Σάββατο, 25 Μαρτίου 2017

Το μυστήριο των χαμένων μίνι-γαλαξιών

Χιλιάδες μικροσκοπικοί γαλαξίες δορυφόροι περιτριγυρίζουν τον Γαλαξία μας. Για τους αστρονόμους είναι ένα άπιαστο όνειρο να ταιριάξουν απόλυτα την παρουσία τους, με το τι λένε τα καθιερωμένα μοντέλα για το πως πρέπει να είναι η κοσμική γειτονιά του Γαλαξία μας. Δυστυχώς, είναι ένα όνειρο με περισσότερους από έναν τρόπους εξήγησης και η πραγματικότητα θα μπορούσε να είναι πιο διαφορετική.

“Βλέπουμε όμως μόλις 25 τέτοιους άτακτους δορυφόρους γύρω από τα ‘προάστια’ του Γαλαξία μας. ή μόνο το 1% περίπου από τον προβλεπόμενο αριθμό των δορυφόρων γαλαξιών," λέει ο Pavel Kroupa του Πανεπιστημίου της Βόννης. "Είναι η πιο καθαρή περίπτωση κατά την οποία μπορούμε να δούμε ότι υπάρχει κάτι στραβό με το μοντέλο μας για την προέλευση των γαλαξιών."

Δεν είναι μόνο η εμφανής έλλειψη όλου του αριθμού των γαλαξιών που προκαλεί κατάπληξη. Σε ένα συνέδριο στις αρχές του τρέχοντος έτους η γερμανική πόλη Bad Honnef, ο Pavel Kroupa και οι συνάδελφοί του, παρουσίασε μια ανάλυση της θέσης και της κίνησης των γνωστών δορυφόρων γαλαξιών. Ανέφερε ότι οι περισσότεροι από τους γαλαξίες στρέφονται γύρω από το Γαλαξία με ένα απροσδόκητο τρόπο και ότι, στο σύνολό τους, τα αποτελέσματά τους έρχονται σε αντίθεση με την κυρίαρχη κοσμολογία. Υπάρχει "μόνο ένας τρόπος" για να εξηγήσει τα αποτελέσματα, λέει ο Kroupa: "Η βαρύτητα πρέπει να είναι ισχυρότερη από ότι είχε προβλεφθεί από τον Νεύτωνα."

Η τοπική ομάδα των γαλαξιών

Η αμφισβήτηση της περιγραφής της βαρύτητας του Νεύτωνα είναι αμφιλεγόμενη. Αλλά ανεξάρτητα από το πού βρίσκεται η αλήθεια, οι δορυφόροι γαλαξίες του Γαλαξία μας έχουν γίνει το τελευταίο πεδίο μάχης μεταξύ των υποστηρικτών της σκοτεινής ύλης και των θεωριών της τροποποιημένης βαρύτητας.

Η καθιερωμένη εικόνα του σύμπαντος προέρχεται μετά από πολλές δεκαετίες παρατηρήσεων. Ισχυρίζεται ότι η ορατή ύλη – τα αστέρια και οι πλανήτες – συνοδεύεται από μία αόρατη και ψυχρή σκοτεινή ύλη έξι ή επτά φορές περισσότερη από την ορατή. Κανείς δεν ξέρει από τι είναι κατασκευασμένη η σκοτεινή ύλη, αλλά η ύπαρξή της έχει τεκμηριωθεί από το γεγονός ότι συγκρατούνται τα αστέρια μέσα στους στο σπειροειδείς γαλαξίες παρόλο που κινούνται με μια ιλιγγιώδη ταχύτητα. Δεν υπάρχει αρκετή κανονική ύλη εκεί για να τα συγκρατεί, έτσι η επιπλέον βαρυτική έλξη παρέχεται από μεγάλα ποσά σκοτεινής ύλης που εμποδίζει τα αστέρια να φύγουν μακριά στο διάστημα.

Η σκοτεινή ύλη πιστεύεται επίσης πως έχει διαδραματίσει βασικό ρόλο στη διαμόρφωση του πρώιμου σύμπαντος. Στον απόηχο του big bang, η σκοτεινή αυτή ουσία άρχισε να σχηματίζει μεγάλες συγκεντρώσεις κάτω από τη δύναμη της βαρύτητας, επειδή η έλλειψη της αλληλεπίδρασης της σκοτεινής ύλης με το φως σήμαινε ότι δεν ιονιζόταν από την ακτινοβολία του big-bang. Αργότερα, η κανονική αέρια ύλη βρέθηκε μέσα σε αυτή την συγκέντρωση της σκοτεινής ύλης – που ονομάστηκε άλως της σκοτεινή άλως – όπου ‘έπηξε’ σχηματίζοντας αστέρια και τους ορατούς γαλαξίες.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτού του σεναρίου για τη σκοτεινή ύλη είναι ότι η άλως σε όλα τα μεγέθη έχει την ίδια μορφή. Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας, μία πολύ μεγάλη άλως (ή φωτοστέφανος) – όσο αυτή που δημιούργησε τον Γαλαξία μας – θα πρέπει να περιβάλλεται από χιλιάδες μίνι φωτοστέφανα, τα οποία θα πρέπει να έχουν φτιάξει άλλους πιο μικρούς γαλαξίες δορυφόρους.

