25 - 29 Ιουνίου 2001
Συνέδριο
ΠΟΥ ΕΙΝΑΙ Η ΥΛΗ;
Κατά τη διάρκεια της εβδομάδας από 25 έως 29 Ιουνίου 2001, στο Μαρσέιλα πραγματοποιήθηκε διεθνές συνέδριο με 200 συμμετέχοντες, από τους οποίους 140 παρευρίσκονταν ως ομιλητές, με θέμα «Πού είναι η ύλη;». Υπήρχε επίσης και ένα υπότιτλο:
Ανίχνευση φωτεινής και σκοτεινής ύλης με τις νέες γενιές μεγάλης κλίμακας προσεγγίσεων
Μετάφραση:
Χαρτογράφηση της ορατής ύλης και της σκοτεινής ύλης
με τη βοήθεια νέων μεθόδων παρατήρησης σε μεγάλη κλίμακα.
Αυτά τα λόγια έχουν μεγάλη σημασία. Αμέσως τοποθετούν αυτό το συνέδριο εντός ενός παραδείγματος. Υποθέτουμε ότι το σύμπαν είναι ένα, και ότι διαθέτει δύο περιεχόμενα: ένα που είναι προσβάσιμο στα μέσα παρατήρησής μας (στη φασματική περιοχή του ορατού, του υπεριώδους, του υπέρυθρου, σύνοψη όλων των παρατηρήσεων βασισμένων σε ηλεκτρομαγνητικά κύματα) και ένα άλλο που, επί του παρόντος, δεν μπορεί να εξεταστεί με αυτό τον τρόπο και περιγράφεται με το γενικό όρο «σκοτεινή ύλη» (dark matter στα Αγγλικά). Πώς μπορούμε να παρατηρήσουμε και να χαρτογραφήσουμε αυτή τη σκοτεινή ύλη; Με δύο τρόπους: πρώτον, με βάση τα φαινόμενα της βαρυτικής λήψης, τα οποία συχνά αποδεικνύονται πολύ μεγαλύτερα από όσα μπορούν να εξηγηθούν μόνο από την παρουσία της ορατής ύλης (είτε γαλαξιών είτε συμπλεγμάτων γαλαξιών), και δεύτερον, με βάση τα κινητικά χαρακτηριστικά των παρατηρούμενων αντικειμένων.
Πριν ακόμη επιβεβαιωθούν αυτά τα «υπερβολικά μεγάλα» φαινόμενα βαρυτικής λήψης, άτομα όπως ο Fritz Zwicky, βασιζόμενοι στην ανάλυση των καμπύλων περιστροφής των γαλαξιών ή στη μέτρηση των ταχυτήτων διακύμανσης των γαλαξιών σε συμπλέγματα, είχαν ήδη συμπεράνει ότι η ορατή ύλη δεν μπορούσε να διατηρήσει τη συνοχή αυτών των συστημάτων. Με την έννοια των καμπύλων περιστροφής εννοούμε τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στο αέριο μεταξύ των αστέρων, το οποίο κινείται στο γενικό βαρυτικό πεδίο, με τη μέθοδο Doppler-Fizeau. Αυτό το αέριο φαίνεται ότι περιστρέφεται πολύ γρήγορα, ειδικά στην περιφέρειά του (παρουσία ενός χαρακτηριστικού «επιπέδου»). Τα συμπλέγματα γαλαξιών αντιμετωπίζονται ως «κομμάτια αερίου», με τους γαλαξίες να αποτελούν τις «μόρια». Οι «ιδιαίτερες ταχύτητες» των γαλαξιών, όπως τις αποκαλούν οι αστρονόμοι, γίνονται ισοδύναμες με τις θερμικές ταχύτητες διακύμανσης των μορίων ενός αερίου, που κατανέμονται τυχαία σε όλες τις κατευθύνσεις. Ακολουθώντας αυτή την αναλογία με το αέριο, η συνδυασμένη επίδραση των «θερμικών διακυμάνσεων» και της πυκνότητας δίνει αυτό που ονομάζεται πίεση (που είναι μέτρο της πυκνότητας κινητικής ενέργειας διακύμανσης, ανά μονάδα όγκου). Ένα νέφος μεταξύ-αστρικού αερίου