Τι είναι η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική θεωρία (MOND);

Όταν κάποιος μιλάει για βαρύτητα, μάλλον δύο πράγματα του έρχονται στο μυαλό. Το μήλο που έπεσε στο κεφάλι του Νεύτωνα και τα εκπληκτικά ειδικά εφέ του Interstellar που προσπαθεί να δείξει την ομορφιά της Γενικής Σχετικότητας. Έλα όμως που υπάρχουν και άλλες θεωρίες βαρύτητας που εξηγούν τη φύση των αστεριών και των γαλαξιών. 

Η Νευτώνεια θεωρία βαρύτητας, έχοντας ως σημείο εκκίνησης το περίφημο F = m x a δηλαδή (F = force = δύναμη [N], m = mass = μάζα [kg], a = acceleration = επιτάχυνση[m/sec2]), έχει εφαρμογές από την κλίμακα της Γης, το πώς κινείται ένα αυτοκίνητο, το στυλό πάνω στο γραφείο, ένας πύραυλος του Elon Musk, μέχρι την περιστροφική κίνηση του Γαλαξία μας. Δουλεύει όμως παντού και πάντα το ίδιο καλά; 

Μμμ, μάλλον όχι. Αν επιχειρήσουμε να καταλάβουμε πως γυρνάει ένας γαλαξίας γύρω από τον άξονα του (ναι, όπως μια μπαλαρίνα που κάνει πιρουέτες), τότε θα φτάσουμε σε ένα σοκαριστικό συμπέρασμα. Ο Νεύτωνας κάνει λάθος! 

Το θεωρητικό αποτέλεσμα της περιστροφικής κίνησης της Νευτώνειας θεωρίας (που είναι ο ίδιος τύπος για την μπαλαρίνα, τον έλικα ενός ελικοπτέρου και το μίξερ που ανακατεύει τα φρούτα και την περιστροφή κάθε γαλαξία) είναι τελείως διαφορετικό από το αποτέλεσμα που βλέπουν τα τηλεσκόπια μας. Δες στην Εικόνα 1 τα μπλε σημεία που προέρχονται από παρατηρήσεις και την γκρι διακεκομμένη γραμμή που είναι η θεωρία. Θεωρία ≠ Πείραμα!

Μάλιστα. Και τώρα τι σημαίνει αυτό; Μία πρώτη ιδέα ήταν, και εξακολουθεί να είναι, ότι τα τηλεσκόπια μας κάτι δε βλέπουν καλά. Κάτι που δεν ανιχνεύεται γιατί δεν αλληλεπιδρά με τα αστέρια, κάτι που ακόμα δε γνωρίζουμε, γιατί κανένας ανιχνευτής σωματιδίων, όπως αυτός στο CERN, δεν έχει εντοπίσει. Κάποιο μυστικό σωματίδιο ίσως κάνει τη δουλειά, κάτι σκοτεινό*. Και voilà, έτσι γεννήθηκε η σκοτεινή ύλη, αγγλιστί dark matter.

Ωστόσο, εδώ και 40 χρόνια από την αρχική υποθετική ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, η ανίχνευση της, είτε μέσω αστροφυσικής, είτε μέσω σωματιδιακής φυσικής, δεν έχει επιβεβαιωθεί. Μήπως λοιπόν συμβαίνει κάτι άλλο; Μήπως δε λείπει τίποτα από τα σωματίδια που ήδη ξέρουμε (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια, νετρίνα κλπ.); Ίσως απλώς χρησιμοποιούμε τα λάθος μαθηματικά και ο νόμος της Βαρύτητας, όταν μελετάμε γαλαξίες, αλλάζει**; 

Ο Ισραηλινός, εν ζωή, αστροφυσικός, Μορντεάι Μίλγκρομ μας έχει προσφέρει μια εναλλακτική. Η Μιλγκρόμια Δυναμική Γαλαξιών (Milgromian Dynamics), αρχικά επονομαζόμενη ως Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (Modified Newtonian Dynamics), ή αλλιώς MOND, αποδεικνύεται ιδιαίτερα επιτυχημένη. Μία απλή μετατροπή του F = m x a σε F = m x a₂/a₀, όπου a₀ είναι η σταθερά του Μίλγκρομ***, ένας σταθερός αριθμός επιτάχυνσης ίσος με 1.2 x 10^-10m/sec², ανοίγει νέους δρόμους στη μελέτη της βαρύτητας των γαλαξιών. Η τροποποίηση αυτή ισχύει χωρίς να υποθέσουμε ότι οι γαλαξίες περικυκλώνονται από μία άγνωστη αύρα σκοτεινής “εξωτικής” ύλης.