Γιατί λοιπόν να μην βλέπουμε αυτούς τους μίνι δορυφόρους; Θα μπορούσε να οφείλεται απλά στο ότι οι περισσότεροι από τους γαλαξίες δορυφόρους περιέχουν μόνο μερικές χιλιάδες αστέρια και εξ αιτίας της εξασθενημένης τους ακτινοβολίας είναι εξαιρετικά δύσκολο να τους δούμε.

Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι δεν είναι αυτονόητο για το ανθρώπινο μάτι ότι μια ομάδα άστρων στον ουρανό που φαίνονται μαζί, είναι πράγματι στον ίδιο χώρο και όχι απλώς σε ευθυγράμμιση και σε πολύ διαφορετικές αποστάσεις. Αυτό σημαίνει ότι για να καταλάβουμε περί τίνος πρόκειται απαιτούνται καλές τεχνικές αναζήτησης και λεπτομερείς αναλύσεις σχετικά με τα χρώματα των άστρων, ώστε να μας δώσουν σχετικές αποστάσεις και το είδος τους – μια επίπονη και δαπανηρή επιχείρηση.

Ωστόσο, ο ρυθμός της ανακάλυψης γαλαξιών δορυφόρων έχει ενισχυθεί κατά τα τελευταία πέντε χρόνια μετά από από μια λεπτομερή έρευνα από το Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Υπ’ όψιν ότι μόνον εννέα δορυφόροι ανακαλύφθηκαν τα 30 τελευταία χρόνια πριν από SDSS, και από τότε έχουν βρεθεί άλλοι 15. Ο μεγαλύτερος είναι διαμέτρου περίπου 1000 έτη φωτός – λιγότερο από το 1 τοις εκατό της διαμέτρου του δίσκου του Γαλαξία μας – και ο μικρότερος περίπου 150 έτη φωτός. Παρά την πρόοδο αυτή, ο συνολικός αριθμός των δορυφόρων είναι γνωστό πως υπολείπεται κατά πολύ από αυτόν που είχε προβλέψει η θεωρία της ψυχρής σκοτεινής ύλης.

Όμως το πρόβλημα των χαμένων δορυφόρων δεν είναι το μοναδικό. Έχει διαπιστωθεί ότι ένα υψηλό ποσοστό των γαλαξιών φαίνεται να περιορίζονται σε ένα επίπεδο κάθετο προς τον δίσκο του Γαλαξία μας. Επιπλέον, οι περισσότεροι από τους γαλαξίες στρέφονται γύρω από τον Γαλαξία μας προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτό είναι εντελώς ασύμβατο με το μοντέλο της σκοτεινής ύλης του σχηματισμού του Γαλαξία. Οι επιστήμονες επισημαίνουν ότι οι δορυφόροι θα πρέπει να είναι μάλλον σαν ένα σμήνος από μέλισσες, που διακινούνται σε τυχαίες τροχιές και να κατανέμονται σε ένα σφαιρικό κέλυφος γύρω από τον γαλαξία μας.

Εάν η προέλευση των γαλαξιών δορυφόρων του Γαλαξία μας δεν μπορεί να εξηγηθεί από το μοντέλο της σκοτεινής ύλης, τότε από πού προέρχονται; Μήπως η προέλευση τους μπορεί να βρεθεί σε μια μακριά ουρά από αέριο υλικό και άστρα, δηλαδή μέσα στο Ρεύμα του Μαγγελάνου, το οποίο αποσπάστηκε βιαίως από το Μέγα Νέφος του Μαγγελάνου από την βαρύτητα που εξάσκησε ο Γαλαξίας μας;

Παλιρροϊκοί νάνοι γαλαξίες

Τα εν λόγω αποτελέσματα της παλίρροιας ήταν πολύ πιο συνηθισμένα κάπου 10 έως 12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν, όταν γεννήθηκε η Γαλαξίας μας, επειδή οι γαλαξίες τότε ήταν πολύ πιο κοντά από ό,τι είναι σήμερα. Ο Pavel Kroupa υποστηρίζει ότι η βαρύτητα του νεαρού Γαλαξία διέσπασε το αέριο από ένα διερχόμενο γαλαξία για να σχηματίσει αρχαίους "παλιρροϊκούς νάνους γαλαξίες", που κατέληξαν ως δορυφόροι γαλαξίες. "Όπως το Ρεύμα του Μαγγελάνου, τέτοιοι γαλαξίες θα σχηματίζουν φυσικά ένα επίπεδο ρεύμα και θα μοιράζονται την ίδια κίνηση," λέει ο Kroupa.