δεν διασκορπίζεται, επειδή η βαρυτική δύναμη εξισορροπεί τις δυνάμεις πίεσης που προσπαθούν να το διασκορπίσουν. Αν αντιστοιχήσουμε ένα σύμπλεγμα χιλιάδων γαλαξιών με ένα είδος κομματιού αερίου, μπορούμε να πούμε ότι οι δυνάμεις πίεσης που προσπαθούν να το διασκορπίσουν, υπολογισμένες βάσει των μετρήσεων των ταχυτήτων διακύμανσης των γαλαξιών και της μάζας που ανιχνεύθηκε, είναι πολύ μεγάλες για να εξισορροπηθούν από τη βαρυτική δύναμη. Αν σκεφτούμε διαφορετικά, γνωρίζοντας τη μάζα του συμπλέγματος μπορούμε να υπολογίσουμε μια ταχύτητα διαφυγής. Όπως παρατήρησε ο Zwicky, οι μεμονωμένες ταχύτητες των γαλαξιών υπερβαίνουν την ταχύτητα διαφυγής του συμπλέγματος στο οποίο ανήκουν. Αν δεν υπήρχε μια επιπλέον δύναμη, αυτοί οι γαλαξίες θα είχαν εγκαταλείψει το σύμπλεγμα πριν από πολύ καιρό. Το ίδιο ισχύει για τα αστέρια των γαλαξιών. Το πρόβλημα είναι λοιπόν πραγματικό. Η ερώτηση είναι σχετική με την ερμηνεία που δίνουμε σε αυτό το φαινόμενο.
Η κοινή απάντηση των αστρονόμων σήμερα έχει ένα όνομα: «σκοτεινή ύλη», αν και κανείς δεν έχει μπορέσει να πει τι μπορεί να είναι η φύση αυτής της «σκοτεινής ύλης». Ωστόσο, κανείς δεν έχει αμφισβητήσει για μία στιγμή το γεγονός ότι τα παρατηρούμενα φαινόμενα δεν μπορούν να προέλθουν από κάτι άλλο παρά από την παρουσία ενός συστατικού που δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί, με θετική μάζα, και βρίσκεται ήρεμα στο δικό μας (μοναδικό) σύμπαν. Σε αυτό το πλαίσιο, τα έργα χαρτογράφησης του αόρατου έχουν ήδη ξεκινήσει. Αρχικά, απλώς δήλωσαν «σε αυτό το σύμπλεγμα γαλαξιών πρέπει να υπάρχει μια συγκεκριμένη μάζα Μ, ώστε αυτό το σύμπλεγμα να μην εκραγεί, ή, που είναι το ίδιο, για να εξηγήσει τα ισχυρά φαινόμενα βαρυτικής λήψης που δημιουργεί (πολλαπλές εικόνες, γαλαξίες στο πίσω μέρος παραμορφωμένες, η παραμόρφωση φτάνει μέχρι την επέκτασή τους σε τόξα). Στη συνέχεια, οι αστροφυσικοί, όπως ο Albert Bosma, από το εργαστήριο Αστροφυσικής του Μαρσέιλα, στο οποίο ανήκω, προσέθεσαν εμπειρικά «χαλκίδες» σκοτεινής ύλης, μη ειδικευμένες στη φύση, για να «προσαρμόσουν τις καμπύλες περιστροφής», ένας όρος που αναφέρεται στη διαδικασία εμπειρικής επαναφοράς των νόμων ταχύτητας που αντιστοιχούν στις παρατηρούμενες τιμές. Σήμερα, μια σειρά ανθρώπων εργάζονται πλήρως για να υπολογίσουν τη διανομή της ύλης σε αυτές τις αόρατες χαλκίδες. Αυτό που ονομάζεται «θεωρίες της μηδενικής τάξης». Αυτή η δραστηριότητα, η οποία δεν απαιτεί καμία ειδική επιστημονική γνώση, είναι καθαρά τεχνική. Οι άνθρωποι που την ασχολούνται δεν προσπαθούν καθόλου να δώσουν στοιχεία για τη φύση αυτής της «σκοτεινής ύλης» που χαρτογραφούν εμπειρικά, και βέβαια ούτε για