To 2009 ορίστηκε από τον ΟΗΕ ως έτος αστρονομίας. Ποτέ οι ειδικοί δεν γνώριζαν περισσότερα για το σύμπαν από ότι σήμερα. Πολλά από τα θεμελιώδη ερωτήματα για τον κόσμο που μας περιβάλλει παραμένουν ωστόσο αναπάντητα.Ο Μποπ Νίκολ, αστρονόμος στο πανεπιστήμιο του Πόρτσμουθ της Αγγλίας αντιμετωπίζει τα αινίγματα που θέτει το σύμπαν με βρετανικό χιούμορ: «Έχουμε στη διάθεσή μας ένα πολύ πετυχημένο μοντέλο που περιγράφει τις παρατηρήσεις που έχουμε κάνει στο διάστημα. Ωστόσο οι περισσότεροι από εμάς, για να μην πω κανείς μας, δεν καταλαβαίνουμε ούτε ένα μικρό μέρος του μοντέλου αυτού».
Σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη
Αυτό το «μικρό μέρος» είναι οι δύο μυστηριώδης δυνάμεις στο σύμπαν: σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη. Η σύσταση της σκοτεινής ύλης παραμένει άγνωστη. Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι έλκει άλλα αντικείμενα. Από την άλλη πλευρά η σκοτεινή ενέργεια απωθεί αντικείμενα και ευθύνεται για τη συνεχή διεύρυνση του σύμπαντος. Σκοτεινή ενέργεια και σκοτεινή ύλη αποτελούν περισσότερο από το 95% του κόσμου που μας περιβάλλει.
Οι αστρονόμοι γνωρίζουν βέβαια την επίδραση των δύο συμπαντικών δυνάμεων σε άστρα και γαλαξίες. Δεν είναι ωστόσο σε θέση να αποκωδικοποιήσουν τη σύστασή τους.
Μικρόκοσμος και μακρόκοσμος
Σήμερα υπάρχουν δύο βασικές θεωρίες που περιγράφουν τον κόσμο που μας περιβάλλει: είναι ο μικρόκοσμος και ο μακρόκοσμος. Οι επιστήμονες προσπαθούν να συνδέσουν στη θεωρία αυτό που συνυπάρχει εδώ και εκατομμύρια χρόνια στη φύση. Ο Χέρμαν Νίκολαϊ φυσικός και διευθυντής στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ στο τμήμα ερευνών βαρύτητας εξηγεί ότι: «Γνωρίζουμε πως το σύμπαν διευρύνεται συνεχώς. Αν προσπαθήσουμε να επιστρέψουμε στην απαρχή του κόσμου θα φθάσουμε σε ένα σημείο που αποτελείται από ελάχιστη ύλη, μέσα στην οποία δημιουργήθηκαν χρόνος και χώρος. Για να κατανοήσεις τον κόσμο αυτό, θα πρέπει να καταλάβεις την θεωρία των κβάντων και την θεωρία της σχετικότητας».
Ποτέ οι αστρονόμοι δεν είχαν τόσα όργανα, τόσες δυνατότητες για να μελετήσουν το διάστημα, όπως σήμερα. Κι όμως ερωτήματα όπως από τι αποτελείται το σύμπαν, πως δημιουργήθηκε και πώς θα εξελιχθεί φαίνεται ότι θα μείνουν για πολύ ακόμα αναπάντητα.
dw-world
2 σχόλια:
Το αίνιγμα της Σκοτεινής Ύλης
Πάνω από το 90% του σύμπαντος αποτελείται από ανεξιχνίαστες ακόμα μορφές μάζας και ενέργειας. Η Σκοτεινή Ύλη είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά αινίγματα.
