Μπορεί η σκοτεινή ύλη να νικήσει μια αντίπαλη θεωρία;

Μια μακροχρόνια διαμάχη για την ύπαρξη της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης θερμαίνεται. Για δεκαετίες, μερικοί επιστήμονες υποστήριξαν ότι η σκοτεινή ύλη - η ουσία που πιστεύεται ότι αποτελεί το 85% της ύλης στο σύμπαν - δεν μπορεί να εξηγήσει ένα παγκόσμιο μοτίβο στις κινήσεις των σπειροειδών γαλαξιών όπως ο δικός μας Γαλαξίας. Αντίθετα, προτείνουν την τροποποίηση του νόμου της κίνησης του Νεύτωνα. Τώρα, ένας κορυφαίος θεωρητικός υποστηρίζει ότι η σκοτεινή ύλη μπορεί τελικά να εξηγήσει αυτό το μοτίβο, δυνητικά καταρρίπτοντας τα μανταλάκια κάτω από την αντίπαλη θεωρία, την τροποποιημένη Νευτώνεια δυναμική (MOND).

"Αυτό είναι το πιο συναρπαστικό έγγραφο που έχω δει στο πλαίσιο της σκοτεινής ύλης για το γιατί μπορεί να υπάρχει αυτό το είδος σχέσης", λέει ο James Bullock, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια (UC), Irvine. Η νέα δημοσίευση επιχειρεί να αντικρούσει μια εκλεπτυσμένη υπόθεση για το MOND που παρουσιάστηκε πρόσφατα από τη Stacy McGaugh, αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve στο Κλίβελαντ του Οχάιο. Αλλά ο McGaugh, κορυφαίος υποστηρικτής της ερμηνείας του MOND, λέει ότι οι θεωρητικοί "έχουν πολύ δρόμο να διανύσουν για να με πείσουν ότι αντιμετωπίζουν σοβαρά το πρόβλημα, πόσο μάλλον να το λύσουν."

Στη δεκαετία του 1960, αστρονόμοι συμπεριλαμβανομένης της αείμνηστης Vera Rubin εντόπισαν για πρώτη φορά τα αστέρια που κυκλοφορούσαν σε σπειροειδείς γαλαξίες. Περίμεναν ότι οι ταχύτητες των άστρων θα επιβραδύνουν με την αύξηση της απόστασης από την καρδιά ενός γαλαξία, ακριβώς όπως ο Πλούτωνας περιφέρεται γύρω από τον ήλιο πιο αργά από τη Γη. Αντίθετα, η ταχύτητα των εξωτερικών άστρων παρέμεινε υψηλή, υποδηλώνοντας ότι κάποια αόρατη σκοτεινή ύλη παρείχε την επιπλέον βαρυτική δύναμη που απαιτείται για να τους εμποδίσει να πετάξουν στο διάστημα. Το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας τώρα υποθέτει ότι ένας γαλαξίας σχηματίζεται μέσα σε ένα τεράστιο σύννεφο ή φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης.

Αλλά η σκοτεινή ύλη δεν ανιχνεύτηκε ποτέ άμεσα και το 1983 ο Mordehai Milgrom, φυσικός στο Ινστιτούτο Επιστήμης Weizmann στο Rehovot του Ισραήλ, πρότεινε αντ 'αυτού να τροποποιηθεί ο περίφημος δεύτερος νόμος κίνησης του Νεύτωνα, ο οποίος λέει ότι ένα αντικείμενο επιταχύνεται ανάλογα με τη δύναμη που ασκεί. . Καθώς ένα αστέρι κυκλώνει έναν γαλαξία, η δύναμη της βαρύτητας τον επιταχύνει προς το κέντρο. Ο Milgrom υπέθεσε ότι σε επιταχύνσεις κάτω από ένα χαμηλό όριο, όπως στην περιφέρεια ενός γαλαξία, ο νόμος του Νεύτωνα αλλάζει για να δώσει μεγαλύτερη επιτάχυνση για την ίδια δύναμη. Αυτό θα επέτρεπε στα εξωτερικά αστέρια να κυκλοφορούν πιο γρήγορα χωρίς τη σκοτεινή ύλη και την πρόσθετη βαρύτητα της.

Πολλοί ερευνητές απορρίπτουν το MOND ως ad hoc, αλλά ο McGaugh έχει από καιρό υποστηρίξει ότι υπάρχουν περισσότερα σε αυτό. Τον Νοέμβριο του 2016 στο Physical Review Letters, αυτός και δύο συνάδελφοί του ανέλυσαν 153 σπειροειδείς γαλαξίες και επέδειξαν μια εκπληκτική παγκόσμια τάση. Βρήκαν ότι στους γαλαξίες, οι ταχύτητες των άστρων, και ως εκ τούτου οι επιταχύνσεις τους προς τα μέσα, μπορούσαν να προβλεφθούν μόνο από την κατανομή των άστρων και του αερίου. Αυτό είναι δύσκολο να εξηγηθεί με τη σκοτεινή ύλη, λέει ο McGaugh, καθώς η συνηθισμένη και η σκοτεινή ύλη πρέπει να κατανέμονται ανεξάρτητα. Αλλά ταιριάζει με την ιδέα ότι η έλξη της συνηθισμένης ύλης - που εφαρμόζεται μέσω του παράξενου κανόνα του MOND - είναι η μόνη δύναμη που λειτουργεί. Η στενή σχέση "απλώς ουρλιάζει MOND", λέει.

Ωστόσο, ο Julio Navarro, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο της Βικτώριας στον Καναδά, και οι συνάδελφοί του λένε ότι το εύρημα του McGaugh είναι στην πραγματικότητα συνεπές με τη σκοτεινή ύλη. Σημειώνουν ότι επειδή τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης θεωρούνται αδύναμα, δεν μπορούν από μόνα τους να παρέχουν αρκετή βαρύτητα για να εξηγήσουν τις κινήσεις των αστεριών πάνω από το κατώφλι MOND. Έτσι, όπου η επιτάχυνση των άστρων υπερβαίνει αυτό το επίπεδο, προέρχεται απαραίτητα κυρίως από την ορατή ύλη. Αυτό εξηγεί το ήμισυ της σχέσης του McGaugh, αναφέρουν οι ερευνητές σε μια εργασία που υποβλήθηκε στην Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Σε μικρότερους γαλαξίες, στις χαμηλές ταχύτητες και επιταχύνσεις όπου υποτίθεται ότι μπαίνει ο MOND, η βαρυτική έλξη της σκοτεινής ύλης θα πρέπει να κυριαρχεί. Έτσι, θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι οι κινήσεις των άστρων δεν θα είχαν σχέση με τη συνηθισμένη ύλη. Ωστόσο, υποστηρίζει ο Ναβάρο, τα μοντέλα γαλαξιακής εξέλιξης δείχνουν ότι το μέγεθος ενός φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης συσχετίζεται με αυτό του γαλαξία που σχηματίζεται μέσα σε αυτό. Αυτή η κανονικότητα κάνει τη συνολική βαρυτική έλξη προβλέψιμη από τη συνηθισμένη ύλη, λέει.

Ακόμη και εκείνοι που βρίσκουν το επιχείρημα πειστικό λένε ότι δεν λύνει την υπόθεση. Ο Navarro και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν δεδομένα από τέσσερις προσομοιωμένους γαλαξίες και πλησιάζουν την καθολική καμπύλη του McGaugh, αλλά όχι ακριβώς πάνω σε αυτήν, λέει ο Bullock. «Δεν είμαστε ακόμα εκεί». Άλλοι προβλέπουν ότι οι αποκλίσεις θα περιοριστούν καθώς βελτιώνονται οι προσομοιώσεις των δύσκολων αλληλεπιδράσεων μεταξύ σκοτεινής και συνηθισμένης ύλης.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη ότι το MOND δεν μπορεί να εξηγήσει άλλα φαινόμενα που μπορεί να κάνει η σκοτεινή ύλη, όπως τα μοτίβα που παρατηρούνται στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο ή η συσσώρευση γαλαξιών. Έτσι, εάν η MOND δεν χρειάζεται για να εξηγήσει τους σπειροειδείς γαλαξίες, η ιδέα μπορεί τελικά να εξαφανιστεί, λέει ο Joel Primack, κοσμολόγος στο UC Santa Cruz:"Αυτή είναι η μόνη επιτυχία του."

Ο Primack δεν περιμένει από τον McGaugh να εγκαταλείψει τον αγώνα. Ωστόσο, λέει ότι ο McGaugh συχνά απεικονίζεται άδικα ως αληθινός πιστός στη MOND όταν είναι πραγματικά σκεπτικιστής. "Νομίζω ότι η Stacy βλέπει τον εαυτό του ως πιστή αντιπολίτευση", λέει. "Είναι υποχρέωσή του να εγείρει ζητήματα, και αυτό είναι το αγαπημένο του.