Σκοτεινή ύλη, σκοτεινή ενέργεια
25 - 29 Ιουνίου 2001
Συνέδριο
ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΥΛΙΚΟ;
Κατά τη διάρκεια της εβδομάδας από 25 έως 29 Ιουνίου 2001, έλαβε χώρα στο Μαρσέιλλε ένα διεθνές συνέδριο, στο οποίο συμμετείχαν δύο αιχμάλωτοι, από τους οποίους 140 ήταν ομιλητές, και το θέμα του ήταν "Πού είναι το υλικό;" Υπήρχε επίσης ένα υποτίτλο:
Παρατηρώντας τη φωτεινή και τη σκοτεινή ύλη με τις νέες μεθόδους παρατήρησης σε μεγάλη κλίμακα.
Αυτές οι λέξεις έχουν μεγάλη σημασία. Αμέσως τοποθετούν αυτό το συνέδριο μέσα σε ένα παράδειγμα. Υποτίθεται έτσι ότι το σύμπαν είναι ένα, και ότι έχει δύο περιεχόμενα, ένα που είναι προσιτό στα μέσα παρατήρησής μας (στη φασματική περιοχή του ορατού, του υπεριώδους, του υπερύθρου, αναφέροντας ότι εκτελούν παρατηρήσεις βασισμένες σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα) και ένα που, για τον χρόνο, δεν φαίνεται να αντιμετωπίζει αυτό το είδος έρευνας και περιγράφεται με το γενικό όρο "σκοτεινή ύλη", στα Αγγλικά "Dark Matter". Πώς να πραγματοποιήσουμε παρατηρήσεις, πώς να χαρτογραφήσουμε αυτή τη σκοτεινή ύλη; Από τη μία πλευρά, βασιζόμενοι στα φαινόμενα της βαρυτικής φακοποίησης, τα οποία, συνήθως, έχουν αποδειχτεί ότι είναι πολύ σημαντικά για να εξηγηθούν από την παρουσία της μόνο ορατής ύλης, είτε πρόκειται για γαλαξίες ή σμήνη γαλαξιών, από την άλλη πλευρά, βασιζόμενοι στα κινητικά παράμετρα των παρατηρούμενων αντικειμένων.
Πριν ακόμη να εντοπιστούν αυτά τα φαινόμενα της βαρυτικής φακοποίησης "ανομολόγως σημαντικά", άτομα όπως ο Fritz Zwicky, βασιζόμενα στην ανάλυση των καμπύλων περιστροφής των γαλαξιών ή στη μέτρηση των ταχυτήτων ταλάντωσης των γαλαξιών στα σμήνη, έχουν συμπεράνει ότι η οπτικά ανιχνεύσιμη ύλη δεν μπορεί να εξασφαλίσει τη συνοχή αυτών των συνόλων. Με τις καμπύλες περιστροφής εννοούμε τις μετρήσεις που έγιναν στο αέριο μεταστροφής, που περιστρέφεται στο γενικό πεδίο βαρύτητας, που πραγματοποιήθηκε με φαινόμενο Doppler Fizeau. Αυτό το αέριο, φαντάζει πολύ γρήγορα, ιδιαίτερα στην περιφέρειά του (παρουσία ενός "χαρακτηριστικού επιπέδου). Τα σμήνη γαλαξιών θεωρούνται ως "κομμάτια αερίου", όπου οι γαλαξίες θα ήταν οι "μόρια". Οι "ταχύτητες των γαλαξιών", όπως τα ονομάζουν οι αστρονόμοι, γίνονται το ισοδύναμο των θερμικών ταχυτήτων των μορίων ενός αερίου, ταχύτητες που κατανέμονται τυχαία, σε όλες τις κατευθύνσεις. Αν τηρήσουμε αυτή την αναλογία του αερίου, η συνδυασμένη χρήση των "θερμικών ταχυτήτων" και της πυκνότητας δίνει αυτό που ονομάζουμε πίεση (που είναι η μέτρηση της πυκνότητας της κινητικής ενέργειας ταλάντωσης, ανά μονάδα όγκου). Ένα σύννεφο αερίου μεταστροφής