχόλια…
Τραβώντας ένα κιβώτιο με 3 σχόλια…
Το 0 όμως είναι ρεκόρ, ελπίζω να μην το πετύχει κανένας άλλος σύντομα…

Αρης Αλεβίζος
Αρχισυντάκτης
5 μήνες πριν

Γεια σου Άρη.
Τι ακριβώς εννοείς με το «έχουμε δύο θεωρίες για τη βαρύτητα που και οι δύο είναι …σωστές” !!!»
Υποθέτω εννοείς:
Καθιερωμένο Πρότυπο της Κοσμολογίας, Λ–CDM που ενσωματώνει την θεωρία της σκοτεινής ύλης και ενέργειας
Και την Τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική MoND του Mordehai Milgrom Η βασική παραδοχή της MOND είναι ότι ενώ οι νόμοι του Νεύτωνα έχουν δοκιμαστεί εκτενώς σε περιβάλλοντα υψηλής επιτάχυνσης (στο Ηλιακό Σύστημα και στη Γη), δεν έχουν επαληθευτεί για αντικείμενα με εξαιρετικά χαμηλή επιτάχυνση, όπως τα αστέρια στα εξωτερικά τμήματα των γαλαξιών. Αυτό οδήγησε τον Milgrom να διατυπώσει έναν νέο νόμο αποτελεσματικής βαρυτικής δύναμης (μερικές φορές αναφέρεται ως “νόμος του Milgrom”) που συσχετίζει την πραγματική επιτάχυνση ενός αντικειμένου με την επιτάχυνση που θα προβλεπόταν γι’ αυτό με βάση τη Νευτώνεια μηχανική
Για ένα αστέρι σε απόσταση r από  υο κέντρο του γαλαξία του ισχύει
  u^4≈ GM
δηλαδή, η ταχύτητα περιστροφής του αστέρα είναι ανεξάρτητη από το r, την απόστασή του από το κέντρο του γαλαξία.

Αυτές συγκρίνεις;

Αρης Αλεβίζος
Αρχισυντάκτης
5 μήνες πριν

Γεια σου Άρη.

Σωστά κατάλαβα ότι μιλάς για την ερμηνεία με την MoD σε σχέση με αυτήν  μέσω σκοτεινής ύλης. Και σωστά τώρα επισημαίνεις ότι πέρα από την προσπάθεια της MoD να δικαιολογήσει την διαφορετική ταχύτητα των απομακρυσμένων άστρων  ενός γαλαξία από την αναμενόμενη από την Νευτώνεια δυναμική δεν μπορεί να εξηγήσει άλλα φαινόμενα.

Αυτός ήταν και ο λόγος της ερώτησής μου.

Γενικότερα τώρα, μια και το έβαλες στην κουβέντα, όχι μόνο η Λ-CDM- ένα κλασσικό θεωρητικό κατασκεύασμα που προβλέπει δυναμικά πολλά παρατηρούμενα χαρακτηριστικά τόσο του CMB όσο και του σύγχρονου κόσμου- αλλά όλες οι θεωρίες μας είναι αναθεωρήσιμες ή μπορεί να αποδειχθούν εντελώς λανθασμένες. Το πείραμα είναι η λυδία λίθος για τα πάντα.

Έτσι οι δυο μεγάλες θεωρίες για το πολύ μεγάλο ή το πολύ μικρό, Γενική Θεωρία της Σχετικότητας και Καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων   είναι σίγουρα ατελείς, άσχετα από τις επιτυχίες τους στην ερμηνεία και την πρόβλεψη γεγονότων και φαινομένων. Γι’ αυτό τις χρησιμοποιούμε ακόμη.

Όμως οι απειρισμοί είναι μια μαθηματική έννοια που δεν υπάρχει στη φύση και όποιες θεωρίες περιέχουν απειρισμούς θεωρούνται ατελείς.

Γνωρίζουμε πως η Γενική Σχετικότητα είναι ατελής αφού προβλέπει απειρισμούς μεγεθών όπως η καμπυλότητα της γεωμετρίας του χωροχρόνου στο εσωτερικό μιας μαύρης τρύπας και στο Big Bang.

Επίσης το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων είναι ατελής διότι στο κενό της κβαντικής θεωρίας πεδίου πρέπει να υπάρχουν άπειρα σωματίδια –κβάντα ενέργειας-  άρα και άπειρη ενέργεια.

Γι’ αυτό οι θεωρητικοί αναπτύσσουν  δυο μεγάλες οικογένειες θεωριών οι οποίες επιδιώκουν να απαλλάξουν από τους απειρισμούς τόσο την γενική θεωρία σχετικότητας όσο και το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων
Η πρώτη οικογένεια θεωριών είναι  η θεωρία χορδών και η δεύτερη η κβαντική βαρύτητα βρόχων.

Το στάνταρ μοντέλο πάσχει όμως και σε πολλά άλλα σημεία: Πιο συγκεκριμένα, εξαρτάται από 19  παραμέτρους των οποίων οι τιμές δεν προκύπτουν από κάποιες αρχές αλλά είναι ρυθμισμένες με το χέρι για να συμφωνούν με τα πειραματικά δεδομένα. Δεν μπορεί να εξηγήσει τη μάζα των νετρίνων κλπ

Έτσι υπάρχουνπολλές οι προσπάθειες εναλλακτικής θεωρίας. Μια πρόσφατη που έχω πρόχειρη είναι η Rotating Lepton Model ή RLM του δικού μας Κώστα Βαγενά, μέλους της Ακαδημίας Αθηνών και πρώην καθηγητής στα ΜΙΤ και στο Yale.

