Η βαρύτητα, όπως την κατανοούν οι περισσότεροι, είναι η γνωστή δύναμη που τραβάει ένα μήλο που πέφτει προς τη Γη. Αλλά για τους αστρονόμους και τους θεωρητικούς φυσικούς, είναι επίσης ένας ενοχλητικός αόρατος αρχιτέκτονας που καθοδηγεί το σχήμα και την εξέλιξη των μεγαλύτερων κοσμικών δομών σε όλο το σύμπαν.
Οι αινιγματικές παρατηρήσεις
Για δεκαετίες, οι αινιγματικές παρατηρήσεις ασυνήθιστα ταχέως κινούμενων γαλαξιών έχουν αναγκάσει κοσμολόγους όπως τον Patricio A. Gallardo του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια να επανεξετάσουν τα θεμελιώδη στοιχεία της φυσικής, διερευνώντας, για παράδειγμα, εάν οι νόμοι της βαρύτητας όπως περιγράφονται από τον Ισαάκ Νεύτωνα και τον Άλμπερτ Αϊνστάιν ισχύουν πραγματικά παντού.
«Η αστροφυσική μαστίζεται από μια τεράστια ασυμφωνία στο κοσμικό βιβλίο», λέει ο Gallardo. «Όταν εξετάζουμε πώς περιστρέφονται τα αστέρια μέσα στους γαλαξίες ή πώς κινούνται οι γαλαξίες μέσα στα σμήνη γαλαξιών, μερικοί φαίνεται να ταξιδεύουν πολύ γρήγορα για την ποσότητα της ορατής ύλης που περιέχουν».
Αυτή η αναντιστοιχία αναγκάζει μια επιλογή μεταξύ δύο ριζοσπαστικών συμπερασμάτων, εξηγεί. Είτε το σύμπαν περιέχει συγκεντρώσεις τεράστιας αόρατης «σκοτεινής ύλης» που παρέχουν επιπλέον βαρυτική έλξη είτε «οι θεμελιώδεις εξισώσεις για τη βαρύτητα πρέπει να τροποποιηθούν».
Η σχέση της βαρύτητας
Τώρα, χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από το Κοσμολογικό Τηλεσκόπιο Atacama (ACT), ένα τηλεσκόπιο ύψους περίπου τριών έως τεσσάρων ορόφων που αναπτύχθηκε σε μεγάλο βαθμό από ερευνητές του Penn με επικεφαλής τον Mark Devlin, ο Gallardo και οι συνεργάτες του έχουν δοκιμάσει τη βαρύτητα σε σμήνη γαλαξιών που χωρίζονται από εκατοντάδες εκατομμύρια έτη φωτός - ο μεγαλύτερος σε κλίμακα ανιχνευτής βαρύτητας μέχρι σήμερα.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, δείχνουν ότι η ισχύς της βαρύτητας εξασθενεί με την απόσταση σχεδόν ακριβώς όπως προβλέφθηκε από τις εξισώσεις που ανέπτυξε ο Νεύτωνας και αργότερα ενσωματώθηκε στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.
"Είναι αξιοσημείωτο ότι ο νόμος του αντίστροφου των τετραγώνων - που προτάθηκε από τον Νεύτωνα τον 17ο αιώνα και στη συνέχεια ενσωματώθηκε από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν - εξακολουθεί να διατηρεί τη θέση του στον 21ο αιώνα", λέει ο Gallardo.
Η συμπεριφορά της βαρύτητας
Η επιβεβαίωση ότι η βαρύτητα συμπεριφέρεται όπως προβλέπεται από την καθιερωμένη θεωρία σε τεράστιες, εξωγαλαξιακές αποστάσεις ενισχύει έναν θεμελιώδη πυλώνα της σύγχρονης επιστήμης, εξηγεί ο Gallardo: το καθιερωμένο μοντέλο της κοσμολογίας. Δείχνοντας ότι οι θεμελιώδεις θεωρίες της βαρύτητας δεν καταρρέουν στις μεγαλύτερες κλίμακες, τα δεδομένα ουσιαστικά κλείνουν την πόρτα σε μια ομάδα θεωριών όπως η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND), που επιχειρούν να εξηγήσουν τις κοσμικές κινήσεις τροποποιώντας τους νόμους της βαρύτητας.