Ένα φάντασμα αιωρείται και διαπερνά όλη τη γνωστή ύλη του σύμπαντος. Το φάντασμα αυτό δεν είναι φτιαγμένο από άυλα αιθέρια στοιχεία αλλά από... αόρατη ύλη. Γι' αυτό οι κοσμολόγοι και οι θεωρητικοί φυσικοί το βάφτισαν Σκοτεινή Ύλη, εμμένοντας στην άποψη ότι είναι τόσο υπαρκτή όσο και οποιαδήποτε άλλη μορφή ύλης.
Παρόλο που οι επιστήμονες δεν τη βλέπουν, νιώθουν έντονα την παρουσία της βασιζόμενοι σε νέες παρατηρήσεις και θεωρητικές αποδείξεις. Πράγματι, εύκολα μπορούμε να εξακριβώσουμε την ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης. Αρκεί να παρατηρήσουμε την κίνηση των γαλαξιών στο σύνολό τους, την ταχύτητα με την οποία απομακρύνονται σ' ένα συνεχώς διαστελλόμενο σύμπαν, για να αντιληφθούμε ότι πρέπει να υπάρχει κάτι περισσότερο απ' αυτό που βλέπουμε με τα τηλεσκόπια.
Το ερεβώδες σύμπαν
Σκοτεινοί αστέρες, Σκοτεινή Ύλη, σκοτεινή ενέργεια, σκοτεινή κοσμολογική εποχή. Αυτά υποστηρίζει η σύγχρονη φυσική ότι είναι τα βασικά συστατικά της άλλης, αόρατης πλευράς του σύμπαντος. Θεωρείται μάλιστα βέβαιο ότι η συνήθης ορατή ύλη, αυτή που συγκροτεί τη Γη, τη Σελήνη, τα αστέρια και τα σώματά μας, αποτελεί ένα μικρό μόνο μέρος της συνολικής μάζας του σύμπαντος, ενώ η ανεξιχνίαστη, Σκοτεινή Ύλη καταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος της.
Ίσως τα πιο γνωστά και κατανοητά σήμερα παραδείγματα Σκοτεινής Ύλης είναι τα σκοτεινά άστρα, δηλαδή οι Μαύρες Τρύπες. Οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν ότι δεν αποτελούν εξαίρεση αλλά πρόκειται για συνηθισμένο φαινόμενο τόσο στο κέντρο του γαλαξία μας όσο και στους υπόλοιπους γαλαξίες.
Υπολογίζοντας την ταχύτητα με την οποία περιστρέφονται τα άστρα, συνάγουμε ότι απαιτείται η ύπαρξη μιας μεγαλύτερης ποσότητας μάζας από εκείνη που είναι ορατή ή μιας επιπλέον ενέργειας που δεν έχει ακόμα μετρηθεί, η οποία φαίνεται ότι επιταχύνει την περιστροφή.
"Οι νόμοι της φυσικής καθορίζουν με ακρίβεια τη συνολική ποσότητα της μάζας που απαιτείται για να εξισορροπηθούν οι κινήσεις των ουρανίων σωμάτων και δημιουργεί αμηχανία το ότι η τιμή της συνολικής μάζας του σύμπαντος που έχει μετρηθεί είναι κατά πολύ κατώτερη από την τιμή της μάζας που απαιτείται" εξηγεί ο Μορντεχάι Μίλγκρομ, θεωρητικός φυσικός του Ινστιτούτου Weizmann στο Ισραήλ, ο οποίος έχει προτείνει μια πρωτότυπη υπόθεση σχετικά με το αίνιγμα της μάζας που λείπει.
Ενδείξεις και αποδείξεις
Σχετικά με την ύπαρξη αυτής της επιπλέον ύλης υπάρχουν και θεωρητικές αποδείξεις που μας οδηγούν στην επανεξέταση του καθιερωμένου μοντέλου δημιουργίας του σύμπαντος. Όπως μας εξηγεί ο αστροφυσικός κ. Στράτος Θεοδοσίου, "πριν διαμορφωθούν οι γαλαξίες το σύμπαν αποτελούνταν από πλάσμα, μια ιονισμένη μορφή ύλης, ένα νέφος από πυρήνες ατόμων και υποατομικών σωματιδίων. Με το πέρασμα του χρόνου το πλάσμα συσσωρεύτηκε εξαιτίας των διακυμάνσεων της πυκνότητάς του και δημιούργησε τα αστέρια και τους γαλαξίες".
Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα σ' αυτή τη θεωρία. Σύμφωνα με τον Μίλγκρομ, δεν έχει περάσει από τότε αρκετός χρόνος ώστε αυτές οι διακυμάνσεις να μπορέσουν να δημιουργήσουν τους γαλαξίες. "Μόνο αν υποθέταμε την ύπαρξη πολύ μεγαλύτερης ποσότητας ύλης από εκείνης που διαπιστώνουμε με την παρατήρηση, την ύπαρξη δηλαδή Σκοτεινής Ύλης, θα ξεπερνιόταν αυτό το δίλημμα".
Εξάλλου οι ίδιες αστρονομικές παρατηρήσεις που μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε τη βρεφική ηλικία του σύμπαντος μας επιτρέπουν να κάνουμε εκτιμήσεις για την τωρινή σύνθεσή του. Υπολόγισαν λοιπόν ότι το σύμπαν αποτελείται μόνο κατά 4% από ορατή ύλη, τα γνωστά άτομα, κατά 23% από Σκοτεινή Ύλη -περιλαμβάνει επίσης γνωστές αλλά μη ορατές μορφές ύλης- και κατά 73% από σκοτεινή ενέργεια. Πρόκειται για μια επίσης άγνωστη μορφή ενέργειας που ωθεί το σύμπαν να διαστέλλεται με όλο και πιο ταχείς ρυθμούς.
Πρόσφατες έρευνες αποκάλυψαν την ύπαρξη μεγάλης ποσότητας βαρυονίων κοντά σε ομάδες γαλαξιών γειτονικούς στο δικό μας. Αυτό το υλικό των βαρυονίων δημιουργεί ένα είδος θερμής ομίχλης που περιβάλλει εξωτερικά τόσο το δικό μας όσο και τους γειτονικούς γαλαξίες. Σύμφωνα μ' αυτή την έρευνα, το εν λόγω νέφος έχει συνολική μάζα που αντιστοιχεί περίπου στα δύο τρίτα της μάζας του γαλαξία μας και των γειτονικών του. Πώς γεννήθηκε αυτή η Σκοτεινή Ύλη; Οι επιστήμονες υποθέτουν ότι είναι ό,τι απέμεινε από τη διαδικασία δημιουργίας των γαλαξιών.
Η άλως των Wimp
Πριν από δύο δεκαετίες οι φυσικοί πίστευαν ότι η Σκοτεινή Ύλη ήταν τελικά συνήθης ύλη: αποτελούνταν από τα συνήθη σωματίδια (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) σε κάποια όχι άμεσα παρατηρήσιμη μορφή. Πρόσφατα όμως οι έρευνες σχετικά με τη γένεση των γαλαξιών οδήγησαν σε διαφορετικά συμπεράσματα. Το μεγαλύτερο μέρος της Σκοτεινής Ύλης μπορεί να οφείλεται σε πολύ ελαφρά στοιχειώδη σωματίδια (αξιόνια και νετρίνα) ή σε πολύ εξωτικά είδη σωματιδίων όπως είναι τα Ασθενώς Αλληλεπιδρόντα Βαριά Σωματίδια Wimp (Weakly Interactive Massive Particle).