δεν διασπάται, γιατί η δύναμη της βαρύτητας ισορροπεί τις δυνάμεις πίεσης που τείνουν να το διασπάσουν. Αν αντιστοιχίσουμε ένα σμήνος χιλιάδων γαλαξιών σε ένα είδος κομματιού αερίου, μπορούμε να πούμε ότι οι δυνάμεις πίεσης που τείνουν να το διασπάσουν, υπολογισμένες βάσει των μετρήσεων των ταχυτήτων ταλάντωσης των γαλαξιών και της μάζας που ανιχνεύεται, είναι πολύ μεγάλες για να αντισταθμιστούν από τη δύναμη της βαρύτητας. Με άλλα λόγια, γνωρίζοντας τη μάζα του σμήνους μπορούμε να υπολογίσουμε μια ταχύτητα διαφυγής. Όπως παρατήρησε ο Zwicky, οι ιδιαίτερες ταχύτητες των γαλαξιών υπερβαίνουν την ταχύτητα διαφυγής του σμήνους στο οποίο ανήκουν. Αν δεν υπήρχε μια πρόσθετη δύναμη, αυτοί οι γαλαξίες θα έπρεπε να έχουν φύγει από το σμήνος πολύ καιρό. Το ίδιο ισχύει και για τα αστέρια των γαλαξιών. Το πρόβλημα είναι πολύ πραγματικό. Το ερώτημα είναι στην ερμηνεία που δίνουμε σε αυτό το φαινόμενο.
Η απάντηση των αστρονόμων είναι συμφωνία, τώρα ονομάζεται "σκοτεινή ύλη", αν και κανείς δεν έχει δείξει ικανότητα να πει ποια θα μπορούσε να είναι η φύση αυτής της "σκοτεινής ύλης". Ωστόσο, κανείς δεν έχει αμφιβολία για το γεγονός ότι τα παρατηρούμενα φαινόμενα μπορεί να προέρχονται από κάτι άλλο παρά την παρουσία ενός συστατικού που δεν έχει ακόμα παρατηρηθεί, με θετική μάζα, ηρεμούντας στο δικό μας (μοναδικό) σύμπαν. Σε αυτό το πλαίσιο οι εργασίες της "χαρτογράφησης του αόρατου" έχουν ήδη ξεκινήσει. Αρχικά, απλώς είπαν "σε αυτό το σμήνος γαλαξιών πρέπει να υπάρχει μια ορισμένη μάζα M για να μην εξαφανιστεί το σμήνος ή, το ίδιο, για να εξηγήσει τα ισχυρά φαινόμενα βαρυτικής φακοποίησης που προκαλεί (πολλαπλά εικόνες, γαλαξίες που βρίσκονται στο πίσω μέρος παραμορφωμένες, αυτή η παραμόρφωση φθάνει μέχρι την επέκτασή τους σε τόξα)". Στη συνέχεια, οι αστροφυσικοί, όπως ο Albert Bosma, από το εργαστήριο της Αστροφυσικής του Μαρσέιλλε, στο οποίο ανήκω, έχουν προσθέσει εμπειρικά "περιβλήματα" σκοτεινής ύλης, απροσδιόριστης φύσης, με την επιθυμία να "προσαρμόσουν τις καμπύλες περιστροφής", ένας Αγγλικός όρος που υποδηλώνει την ενέργεια να βρει αυτό τον τρόπο εμπειρικά τις νόμους ταχύτητας που αντιστοιχούν στις τιμές που προέρχονται από παρατηρήσεις. Έτσι, πολλοί άνθρωποι ασχολούνται τώρα πλήρως με τον υπολογισμό της κατανομής της ύλης σε αυτά τα περιβλήματα σκοτεινής ύλης, αόρατα. Αυτό ονομάζεται "θεωρίες τάξης μηδέν". Αυτή η δραστηριότητα, που δεν απαιτεί καμία ιδιαίτερη ειδικότητα, είναι καθαρά τεχνική. Οι άνθρωποι που την ασχολούνται δεν προσπαθούν καθόλου να παρέχουν δεδομένα για τη φύση αυτής της "σκοτεινής ύλης" που χαρτογραφούν εμπειρικά, και φυσικά ούτε για τις