Η βαρύτητα μπορεί να φαίνεται απλή στην καθημερινή ζωή. Αφήστε ένα μήλο και πέφτει. Σε κοσμική κλίμακα, ωστόσο, η βαρύτητα μετατρέπεται σε μία από τις μεγαλύτερες δοκιμασίες (stress tests) της επιστήμης.
Διέπει τη δημιουργία των γαλαξιών, τη συμπεριφορά των γαλαξιακών σμηνών και τη συνολική δομή του σύμπαντος, κι όμως ορισμένες από τις κινήσεις του σύμπαντος εξακολουθούν να μην “βγαίνουν” υπολογιστικά.
Αυτή η μακροχρόνια αναντιστοιχία ήταν που ώθησε τον κοσμολόγο του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια, Patricio A. Gallardo, και τους συνεργάτες του να θέσουν ένα βασικό αλλά βαθυστόχαστο ερώτημα: Τι θα γινόταν αν η ίδια η βαρύτητα συμπεριφερόταν διαφορετικά στις μεγαλύτερες αποστάσεις του σύμπαντος;
“Η αστροφυσική ταλανίζεται από μια τεράστια απόκλιση στο κοσμικό ισοζύγιο“, λέει ο Gallardo.
Από το μήλο του Νεύτωνα στα πέρατα του Σύμπαντος: Η δικαίωση μιας θεωρίας 300 ετών
“Όταν παρατηρούμε πώς τα άστρα περιφέρονται εντός των γαλαξιών ή πώς κινούνται μέσα στα γαλαξιακά σμήνη, ορισμένα φαίνονται να ταξιδεύουν με πολύ μεγάλη ταχύτητα για την ποσότητα της ορατής ύλης που περιέχουν”.
Αυτή η αναντιστοιχία οδηγεί σε δύο πιθανές εξηγήσεις. Είτε υπάρχουν μεγάλες ποσότητες αόρατης “σκοτεινής ύλης” που προσθέτουν βαρυτική επίδραση, είτε “οι θεμελιώδεις εξισώσεις της βαρύτητας πρέπει να τροποποιηθούν”.
Τώρα, αντλώντας δεδομένα από το Κοσμολογικό Τηλεσκόπιο Ατακάμα (ACT) —ένα όργανο ύψους περίπου τριών έως τεσσάρων ορόφων που αναπτύχθηκε σε μεγάλο βαθμό από ερευνητές του Penn με επικεφαλής τον Mark Devlin— ο Gallardo και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν μια δοκιμή της βαρύτητας σε πρωτοφανή κλίμακα.
Εξέτασαν γαλαξιακά σμήνη που χωρίζονται από εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός, καθιστώντας αυτή την εξέταση την πιο εκτεταμένη δοκιμή της βαρύτητας μέχρι σήμερα.
Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review Letters, δείχνουν ότι η ισχύς της βαρύτητας μειώνεται με την απόσταση σύμφωνα με τις προβλέψεις που έκανε ο Νεύτων και οι οποίες αργότερα ενσωματώθηκαν στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Νεύτων και Αϊνστάιν εναντίον MOND: Η επικράτηση του καθιερωμένου μοντέλου
“Είναι εντυπωσιακό το γεγονός ότι ο νόμος των αντιστρόφων τετραγώνων —που προτάθηκε από τον Νεύτωνα τον 17ο αιώνα και στη συνέχεια ενσωματώθηκε στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν— εξακολουθεί να κρατά γερά τον 21ο αιώνα“, λέει ο Gallardo.
Αυτά τα ευρήματα ενισχύουν μια κεντρική αρχή της σύγχρονης κοσμολογίας. Επιβεβαιώνοντας ότι η βαρύτητα συμπεριφέρεται όπως αναμένεται, ακόμη και σε τεράστιες αποστάσεις μεταξύ γαλαξιακών σμηνών, τα αποτελέσματα ισχυροποιούν το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας.
Παράλληλα, αμφισβητούν εναλλακτικές ιδέες, όπως η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND), οι οποίες επιχειρούν να εξηγήσουν την κοσμική συμπεριφορά μεταβάλλοντας τους νόμους της βαρύτητας
Όταν ο Νεύτων περιέγραψε για πρώτη φορά τη σχέση του αντιστρόφου τετραγώνου, επικεντρώθηκε στις κινήσεις εντός του Ηλιακού Συστήματος. Σήμερα, η ίδια αρχή έχει δοκιμαστεί σε αποστάσεις και μάζες που ήταν “ασύλληπτες στην εποχή του Νεύτωνα“, λέει ο Gallardo.