Όταν ο Νεύτωνας πρότεινε την αντίστροφη τετραγωνική σχέση, η οποία δηλώνει ότι η βαρύτητα εξασθενεί ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των αντικειμένων, ασχολήθηκε κυρίως με την περιγραφή των κινήσεων των αντικειμένων στο ηλιακό σύστημα. Η ίδια αρχή έχει πλέον δοκιμαστεί σε μάζες και αποστάσεις που ήταν «αδιανόητες στην εποχή του Νεύτωνα», λέει ο Gallardo.
Κατανόηση των «ορίων ταχύτητας» του σύμπαντος
Οι γαλαξίες του σύμπαντος—οι οποίοι είναι περισσότεροι από 200 δισεκατομμύρια—δεν κινούνται όπως μόνο η βαρύτητα λέει ότι πρέπει.
Ακολουθώντας τη Νευτώνεια λογική, τα αστέρια που βρίσκονται πιο μακριά από το κέντρο ενός γαλαξία θα πρέπει να περιστρέφονται πιο αργά. Αντίθετα, οι αστρονόμοι βλέπουν το αντίθετο. Οι εξόχως απόκεντρες περιοχές κινούνται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι μπορεί να εξηγήσει η ορατή ύλη. Η ίδια αναντιστοιχία εμφανίζεται σε σμήνη γαλαξιών, όπου ολόκληροι γαλαξίες κινούνται πολύ γρήγορα για τη μάζα τους.
«Αυτό είναι το κεντρικό παζλ», εξηγεί ο Gallardo. «Είτε η βαρύτητα συμπεριφέρεται διαφορετικά σε πολύ μεγάλες κλίμακες, είτε το σύμπαν περιέχει επιπλέον ύλη που δεν μπορούμε να δούμε άμεσα».
Δοκιμή της βαρύτητας σε όλο το σύμπαν
Για να το δοκιμάσουν αυτό, οι ερευνητές στράφηκαν στις παρατηρήσεις του ACT για ένα φως που απελευθερώθηκε περίπου 380.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και το οποίο από τότε ταξιδεύει σε όλο το σύμπαν, γνωστό ως κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων.
Καθώς αυτό το αρχαίο φως διέρχεται από τεράστια σμήνη γαλαξιών, μεταβάλλεται ανεπαίσθητα από την κίνησή τους, αφήνοντας αμυδρά αποτυπώματα που οι αστρονόμοι μπορούν να ανιχνεύσουν. Διαβάζοντας αυτές τις παραμορφώσεις και μετρώντας αυτές τις κινήσεις σε εκατοντάδες χιλιάδες σμήνη που χωρίζονται από δεκάδες εκατομμύρια έτη φωτός, οι ερευνητές προσδιόρισαν πόσο έντονα η βαρύτητα έλκει τις μεγαλύτερες δομές στο σύμπαν. Εάν οι τροποποιημένες θεωρίες βαρύτητας, όπως η MOND, ήταν σωστές, οι μετρήσεις θα αποκάλυπταν μια πιο επίπεδη βαρυτική πτώση.
Αντίθετα, τα αποτελέσματα κατέληξαν σχεδόν ακριβώς εκεί που συμφωνούν οι θεωρίες του Νεύτωνα και του Αϊνστάιν. Επειδή αυτή η πρόβλεψη ισχύει, το πρόβλημα της ελλείπουσας μάζας δεν μπορεί να εξηγηθεί από την αλλαγή της ίδιας της βαρύτητας, ενισχύοντας την υπόθεση ότι ένα αόρατο συστατικό - η σκοτεινή ύλη - πρέπει να παρέχει την επιπλέον έλξη.
Το μυστήριο της σκοτεινής ύλης
Η κατανόηση του τι είναι στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη παραμένει μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη σύγχρονη φυσική.
«Αυτή η μελέτη ενισχύει τα στοιχεία ότι το σύμπαν περιέχει ένα συστατικό της σκοτεινής ύλης», λέει ο Gallardo. «Αλλά ακόμα δεν γνωρίζουμε από τι αποτελείται αυτό το συστατικό».
Οι μελλοντικές παρατηρήσεις της CMB και των μεγαλύτερων ερευνών γαλαξιών θα επιτρέψουν στους φυσικούς και τους αστρονόμους να ελέγξουν τη βαρύτητα με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.
«Με τόσα πολλά αναπάντητα ερωτήματα, η βαρύτητα παραμένει ένας από τους πιο συναρπαστικούς τομείς έρευνας. Είναι ένα φυσικά ελκυστικό πεδίο», γελάει ο Gallardo.
www.worldenergynews.gr