διαδικασίες που έχουν προκαλέσει την παρουσία της στους γαλαξίες. Μη γνωρίζοντας ούτε τη φύση ούτε την προέλευση αυτού του συστατικού, είναι φυσικά αποκλεισμένο να κατασκευάσει μια "δυναμική γαλαξιών". Στο συνέδριο αυτό έχω ακούσει μια Αμερικανίδα να κάνει ένα σύνολο των μοντέλων όπου προσπαθούν να περιγράψουν την εμφάνιση των γαλαξιών (από τη σκοτεινή ύλη ψυχρή, στα Αγγλικά "cold dark matter" ή "CDM"). Όλα αυτά τα μοντέλα βασίζονται, φυσικά, μόνο στο νόμο του Νεύτωνα (και έναν τεράστιο υπολογιστή που επεξεργάζεται όλα αυτά). Παραμένουν λίγο πειστικά στην έννοια ότι, όποιες αρχικές παραμέτρους εισάγονται, τα "προγαλαξιακά" που σχηματίζονται έχουν πολύ χαμηλότερα γωνιακά ορμή. Έτσι, ένα από τα ερωτήματα που έθεσαν αυτοί οι "νέοι θεωρητικοί" (νόμος του Νεύτωνα και μεγάλος υπολογιστής) ήταν "από πού προέρχεται η γωνιακή ορμή των γαλαξιών;" Είμαστε στο επίπεδο των "θεωριών τάξης μηδέν", είτε πρόκειται για χαρτογραφήσεις είτε για προσπάθειες προσομοίωσης.
Από το 1999, αστροφυσικοί όπως ο Yannick Mellier και ο Fort, ακολουθούμενοι από μισή δεκαριά ομάδων σε διαφορετικά σημεία του κόσμου, έχουν παράξει τα αποτελέσματα έξι χρόνων εργασίας, που αντιστοιχούν σε ένα ευρύ πρόγραμμα. Αν η σκοτεινή ύλη υπήρχε στο σύμπαν, ιδιαίτερα στα σμήνη γαλαξιών, θα προκαλούσε φαινόμενα βαρυτικής φακοποίησης. Στο άκρο, αυτό παράγει εικόνες σχεδόν καλειδοσκοπικές, όπως έδειξε το τηλεσκόπιο Hubble, όπου τα αντικείμενα που βρίσκονται στο πίσω μέρος ενός σμήνους εκρήγνυνται σε ένα σύνολο πολλαπλών εικόνων, παράγοντας ενδεχομένως ένα ή περισσότερα τόξα βαρυτικής φακοποίησης. Κατανοούμε τότε ότι όταν οι υποτιθέμενες συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης είναι λιγότερο σημαντικές, προκαλούν απλές παραμορφώσεις στις εικόνες των γαλαξιών, δίνοντας στην εικόνα τους μια επιπλέον ελλειψοειδή, απλά ως οπτικό φαινόμενο, που συμπίπτει τότε με την πραγματική ελλειψοειδή. Ο Mellier, ο Fort και αυτοί που τους ακολούθησαν αργότερα, έχουν αναπτύξει μια μέθοδο επεξεργασίας εικόνας όπου ο υπολογιστής ανιχνεύει τις τοπικές ανισοτροπίες των εικόνων (από την υπόθεση ότι χωρίς φαινόμενο βαρυτικής φακοποίησης, οι μεγάλοι άξονες των ελλειψοειδών εικόνων των γαλαξιών θα έπρεπε να κατανέμονται τυχαία). Στη συνέχεια, η μέθοδος επιτρέπει την ανακατασκευή της κατανομής (3d) της υποτιθέμενης σκοτεινής ύλης που θα μπορούσε να παράγει τέτοιες εικόνες. Το 1999 ο Mellier και ο Fort έκαναν εντύπωση δημοσιεύοντας μια χρωματική εικόνα, σε προοπτική, που απεικονίζει την κατανομή της σκοτεινής ύλης σε ένα τμήμα του σύμπαντος, που αντιστοιχεί σε ένα τμήμα του ουρανού ισοδύναμο με μερικά τετραγωνικά βαθμούς.