Κατανοώντας τα “όρια ταχύτητας” του σύμπαντος
Οι γαλάζιες, οι οποίοι ξεπερνούν τα 200 δισεκατομμύρια, δεν συμπεριφέρονται όπως αναμένεται αν ληφθεί υπόψη μόνο η ορατή ύλη. Με βάση τη Νευτώνεια φυσική, τα άστρα που βρίσκονται πιο μακριά από το κέντρο ενός γαλαξία θα έπρεπε να περιφέρονται πιο αργά. Αντίθετα, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι αυτές οι εξωτερικές περιοχές κινούνται ταχύτερα από το αναμενόμενο.
Ένα παρόμοιο μοτίβο εμφανίζεται στα γαλαξιακά σμήνη, όπου ολόκληροι γαλαξίες ταξιδεύουν με ταχύτητες που δεν μπορούν να εξηγηθούν από τη μάζα που μπορούμε να δούμε.
“Αυτό είναι το κεντρικό παζλ“, εξηγεί ο Gallardo. “Είτε η βαρύτητα συμπεριφέρεται διαφορετικά σε πολύ μεγάλες κλίμακες, είτε το σύμπαν περιέχει πρόσθετη ύλη την οποία δεν μπορούμε να δούμε άμεσα”.
Δοκιμάζοντας τη βαρύτητα σε όλο το σύμπαν
Για να διερευνήσουν αυτό το ερώτημα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δεδομένα από το ACT που ανιχνεύουν το φως που εκπέμφθηκε περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, γνωστό ως κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου.
Καθώς αυτό το αρχέγονο φως διέρχεται μέσα από γαλαξιακά σμήνη, η πορεία του επηρεάζεται ανεπαίσθητα από την κίνησή τους, αφήνοντας ανιχνεύσιμα αποτυπώματα. Αναλύοντας αυτές τις επιδράσεις σε εκατοντάδες χιλιάδες σμήνη που εκτείνονται σε δεκάδες εκατομμύρια έτη φωτός, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν πώς λειτουργεί η βαρύτητα στις μεγαλύτερες γνωστές δομές.
Εάν εναλλακτικές θεωρίες, όπως η MOND, ήταν σωστές, το μοτίβο της εξασθένησης της βαρύτητας θα διέφερε από τις καθιερωμένες προβλέψεις. Αντίθετα, οι μετρήσεις ταυτίστηκαν απόλυτα με τις προσδοκίες τόσο του πλαισίου του Νεύτωνα όσο και εκείνου του Αϊνστάιν.
Επειδή η βαρύτητα συμπεριφέρεται όπως προβλεπόταν, το πρόβλημα της ελλείπουσας μάζας δεν μπορεί να εξηγηθεί μέσω της αλλαγής των νόμων της βαρύτητας. Αυτό ενισχύει το επιχείρημα ότι μια αόρατη μορφή ύλης, η σκοτεινή ύλη, είναι υπεύθυνη για τις πρόσθετες βαρυτικές επιδράσεις.
Το μυστήριο της σκοτεινής ύλης
Ο προσδιορισμός της πραγματικής φύσης της σκοτεινής ύλης παραμένει ένα από τα πιο σημαντικά ανοιχτά ερωτήματα στη φυσική. “Αυτή η μελέτη ενισχύει τις αποδείξεις ότι το σύμπαν περιέχει ένα συστατικό σκοτεινής ύλης”, λέει ο Gallardo. “Αλλά ακόμα δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται αυτό το συστατικό”.
Μελλοντικές παρατηρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου και διευρυμένες έρευνες γαλαξιών αναμένεται να προσφέρουν ακόμη πιο ακριβείς δοκιμές της βαρύτητας. “Με τόσα αναπάντητα ερωτήματα, η βαρύτητα παραμένει ένας από τους πιο συναρπαστικούς τομείς έρευνας. Είναι ένα πεδίο… ελκυστικό από τη φύση του”, καταλήγει ο Gallardo.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου