STAR WARS ! Μία Γαλαξιακή Αναμέτρηση «Αόρατων Δυνάμεων» – Υλικό Φυσικής

STAR WARS ! Μία Γαλαξιακή Αναμέτρηση των «Αόρατων Δυνάμεων»

→ (Intro to Trilogy) ←

Ενώ οι νόμοι της κίνησης και της βαρύτητας του Νεύτωνα είναι από καιρό πυλώνες της κλασικής φυσικής, το αντίπαλο δέος, η θεωρία της MOND (Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική) γεννήθηκε για να αμφισβητήσει αυτές τις αρχές, προτείνοντας τροποποιήσεις στους νόμους της βαρύτητας, όταν υπάρχουν πολύ χαμηλές επιταχύνσεις.

Μία χρόνια αντιπαράθεση αντίθετων ιδεολογιών που μας παραπέμπει στις επικές μάχες μεταξύ των δυνάμεων της Αυτοκρατορίας και της Επαναστατικής Συμμαχίας στην επική ταινία του STAR WARS, όπως εκεί, έτσι και εδώ σε μια ανηλεή γαλαξιακή σύγκρουση για την κυριαρχία της «μίας και μοναδικής θεωρίας» στο διάστημα.

→ (Episode IV – A New Hope) ←

Σύμφωνα με τον 2ο νόμο κίνησης του Νεύτωνα (η βαρυτική έλξη της ύλης είναι ίση με το γινόμενο της μάζας και της επιτάχυνσής του), οι ταχύτητες των άστρων μακριά από το κέντρο των γαλαξιών αναμενόταν να μειώνονται, καθώς θα αντιμετώπιζαν μικρότερη βαρυτική δύναμη. Ωστόσο, από τη δεκαετία του 1930 ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky ανακάλυψε ότι οι ταχύτητες στα σμήνη άστρων στις μακρινές άκρες του γαλαξία της Ανδρομέδας, ήταν πολύ υψηλές για την ορατή μάζα που μπορούσαμε να παρατηρήσουμε (οι μετρήσεις έδειξαν ότι δεν υπήρχε η αναμενόμενη μείωση στις ταχύτητες με την αύξηση της απόστασης απο το κέντρο του γαλαξία).

Αργότερα, το ίδιο φαινόμενο περιγράφηκε από αρκετές ομάδες αστρονόμων, όπως οι Vera Rubin και Kent Ford, ενώ τις τελευταίες δεκαετίες, αμέτρητοι άλλοι ανιχνευτές συστημάτων βαρύτητας σε πολύ μεγάλου μήκους κλίμακες, το επιβεβαίωναν.

Έτσι προέκυψαν επιστήμονες με την επικρατούσα άποψη ότι αυτό το ύποπτο γαλαξιακό δομικό κράτημα υποδηλώνει την ύπαρξη της «σκοτεινής ύλης» – μια άγνωστη και αόρατη ουσία η οποία δημιουργεί μια ισχυρότερη βαρυτική έλξη και έτσι τη ταχύτερη αστρική κίνηση και παράλληλα δρα σαν συγκολλητική ουσία για να φτιαχτούν οι μεγάλες δομές, όπως οι γαλαξίες, στο σύμπαν.

Η ιδέα είναι ότι τεράστια φωτοστέφανα αυτής της σκοτεινής ύλης τυλίγουν και συνδέουν βαρυτικά τους γαλαξίες μεταξύ τους, εμποδίζοντας έτσι το περιεχόμενό τους να «πετάξει προς τα έξω», σαν τα άλογα σε καρουζέλ όταν περιστρέφονται πολύ γρήγορα.

Αντιπροσωπεύει περίπου το 85% της ύλης και περίπου το 1/4 της συνολικής ενεργειακής της πυκνότητας – για σχεδόν έναν αιώνα.

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.

→ (Episode V – The Empire Strikes Back) ←

Χρόνια αργότερα και συγκεκριμένα το 1983, παρουσιάστηκε απο τον Mordehai Milgrom η εναλλακτική θεωρία της MOND (Modified Newtonian Dynamics) [1], που και αυτή προσπάθησε ουσιαστικά να εξηγήσει την γρηγορότερη περιστροφή των άκρων στους γαλαξίες, εξαλείφει την ανάγκη για την σκοτεινή ύλη, προτείνοντας τα εξής :

• ο περίφημος νόμος της βαρύτητας του Ισαάκ Νεύτωνα είναι σωστός – αλλά ισχύει μέχρι ενός ορίου απόστασης

• κάτω από μεγάλες περιστροφικές ταχύτητες, αλλά με εξαιρετικά χαμηλές επιταχύνσεις (a₀ ≈ 1.2 × 10⁻¹⁰ m/s²) όπως αυτές που παρατηρούνται στα άκρα των γαλαξιών, κυριαρχεί ένας διαφορετικός τύπος βαρυτικής συμπεριφοράς

• για επιταχύνσεις μικρότερες του a₀, ο ρυθμός μεταβολής της βαρύτητας – συμπεριλαμβανομένης της καμπυλότητας του χωροχρόνου – αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα της μάζας (και όχι γραμμικά σύμφωνα με τον νόμο του Νεύτωνα) και μειώνεται γραμμικά με την απόσταση (αντί με την απόσταση στο τετράγωνο)

Η MOND δεν ήταν εξαιρετικά εφαρμόσιμη μόνο στις παραπάνω παρατηρήσεις γαλαξιακής κλίμακας, αλλά είχε αξιοσημείωτα αποτελέσματα και στις κινήσεις σωμάτων στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, σύμφωνα με τον Harsh Mathur, (Case Western Reverse ) ο οποίος διεξήγαγε μια νέα μελέτη με την καθηγήτρια φυσικής του Hamilton College, Katherine Brown (αναφορά στο άρθρο μου «Πλανήτης 9, MOND ή κάτι άλλο ;»).

