Ένας ΚΟΣΜΟΣ χωρίς σκοτεινή ύλη. Un MONDE sans matière noire

Ένα κοσμολογικό μοντέλο που δεν χρειάζεται την έννοια της σκοτεινής ύλης ερμηνεύει τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας που παρατηρήθηκαν στο κοσμικό υπόβαθρο της μικροκυματικής ακτινοβολίας. A cosmological model that doesn’t require dark matter has overcome a major hurdle in matching observations from the cosmic microwave background. MOND models—which don’t require dark matter—have not previously been able to reproduce the temperature variations measured in the cosmic microwave background (shown here), a relic from the big bang. But now researchers have created a MOND-inspired model that matches these data just as well as dark matter models do. Credit: WMAP Science Team/NASA

Η αστρονόμος Vera Rubin, η συνεισφορά της οποίας άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε το σύμπαν, είχε δηλώσει το 2005 σε μια συνέντευξή της στο περιοδικό New Scientist: «Αν μπορούσα να διαλέξω, θα προτιμούσα να μάθω ότι πρέπει να τροποποιήσουμε τους νόμους του Νεύτωνα για να εξηγήσουμε τις διαγαλαξιακές αλληλεπιδράσεις σε μεγάλες αποστάσεις. Θα ήταν πιο συναρπαστικό από την ιδέα ενός σύμπαντος γεμάτου με ένα νέο είδος υποατομικών σωματιδίων».

The spatial distribution of more than 4 million galaxies as measured by the Sloan Digital Sky Survey, which can't be easily explained by modifying gravity. SDSS (CC-BY)

Θα αρκούσε οι μάζες να ασκούν μια βαρυτική έλξη λίγο μεγαλύτερη από εκείνη που προβλέπει ο Νεύτωνας για να εξηγηθούν οι ταχύτητες των άστρων και των γαλαξιών χωρίς να επικαλούμαστε την σκοτεινή ύλη. Στις 15 Ιουλίου 1983, ο φυσικός Mordehai Milgrom υποστήριξε ότι το αίνιγμα της σκοτεινής ύλης θα μπορούσε να λυθεί με «μια τροποποίηση της νευτώνειας δυναμικής ως μιας πιθανής εναλλακτικής λύσης στην υπόθεση της κρυμμένης μάζας». Ο Milgrom ονόμασε τη θεωρία του MOND (Modified Newtonian Dynamics-Tροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική). Η απλότητα της θεωρίας MOND εξακολουθεί να προβληματίζει τους αστροφυσικούς. Μια μικρή παραλλαγή του νόμου του Νεύτωνα σε γαλαξιακές κλίμακες είναι αρκετή ώστε να μην χρειάζεται να επικαλούμαστε την σκοτεινή ύλη. Η επιτάχυνση ενός αντικειμένου που έλκεται από από μια μάζα Μ και απέχει από αυτή απόσταση r είναι: g=GM/r². Ο Milgrom υπέθεσε ότι η επιτάχυνση δεν μπορεί να μειωθεί κάτω από μια τιμή όριο (10^-10 m/s²), ακόμα και όταν η απόσταση r αυξάνεται πολύ. Aν και συνήθως εξηγούμε αυτή την ιδιότητα επικαλούμενοι την παρουσία μιας αόρατης μάζας – δηλαδή, της σκοτεινής ύλης – η οποία έχει την μορφή μιας σφαιρικής άλω που περιβάλλει έναν γαλαξία, μπορούμε επίσης να την εξηγήσουμε με μία μόνο μαθηματική παράμετρο μέσα στο πλαίσιο της θεωρίας MOND. Η κομψότητα της εν λόγω θεωρίας είναι ότι σε όλους τους γαλαξίες ισχύει η ίδια τιμή αυτής της παραμέτρου! 

Galaxies, like M101 shown here, have rotation profiles that can’t be explained by the visible matter. The popular solution is to assume the existence of dark matter, but another solution, called MOND, can account for galaxy data by modifying Newtonian gravity. Credit: NASA/CXC/SAO/D. Hartmann/JPL-Caltech

Το ίδιο κατώφλι επιτάχυνσης λειτουργεί για σχεδόν όλους τους γαλαξίες – μικρούς και μεγάλους, νέους και ηλικιωμένους. Παρότι η θεωρία MOND εξηγεί την περιστροφή των γαλαξιακών δίσκων, παρουσιάζει προβλήματα π.χ. όταν επεκτείνεται στα σμήνη γαλαξιών. Παλαιότερα μοντέλα που βασίζονται στη MOND δεν μπορούσαν να αναπαράγουν την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; source: doi: 1303.5076v3

Οι Constantinos Skordis και Tom Złósnik στην εργασία τους με τίτλο ‘A new relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics‘, ανέπτυξαν ένα μοντέλο της MOND που συμφωνεί με τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το μοντέλο τους μπορεί να εφαρμοστεί περαιτέρω στις παρατηρήσεις σμηνών γαλαξιών και βαρυτικών κυμάτων.