Αυτά τα βαριά σωματίδια, περίπου πενήντα φορές πιο βαριά από ένα πρωτόνιο, βρίσκονται διάσπαρτα παντού στο σύμπαν και δεν παρουσιάζουν καμιά αλληλεπίδραση με τη συνήθη ύλη, αλλά τη διαπερνούν. Σύμφωνα με κάποιες αξιόπιστες κοσμολογικές θεωρίες, η Σκοτεινή Ύλη είναι ψυχρή, δηλαδή αποτελείται από σωματίδια με μεγάλη μάζα και μικρή κινητική ενέργεια, τα οποία σχηματίστηκαν αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σύμφωνα μ' αυτό το σενάριο, ο γαλαξίας μας περιβάλλεται από μια αχλύ ή άλω βαρέων σωματιδίων.
Έτσι το ηλιακό μας σύστημα, που κινείται με 230 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο μέσα στο γαλαξιακό σύστημα, βρίσκεται συνεχώς εκτεθειμένο σ' έναν άνεμο από Wimp, που ποικίλλει ανάλογα με τη θέση που έχει η Γη σε σχέση με τον Ήλιο. Απευθείας μετρήσεις των Wimp είναι δύσκολο να γίνουν, γιατί η ύλη μέσα σ' αυτά είναι σχεδόν διαφανής.
Αναθεώρηση της βαρύτητας
Η μελέτη των Wimp, των πολυποίκιλων βαρέων σωματιδίων, των Λευκών Νάνων και των αστέρων νετρονίων, δεν αρκεί για να εξηγήσει τη δημιουργία όλης της Σκοτεινής Ύλης. Έτσι μερικοί ερευνητές προχώρησαν σε άλλες εκπληκτικές υποθέσεις.
Η πιο επαναστατική απ' αυτές είναι εκείνη του Μίλγκρομ, ο οποίος υποστηρίζει ότι αρκεί να τροποποιήσουμε το Νόμο της Βαρύτητας του Νεύτωνα για να εξηγήσουμε όσα δεν κατανοούμε, χωρίς να προσφύγουμε στην ύπαρξη της Σκοτεινής Ύλης. Αυτή η τροποποίηση αποκαλείται MOND (Modified Newtonian Dynamics) και αναφέρεται στο δεύτερο νόμο του Νεύτωνα που συνδέει τη δύναμη με τη μεταβολή της ταχύτητας, δηλαδή την επιτάχυνση. Αυτό που τροποποιείται είναι η σχέση μεταξύ δύναμης και επιτάχυνσης, όταν η επιτάχυνση είναι πολύ μικρή.
"Σ' αυτή την περίπτωση η αναγκαία δύναμη, προκειμένου να επιτευχθεί μια δεδομένη επιτάχυνση, είναι πάντα μικρότερη απ' όση απαιτείται από τη νευτώνεια δυναμική" εξηγεί ο Μίλκγκρομ. Έτσι, για να εξηγηθούν οι παρατηρούμενες επιταχύνσεις των γαλαξιών είναι αναγκαία μια μικρότερη ποσότητα ύλης.
Μ' αυτό τον τρόπο περιορίζεται η ανάγκη προσφυγής στη Σκοτεινή Ύλη. Ωστόσο ο Μίλγκρομ παραδέχεται ότι η υπόθεση αυτή μπορεί να εφαρμοστεί για όλο το σύμπαν εκτός από τις κεντρικές περιοχές των γαλαξιών, που παρουσιάζουν και τις πιο πλούσιες συγκεντρώσεις ύλης. Σ' αυτές πρέπει να κρύβονται σημαντικές ποσότητες μισοσκότεινης ύλης, διαφορετικά η τροποποίηση MOND δεν είναι σωστή και το μυστήριο παραμένει.
Για να μάθετε πιο πολλά:
Η ιστοσελίδα www.sciencemag.org/feature/data/darkside/ ρίχνει περισσότερο φως σ' αυτή τη σκοτεινή πλευρά με πληροφορίες για αποστολές, πειράματα και μελέτες πάνω σε διάφορα θέματα κοσμολογίας.