Η εικόνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό του Κόσμου και ο συγγραφέας του άρθρου, ο δημοσιογράφος Jean-François Augereau, τίτλωσε "Η σκοτεινή ύλη υπάρχει, γιατί αποκλίνει τις ακτίνες του φωτός". Σύνδεση με αυτό το άρθρο. Αυτά τα πράγματα φαίνονταν τότε πολύ εντυπωσιακά, που ξεκίνησαν "μια χαρτογράφηση του αόρατου". Ωστόσο, ένα χρόνο αργότερα ο Fort (διευθυντής του Ινστιτούτου Αστροφυσικής του Παρισιού, στο οποίο ανήκει επίσης ο Yannick Mellier) έδωσε συνέντευξη στο περιοδικό Ciel et Espace (τον Ιούνιο του 2000), στην οποία αναφέρθηκε σε ορισμένα προβλήματα, που μέχρι τότε πέρασαν ανεπαίσθητα. Η μέθοδος οδήγησε τους δύο ερευνητές να τοποθετήσουν δύο σημαντικές συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης (5 1014 ηλιακές μάζες, ισοδύναμες με χίλια γαλαξίες, μάζα παρόμοια με αυτή των μεγαλύτερων γνωστών σμηνών: το σμήνος της Παρθένου ή το σμήνος Coma). Ωστόσο, ένα απροσδιόριστο γεγονός, αυτές οι περιοχές του ουρανού φαίνονταν ιδιαίτερα κενές:
Αυτά τα αποτελέσματα ήταν φυσικά πολύ ενοχλητικά και στην αρχή οι δύο συγγραφείς τα πέρασαν απλώς χωρίς να τα αναφέρουν, ελπίζοντας ότι θα μπορούσαν να είναι ένας αρτεφακτος ή ένας νέος τύπος σμήνους που εκπέμπει σε ειδικές συχνότητες. Επομένως, πραγματοποιήθηκαν νέες παρατηρήσεις, στην περιοχή του υπεριώδους ή του υπερύθρου, που δεν έδωσαν τίποτα σημαντικό. Τελικά ο Fort και ο Mellier τα ονόμασαν "σμήνη σκοτεινής ύλης" (dark clusters), διευκρινίζοντας ότι ίσως να υπάρχουν "σμήνη που αποτελούνται αποκλειστικά από εξωτική ύλη", μια πολύ ιδιαίτερη ύλη που, αν και υπόκειται στο φαινόμενο της βαρυτικής αστάθειας, θα είχε τη δύναμη να ελκύει μόνο ύλη του ίδιου τύπου. Ο Fort, στη συνέντευξή του του 2000, είπε ότι δυσκολευόταν να πιστέψει ότι ένα τέτοιο βαρυτικό πεδίο δεν ελκύει καμία γαλαξία, αέριο ή οποιοδήποτε αντικείμενο που εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Παρακάτω, η αναπαραγωγή του τμήματος της συνέντευξης του Fort.
Συμμετείχα σε αυτό το συνέδριο του Ιουνίου 2001 και παρουσίασα μια επικοινωνία ("Twin matter against dark matter"). Ήμουν επομένως πολύ ενδιαφέρον να ακούσω τον Mellier σε αυτή την εκδήλωση. Αυτός ξεκίνησε δηλώνοντας ότι είχε πλήρη εμπιστοσύνη στην ισχύ της μεθόδου του για την επεξεργασία δεδομένων. Τη στιγμή αυτή επανέφερε στην οθόνη την 3D χαρτογράφηση που του έδωσε μια πλήρη σελίδα στο Μαρσέιλλε το 99, επιβεβαίωσε την ταυτοποίηση των δύο "σμηνών σκοτεινής ύλης" και πρόσθεσε ότι είχε από τότε ανιχνεύσει ένα τρίτο αντικείμενο του ίδιου τύπου, πολύ μαζικό. Όταν τον ρώτησα για αυτά τα αντικείμενα, μου έδωσε την ακόλουθη απάντηση δημοσίως:
- Προσωπικά, αυτά τα σμήνη σκοτεινής ύλης, δεν τα πιστεύω....