τις διαδικασίες που προκάλεσαν την παρουσία της στους γαλαξίες. Αφού δεν γνωρίζουμε ούτε τη φύση, ούτε την προέλευση αυτού του συστατικού, είναι απολύτως αποκλεισμένο να δημιουργήσουμε μια «δυναμική γαλαξία». Στο συνέδριο που αναφέρεται, άκουσα μια Αμερικανίδα να κάνει μια επισκόπηση των μοντέλων όπου προσπαθεί να περιγράψει τη δημιουργία γαλαξιών (από «κρύα σκοτεινή ύλη» στα Αγγλικά, «cold dark matter» ή «CDM»). Όλα αυτά τα μοντέλα βασίζονται φυσικά μόνο στο νόμο του Newton (και έναν τεράστιο υπολογιστή που επεξεργάζεται όλα αυτά). Παραμένουν λίγο πειστικά, επειδή, όποιες και αν είναι οι αρχικές συνθήκες που εισάγονται, τα «προ-γαλαξίες» που δημιουργούνται έχουν πολύ μικρότερη στροφορμή. Έτσι, ένα από τα ερωτήματα που έθεσαν αυτοί οι «νέοι θεωρητικοί» (νόμος του Newton + μεγάλος υπολογιστής) ήταν: «Πού προέρχεται η στροφορμή των γαλαξιών;» Είμαστε ακριβώς στο επίπεδο των «θεωριών της μηδενικής τάξης», είτε πρόκειται για χαρτογραφήσεις είτε για προσπάθειες προσομοίωσης.
Από το 1999, αστροφυσικοί όπως ο Yannick Mellier και ο Fort, ακολουθημένοι από μισή δεκαδα ερευνητικών ομάδων σε διάφορα σημεία του κόσμου, παρήγαγαν τα αποτελέσματα εξαετούς εργασίας, αντιπροσωπεύοντας ένα μεγάλο πρόγραμμα. Αν υπήρχε σκοτεινή ύλη στο σύμπαν, ειδικά σε συμπλέγματα γαλαξιών, αυτή θα προκαλούσε φαινόμενα βαρυτικής λήψης. Σε άκρες περιπτώσεις, αυτό δημιουργεί σχεδόν καλέντζικες εικόνες, όπως μας τις έδειξε ο τηλεσκόπος Hubble, όπου τα αντικείμενα που βρίσκονται στο πίσω μέρος ενός συμπλέγματος ξεσπούν σε ένα σύνολο πολλαπλών εικόνων, δημιουργώντας τελικά ένα ή περισσότερα βαρυτικά τόξα.
Τότε καταλαβαίνουμε ότι όταν οι υποθετικές συγκεντρώσεις σκοτεινής ύλης είναι λιγότερο σημαντικές, προκαλούν απλές διαμορφώσεις στις εικόνες των γαλαξιών, προσδίδοντας στην εικόνα τους μια πρόσθετη ελλειψοειδή μορφή, απλά λόγω οπτικής επίδρασης, η οποία συνυπάρχει με την πραγματική ελλειψοειδή μορφή τους. Ο Mellier, ο Fort και όσοι τους ακολούθησαν αργότερα, ανέπτυξαν μια μέθοδο επεξεργασίας εικόνων όπου ο υπολογιστής ανιχνεύει τις τοπικές ανισοτροπίες των εικόνων (βασιζόμενος στην υπόθεση ότι χωρίς φαινόμενα βαρυτικής λήψης οι μεγάλοι άξονες των ελλειπτικών εικόνων των γαλαξιών θα ήταν κατανεμημένοι τυχαία). Στη συνέχεια, η μέθοδος επιτρέπει την ανακατασκευή της διανομής (3D) της υποθετικής σκοτεινής ύλης που θα μπορούσε να δημιουργήσει αυτές τις εικόνες. Το 1999, ο Mellier και ο Fort εντυπωσίασαν με τη δημοσίευση μιας χρωματικής, προοπτικής εικόνας που απεικονίζει τη διανομή της σκοτεινής ύλης σε ένα τμήμα του σύμπαντος, αντιστοιχώντας σε μια περιοχή του ουρανού που αντιστοιχεί σε μερικά τετραγωνικά βαθμούς.
