| 20 |
Το «μοντέλο» της σκοτεινής ύλης (dark matter).
...Όπως είδαμε παραπάνω, η εντυπωσιακή λίστα των προβλημάτων, έστω και μόνο στην αστροφυσική. Οι γαλαξίες περιστρέφονται πολύ γρήγορα, για παράδειγμα. Η καταγεγραμμένη μάζα είναι 3 έως 5 φορές μικρότερη για να εξισορροπήσει την φυγόκεντρη δύναμη. Η κατάσταση είναι ακόμη χειρότερη για τα σμήνη γαλαξιών. Ένα πρόβλημα ήδη παλαιό, αφού είχε επισημανθεί αρχικά από τον Fritz Zwicky, πριν από δεκαετίες.
...Πώς να βγει κάποιος από αυτή την situation; Πρέπει να αναθεωρηθεί ο νόμος του Νεύτωνα; Κάποιοι πρότειναν απλώς ότι οι γαλαξίες, τα σμήνη γαλαξιών και ακόμη και ολόκληρο το σύμπαν, μπορούν να φιλοξενούν στο εσωτερικό τους μια μάζα (που συμβάλλει στο βαρυτικό πεδίο) η οποία θα είχε διαφύγει μέχρι τώρα της παρατήρησης. Τι θα μπορούσε να είναι; Για παράδειγμα, αστέρια με πολύ χαμηλή εκπομπή. Βρέθηκε ένα όνομα για αυτά τα αντικείμενα: τα MACHOS (massive compact halo objects, δηλαδή συμπαγή και μαζικά αντικείμενα, εντοπισμένα στο άλω των γαλαξιών: το portion του γαλαξιακού χώρου που βρίσκεται μέσα και έξω από τον «δίσκο»). Τρόπος ανίχνευσης: έκλυση (occultation) των πηγών που βρίσκονται στο φόντο, κυρίως αστέρια. Μέθοδος: να γίνει παρακολούθηση ενός πολύ μεγάλου αριθμού αστέρων και να επισημανθούν πτώσεις φωτεινότητας, η εξέλιξη των οποίων στο χρόνο θα differed από τις διακυμάνσεις που αντιστοιχούν στα μεταβλητά αστέρια.
Αποτελέσματα: απογοητευτικά.
...Άλλη υπόθεση: τα «εξωτικά σωματίδια», για παράδειγμα μαζικά νετρίνα (εφοδιασμένα με μια μικρή μάζα). Αλλά δεν υπάρχει μέχρι σήμερα απόδειξη για μια πιθανή μάζα των νετρινών.
....Άλλος υποψήφιος, αγαπητός στην αστροφυσικό Françoise Combes: ψυχρό υδρογόνο, σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, άρα πρακτικά μη παρατηρήσιμο.
...Αυτή η σκοτεινή ύλη θα επέτρεπε τότε να εξηγηθούν οι ισχυρές επιδράσεις βαρυτικού φακού, που φαίνονται συνδεδεμένες με τους γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών (βαρυτικά τόξα). Πολλοί θεωρούν αυτές τις επιδράσεις ως «αδιάσειστο αποδεικτικό στοιχείο» της ύπαρξης αυτής της μη ανιχνεύσιμης ύλης.
...Είναι τότε δυνατή η εξήγηση οποιουδήποτε πράγματος και οποιουδήποτε άλλου πράγματος, sprinkleing cleverly το σύμπαν με σκοτεινή ύλη, στα σωστά σημεία. Πρόκειται λοιπόν για μια theory perfectly ad hoc. Κάποιοι δεν νοιάζονται καν να justify την προέλευση αυτού του component, τη φύση του, την προέλευσή του, ούτε even να describe τη δυναμική του, αρκούμενοι να λένε ότι πρόκειται για μια νέα astronomy, «όπου πλέον χαρτογραφούμε το invisibles». Υπάρχουν ομάδες που εργάζονται, οι οποίες έχουν αναλάβει να draw maps της distribution της σκοτεινής ύλης.
...Αυτή επιτρέπει να «δεθεί» η large-scale structure του σύμπαντος, και έτσι να την «justify». Αλλού, παράγεται μια distribution σκοτεινής ύλης που επιτρέπει όχι μόνο να justify τη cohesion των γαλαξιών, αλλά και την allure των καμπυλών περιστροφής τους. Όλα αυτά δημοσιεύονται abundantly και χωρίς problems (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc...). Διακρίνεται εκεί η «ψυχρή σκοτεινή ύλη» και η «θερμή σκοτεινή ύλη».
Ορισμένες speculations φαίνονται λοιπόν «legitimate».
Το ζήτημα της κοσμολογικής σταθεράς και της ηλικίας του σύμπαντος.