Η κάπως “ενοχλητική” παρέμβαση στις ομολογουμένως όμορφες εξισώσεις του Νεύτωνα, έκανε τη MOND να μοιάζει δύσκαμπτη να δουλευτεί. Παρόλα αυτά, οι προβλέψεις της παραμένουν εδώ και πολλές δεκαετίες (πρώτο-διατυπώθηκε το 1983!) αξιοθαύμαστες. 

Γαλαξίες με διαφορετική μορφολογία, μέγεθος, μάζα, ηλικία φαίνονται να συνδέονται με στενούς μαθηματικούς τύπους που προκύπτουν από τη MOND. Παρατηρήστε τη διακεκομμένη με τελείες γραμμή που περνάει κάτω από τα σημεία (Εικόνα 2α για σπειροειδείς και Εικόνα 2β για ελλειπτικούς). Κάθε κυκλάκι είναι ένας γαλαξίας. Προσέξτε την κομψή σχέση της μάζας του Μ_b και της ταχύτητας περιστροφής V_f για τους σπειροειδείς και τη μάζα των αστεριών κάθε γαλαξία Μ* σε σχέση με τη διασπορά των ταχυτήτων τους σ για τους ελλειπτικούς. Σε αντίθετη περίπτωση, αν υπήρχε σκοτεινή ύλη, δεν υπάρχει κάποιος προφανής φυσικός νόμος που να προβλέπει τις σχέσεις αυτές. 

Οκ! Και τότε γιατί ασχολούμαστε ακόμα με τη σκοτεινή ύλη; Γιατί δεν παρατάμε την ιδέα της και να ασχοληθούμε μόνο με τη MOND; Όπως η Νευτώνεια θεωρία χρειάζεται τη σκοτεινή ύλη στην κλίμακα των γαλαξιών για να δουλέψει, έτσι και η Μιλγκρόμια θεωρία φαίνεται προβληματική όταν κάνουμε λίγο ακόμα zoom out και φτάσουμε στην κλίμακα των σμηνών γαλαξιών!

Όταν μελετάμε σμήνη γαλαξιών, ομάδες από δισεκατομμύρια γαλαξίες σαν τον δικό μας (εξάλλου και ο δικός μας είναι μέλος της Τοπικής Ομάδας Γαλαξιών, μαζί με την Ανδρομέδα, το Μικρό και Μεγάλο Νέφος του Μαγγελάνου), τότε η MOND αντιμετωπίζει παρόμοια προβλήματα με τη θεωρία του Νεύτωνα και άρα απαιτεί την ύπαρξη κάποιας επιπλέον μάζας που δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά. Την ίδια στιγμή, η σύνδεση της θεωρίας με τη Σχετικότητα, που ακόμα αναπτύσσεται, είναι πιθανόν να δώσει περαιτέρω απαντήσεις. Ερευνητές σε όλο τον κόσμο δουλεύουν ανελλιπώς στην περαιτέρω ανάπτυξη της MOND, με στόχο την καλύτερη κατανόηση της, καθώς και για την επέκταση της σε κοσμολογικές κλίμακες! So, watch this space!

* ‘σκοτεινό’ γιατί δεν αλληλεπιδρά με την Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι δεν εκπέμπει ούτε απορροφά φως. Σαν αντιπαράδειγμα, μπορούμε να σκεφτούμε έναν πλανήτη που εκπέμπει το φως που δέχεται από το κοντινό του άστρο και γίνεται ορατός σε μας. 

** Μία γενίκευση της Νευτώνειας θεωρίας είναι φυσικά η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η, αρχικά  υπολογισμένη μέσω Νευτώνειας θεωρίας, κίνηση του Ερμή γύρω από τον Ήλιο, χρειάστηκε τη μικρή “διόρθωση” της τροχιάς του λόγω μετάπτωσης όπως είχε προβλέψει ο Αϊνστάιν το 1915.
*** Να σημειώσουμε ότι η MOND διαφέρει από τη Νευτώνεια Θεωρία μόνο σε χαμηλές επιταχύνσεις a, όπου a << a₀ = 1.2×10^-10m/sec² και τελικώς παίρνει την παραπάνω μορφή. Αστέρια, διπλοί αστέρες, σμήνη αστεριών και γαλαξίες φτάνουν σε αυτές τις χαμηλές κλίμακες όταν περιστρέφονται.