Νίκος Σαμαράς
4 μήνες πριν

Καλησπέρα και από μένα,

Είμαι νέος στην σελίδα και θέλω αρχικά να εκφράσω τα συγχαρητήρια μου στην προσπάθεια σας. 

Η συνεννόηση μεταξύ των ανθρώπων που αγαπούν την μόρφωση και ασπάζονται τα ιδεώδη της δια βίου μάθησης είναι οι πυλώνες της προόδου.
Θεωρώ ότι, όπως προείπατε, στην εποχή μας, στερούμαστε αξίες και στόχους και ένας εκπαιδευτικός (και όχι μόνον) επαναπροσανατολισμός είναι τουλάχιστον αναγκαίος. Ας σταματήσουμε να διδάσκουμε επιτέλους ευφάνταστες ασκήσεις κεκλιμένων επιπέδων και ας βάλουμε την τεχνολογία και την σύγχρονη επιστήμη στην καθημερινή μας ζωή. 

Θα ήθελα να σημειώσω και εγώ με την σειρά μου ορισμένα σημεία που περιέχουν παρανοήσεις και λάθη. 

1. Διαφορική περιστροφή είναι όντως η περιστροφή γύρω από έναν άξονα, με διαφορετικές τιμές γωνιακής ταχύτητας. Ωστόσο στο γαλαξιακό επίπεδο τα πράγματα είναι διαφορετικά. Το πάχος του γαλαξιακού δίσκου (περίπου 1000 έτη φωτός ή 300 pc) είναι πολύ μικρό σε σχέση με την διάμετρο του (~ 105.000 έτη φωτός). Τα περισσότερα αντικείμενα κινούνται πολύ κοντά στον γαλαξιακό επίπεδο. Σημείωση ότι η κίνηση γίνεται στις 3 διαστάσεις του χώρου, όμως δεν μας κάνουμε λόγο για ισημερινό και πόλους. Η γαλαξιακή δομή συνήθως αποτελείται από τον γαλαξιακό δίσκο, το bulge και την άλω (και την σκοτεινή ύλη). Η ανάγκη για σκοτεινή ύλη ή καλύτερα για επιπλέον επιτάχυνση, δεν σχετίζεται με την διαφορική περιστροφή, αλλά με την απόσταση των αστρονομικών αντικειμένων από το γαλαξιακό κέντρο και το όριο της ασθενής βαρυτικής δύναμης (weak acceleration limit.) . Είναι εκείνο το σημείο στον χώρο των φάσεων που δεν μπορεί να εξηγήσει τις ταχύτητες των αστεριών (αλλά και των σμηνών αστεριών) ούτε με τους νόμους του Κέπλερ ούτε με την ΓΘΣ. 

2. Αμφιβάλλω αν ο γαλαξίας θα είχε αυτοδιαλυθεί αν αποτελείται μόνο από βαρυονική ύλη. Εξαρτάται από το βαρυτικό δυναμικό. Και εδώ γίνεται η γενίκευση, και όχι τροποποίηση της βαρύτητας. Την βαρύτητα και γενικότερα την φύση και την συμπεριφορά της δεν μπορούμε να την αλλάξουμε. Αυτό που κάνουμε είναι να αναζητούμε τρόπους που να γενικεύονται μέσω εξισώσεων οι συνέπειες της. 

Είναι αλήθεια ότι με τον ισχύοντα νόμο του Poisson, χρειάζεται κάποιος αρκετή ποσότητα σκοτεινής ύλης για να εξηγήσει τις τροχιές των αστεριών σε μεγάλες αποστάσεις απο το κέντρο των γαλαξιών. Αν όμως, εφαρμόσουμε τον γενικευμένο νόμου του Milgrom, τότε οι προβλέψεις γίνονται με μεγάλη ακρίβεια.

4. Υπάρχουν πολλές θεωρίες βαρύτητας. Μέχρι στιγμής έχουμε την Νευτώνια κλασική, την ΓΘΣ και την θεωρία του Milgrom που μπορούν να κάνουν προβλέψεις με επιτυχία. Όλες αντιμετωπίζουν προβλήματα όταν αλλάζουμε κλίματα επιτάγχυνσης. Το ΛCDM είναι κοσμολογικό μοντέλο που βασίζεται στην ΓΘΣ (που με την σειρά της έχει σαν ασθενές όριο την κλασική.)

5. Ο βαρυτικός, λοιπόν, νόμος του Milgrom έχει σαν ακρωνύμιο MOND, MilgrOmiaN Dynamics, αν και όντως παλιότερα ξεκίνησε σαν Modified Newtonian Dynamics. Οι θεωρίες βαρυτητες λέγονται MG, Modified Gravity (theories).

Τέλος θα ήταν φρόνιμο να αντιληφθούμε την μικρότητα των ανθρώπου πρώτου βιαστούμε να συμπεράνουμε λανθασμένα ότι είμαστε σε θέση να εξηγήσουμε όλα τα κοσμολογικά φαινόμενα και να αναζητούμε ενοποιημένες ή ισοδύναμες θεωρίες που απλώς αναπαραγάγουν επιστημονικά μοντέλα που πάσχουν πανταχόθεν.

Ευχαριστώ για τον χρόνο σας,
Νίκος Σαμαράς