Ας situate πρώτα την προέλευσή του. Εφοδιασμένος με την equation of field του:
S = c T
...Ο Einstein είχε αμέσως προσπαθήσει να κατασκευάσει ένα μοντέλο σύμπαντος (1917). Αλλά επειδή αγνοούσε ότι αυτό ήταν instationary, είχε thus προσπαθήσει να κατασκευάσει ένα stationary μοντέλο. Τότε αντιμετώπισε numerous problems και went να visit τον French mathematician Elie Cartan, ο οποίος του δήλωσε:
- Μπορεί να modify την equation σας. Σας προτείνω:
S = c T - L g
όπου g είναι ο metric tensor και L μια σταθερά. Έτσι η equation παραμένει tensorial και η solution σας πάντα invariant κατά την αλλαγή των coordinates.
-
Αλλά, ποια είναι η physical significance αυτής της σταθεράς L;
-
Αυτό, dear, είναι το problem σας. Εγώ, είμαι mathematician.....
Από μια equation of field, placing oneself στην υπόθεση όπου η curvature είναι weak και οι thermal agitation velocities είναι weak μπροστά στην speed of light c, μπορεί να ανακατασκευαστεί η Newtonian dynamics. Η δύναμη του Νεύτωνα βρίσκεται thus dotée με ένα corrective term:
...Αυτό το corrective term ήταν thus proportional στην distance. Η appellation «repulsive power του κενού» χρησιμοποιείται commonly (ή attractive, everything depends on the sign chosen for this arbitrary constant L).
...Αυτό το repulsive power του κενού ήταν το keystone που επέτρεψε στο stationary σύμπαν του Einstein να γνωρίσει ένα equilibrium (unstable, moreover). Αλλά, very quickly:
-
Η ανακάλυψη του Edwin Hubble έκανε state of a red shift z, assimilated to a general movement of cosmic expansion (Doppler Effect). Άρα adieu το μοντέλο stationary σύμπαντος.
-
Ο Russian Friedmann έβγαλε au même moment τις instationary solutions της equation of field, χωρίς cosmological constant.
Δυσatisfied, Einstein se retira sous sa tente λέγοντας:
- Αν ήξερα ότι το σύμπαν ήταν instationary, θα had found before Friedmann!
...Αυτή η cosmological constant sank then into quasi oblivion pendant des décennies. Κάποιοι advanced arguments prônant sa necessary nullity. Το fact είναι ότι, referring to actions at very large distance, αυτή έκανε feel its action only de manière tardive, όταν η characteristic dimension R(t) του σύμπαντος had reached «μια sufficient value».
...Οι μετρήσεις του red shift, της radial velocity των γαλαξιών, επιτρέπουν να calibrate τον νόμο του Hubble, που derives από την solution της equation of field και που λέει απλά:
Η speed of escape είναι proportional στο red shift z
Η σταθερά proportionality ονομάζεται σταθερά του Hubble Ho.
....Μια παρένθεση για όσους την αγνοούν. Ένα atom, στο laboratory, immobile σε σχέση με το measuring device, emits for example a radiation corresponding to a wavelength l. Due to the Doppler effect, το ίδιο atom, in movement, θα give ένα wavelength: l' = l + Δl
Θέτουμε:
| z = |
Αν το Δl είναι positive: η source απομακρύνεται: red shift.
Αν το Δl είναι negative, η source πλησιάζει: «blue shift».
Η σταθερά του Hubble εμφανίζεται επίσης dans la loi d'expansion R(t) en fonction du temps:
...Ξέρουμε ότι there are in fact three Friedmann models, που differ only by the description they give του distant future του cosmos.
Στο σχήμα ci-après, όπου one is supposed να είναι «assez loin» από αυτό το distant future του σύμπαντος, οι three curves είναι confondues.
...Άρα η γνώση της law of cosmic expansion, της σταθεράς του Hubble, επιτρέπει aussitôt, selon ce modèle (à constante cosmologique nulle) να deduce την ηλικία του σύμπαντος.
...Ας Imaginons ότι take ένα instantaneous photograph της explosion μιας grenade. Το time of pose θα give ένα certain blur aux objects, ce qui θα allow να evaluate την speed τους, άρα να calculate, examining a simple photo, το moment που η explosion began. Η cosmic explosion είναι bien sûr différente από την explosion μιας grenade, de par sa dynamics, puisque η force of gravitation, en braking την expansion, slows cette-ci progressively.
...Τα objects του cosmos είναι animés de proper movements, à la manière des molecules d'un gaz, που είναι animées d'un movement of thermal agitation. Μιλάμε d'ailleurs για «cosmological fluid», ένα «gaz» του οποίου οι molecules θα were les galaxies.
...Για να pouvoir evaluate την σταθερά του Hubble, fallait donc asseoir les mesures sur des objects sufficiently lointain, άρα animés de speeds sufficiently fortes pour que celles-ci excèdent la valeur moyenne της speed of agitation d'une galaxy dans son amas (de l'ordre de 500 à 1000 kilometers par seconde).
...Το problem restait l'évaluation de la distance. Voir une galaxy sur un cliché est une chose, évaluer sa distance en est une autre. Pour ce faire il faut connaître sa absolute magnitude, la quantité de lumière qu'elle est censée émettre. Pendant longtemps les astronomes ne furent pas d'accord sur l'évaluation de cette constante de Hubble (en la matière, un grand contestataire fut l'astronome français de Vaucouleurs, travaillant aux USA).
...Les plus vieilles étoiles de notre propre galaxie appartiennent aux amas stellaires, comme l'amas d'Hercule. Jusqu'ici les astronomes étaient tous d'accord pour situer leur âge maximal autour de 15 milliards d'années (mais certains allaient même jusqu'à 20 ou même 22....). Tout le jeu consistait alors à ajuster l'évaluation de Ho pour ne pas trop s'écarter de cet âge des plus vieilles étoiles.
...En 1993 les astronomes purent, à l'aide du téléscope spatial Hubble, observer des céphéïdes dans des galaxies extrêmement distantes (55 et 48 millions d'années-lumière). La céphéïde est l'étalon de distance par excellence, puisqu'on est censé connaître la loi liant leur période de fluctuation et la quantité de lumière qu'elles émettent, leur absolute magnitude (loi d'Henrietta Leavitt, 1912). Mesurant, à l'aide du télescope, leur apparent magnitude, on en déduit leur distance.
...Les mesures effectuées sur des galaxies, en 93-94 divisèrent la distance que l'on avait estimé jusqu'ici de presque un facteur deux. Du coup l'âge de l'univers tombait à 8 ou 9 milliards d'années et celui-ci devenait ... plus jeune que les étoiles qu'il contenait. Et la revue Nature, en 1994, de conclure «il va falloir remettre le modèle sur le métier».
...Depuis, deux faits nouveaux sont intervenus. La loi sur les céphéïdes, pour être exploitable, doit être calibrée. Si on admet qu'il existe une relation entre la période de ces étoiles variables et leur absolute magnitude, la quantité de lumière qu'elles émettent, encore faut-il disposer de mesures de distances indépendantes. Celles-ci sont fournies par la méthode du parallaxe, de Bessel. On se sert alors du déplacement saisonnier de la Terre autour du soleil, en prenant deux positions diamétralement opposées. Pour une étoile donnée, relativement proche, vis à vis d'un fond d'étoiles très distantes, à des deux époques de l'année on aura deux positions différentes, correspondant à un certain écart angulaire Δq.
...Cette méthode a ses limites. Plus distante est l'étoile, plus grande est la marge d'erreur. Les mesures en distances furent récemment recalibrées en utilisant le satellite Hipparcos. Selon les spécialistes l'analyse des données rapportées par le satellite aurait conduit à une révision des distances estimées pour les céphéïdes servant classiquement à la calibration de la loi, leur distance s'accroissant d'un facteur 1,2 à 1,4. Ainsi les galaxies dans lesquelles le satellite Hubble avait détecté des céphéïdes n'étaient «pas si proches que ça» donc l'univers «pas si jeune que cela». De leur côté, ceux qui évaluaient l'âge des plus vieilles étoiles des amas stellaires de notre galaxie firent de sérieux efforts à la baisse et «tout rentre dans l'ordre», estiment certains.
Admettons...
...L'autre solution «classique» consiste, comme l'avait fait Lachièze-Rey, à ressortir, dans l'urgence, la constante cosmologique L de sa naphtaline. Dotée du bon signe (pouvoir répulsif du vide) celle-ci a pour effet de relancer l'expansion :
La loi :
cesse donc d'être valable, ou fournit un âge plus court. En fait, à travers ce modèle «à géométrie variable» on peut toujours choisir une valeur de L qui cadre avec n'importe quelle valeur de l'âge de l'univers, par exemple celui de ses plus vieilles étoiles. Certains allèrent même jusqu'à dire que ceci donnait tout simplement une mesure de L.
...La querelle qui divise les astronomes au sujet de l'âge de l'univers semble loin de s'éteindre. Entre les optimistes qui, s'appuyant sur un recalibrage récent des céphéïdes dilatent l'ensemble de l'univers proche (comme par exemple la distance de la galaxie d'Andromède) et admettent une réévaluation à la baisse de l'âge des plus vieilles étoiles et les alarmistes, qui pensent que les mesures de Hubble soulèvent un réel problème, quelle position adopter ?
Celle d'une attente prudente, sans doute.
Sommaire article Sommaire Science Page d'Accueil
Retour vers Guide-Sciences Αριθμός επισκέψεων αυτής της σελίδας από την 1η Ιουλίου 2004: