Τι θα γινόταν αν η σκοτεινή ύλη είναι απλώς η αμοιβαία βαρυτική έλξη ολόκληρου του σύμπαντος;
Λεπτομερής μελέτη μιας συναρπαστικής ιδέας
Η σκοτεινή ύλη είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια της σύγχρονης κοσμολογίας και αστροφυσικής. Οι παρατηρήσεις που περιλαμβάνουν τις καμπύλες περιστροφής γαλαξιών, τον βαρυτικό φακό και το σχηματισμό μεγάλης κλίμακας δομής δείχνουν ότι στο σύμπαν υπάρχει μια μορφή ύλης που δεν αλληλεπιδρά με το φως – γι' αυτό και ονομάζεται «σκοτεινή». Βάσει της αντίληψης της βαρύτητας του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν, η ορατή, «κανονική» ύλη (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) αποτελεί μόνο περίπου το 5% της συνολικής ενέργειας και ύλης του σύμπαντος, ενώ η σκοτεινή ύλη περίπου το 27% (το υπόλοιπο αποτελείται από σκοτεινή ενέργεια).
Αλλά τι γίνεται αν αυτή η ελλείπουσα μάζα δεν υπάρχει καθόλου; Ίσως είναι απλώς το αποτέλεσμα της αμοιβαίας έλξης του σύμπαντος: οι μικρές συνεισφορές βαρύτητας όλων των αστεριών, πλανητών και σωματιδίων αερίων, που συνολικά δημιουργούν φαινόμενα που ερμηνεύουμε ως «σκοτεινή ύλη». Είναι μια συναρπαστική ιδέα: θα μπορούσαμε να απορρίψουμε την έννοια της σκοτεινής ύλης ως ξεχωριστού συστατικού και να εξηγήσουμε τα πάντα μόνο με τη συνολική επίδραση της βαρύτητας της ορατής ύλης σε τεράστια κλίμακα;
Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε λεπτομερώς αυτή την ιδέα – θα ανασκοπήσουμε τις αποδείξεις ύπαρξης της σκοτεινής ύλης, τις επιστημονικές προσπάθειες να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο και γιατί η σκέψη «είναι απλώς η βαρύτητα από ό,τι υπάρχει» είναι ταυτόχρονα ελκυστική αλλά, δυστυχώς, ανεπαρκής, λαμβάνοντας υπόψη τα λεπτομερή δεδομένα παρατήρησης.
1. Αποδείξεις ύπαρξης σκοτεινής ύλης
1.1 Καμπύλες περιστροφής γαλαξιών
Μία από τις πρώτες σαφείς αποδείξεις της ύπαρξης της σκοτεινής ύλης είναι οι μετρήσεις της ταχύτητας των τροχιών των αστεριών στα άκρα των γαλαξιών. Σύμφωνα με τη μηχανική του Νεύτωνα, η ταχύτητα των τροχιών των αστεριών στα άκρα του γαλαξία θα έπρεπε να μειώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο – παρόμοια με το πώς η ταχύτητα των πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα μειώνεται όσο απομακρύνονται από τον Ήλιο.
Ωστόσο, οι αστρονόμοι παρατήρησαν ότι τα αστέρια στις σπειροειδείς γαλαξίες στις πιο απομακρυσμένες περιοχές κινούνται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι θα προέβλεπαν οι συνήθεις υπολογισμοί. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται «επίπεδες καμπύλες περιστροφής», δείχνει ότι υπάρχει πολύ περισσότερη μάζα από ό,τι μπορούμε να προσδιορίσουμε από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φως σε διάφορα μήκη κύματος). Αν στον γαλαξία υπήρχε μόνο ορατή ύλη (αστέρια, αέρια, σκόνη), οι τροχιές των απομακρυσμένων αστέρων θα ήταν πιο αργές. Έτσι, η απλούστερη εξήγηση είναι ότι υπάρχει ένα επιπλέον στρώμα αόρατης μάζας, δηλαδή η σκοτεινή ύλη.
1.2 Βαρυτική φακοειδής επίδραση
Η βαρυτική φακοειδής επίδραση είναι η ικανότητα μαζικών αντικειμένων να κάμπτουν το φως, όπως περιγράφεται στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Παρατηρώντας σμήνη γαλαξιών, φαίνεται ότι η επίδρασή τους στην εικόνα πιο απομακρυσμένων γαλαξιών (φακοειδής επίδραση) είναι πολύ ισχυρότερη από ό,τι μπορεί να εξηγηθεί μόνο με την ορατή ύλη. Για να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο, απαιτείται επιπλέον μάζα – και πάλι υποδεικνύεται η σκοτεινή ύλη.