Φαίνεται λοιπόν μια τακτοποιημένη λύση. Αλλά αυτή η ιδέα των δορυφόρων ότι είναι αρχαίοι παλιρροϊκοί νάνοι εγείρει κι ένα άλλο ζήτημα. Οι μετρήσεις των ταχυτήτων των άστρων στο εσωτερικό των γαλαξιών δείχνουν ότι αυτά στρέφονται στους γαλαξίες πολύ γρήγορα – τόσο γρήγορα που θα έπρεπε να φύγουν μακριά στον απομακρυσμένο διαγαλαξιακό χώρο.

Αυτό ακριβώς είναι το πρόβλημα που οι αστρονόμοι βρίσκουν στους σπειροειδείς γαλαξίες και εξ αιτίας του εισήγαγαν την θεωρία της σκοτεινής ύλης για να δικαιολογήσουν την ύπαρξη των άστρων μέσα στους γαλαξίες. "Το πρόβλημα είναι ότι η επίδραση της σκοτεινής ύλης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην περίπτωση των παλιρροϊκών νάνων γαλαξιών," λέει ο Kroupa. Ο λόγος έχει να κάνει με το διαφορετικό τρόπο που συμπεριφέρονται η συνηθισμένη και η σκοτεινή ύλη όταν οι γαλαξίες αλληλεπιδρούν ή συγκρούονται.

Αυτές οι διαφορές είναι πιο εμφανείς σε ένα ουράνιο αντικείμενο, το σμήνος Bullet, που σχηματίστηκε όταν συγκρούστηκαν δύο διαφορετικά σμήνη γαλαξιών. Εικόνες που έχουν ληφθεί από το Παρατηρητήριο ακτίνων-Χ Chandra αποκαλύπτουν ότι όταν τα σμήνη συγκρούστηκαν, τα δύο τεράστια νέφη αερίου συγκρούστηκαν και αυτά και φυσικά επιβραδύνθηκαν. Όμως χάρτες της κατανομής της μάζας δείχνουν ότι τα δύο σμήνη της σκοτεινής ύλης διαπέρασαν το ένα μέσα από το άλλο και έφυγαν ανεπηρέαστα, αφήνοντας πίσω την συνηθισμένη ύλη.

Ο Kroupa υπολογίζει πως η σκοτεινή ύλη και η συνηθισμένη ύλη θα είχαν διαχωριστεί με παρόμοιο τρόπο, όταν σχηματίστηκαν οι παλιρροϊκοί νάνοι γαλαξίες. Αυτό όμως παρουσιάζει ένα αίνιγμα: δεδομένα από την ιλιγγιώδη ταχύτητα των άστρων στους δορυφόρους γαλαξίες "φωνάζουν” για σκοτεινή ύλη", πιστεύει ο Kroupa, "αλλά όλα τα άλλα στοιχεία λένε ότι αυτοί οι γαλαξίες δεν μπορούν να περιέχουν ενδεχομένως σκοτεινή ύλη".

Ένας νέος τροποποιημένος νόμος της βαρύτητας η λύση;

Και πώς είναι δυνατόν λοιπόν να εξηγηθούν οι ανώμαλα γρήγορες ταχύτητες των άστρων μέσα στους παλιρροϊκούς νάνους γαλαξίες; Η μόνη απάντηση, εξηγεί ο Kroupa, είναι η τροποποίηση της βαρύτητας. Ο ίδιος ευνοεί μια εναλλακτική λύση για την σκοτεινή ύλη γνωστή ως Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική, ή MOND, η οποία επινοήθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 από τον Mordehai Milgrom. Η θεωρία MOND λέει ότι κάτω από μια συγκεκριμένο επιτάχυνση, η βαρύτητα είναι ισχυρότερη από το νόμο του Νεύτωνα. Έτσι, επειδή τα αστέρια κινούνται κατά μήκος των εξωτερικών άκρων των σπειροειδών γαλαξιών δέχονται μια επιτάχυνση χαμηλότερη από εκείνη του εσωτερικού τμήματος του γαλαξία, οπότε αυτοί θα δέχονται λίγο πιο έντονη δύναμη βαρύτητας από ό,τι θα περίμενε κανείς βάσει του Νεύτωνα. Με μια απλή φόρμουλα, ο Milgrom μπορεί να εξηγήσει την κίνηση των άστρων σε κάθε σπειροειδή γαλαξία, για τους οποίους έχουμε κάνει μετρήσεις ταχύτητας.