Εδώ και πολλά χρόνια τώρα, οι επιστήμονες αναρωτιούνται γιατί ο Κόσμος διαστέλλεται γρηγορότερα από όσο πρέπει να είναι. Μέσω της συμβατικής γνώσης της φυσικής, ο Κόσμος θα πρέπει να επεκτείνεται με έναν πιο αργό ρυθμό από ότι οι παρατηρήσεις δείχνουν. Η θεωρία της σκοτεινής ύλης, η οποία μέχρι σήμερα έδινε εξηγήσεις για τις αστρονομικές παρατηρήσεις μας και τη σύγχρονη κοσμολογία, βρίσκεται επιτέλους υπό αμφισβήτηση.
"Υπάρχουν δύο κύριες θεωρίες γιατί ο Κόσμος επεκτείνεται τόσο γρήγορα", λέει ο Martin Kunz. "Η μία είναι η τροποποιημένη θεωρία της βαρύτητας και η άλλη είναι η παρουσία της σκοτεινής ενέργειας. Θέλουμε να ανακαλύψουμε πώς να διακρίνουμε ποιά μεταξύ των δύο είναι η αιτία." Η ανίχνευση της διαφοράς μεταξύ της σκοτεινής ενέργειας και της τροποποιημένης θεωρίας της βαρύτητας θα έδινε στους φυσικούς μια καλύτερη άποψη για το πώς λειτουργεί ο Κόσμος. Και η ανίχνευση της τροποποιημένης θεωρίας της βαρύτητας θα πρόσθετε κι άλλα οφέλη γιατί θα μαθαίναμε καλύτερα τη μία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις στον Κόσμο.
Πρόσφατα Καναδοί επιστήμονες ανακοίνωσαν πως πιστεύουν πως υπάρχει πολύ καλός λόγος που εξηγεί την αδυναμία μαςνα ανιχνεύσουμε τη σκοτεινή ύλη. Η σκοτεινή ύλη είναι (υποτίθεται) μια μυστηριώδης ύλη η οποία αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος.
Η έννοια της ύλης αυτής επινοήθηκε λόγω της ανάγκης μας να εξηγήσουμε τον τρόπο με τον οποίο οι γαλαξίες συνυπάρχουν στο σύμπαν. Η ορατή ύλη, δεν είναι ικανή για να εξηγήσει την κίνηση και τις λοιπές αλληλεπιδράσεις των διαφόρων γαλαξιών με αποτέλεσμα οι επιστήμονες να υποθέσουν την ύπαρξη μιας αόρατης δύναμης, που αντισταθμίζει τη θεωρία της βαρύτητας και που ασκείται κεντρικά σε όλους τους γαλαξίες.
Υπέρ της άποψης αυτής τάχθηκε η επιστημονική κοινότητα όταν τον περασμένο Αύγουστο, αστρονόμοι απ΄το πανεπιστήμιο του Tucson ανέφεραν μια σύγκρουση ανάμεσα σε δυο σμήνη γαλαξιών 3 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, γνωστά και ως Bullet Cluster. Το φαινόμενο αυτό προκάλεσε το διαχωρισμό του νέφους της σκοτεινής ύλης απ΄την ορατή.
Αυτό είχε ως αποτέλεσμα πολλοί επιστήμονες να υποστηρίξουν πως οι παρατηρήσεις αυτές αποδεικνύουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης ενώ απορρίπτουν εν τη γενέση τους τις εναλλακτικές θεωρίες που δε σχετίζονται με τη σκοτεινή ύλη.
Αντίθετα όμως, οι John Moffat (αστρονόμος απ΄το Waterloo του Καναδά) και ο Joel Brownstein, τονίζουν πως οι πανηγυρισμοί και οι ανακοινώσεις ήταν μάλλον πρόωροι. Σε μια μελέτη η οποία είδε το φως της δημοσιότητας στις 21 Νοεμβρίου, στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, οι επιστήμονες αναφέερουν πως η Τροποποιημένη Θεωρία της Βαρύτητας είναι δυνατόν να εξηγήσει το φαινόμενο Bullet Cluster χωρίς να καθιστά αναγκαία την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.