Ο κύριος λόγος που οι αστρονόμοι προτιμούν την σκοτεινή ύλη έναντι της MOND είναι ότι η σκοτεινή ύλη είναι συμβατή με ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος αστροφυσικών παρατηρήσεων. Για παράδειγμα, η σκοτεινή ύλη μπορεί να εξηγήσει το φαινόμενο του βαρυτικού φακού – την κάμψη του φωτός μακρινών πηγών που βρίσκονται πίσω από γαλαξίες-, ενώ η αρχική μορφή της θεωρίας MOND δεν μπορεί.

Constantinos Skordis.

Οι ερευνητές έχουν επινοήσει τα λεγόμενα σχετικιστικά μοντέλα MOND που μπορούν να εξηγήσουν τις παρατηρήσεις των βαρυτικών φακών, αλλά μέχρι τώρα, καμία από αυτές τις αναθεωρημένες εκδοχές της θεωρίας δεν μπορούσε να αναπαράγει τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας. «Αν η θεωρία δεν μπορεί να το κάνει αυτό, τότε δεν αξίζει να εξεταστεί περαιτέρω», δήλωσε ο Κωνσταντίνος Σκορδής της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών στην Πράγα.

Το βασισμένο στην MOND μοντέλο που δημιούργησαν οι Skordis και Złósnik συμφωνεί με τις παρατηρήσεις της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας, ενώ είναι επίσης συνεπές με τις παρατηρήσεις βαρυτικών φακών και τις μετρήσεις διάδοσης των βαρυτικών κυμάτων. Το μοντέλο ακολουθεί υποθέτει την ύπαρξη δύο πεδίων που λειτουργούν σαν μια επιπλέον βαρυτική δύναμη. Ένα από αυτά τα πεδία είναι ένα βαθμωτό πεδίο – παρόμοιο με το πεδίο Higgs. Το άλλο είναι ένα διανυσματικό πεδίο, το οποίο μοιάζει με το μαγνητικό πεδίο.

A view of the center of the Milky Way galaxy. Theories of modified gravity have had a hard time describing the universe from relatively small scales like this all the way up to the scale of the universe as a whole. Credit: NASA/JPL-Caltech/ESA/CXC/STScI

Οι Skordis και Złósnik έθεσαν τις παραμέτρους του μοντέλου έτσι ώστε στο αρχέγονο σύμπαν, τα πεδία που τροποποιούν τη βαρύτητα να παράγουν ένα βαρυτικό αποτέλεσμα που μοιάζει με αυτό της σκοτεινής ύλης. Η μίμηση της σκοτεινής ύλης με τον τρόπο αυτό διασφαλίζει ότι αναπαράγονται τα παρατηρούμενα μοτίβα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. Τα πεδία εξελίσσονται με την πάροδο του κοσμικού χρόνου, έτσι ώστε η βαρυτική δύναμη να ταυτίζεται τελικά με την αρχική θεωρία MOND. Σε αντίθεση με τα μοντέλα σκοτεινής ύλης που συχνά βασίζονται σε θεμελιώδεις αρχές συμμετρίας – το νέο μοντέλο δεν διατυπώθηκε με βάση μια υποκείμενη θεωρία. Ωστόσο, μια τέτοια θεωρητική βάση θα μπορούσε να αποκαλυφθεί χρησιμοποιώντας το νέο μοντέλο MOND.

Πάντως η πλειονότητα της επιστημονικής κοινότητας, παρά την εν λόγω επιτυχία της εναλλακτικής θεωρίας MOND, συνεχίζει να προτιμά την σκοτεινή ύλη. Αν όμως οι ανιχνευτές της σκοτεινής ύλης συνεχίσουν να καταγράφουν το αδιάφορο υπόβαθρο, τότε ίσως δούμε αυξημένο ενδιαφέρον για αυτά τα τροποποιημένα μοντέλα βαρύτητας.

Πηγές:  Un MONDE sans matière noire – από το βιβλίο του David Elbaz ‘Αναζητώντας το αόρατο σύμπαν’ - Michael Schirber ‘Dark Matter Alternative Passes Big Test’ - C. Skordis and T. Złośnik, “New relativistic theory for modified Newtonian dynamics,” Phys. Rev. Lett. 127, 161302 (2021). - https://www.science.org/content/article/explain-away-dark-matter-gravity-would-have-be-really-weird-cosmologists-say - https://www.quantamagazine.org/modified-gravity-theory-passes-a-critical-test-20200728/ - https://physicsgg.me/2021/10/18/