Η εικόνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Le Monde και ο συγγραφέας του άρθρου, ο δημοσιογράφος Jean-François Augereau, τίτλωσε: «Η σκοτεινή ύλη υπάρχει, επειδή αποκλίνει τη φωτεινή ακτινοβολία».
Σύνδεσμος προς το άρθρο
. Τα πάντα φαινόταν τότε πολύ εντυπωσιακά, σηματοδοτώντας την αρχή «μιας χαρτογράφησης του αόρατου». Αλλά ένα χρόνο αργότερα, ο Fort (διευθυντής του Ινστιτούτου Αστροφυσικής της Παρίσι, στο οποίο ανήκει επίσης και ο Yannick Mellier) έδωσε μια συνέντευξη στο περιοδικό Ciel et Espace (έκδοση Ιουνίου 2000), όπου αναφέρθηκε σε κάποια προβλήματα που μέχρι τότε είχαν παραμείνει απαρατήρητα. Η μέθοδος είχε οδηγήσει τους δύο ερευνητές στην τοποθέτηση δύο πολύ σημαντικών συγκεντρώσεων σκοτεινής ύλης (5 × 10¹⁴ ηλιακές μάζες, ισοδύναμες με χιλιάδες γαλαξίων, μάζα παρόμοια με αυτή των μεγαλύτερων γνωστών συμπλεγμάτων: το σύμπλεγμα της Παρθένου ή το σύμπλεγμα Coma). Αλλά, περίεργο γεγονός, αυτές οι περιοχές του ουρανού φαινόταν εξαιρετικά κενές:
Αυτά τα αποτελέσματα ήταν φυσικά πολύ ενοχλητικά και στην αρχή οι δύο συγγραφείς τα πέρασαν απαρατήρητα, ελπίζοντας ότι θα μπορούσαν να είναι ένας ψευδής όρος ή ένας νέος τύπος συμπλέγματος που εκπέμπει σε ειδικές συχνότητες. Για αυτό, έγιναν νέες παρατηρήσεις στην περιοχή των υπεριώδων ή του υπέρυθρου, οι οποίες δεν είχαν κανένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα. Τελικά, ο Fort και ο Mellier ονόμασαν αυτά τα αντικείμενα «σκοτεινά συμπλέγματα» (dark clusters), υπογραμμίζοντας ότι θα μπορούσαν να πρόκειται για συμπλέγματα «που αποτελούνται εξ ολοκλήρου από εξωτική ύλη», μια πολύ ιδιαίτερη ύλη που, αν και υφίσταται το φαινόμενο της βαρυτικής αστάθειας, θα μπορούσε να έλκει μόνο ύλη του ίδιου τύπου. Στη συνέντευξή του του 2000, ο Fort είπε ότι δυσκολεύεται να πιστέψει ότι ένας τέτοιος δυναμικός κάδος δεν έλκει κάποιους γαλαξίες, αέριο ή άλλα αντικείμενα που εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Παρακάτω, η αναπαραγωγή του τμήματος της συνέντευξης του Fort.
Συμμετέχοντας σε αυτό το συνέδριο του Ιουνίου 2001 και παρουσιάζοντας μια επικοινωνία («Διπλή ύλη εναντίον σκοτεινής ύλης»), ήμουν πολύ ενδιαφερόμενος να ακούσω τον Mellier κατά τη διάρκεια αυτής της εκδήλωσης. Εκείνος ξεκίνησε δηλώνοντας ότι είχε πλήρη εμπιστοσύνη στην ισχύ της μεθόδου επεξεργασίας δεδομένων. Κατά την εκδήλωση, επανέφερε στην οθόνη την 3D χαρτογράφηση που του είχε δώσει μια πλήρη σελίδα στο Le Monde το 1999, επιβεβαίωσε την ταυτοποίηση των δύο «σκοτεινών συμπλεγμάτων» και πρόσθεσε ότι από τότε είχε ανιχνεύσει ένα τρίτο αντικείμενο του ίδιου τύπου, εξίσου μαζικό. Όταν τον ρώτησα για αυτά τα αντικείμενα, μου απάντησε δημόσια:
- Προσωπικά, αυτά τα σκοτεινά συμπλέγματα, δεν τα πιστεύω...
Ήταν αδύνατο να μάθω περισσότερα και ομολογώ ότι αυτή η απάντηση με συνέτριψε. Είτε η μέθοδός του υποφέρει από αβεβαιότητες που μέχρι τώρα δεν έχουν αναλυθεί, είτε είναι εμπιστεύσιμη και η ύπαρξη αυτών των τριών αντικειμένων προκαλεί μια πολύ δύσκολη ερώτηση στην οποία δεν μπορούμε να απαντήσουμε με τέτοια περιφρόνηση. Προσθέτουμε ότι από την εκτόξευση του τηλεσκοπίου που πραγματοποιεί παρατηρήσεις στην περιοχή των ακτίνων Χ, διαπιστώθηκε ότι τα συμπλέγματα είναι πολύ σημαντικές πηγές με ενέργειες γύρω στα 10 keV. Αν αποδώσουμε αυτή την ακτινοβολία σε ζεστό υδρογόνο, αυτό τοποθετεί τη θερμοκρασία του γύρω στα εκατό εκατομμύρια βαθμούς, που αντιστοιχεί σε ταχύτητα θερμικής διακύμανσης 1400 km/s.
Όπως είπε ο Mellier: τα σκοτεινά συμπλέγματά του δεν εκπέμπουν ούτε ακτίνες Χ.
Η εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά μπορεί να γίνει απλώς επαναλαμβάνοντας τον υπότιτλο αυτού του συνεδρίου, ο οποίος δεν αφήνει χώρο για καμία ερμηνεία παρά μόνο για τη σκοτεινή ύλη. Αυτή η συμπεριφορά δεν είναι εξαίρεση στον σύγχρονο κόσμο της αστρονομίας και της αστροφυσικής. Δώστε ένα παράδειγμα. Η διάσημη νόμος του Hubble, σύμφωνα με τον οποίο το μετατόπισμα στο κόκκινο είναι ανάλογο με την απόσταση της πηγής, για πολύ καιρό έχει γίνει ένας είδος δόγματος. Όλες οι πηγές πρέπει να υπακούουν σε αυτόν το νόμο και εκείνες που για τυχαίο λόγο αρνούνται να το κάνουν θα πρέπει να «αποκλειστούν». Γνωρίζουμε ότι ο Halton Arp, ένας αληθινός εμπόδιο για την περιφορά στον κύκλο, ισχυρίστηκε ότι είχε αναγνωρίσει πολλά «ανώμαλα μετατοπίσματα στο κόκκινο». Επειδή, φανερά, δεν ήθελε να υπακούσει και να αποδεχτεί ότι αυτές οι «ανώμαλες» εικόνες ήταν απλά λάθη παρατήρησης, τελικά διακόπηκε από τους συναδέλφους του (εκείνους που κατανέμουν «χρόνο παρατήρησης») και μεταφέρθηκε στη Νέα Υόρκη. Αν διεξαγόταν συνέδριο γύρω από αυτό το θέμα, θα μπορούσε να είναι μόνο για «έρευνες» που στοχεύουν σε μια καλύτερη διευκρίνιση της «σταθεράς του Hubble». Κάθε έργο που θα αναφέρει ανισότητα στο μετατόπισμα στο κόκκινο, ή σημαντική μεταβολή του διάσημου νόμου για διαφορετικές πληθυσμούς αντικειμένων ή διακυμάνσεις σχεδόν περιοδικές σε μία συγκεκριμένη κατεύθυνση θα θεωρούνταν ως μια ανησυχητική παράβαση, ή απλώς ως έργο «εκτός θέματος».
Όταν αποφάσισα να παρουσιάσω μια επικοινωνία σε αυτό το συνέδριο, η συνάδελφός μου Evangelina Athanassoula, ερευνήτρια στο CNRS, που εργάζεται όπως εγώ στο παρατηρητήριο του Μαρσέιλα, αντιμετώπισε αυτή τη νέα με απορία, θεωρώντας ότι τα έργα μου ήταν «εκτός θέματος». Πράγματι, αυτή είναι μια συγκεκριμένη άπο