Star Wars…

Έτσι κάπου στην πορεία, προκύπτουν δύο επιστημονικές ομάδες να υποστηρίζουν διαφορετικές θεωρίες για να εξηγήσουν το ίδιο φαινόμενο: τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών [1][2][3].

• Η μια ομάδα να υποστηρίζει την υπόθεση της σκοτεινής ύλης, δηλαδή μια αόρατη μορφή ύλης που αλληλεπιδρά με την κανονική ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας, λαμβάνοντας υπόψη τα παρατηρούμενα βαρυτικά αποτελέσματα στους γαλαξίες.

• Η άλλη ομάδα να υποστηρίζει τη θεωρία MOND, προτείνοντας ότι οι νόμοι της βαρύτητας σε πολύ χαμηλές επιταχύνσεις, «τροποποιούνται ελαφρώς», επιτρέποντας έτσι στους γαλαξίες να περιστρέφονται με ταχύτητες που διαφορετικά θα ήταν αδύνατες με βάση μόνο την ορατή ύλη. Δηλαδή ο νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα γίνεται ακανόνιστος όταν η βαρυτική έλξη είναι πολύ αδύναμη – όπως συμβαίνει στις εξωτερικές περιοχές ενός Γαλαξία.

Μια μάχη κωμωδίας των λανθασμένων θεωριών ;

Η παραδοχή της σκοτεινής ύλης μπορεί να αποτελεί το κυρίαρχο παράδειγμα στην κοσμολογία για δεκαετίες, αλλά δεν έχει παρατηρηθεί άμεσα και θεωρείται ένα αυθαίρετο πρόσθετο στη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν για να ταιριάζουν τα δεδομένα.

Το μυστήριο της 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).

Η MOND, από την άλλη πλευρά, έχει θεωρηθεί μια αξιόπιστη εναλλακτική λύση στη σκοτεινή ύλη, προσφέροντας μια πιο συνεπή εξήγηση για τις παρατηρούμενες καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών. «Πειράζοντας λίγο» τους νόμους της βαρύτητας στις τεράστιες κλίμακες των γαλαξιών, ίσως να μην την χρειάζεται καθόλου !

Μάλιστα, πρόσφατη έρευνα παρείχε νέα στοιχεία υπέρ της MOND, με μια ομάδα επιστημόνων να ανιχνεύει ένα «φαινόμενο εξωτερικού πεδίου» (External Field Effect-EFE), μοναδικό στη MOND. Το EFE είναι μια βασική πτυχή της θεωρίας MOND και παίζει ρόλο στο πώς λειτουργεί ο νόμος της τροποποιημένης δύναμης [4]. Για τους οπαδούς της MOND, οι νόμοι βαρύτητας μπορεί να δοκιμάζονται καλά μέσα στο ηλιακό μας σύστημα, ΟΜΩΣ θα πρέπει να τους προσεγγίσει κανείς προσεκτικά σε γιγαντιαίες κλίμακες μήκους.

Μήπως τελικά ο βαρυτικός νόμος είναι απλά διαφορετικός σε κλίμακες που είναι τουλάχιστον ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερες ;

Η επιστημονική κοινότητα παραμένει διχασμένη, με πολλούς επιστήμονες να προτιμούν ακόμη την δελεαστική υπόθεση της σκοτεινής ύλης, λόγω της ευρύτερης επεξηγηματικής της δύναμης, εκτός από αυτής των καμπύλων περιστροφής των γαλαξιών [2].

Αντίθετα, η MOND, 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.

Τα ισχυρά επιχειρήματα εναντίον της MOND βασίζονται στο ότι δεν μπορεί να εξηγήσει :

• το πρόβλημα της ταυτόχρονης έλλειψης μάζας που υπάρχει στους γαλαξίες και στα σμήνη των γαλαξιών.

• στις συγκρούσεις μεταξύ των γαλαξιών, όπου τα αστέρια του κάθε γαλαξία περνούν το ένα προς τον άλλο, 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 θα πρέπει να 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.

→ (Episode VI – Return of the Jedi) ←

Και τελικά τι ;

Αρκετά ερωτηματικά, ελλείψεις και παραδοχές χωρίς καμμία από τις δύο πλευρές να μπορεί να περιγράψει πλήρως και με σαφήνεια το πεδίο της μάχης μέσα σε αυτή την τριλογία του StarWars που παρακολουθούμε.

Αναρωτιέμαι γιατί ως φυσικός να νιώθω «Στρατηγός του Σύμπαντος», όταν στην κοσμική σύγκρουση που κλήθηκα να συμμετάσχω, η τακτική των δυνάμεων της Αυτοκρατορίας είναι να «επεμβαίνουν» στους Νόμους αφήνοντας αμετάβλητο αυτό που παρατηρούν, σε αντίθεση με την Επαναστατική Συμμαχία, που αρέσκεται να «επεμβαίνει» σε αυτό που παρατηρεί, αφήνοντας αμετάβλητους τους Νόμους ;

«Οποιος καμαρώνει για αφεντιά, πρέπει και αφέντης νάναι»,
μας ψιθυρίζει μέσα από την αστρόσκονη του Σύμπαντος ο Αλβέρτος, αναμένοντας μάλλον τον κλώνο του να ποντάρει σε μία νεότερη θεωρία που θα τον έστελνε στο ταμείο και τις δύο παραπάνω θεωρίες στον κουβά...