Η MOND είναι μια λογική εναλλακτική λύση για την σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, είναι δύσκολο να βρούμε συνθήκες υπό τις οποίες τα δύο σενάρια προβλέπουν διαφορετικά αποτελέσματα. Τώρα όλα αυτά θα μπορούσαν να αλλάξουν. Ο Milgrom πιστεύει ότι η αποτυχία του μοντέλου της σκοτεινής ύλης για την πρόβλεψη των αριθμών, την τοποθεσία και τις ταχύτητες των γαλαξιών δορυφόρων του Γαλαξία μας είναι μια σημαντική παρατήρηση. "Είναι η πιο καθαρή κατάσταση, εκεί όπου η MOND επιτυγχάνει και η σκοτεινή ύλη αποτυγχάνει να εξηγήσει τα πράγματα," λέει.

Ο James Binney στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης σε πλήρη αντίθεση με τον Milgrom, ισχυρίζεται ότι το πρόβλημα των δορυφόρων γαλαξιών ενισχύει το σενάριο της σκοτεινής ύλης. "Αυτή είναι πράγματι η πιο καθαρή κατάσταση κατά την οποία πετυχαίνει η σκοτεινή ύλη," λέει.
Σκοτεινοί γαλαξίες

Πώς όμως μπορούν οι υπέρμαχοι της MOND και της σκοτεινής ύλης να έχουν τόσο διαμετρικά αντίθετες ερμηνείες της ίδιας παρατηρήσεις;

Σύμφωνα με τον James Binney, θα πρέπει να εξετάσουμε τις λεπτομέρειες του σεναρίου της σκοτεινής ύλης για τον σχηματισμό γαλαξιών. Στον απόηχο του Big Bang, οι κβαντικές διακυμάνσεις στον χωροχρόνο οδήγησαν ορισμένες περιοχές του Κόσμου να γεμίσουν με ύλη και άλλες να είναι γεμάτες κενά. Τα κενά επεκτάθηκαν γρηγορότερα από ότι οι πυκνές περιοχές, η επέκταση των οποίων συγκρατείται από τη βαρύτητα της ύλης που περιείχε.

Καθώς τα κενά απλώνονταν και συνδέονταν μεταξύ τους, πίεζαν την σκοτεινή ύλη και την συνηθισμένη ύλη σε φύλλα και ρεύματα. "Το βλέπουμε αυτό στην κατανομή των γαλαξιών," λέει ο Binney. Το σύμπαν μοιάζει σαν το "ελβετικό τυρί" με συγκεντρώσεις των γαλαξιών που χωρίζονται από τεράστια κενά.

Ο ίδιος βλέπει πως αυτή η διαδικασία να συμπιέζεται η ύλη σε φύλλα και ρεύματα ενεργεί και στην κλίμακα του Γαλαξία μας: η σκοτεινή ύλη θα είχε ξεχυθεί μέσα στο Γαλαξία σε ορισμένες τροχιές. Έτσι ο Binney θεωρεί ότι είναι απολύτως φυσικό να παρατηρούμε τους γαλαξίες δορυφόρους σε μεγάλο βαθμό να περιορίζονται σε ένα μόνο επίπεδο και με τις ταχύτητες τους να σχετίζονται. "Οι ιδιότητές τους εξηγούνται απόλυτα μέσα στο σενάριο περί σκοτεινής ύλης," λέει.

Αλλά εάν το μοντέλο της σκοτεινής ύλης συμφωνεί με τις θέσεις και την κίνηση των γαλαξιών δορυφόρων, γιατί βλέπουμε μόνο το 1 τοις εκατό του αριθμού που θα περιμέναμε; Ο Binney δεν βλέπει και σε αυτό κανένα πρόβλημα. Λέει ότι οι γαλαξίες που δεν βλέπουμε είναι απλά πάρα πολύ εξασθενημένοι για να μπορούμε να τους ανιχνεύσουμε ακόμη. Ή μπορεί να αποτελούνται αποκλειστικά από σκοτεινή ύλη με αέριο που δεν επαρκεί για να δημιουργεί αστέρια, προσθέτει.

Πρόσφατη μελέτη δείχνει ότι ο αριθμός των πολύ εξασθενημένων γαλαξιών δορυφόρων που μπορεί να ανακαλυφθούν είναι χιλιάδες.

Αλλά δεν είναι σαφές πώς οι γαλαξίες με τις τεράστιες συγκεντρώσεις τους από αέριο και σκοτεινή ύλη μπορεί να είναι χωρίς άστρα. Η καταστολή του σχηματισμού νέων άστρων περιλαμβάνει πολύπλοκους μηχανισμούς που είναι δυσνόητοι. "Είναι η αχίλλειος πτέρνα του μοντέλου της σκοτεινής ύλης," παραδέχεται ο Binney. Αλλά αυτό σημαίνει ότι έχουν ακόμη πολλά να γίνουν προκειμένου να συμπληρωθεί το μοντέλο. "

Οι Milgrom και Kroupa δεν έχουν πειστεί. Υποστηρίζουν ότι ο μηχανισμός που εμποδίζει την ύπαρξη των άστρων είναι το μοιραίο ελάττωμα στο μοντέλο της σκοτεινής ύλης. Αντιμετωπίζουν μια δυσκολία να πείσουν τους άλλους, όμως: η πλειοψηφία των αστρονόμων είναι προσκολλημένη στην σκοτεινή ύλη και δεν θα πετάξει μια εργασία περισσότερο από 30 χρόνια τώρα ελαφρά τη καρδία. Η αλήθεια είναι, λέει ο Binney, ότι τόσο η σκοτεινή ύλη όσο και η MOND είναι ελλιπείς με τον δικό τους τρόπο η κάθε μία.

Τι λοιπόν θα χρειαστεί η κάθε πλευρά για να δικαιολογήσει την θεωρία της; Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται στη χαρτογράφηση της βαρύτητας στις παρυφές του Γαλαξία μας. Αν κάνουμε όλο και πιο λεπτομερείς χάρτες της κίνησης όλων των ορατών δορυφόρων γαλαξιών και των σφαιρικών σμηνών, τότε θα πρέπει να συμπεράνουμε την παρουσία όλων των δορυφόρων γαλαξιών που είναι πολύ εξασθενημένοι για να τους δούμε. Αν αποδειχθεί ότι πράγματι υπάρχουν χιλιάδες εξαιρετικά εξασθενημένοι δορυφόροι, όπως προβλέπει το μοντέλο της σκοτεινής ύλης, τότε οι υπέρμαχοι της σκοτεινής ύλης θα έχουν δίκιο. Αν όχι, τότε η σκοτεινή ύλη μπορεί να έχει σκοντάψει πριν από το φίνις.

Δίχως κανένα τέτοιου είδους χάρτη βαρύτητας, και οι δύο πλευρές θα αποτυχαίνουν να μας πείσουν. Για τώρα, τα περίχωρα του Γαλαξία παραμένουν ένα μακρινό πεδίο μάχης ανάμεσα σε δύο μεγάλες θεωρίες για τον Κόσμο μας.

--------------------

Η MOND δεν είναι και η μόνη εναλλακτική θεωρία της βαρύτητας. Άλλες προτεινόμενη ιδέες για την αντικατάσταση της ήδη γνωστής Νευτώνειας θεωρίας είναι:

1. Η θεωρία των Brans-Dicke (1961). Ο Carl Brans του Πανεπιστημίου του Σικάγο και ο Robert Dicke του Πρίνσετον υπέθεσαν ότι η σταθερά της βαρύτητας της γενικής σχετικότητας εξαρτάται από ένα επιπρόσθετο βαθμωτό πεδίο. Η δύναμη της βαρύτητας μεταβάλλεται στο χρόνο και στο χώρο σύμφωνα με την ισχύ αυτού του πεδίου.

2. Η θεωρία των Joel Brownstein και John Moffat στο Perimeter Ινστιτούτο για τη θεωρητική φυσική στο Waterloo του Οντάριο (2005). Στη θεωρία τους (Διανυσματικός Βαθμωτός Τένσορας Βαρύτητας) οι κβαντικές διακυμάνσεις αλλάζουν την ισχύ της βαρύτητας από μέρος σε μέρος, που προκαλεί αποτελέσματα σαν τη MOND.

3. Ο Robert Sanders του πανεπιστημίου του Γκρόνινγκεν στην Ολλανδία, περιέγραψε μια θεωρία το 2005), που προχωρά περισσότερο το μοντέλο της MOND, που είναι σχετικιστικό σαν του Bekenstein, αλλά με με δύο βαθμωτά πεδία αντί για ένα. Οι δονήσεις στο δεύτερο πεδίο προκαλούν ένα είδος σκοτεινής ύλης.