Ήταν αδύνατο να μάθουμε περισσότερα και αναγνωρίζω ότι αυτή η απάντηση με απασχόλησε πολύ. Είτε η μέθοδός του υποφέρει από αβεβαιότητες που έχουν παραμείνει ανενεργές μέχρι τώρα, είτε είναι υποτελής στην παραγωγή αρτεφακτών (που θα αντιστοιχούσαν σε αυτά τα πολύ απαραίτητα αντικείμενα) ή είναι αξιόπιστη και η ύπαρξη αυτών των τριών αντικειμένων τις ανακατεύει σε ένα εξαιρετικά ανησυχητικό ερώτημα που δεν μπορεί να απαντηθεί με τέτοια περιστροφή. Προσθέστε ότι από την τοποθέτηση του τηλεσκοπίου που πραγματοποιεί παρατηρήσεις στην περιοχή των ακτίνων Χ έχει αποδειχθεί ότι τα σμήνη είναι πολύ σημαντικές πηγές με ενέργειες περίπου 10 keV. Ανατρέποντας αυτή την ακτινοβολία σε θερμό υδρογόνο, αυτό τοποθετεί τη θερμοκρασία του σχεδόν σε εκατομμύρια βαθμούς, που αντιστοιχεί σε θερμική ταχύτητα ταλάντωσης 1400 km/s.
Ο Mellier είπε: Τα σμήνη σκοτεινής ύλης δεν εκπέμπουν ούτε ακτίνες Χ.
Η εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά μπορεί να γίνει απλά αν αναγνωρίσουμε τον υποτίτλο αυτού του συνεδρίου που δεν αφήνει χώρο για οποιαδήποτε άλλη ερμηνεία παρά την "σκοτεινή ύλη". Αυτή η συμπεριφορά δεν είναι εξαίρεση στον κόσμο της σύγχρονης αστρονομίας και αστροφυσικής. Δώστε ένα παράδειγμα. Η φημισμένη νόμος του Hubble, σύμφωνα με την οποία το redshift είναι ανάλογο με την απόσταση της πηγής, έχει γίνει από καιρό ένα είδος θρησκευτικού δόγματος. Όλες οι πηγές πρέπει να υπακούουν σε αυτόν το νόμο και εκείνες που θα αρνηθούν τυχαία να το κάνουν θα πρέπει να εξαιρεθούν. Ξέρουμε ότι Halton Arp, πραγματικός εμπόδιος για την αναζήτηση σε κύκλο, ισχυρίστηκε ότι έχει αναγνωρίσει πολλά "ανώμαλα redshifts". Επειδή φαίνεται ότι δεν ήθελε να υπακούσει και να αποδεχτεί ότι αυτά τα φωτογραφίες "αποκλίνουν" ήταν μόνο λάθη παρατήρησης, τελικά αποκλείστηκε από τους συναδέλφους του (αυτούς που διανέμουν "χρόνος παρατήρησης") και μεταφέρθηκε στη Νέα Υόρκη. Αν ένα συνέδριο έπρεπε να διεξαχθεί για το θέμα, θα μπορούσε να είναι μόνο "survey" που θα επιδιώκει μια καλύτερη οριοθέτηση της "σταθεράς του Hubble". Κάθε εργασία που θα αναφερόταν σε ανισοτροπία του redshift ή σε σημαντική μεταβολή του φημισμένου νόμου για διαφορετικές ομάδες αντικειμένων ή σε αναπαραγωγικές διακυμάνσεις σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση θα θεωρούνταν ως μια ανησυχητική παραχώρηση, ή απλά ως έργο "εκτός θέματος".
Όταν αποφάσισα να παρουσιάσω μια επικοινωνία σε αυτό το συνέδριο, η συνάδελφός μου Evangelina Athanassoula, η οποία είναι Ερευνήτρια στο CNRS, εργάζεται όπως εγώ στο Αστεροσκοπείο του Μαρσέιλλε, αντέδρασε με περιπλοκή, θεωρώντας ότι τα έργα μου ήταν "εκτός θέματος". Είναι απλά ένας τρόπος να τα δεις, αλλά το βρίσκω πολύ μη επιστημονικό (όπως η παρατήρηση του Yannick Mellier για τα ίδια του τα έργα!). Έτσι δεν θα πρέπει να εκπλαγούμε που τα έργα που επιτρέπονται να παρουσιαστούν σε αυτό το συνέδριο δεν προκάλεσαν πολύ ενδιαφέρον ή κριτική: ήταν απλά "εκτός θέματος". Την Τρίτη 26 Ιουνίου 2001,