Χρησιμοποιώντας εικόνες (φωτογραφίες) του Bullet Cluster απ΄τα διαστημικά τηλεσκόπια Hubble και Spitzer καθώς και τα Chandra X-ray και Magellan στη Χιλή, ανέλυσαν τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα των σμηνών προκάλεση τη διαστρέβλωση του γαλαξιακού φωτός και κατέληξαν πως η σκοτεινή ύλη δεν αποτελούσε απαραίτητη προϋπόθεση για την εξήγηση των φαινομέων: "Χρησιμοποιώντας την Τροποποιημένη Θεωρία της Βαρύτητας, η ορατή ύλη στο γαλαξιακό σύστημα Bullet Cluster είναι αρκετή για τον υπολογισμό του φαινομένου διαστρέβλωσης του γαλαξιακού φωτός." σχολίασε ο Brownstein, "Συνεχίζοντας την έρευνα και αναλύοντας τις περιπτώσεις άλλων γαλαξιών θα μπρούσαμε να αποφασίσουμε τελικά ποία απ΄τις δύο θεωρίες προσφέρει την καλύτερη εξήγηση για την κατάσταση στην οποία βρίσκεται σήμερα το σύμπαν."
ο Moffat συνέκρινε το σύγχρονο ενδιαφέρον και την επιμονή για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης από την επιστημονική κοινότητα με το αντίστοιχο για τον "φωτεινό αιθέρα", μια υποθετική ουσία η οποία στις αρχές του 20ού αι. εθεωρείτο πως αποτελούσε το σύνολο του σύμπαντος και πως μέσο αυτής διαδίδονταν τα κύματα.
"Θα μπορούσαν να αποδεχθούν τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, όμως δεν ήταν ακόμα έτοιμοι να εγκαταλείψουν τον αιθέρα.", λέει ο Moffat, "Ο Αϊνστάιν ήρθε αργότερα και είπε ότι δεν χρειαζόμαστε τον αιθέρα, όλα τα υπόλοιπα ανήκουν στην ιστορία".
Ο Douglas Clowe αστρονόμος και υπεύθυνος της ομάδας η οποία συνέδεσε τις παρατηρήσεις του Bullet Cluster με τη σκοτεινή ύλη, αναφέρει πως εμμένει στην αρχική του πρόταση.
Μέσα σ΄όλα πάντως, ο Kunz, από το πανεπιστήμιο της Γενεύης, και ο συνάδελφός του Domenico Sapone έχουν δημοσιεύσει μια επιστολή στο Physical Review Letters όπου εξετάζουν τις δυσκολίες της διάκρισης μεταξύ της τροποποιημένης βαρύτητας και της σκοτεινής ενέργειας. Η επιστολή έχει τίτλο "Σκοτεινή ενέργεια εναντίον της τροποποιημένης βαρύτητας."
"Υπάρχουν θεωρητικά προβλήματα με τη σκοτεινή ενέργεια", εξηγεί ο Kunz, "και αυτό είχε οδηγήσει τους ανθρώπους να ασπαστούν την τροποποιημένη γενική σχετικότητα του Einstein προκειμένου να πάρουν την τροποποιημένη θεωρία της βαρύτητας, την οποία μερικοί σκέφτονται ότι θα εξηγούσε την διαστολή του σύμπαντος". Το πρόβλημα, λέει, μπαίνει όταν προσπαθεί κάποιος να παρατηρήσει ένα από αυτά τα φαινόμενα. "Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε είτε τη σκοτεινή ενέργεια είτε την τροποποιημένη βαρύτητα άμεσα. Μπορούμε μόνο να παρατηρήσουμε πώς συμπεριφέρονται οι γαλαξίες."
Πηγή: Pathfinder,Physics4u
Δημοσίευση σχολίου