Ένα γνωστό παράδειγμα είναι η σύγκρουση που ονομάζεται Bullet Cluster, όπου δύο σμήνη γαλαξιών πέρασαν το ένα μέσα από το άλλο. Τα καυτά αέρια (ορατά στην ακτινοβολία Χ) επιβραδύνθηκαν λόγω αλληλεπιδράσεων, ενώ η ισχυρότερη βαρυτική επίδραση μετακινήθηκε πιο πέρα. Αυτό υποδηλώνει ότι ένα μέρος της μάζας σχεδόν δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά (δηλαδή δεν κολλάει το ένα με το άλλο όπως τα κανονικά αέρια), αλλά έχει σημαντική βαρυτική επίδραση.
1.3 Κοσμολογικές παρατηρήσεις και σχηματισμός δομής
Κοιτάζοντας την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (αγγλικά Cosmic Microwave Background, CMB) – το «αντανάκλασμα» της Μεγάλης Έκρηξης, οι επιστήμονες παρατηρούν ανισοκατανομές στην πυκνότητα. Αυτές οι ανισοκατανομές εξελίχθηκαν με τον καιρό σε γαλαξίες και σμήνη που βλέπουμε σήμερα. Οι προσομοιώσεις σχηματισμού δομής του Σύμπαντος δείχνουν ότι χωρίς τη σκοτεινή ύλη, η ανάπτυξη αυτών των «σπόρων» πυκνότητας σε σημερινές διαστάσεις θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο ή και αδύνατο να εξηγηθεί. Χωρίς σκοτεινή ύλη, η μετάβαση από ένα σχεδόν ομοιογενές πρώιμο Σύμπαν σε μια πολύ ανομοιογενή δομή ύλης (γαλαξίες, σμήνη γαλαξιών) θα ήταν υπερβολικά αργή.
2. Προτεινόμενη ιδέα: η κοινή βαρυτική έλξη όλης της ύλης
Η ιδέα «ίσως η σκοτεινή ύλη να είναι απλώς η αμοιβαία βαρυτική έλξη όλων όσων υπάρχουν» φαίνεται ελκυστική με την πρώτη ματιά. Η βαρύτητα λειτουργεί σε απεριόριστες αποστάσεις· όποια κι αν είναι η απόσταση μεταξύ δύο αντικειμένων στο Σύμπαν, αυτά εξακολουθούν να έλκονται. Αν φανταστούμε έναν αμέτρητο αριθμό αστεριών και γαλαξιών, ίσως η συνολική επίδραση της έλξης τους να μπορούσε να εξηγήσει αυτήν την επιπλέον μάζα.
2.1 Έντονη ελκυστικότητα
1. Ενοποιημένη εξήγηση της βαρύτητας: Σε κάποιο βαθμό, αυτή φαίνεται να είναι μια ενοποιητική ιδέα. Αντί να εισάγουμε έναν νέο τύπο ύλης, θα μπορούσαμε να πούμε ότι παρατηρούμε μόνο τη συλλογική επίδραση της ύλης που γνωρίζουμε.
2. Απλότητα: Πολλοί βρίσκουν ελκυστικό να πιστεύουν ότι υπάρχει μόνο η βαρυονική (κανονική) ύλη και τίποτα περισσότερο. Ίσως μέχρι τώρα απλώς δεν εκτιμήσαμε πλήρως τη συνολική βαρύτητα αυτής της ύλης, ειδικά σε μεγάλες κλίμακες.
Ωστόσο, αυτή η υπόθεση αντιμετωπίζει σοβαρές προκλήσεις όταν εφαρμόζεται σε ακριβή δεδομένα παρατηρήσεων και καλά ελεγμένες θεωρίες φυσικής. Ας δούμε πού αναδεικνύονται τα προβλήματα.
3. Γιατί η αλληλεπίδραση της γνωστής ύλης μέσω της βαρύτητας δεν αρκεί
3.1 Η κανονική έναντι της τροποποιημένης βαρύτητας
Οι προσπάθειες να εξηγηθούν κοσμικά φαινόμενα χωρίς σκοτεινή ύλη συχνά εμπίπτουν στον τομέα των θεωριών "τροποποιημένης βαρύτητας". Αντί να εισαχθεί ένας νέος τύπος ύλης, προτείνεται η διόρθωση των νόμων της βαρύτητας σε κοσμική κλίμακα. Ένα από τα πιο γνωστά παραδείγματα είναι το MOND (Modified Newtonian Dynamics). Το MOND υποστηρίζει ότι σε περιοχές με πολύ μικρές επιταχύνσεις (π.χ. στα άκρα των γαλαξιών) η βαρύτητα λειτουργεί διαφορετικά από ό,τι προβλέπουν ο Νεύτωνας ή ο Αϊνστάιν.
Αν η συνολική βαρυτική δύναμη όλης της ύλης του Σύμπαντος ήταν αυτή που λανθασμένα ονομάζουμε σκοτεινή ύλη, θα έπρεπε ουσιαστικά να λειτουργεί ως μια μορφή τροποποιημένης βαρύτητας. Οι υποστηρικτές του MOND και παρόμοιων θεωριών προσπαθούν να εξηγήσουν τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών και άλλα φαινόμενα. Ωστόσο, το MOND, αν και μπορεί να ταιριάζει σε ορισμένες παρατηρήσεις (π.χ. καμπύλες περιστροφής γαλαξιών), δυσκολεύεται να συμφωνήσει με άλλα δεδομένα (π.χ. τα δεδομένα βαρυτικού φακού του Bullet Cluster).
Επομένως, οποιαδήποτε θεωρία που ισχυρίζεται ότι η "σκοτεινή ύλη" οφείλεται μόνο στη συνολική βαρυτική έλξη της κανονικής ύλης, θα έπρεπε να εξηγεί επιτυχώς όχι μόνο τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών, αλλά και το φακό, τις συγκρούσεις σμηνών και τον σχηματισμό μεγάλης κλίμακας δομών. Μέχρι στιγμής, καμία εναλλακτική θεωρία δεν έχει αντικαταστήσει πλήρως την υπόθεση της σκοτεινής ύλης ώστε να ταιριάζει με όλες τις παρατηρήσεις.
3.2 Ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου και οι κοσμικές κλίμακες
Η βαρυτική δύναμη εξασθενεί ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης (σύμφωνα με τον νόμο της παγκόσμιας έλξης του Νεύτωνα). Σε κοσμικές κλίμακες υπάρχει πραγματική, αν και μικρή, έλξη από μακρινούς γαλαξίες, σμήνη και νήματα, αλλά αυτή η δύναμη μειώνεται γρήγορα με την απόσταση. Τα δεδομένα παρατηρήσεων δείχνουν ότι η ορατή (βαρυονική) ύλη δεν είναι αρκετή και δεν είναι κατανεμημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργεί βαρυτικά φαινόμενα που αποδίδονται στη σκοτεινή ύλη.
Αν προσπαθούσαμε να αθροίσουμε όλη την ορατή ύλη του Σύμπαντος και να υπολογίσουμε την βαρυτική της επίδραση σε διάφορες κοσμικές κλίμακες, θα διαπιστώναμε ότι παρ' όλα αυτά δεν μπορούμε να αναπαράγουμε τις πραγματικές καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών, τα φαινόμενα φακού ή τον ρυθμό σχηματισμού δομών. Απλά, σε ένα Σύμπαν που θα υπήρχε μόνο βαρυονική ύλη, η βαρυτική δύναμη θα ήταν πολύ αδύναμη για να εξηγήσει το παρατηρούμενο φαινόμενο.
3.3 Bullet Cluster και η κατανομή της "εξαφανισμένης" μάζας
Το Bullet Cluster είναι ένα ιδιαίτερα χαρακτηριστικό παράδειγμα. Όταν συγκρούονται δύο σμήνη γαλαξιών, η κανονική ύλη (κυρίως καυτά αέρια) επιβραδύνεται λόγω αλληλεπίδρασης, ενώ το άλλο - σχεδόν μη αλληλεπιδρών - μέρος της μάζας (θεωρείται ότι είναι η σκοτεινή ύλη) διέρχεται επιτυχώς από τη σύγκρουση χωρίς να επιβραδυνθεί. Τα δεδομένα βαρυτικού φακού δείχνουν ότι η πλειονότητα της μάζας "απέσυρε" πιο πέρα, μένοντας πίσω από το φωτεινό αέριο.
Αν την ελλείπουσα μάζα την εξηγούσαμε απλώς με όλη την ύλη του Σύμπαντος, θα περιμέναμε η κατανομή της μάζας να ταιριάζει περισσότερο με την ορατή ύλη (επιβραδυνόμενα αέρια). Ωστόσο, το παρατηρούμενο χάσμα μεταξύ των ορατών αερίων και της βαρυτικά ενεργής μάζας δείχνει ότι υπάρχει επιπλέον ύλη που δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά – η σκοτεινή ύλη.
4. «Η βαρύτητα όλης της ύλης» και η κοσμολογία
4.1 Περιορισμοί της πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης
Στο πρώιμο Σύμπαν σχηματίστηκαν τα ελαφρύτερα χημικά στοιχεία – υδρογόνο, ήλιο και λίγο λίθιο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται Πυρηνοσύνθεση της Μεγάλης Έκρηξης (αγγλικά Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Η αφθονία των ελαφρών στοιχείων εξαρτάται ευαίσθητα από την πυκνότητα της συνολικής βαρυονικής (κανονικής) ύλης. Παρατηρώντας την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου και μελετώντας τις αναλογίες αυτών των στοιχείων, φαίνεται ότι δεν μπορεί να υπάρχει υπερβολική βαρυονική ύλη στο Σύμπαν – διαφορετικά θα αντιβαίναμε στις παρατηρούμενες ποσότητες ηλίου ή δευτερίου. Εν συντομία, η BBN δείχνει ότι η κανονική ύλη αποτελεί περίπου το 5% της ενεργειακής και υλικής ισορροπίας του Σύμπαντος.
4.2 Μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου
Δεδομένα υψηλής ανάλυσης από δορυφόρους όπως οι COBE, WMAP και Planck επέτρεψαν στους κοσμολόγους να προσδιορίσουν με εξαιρετική ακρίβεια τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας του CMB. Η φύση αυτών των διακυμάνσεων, ειδικά το γωνιακό φάσμα ισχύος τους, δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης της πυκνότητας των διαφόρων συστατικών (σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια και βαρυονική ύλη). Αυτές οι μετρήσεις συμφωνούν πολύ καλά με το κοσμολογικό μοντέλο όπου η σκοτεινή ύλη είναι ξεχωριστό, μη βαρυονικό συστατικό. Αν η επίδραση της βαρύτητας που αποδίδουμε σήμερα στη σκοτεινή ύλη ήταν απλώς η συνολική έλξη της ορατής ύλης, το φάσμα ισχύος του CMB θα φαινόταν εντελώς διαφορετικό.
5. Υπάρχει άλλος τρόπος να πούμε ότι η σκοτεινή ύλη είναι απλώς «βαρύτητα»;
Η ιδέα «τι θα γινόταν αν η σκοτεινή ύλη είναι απλώς μια ατέλεια στους νόμους της βαρύτητας;» οδήγησε σε διάφορες τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας. Αυτές προτείνουν την διόρθωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Αϊνστάιν ή της δυναμικής του Νεύτωνα σε γαλαξιακή και μεγαλύτερη κλίμακα, προσφέροντας μερικές φορές αρκετά πολύπλοκη μαθηματική βάση. Τέτοιες θεωρίες προσπαθούν να εξηγήσουν τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών και τον φακό των σμηνών χωρίς επιπλέον, αόρατα σωματίδια.
Κύριες προκλήσεις για τις τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας:
- Προσαρμογή: Πρέπει να διορθωθεί η βαρύτητα σε γαλαξιακή κλίμακα, αλλά ταυτόχρονα να παραμείνουμε συμβατοί με τις παρατηρήσεις του ηλιακού συστήματος και τη γενική θεωρία της σχετικότητας, την οποία έχουν επιβεβαιώσει με μεγάλη ακρίβεια πολλαπλά πειράματα.
- Δημιουργία δομής: Οι θεωρίες πρέπει να εξηγούν όχι μόνο τις καμπύλες περιστροφής των γαλαξιών, αλλά και τη δημιουργία των δομών του Σύμπαντος από τις πρώιμες εποχές μέχρι σήμερα, σύμφωνα με τις παρατηρήσεις σε διάφορες χρονικές περιόδους.
- Σχετικιστικά φαινόμενα: Αλλάζοντας τον νόμο της βαρύτητας, πρέπει να μην αντιβαίνουμε σε φαινόμενα όπως ο βαρυτικός φακός ή τα δεδομένα του Bullet Cluster.
Αν και το «Λάμδα Ψυχρή Σκοτεινή Ύλη» (αγγλικά ΛCDM) – το τρέχον πρότυπο κοσμολογίας που περιλαμβάνει σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια (Λ) – έχει ορισμένους περιορισμούς, καμία θεωρία τροποποιημένης βαρύτητας δεν έχει καταφέρει μέχρι στιγμής να εξηγήσει τόσο επιτυχώς όλες τις παρατηρήσεις όσο το ΛCDM.
6. Συμπέρασμα
Η ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε απλώς να είναι η αμοιβαία βαρυτική έλξη της ύλης στο Σύμπαν – είναι ενδιαφέρουσα. Συμπίπτει με την επιδίωξη για μια απλούστερη εξήγηση, που δεν απαιτεί την έννοια νέας, αόρατης ύλης. Βασικά, αυτό συντονίζεται με την παλιά επιστημονική και φιλοσοφική αρχή ότι με το Ξυράφι του Όκαμ πρέπει να αποφεύγουμε τις περιττές υποθέσεις.
Ωστόσο, δεκαετίες αστρονομικών και κοσμολογικών παρατηρήσεων δείχνουν ότι η απλή ποσότητα της γνωστής ύλης δεν εξηγεί το πρόβλημα της «ελλείπουσας μάζας». Οι καμπύλες περιστροφής γαλαξιών, τα δεδομένα βαρυτικού φακού, οι ρυθμοί σχηματισμού μεγάλης κλίμακας δομής, οι μετρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου και οι περιορισμοί της πυρηνοσύνθεσης της Μεγάλης Έκρηξης – όλα αυτά υποδηλώνουν την ύπαρξη ενός τύπου ύλης που υπάρχει χωρίς και πέραν της συνηθισμένης ύλης. Επιπλέον, οι παρατηρήσεις του Bullet Cluster και παρόμοιων συστημάτων δείχνουν ότι η αόρατη μάζα συμπεριφέρεται διαφορετικά από την κανονική ύλη (π.χ. συμμετέχοντας ελάχιστα σε άλλες, μη βαρυτικές αλληλεπιδράσεις).
Η κοσμολογία είναι όμως ένας συνεχώς εξελισσόμενος επιστημονικός τομέας. Νέες παρατηρήσεις – από βαρυτικά κύματα μέχρι πιο ακριβείς χάρτες κατανομής γαλαξιών και ακόμα καλύτερη ανάλυση της CMB – βελτιώνουν συνεχώς την κατανόησή μας. Μέχρι στιγμής, τα περισσότερα δεδομένα παρατηρήσεων δείχνουν ότι η σκοτεινή ύλη όντως υπάρχει ως ξεχωριστός, μη βαρυονικός τύπος ύλης. Ωστόσο, η ανοιχτόμυαλη σκέψη και η προσοχή σε απρόσμενα δεδομένα παραμένουν πολύ σημαντικές – η επιστήμη προχωρά όταν οι υποθέσεις ελέγχονται και τροποποιούνται όταν δεν συμφωνούν με νέα στοιχεία.
Προς το παρόν, οι παρατηρήσεις υποστηρίζουν περισσότερο την ιδέα ότι η σκοτεινή ύλη είναι ένα πραγματικό, φυσικό συστατικό. Ωστόσο, το να ρωτάμε «μήπως υπάρχει εναλλακτική λύση;» διατηρεί το πνεύμα της επιστημονικής περιέργειας, που είναι ιδιαίτερα απαραίτητο για την κατανόηση των μυστηρίων του Σύμπαντος.
Περαιτέρω ανάγνωση
- Σκοτεινή Ύλη στο Σύμπαν – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Το Σμήνος Bullet ως Απόδειξη Ενάντια στη Τροποποιημένη Βαρύτητα – δημοσιεύσεις παρατηρήσεων πολλών συγγραφέων, π.χ. Clowe κ.ά.
- Δοκιμή των Προβλέψεων MOND – διάφορες μελέτες των καμπυλών περιστροφής γαλαξιών (π.χ. εργασίες των Stacy McGaugh και συνεργατών).
- Παρατηρήσεις των Κοσμολογικών Παραμέτρων – δεδομένα αποστολών Planck, WMAP, COBE.