Νέα αποδεικτικά στοιχεία προκλήσεις Dark Matter:A Promising Alternative Emerges
Για δεκαετίες, μια ομάδα επαναστατημένων θεωρητικών έχει πολεμήσει με μια από τις βασικές έννοιες της κοσμολογίας - την ιδέα ότι μια αόρατη, άυλη μορφή ύλης σχηματίζει την πρωταρχική δομή του σύμπαντος. Αυτή η σκοτεινή ύλη, η οποία φαίνεται να ξεπερνά το υλικό από το οποίο είμαστε φτιαγμένοι 5-προς-1, εξηγεί ένα πλήθος παρατηρήσεων:τη στενή συνοχή γαλαξιών και αγώνων γαλαξιών, τον τρόπο με τον οποίο το φως από μακρινούς γαλαξίες θα λυγίσει στο δρόμο του προς τα επίγεια τηλεσκόπια και τη διάστικτη δομή του πρώιμου σύμπαντος, για να αναφέρουμε μερικά.
Οι επίδοξοι επαναστάτες αναζητούν μια εναλλακτική κοσμική συνταγή. Στη θέση της σκοτεινής ύλης, αντικαθιστούν μια ελαφρώς τροποποιημένη δύναμη βαρύτητας. Όμως, οι προσπάθειες να μεταφράσουν την πρόχειρη ιδέα τους σε ακριβή μαθηματική γλώσσα ήταν πάντα αντίθετες με τουλάχιστον μία βασική παρατήρηση. Κάποια σκευάσματα κάνουν σωστά τους γαλαξίες, άλλα σωστά τη συστολή των ακτίνων φωτός, αλλά κανένα δεν έχει διαπεράσει το πιο αλεξίσφαιρο στοιχείο της σκοτεινής ύλης:ακριβείς χάρτες του αρχαίου φωτός, γνωστούς ως κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο (CMB). «Μια θεωρία πρέπει να είναι πολύ καλή για να συμφωνήσει με αυτά τα δεδομένα», είπε η Ρουθ Ντάρερ, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. "Αυτό είναι το σημείο συμφόρησης."
Τώρα, δύο θεωρητικοί λένε ότι επιτέλους έχουν συμπιέσει μια εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας πέρα από αυτό το εμπόδιο. Το έργο τους, το οποίο δημοσιεύτηκε στο Διαδίκτυο στα τέλη Ιουνίου και δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους, χρησιμοποιεί μια τροποποιημένη εκδοχή της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν για να αναπαράγει έναν εμβληματικό χάρτη του πρώιμου σύμπαντος, ένα κατόρθωμα που ακόμη και ορισμένοι επαναστάτες φοβόντουσαν ότι ήταν αδύνατο. «Εδώ και 15 χρόνια ήμασταν νεκροί στο νερό», είπε η Stacy McGaugh, αστρονόμος στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve και μακροχρόνια υπέρμαχος των θεωριών τροποποιημένης βαρύτητας που δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Είναι ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός."
Άλλοι συμφωνούν ότι τα προκαταρκτικά αποτελέσματα του μοντέλου φαίνονται πολλά υποσχόμενα. "Είναι λίγο μπαρόκ, αλλά επειδή τίποτα άλλο δεν έχει δουλέψει μέχρι στιγμής, εξακολουθώ να είμαι εντυπωσιασμένος που φαίνεται να λειτουργεί", είπε ο Ντάρερ.
Οι περισσότεροι κοσμολόγοι εξακολουθούν να προτιμούν τη σκοτεινή ύλη ως το απλούστερο από τα δύο παραδείγματα, αλλά συμφωνούν ότι η νέα θεωρία θα μπορούσε να είναι ενδιαφέρουσα - εάν μπορεί πραγματικά να ταιριάξει με πρόσθετες κοσμολογικές παρατηρήσεις. «Αυτό θα ήταν ένα μεγάλο εμπόδιο», είπε ο Νταν Χούπερ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Αυτό θα ήταν πολύ ενδιαφέρον."
Κλωδή της βελόνας
Οι προκλήσεις για τις εναλλακτικές θεωρίες βαρύτητας, γνωστές συλλογικά ως τροποποιημένη δυναμική του Νεύτωνα ή MOND, περιγράφηκαν σε μια ξεχωριστή προτύπωση που συμπτωματικά δημοσιεύτηκε την ημέρα μετά την εμφάνιση του νέου μοντέλου. Ο κυριότερος από αυτούς είναι η αναδιατύπωση του πρωταγωνιστικού ρόλου που παίζει η σκοτεινή ύλη στη συνένωση του σύμπαντος, όπως περιγράφεται από ένα καθιερωμένο κοσμολογικό μοντέλο γνωστό ως Λάμδα ψυχρής σκοτεινής ύλης (LCDM).
Με απλά λόγια, η LCDM λέει ότι δεν θα ήμασταν εδώ χωρίς τη σκοτεινή ύλη. Το βρεφικό σύμπαν ήταν τόσο ομαλό που η βαρυτική έλξη της συνηθισμένης ύλης από μόνη της δεν θα ήταν αρκετή για να συγκεντρώσει σωματίδια σε γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες. Εισαγάγετε τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης. Το LCDM χρησιμοποιεί το συλλογικό τους όγκο για να σμιλεύει την κανονική ύλη στις σύγχρονες κοσμικές δομές που μελετούν οι αστρονόμοι.
Το LCDM έγινε το τυπικό μοντέλο της κοσμολογίας εν μέρει επειδή συμφωνεί με τόση ακρίβεια με το CMB. Αυτός ο χάρτης του πρώιμου σύμπαντος δείχνει σχεδόν ανεπαίσθητα παχιές και λεπτές κηλίδες που κυματίζουν το σύμπαν. Πιο πρόσφατα, οι ερευνητές μπόρεσαν να μετρήσουν τον προσανατολισμό ή την πόλωση του φωτός του CMB με μεγαλύτερη ακρίβεια. Οποιαδήποτε επιτυχημένη κοσμολογία θα χρειαστεί να δημιουργήσει μια ολοκληρωμένη ιστορία του σύμπαντος αναπαράγοντας αυτές τις τρεις παρατηρήσεις:τη θερμοκρασία του CMB, την πόλωση του CMB και την τρέχουσα κατανομή των γαλαξιών και των σμηνών γαλαξιών.
Περιοδικό Lucy Reading-Ikkanda/Quanta; πηγή:doi:1303.5076v3
Στη δεύτερη προέκδοση, ο Kris Pardo, αστροφυσικός στο Εργαστήριο Jet Propulsion της NASA και ο David Spergel, διευθυντής του Κέντρου Υπολογιστικής Αστροφυσικής στο Ινστιτούτο Flatiron, ποσοτικοποίησαν πόσο δύσκολο θα ήταν για οποιαδήποτε εναλλακτική θεωρία βαρύτητας να ανταγωνιστεί ένα συγκεκριμένο χαρακτηριστικό του LCDM. (Περιοδικό Quanta είναι μια εκδοτικά ανεξάρτητη έκδοση που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα Simons, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης το Ινστιτούτο Flatiron.) Όταν πυκνότερες ζώνες σκοτεινής ύλης έσυραν την ύλη προς το μέρος τους, σχηματίζοντας τελικά γαλαξίες και αστέρια, αυτό θα είχε σε μεγάλο βαθμό - αλλά όχι εξ ολοκλήρου - ξεπλύνε τους κυματισμούς που αρχικά κινούνταν μέσα στην ύλη. Συγκρίνοντας την πόλωση του CMB με τα σημερινά μοτίβα της ύλης, οι κοσμολόγοι μπορούν να μετρήσουν καθαρά ένα τέτοιο αποτέλεσμα:τα υπολείμματα κυματισμών 100 φορές μικρότερα από τις κυματώσεις που παρατηρούνται στο CMB εξακολουθούν να υπάρχουν σήμερα.
Η επαναδημιουργία αυτών και άλλων χαρακτηριστικών χωρίς το βασικό συστατικό της LCDM, έδειξε ο Spergel, απαιτεί το καλύτερο από τα θεωρητικά σπειρώματα με βελόνες. «Δεν έχουμε διαψεύσει την ύπαρξη όλων αυτών των [θεωριών τροποποιημένης βαρύτητας]», είπε. "Αλλά κάθε εναλλακτική θεωρία πρέπει να περάσει μέσα από αυτά τα στεφάνια."
Σκοτεινή σκόνη
Ο Tom Złosnik και ο Constantinos Skordis, θεωρητικοί στο Central European Institute for Cosmology and Fundamental Physics, πιστεύουν ότι έχουν κάνει ακριβώς αυτό — αν και με τρόπο που θα μπορούσε να εκπλήξει τους σκεπτικιστές και τους θαυμαστές της MOND. Κατάφεραν να κατασκευάσουν μια θεωρία της βαρύτητας που περιέχει ένα συστατικό που δρα ακριβώς όπως μια αόρατη μορφή ύλης στην κοσμική κλίμακα, θολώνοντας τη γραμμή μεταξύ της σκοτεινής ύλης και των παραδειγμάτων MOND.
Η θεωρία τους, που ονομάστηκε RelMOND, προσθέτει στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας ένα πανταχού παρόν πεδίο που συμπεριφέρεται διαφορετικά σε διαφορετικές αρένες. Στις μεγαλύτερες κλίμακες, όπου το σύμπαν εκτείνεται αισθητά καθώς διαστέλλεται, το πεδίο λειτουργεί σαν αόρατη ύλη. Σε αυτόν τον τρόπο, τον οποίο ο Złosnik αναφέρει ως «σκοτεινή σκόνη», το πεδίο θα μπορούσε να έχει διαμορφώσει το ορατό σύμπαν όπως θα έκανε η σκοτεινή ύλη. Το μοντέλο αναπαράγει πιστά τη θερμοκρασία του CMB - το αποτέλεσμα που δημοσίευσε το δίδυμο στην προεκτύπωσή του - και ο Złosnik λέει ότι μπορεί επίσης να ταιριάζει με το φάσμα πόλωσης και την κατανομή της ύλης, αν και δεν έχουν ακόμη δημοσιεύσει αυτές τις γραφικές παραστάσεις.
"[RelMOND] δεν μπορεί να κάνει χειρότερα από το LCDM", είπε ο Złosnik, επειδή μιμείται πολύ στενά αυτήν τη θεωρία για το σύμπαν ως σύνολο.
Αλλά αν κάνουμε μεγέθυνση σε έναν γαλαξία, όπου ο ιστός του διαστήματος παραμένει μάλλον ακίνητος, το πεδίο ενεργεί με τρόπο που είναι πιστό στις ρίζες του MOND:συμπλέκεται με το τυπικό βαρυτικό πεδίο, ενισχύοντάς το τόσο ώστε να συγκρατεί έναν γαλαξία ενωμένο χωρίς επιπλέον ύλη. (Οι ερευνητές δεν είναι ακόμη σίγουροι πώς λειτουργεί το πεδίο για μεγαλύτερα σμήνη γαλαξιών, μια πολυετή πληγή του MOND, και προτείνουν ότι αυτή η ενδιάμεση κλίμακα μπορεί να είναι ένα καλό μέρος για να αναζητηθούν παρατηρητικές ενδείξεις που θα μπορούσαν να διαχωρίσουν τη θεωρία.)
Παρά το μαθηματικό επίτευγμα του ζεύγους, η σκοτεινή ύλη παραμένει η απλούστερη θεωρία. Η κατασκευή του νέου πεδίου απαιτεί τέσσερα νέα κινούμενα μαθηματικά μέρη, ενώ το LCDM χειρίζεται τη σκοτεινή ύλη με ένα μόνο. Ο Χούπερ παρομοιάζει την κατάσταση με έναν ντετέκτιβ που συζητά αν το άτομο σε μια σκηνή δολοφονίας είναι ο δολοφόνος ή αν είχε πλαισιωθεί από τη CIA. Ακόμα κι αν τα διαθέσιμα στοιχεία ταιριάζουν και με τις δύο θεωρίες, απαιτείται λιγότερο άλμα.
Παρόλα αυτά, δεν πτοεί τους άλλους που εργάζονται πάνω σε αυτό που θεωρεί κοσμολογική θεωρία συνωμοσίας. «Χαίρομαι που οι έξυπνοι άνθρωποι σκέφτονται τη MOND», είπε.
Ο Złosnik ελπίζει ότι η σκοτεινή ύλη θα ανιχνευθεί σύντομα, αλλά εν τω μεταξύ, βλέπει τη δουλειά του στο MOND περισσότερο ως μια άσκηση για την επέκταση της γενικής σχετικότητας στα όριά της παρά ως μια πλήρη επίθεση στο κοσμολογικό κατεστημένο. Προς το παρόν, είναι απλώς χαρούμενος που βοήθησε να δείξει ότι τα μαθηματικά της βαρύτητας μπορεί να φιλοξενήσουν πιο περίεργα φαινόμενα από ό,τι πίστευαν πολλοί.
«Υπάρχει ο κίνδυνος να χάσετε κάτι χρήσιμο απλώς υποθέτοντας ότι δεν είναι δυνατό», είπε ο Złosnik. "Μπορεί να δείχνει τον δρόμο για κάτι λίγο πιο επιτυχημένο."
Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο TheAtlantic.com.
