Το φως από τα σμήνη των γαλαξιών επιβεβαιώνει τη θεωρία της σχετικότητας

Ερευνητές ανέλυσαν το φως που έρχεται από τους γαλαξίες σε περίπου 8.000 σμήνη γαλαξιών. Τα σμήνη των γαλαξιών είναι συσσωρεύσεις χιλιάδες γαλαξιών (κάθε φως στην εικόνα είναι κι ένας γαλαξίας), οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με τη βαρύτητά τους. Αυτή η βαρύτητα επηρεάζει το φως που στέλνεται στο διάστημα από τους γαλαξίες.

Η έρευνα έγινε από φυσικούς στη Δανία, που μέτρησαν την βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό, και κατέληξε να αποκλείσει κάποια εναλλακτικά μοντέλα της βαρύτητας – ιδίως εκείνων που αρνούνται την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης, όπως η Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND) και η θεωρία TeVeS, η οποία υποτίθεται ότι θα καταργήσει την ανάγκη για σκοτεινή ύλη. Μια άλλη θεωρία είναι η f(R) βαρύτητα, η οποία καταργεί τη σκοτεινή ενέργεια.

Ένα σμήνος γαλαξιών, όπως φαίνεται από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble

Όπως περιγράφουν στη μελέτη τους οι αστροφυσικοί σκέφθηκαν να συγκρίνουν το μήκος κύματος του φωτός που «βγαίνει» από τα σμήνη των γαλαξιών. Κι αν η πρόβλεψη του Αϊνστάιν ήταν σωστή, το φως που θα εξέρχεται από το...
κέντρο ενός σμήνους (όπου η βαρύτητα είναι μεγαλύτερη) θα έπρεπε να έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος από αυτό που έρχεται από τα άκρα. Οι φυσικοί θα έπρεπε δηλαδή να «βλέπουν» μια συγκεκριμένη «βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό» του φάσματος του φωτός.

Επειδή μια τέτοια μέτρηση σε ένα μόνο σμήνος γαλαξιών είναι εξαιρετικά δύσκολη εξ αιτίας της μικρής επίδρασης του φαινομένου, οι ερευνητές αποφάσισαν να ελέγξουν πολλά σμήνη γαλαξιών μαζί.

Όλες οι παρατηρήσεις στην αστρονομία έχουν σαν βάση το φως που εκπέμπεται από τα αστέρια και τους γαλαξίες και, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, το φως θα επηρεαστεί από τη βαρύτητα. Ταυτόχρονα, όλες οι ερμηνείες στην αστρονομία είναι βασισμένες στην ορθότητα της θεωρίας της σχετικότητας, αλλά δεν ήταν ποτέ πριν δυνατό να δοκιμαστεί η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν σε κλίμακες μεγαλύτερες από το ηλιακό σύστημα. Τώρα οι αστροφυσικοί στο Dark Cosmology Centre στο Ινστιτούτο Niels Bohr της Δανίας, κατάφεραν να μετρήσουν πώς επηρεάζεται το φως από τη βαρύτητα κατά τη διαδρομή τους έξω από τα σμήνη των γαλαξιών. Οι παρατηρήσεις αυτές επιβεβαιώνουν τις θεωρητικές προβλέψεις και τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στο περιοδικό Nature.

Οι παρατηρήσεις των μεγάλων αποστάσεων στον κόσμο βασίζονται σε μετρήσεις της μετατόπισης προς το ερυθρό, που είναι ένα φαινόμενο όπου το μήκος κύματος του φωτός από τους απόμακρους γαλαξίες μετατοπίζεται όλο και περισσότερο προς το κόκκινο με την αύξηση της απόστασης. Η ερυθρή μετατόπιση δείχνει πόσο έχει επεκταθεί το σύμπαν από τη στιγμή που το φως ξεκίνησε μέχρι να μετρηθεί στη Γη. Επιπλέον, σύμφωνα με τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, το φως και φυσικά η μετατόπιση προς το ερυθρό, επίσης, επηρεάζεται από τη βαρύτητα που προέρχεται από τις μεγάλες μάζες, όπως τα σμήνη των γαλαξιών και προκαλεί μια βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό του φωτός. Αλλά η βαρυτική επίδραση του φωτός δεν έχει ποτέ πριν μετρηθεί σε μια κοσμολογική κλίμακα.

Δυστυχώς, η μέτρηση της βαρυτικής ερυθρής μετατόπισης (RedShift) δεν είναι εύκολο να γίνει. Υπάρχουν και άλλες πηγές που συνεισφέρουν στη μετατόπιση προς το ερυθρό, όπως η διαστολή του σύμπαντος και οι επιμέρους κινήσεις των γαλαξιών μέσα σε ένα σμήνος. Οι φυσικοί στην Δανία υπολόγισαν ως εκ τούτου το μέσο όρο της ερυθρής μετατόπισης ως συνάρτηση της απόστασης από το κέντρο του σμήνους – μια διαδικασία που θα πρέπει να αποκλείει αυτές τις άλλες πηγές.

"Είναι πραγματικά υπέροχο. Ζούμε σε μια εποχή που έχουμε την ικανότητα να μετρήσουμε φαινόμενα, όπως η κοσμολογική βαρυτική ερυθρή μετατόπιση", λέει ο αστροφυσικός Radek Wojtak, στο Niels Bohr Institute που ανήκει στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης.

Σμήνη των γαλαξιών

Ο Radek Wojtak μαζί με τους συναδέλφους του ανέλυσε μετρήσεις του φωτός από τους γαλαξίες σε περίπου 8.000 σμήνη των γαλαξιών. Οι ερευνητές έχουν μελετήσει τους γαλαξίες που βρίσκονται στο μέσον του σμήνους των γαλαξιών και εκείνους που βρίσκονται στην περιφέρεια και μέτρησαν τα μήκη κύματος του φωτός.

"Θα μπορούσαμε να μετρήσουμε μικρές διαφορές στην ερυθρή μετατόπιση των γαλαξιών και να δούμε ότι το φως από τους γαλαξίες στο μέσον ενός σμήνους έπρεπε να «σύρεται» από το βαρυτικό πεδίο, ενώ ήταν πιο εύκολο να αναδυθεί το φως από τους απομακρυσμένους γαλαξίες" , εξηγεί ο Radek Wojtak.

Μέχρι τώρα, η βαρυτική ερυθρή μετατόπιση έχει δοκιμαστεί μόνο με πειράματα και παρατηρήσεις σε μικρές σχετικά αποστάσεις, μέσα στο ηλιακό σύστημα. Με τη νέα έρευνα η θεωρία έχει δοκιμαστεί σε μια κοσμολογική κλίμακα για πρώτη φορά με την ανάλυση γαλαξιών μέσα σε σμήνη στο μακρινό σύμπαν. Είναι μια φοβερά μεγάλη κλίμακα, κάπου 10²² φορές μεγαλύτερη (δέκα χιλιάδες δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από την εργαστηριακή δοκιμή). Τα παρατηρούμενα δεδομένα επιβεβαιώνουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν.

Στη συνέχεια μετρήθηκε η συνολική μάζα ολόκληρου του σμήνους των γαλαξιών και με αυτήν το βαρυτικό πεδίο. Με τη χρήση της γενικής θεωρίας της σχετικότητας θα μπορούσε να υπολογιστεί η βαρυτική ερυθρή μετατόπιση για τις διαφορετικές θέσεις των γαλαξιών.

"Αποδείχθηκε λοιπόν ότι οι θεωρητικοί υπολογισμοί της βαρυτικής ερυθρής μετατόπισης με βάση τη γενική θεωρία της σχετικότητας ήταν σε πλήρη συμφωνία με τις αστρονομικές παρατηρήσεις. Η ανάλυσή μας από τις παρατηρήσεις των γαλαξιακών σμηνών δείχνουν ότι η ερυθρή μετατόπιση του φωτός εξαρτάται από την βαρυτική επίδραση του σμήνους των γαλαξιών του. Με αυτόν τον τρόπο οι παρατηρήσεις μας επιβεβαιώνουν τη θεωρία της σχετικότητας”, εξηγεί ο Ράντεκ Wojtak.

Νέο φως στο σκοτεινό σύμπαν

Η ανακάλυψη έχει σημασία και για ‘σκοτεινά’ φαινόμενα που οι ερευνητές εργάζονται σκληρά για να ξετυλίξουν. Πρόκειται για τα μυστηριώδη σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια.

Εκτός από τα ορατά ουράνια σώματα σαν τη Γη αστέρια και γαλαξίες, το σύμπαν αποτελείται από μια μεγάλη ποσότητα της ύλης, η οποία λένε οι ερευνητές ότι πρέπει να είναι εκεί, αλλά που δεν μπορούν να παρατηρηθεί επειδή ούτε εκπέμπει ούτε αντανακλά το φως. Είναι αόρατη και γι ‘αυτό ονομάζεται σκοτεινή ύλη. Κανείς δεν ξέρει τι είναι η σκοτεινή ύλη, αλλά γνωρίζουν ποια είναι η μάζα της και έτσι γνωρίζουν τη βαρύτητα που ασκεί. Τα νέα αποτελέσματα σχετικά με βαρυτική ερυθρή μετατόπιση δεν αλλάζουν τα μοντέλα των ερευνητών για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.

Ένα άλλο από τα κύρια συστατικά του σύμπαντος είναι η σκοτεινή ενέργεια, η οποία σύμφωνα με τα θεωρητικά μοντέλα δρα σαν ένα είδος κενού, που αναγκάζει τη διαστολή του σύμπαντος να επιταχύνεται. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, που βασίζονται στη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η σκοτεινή ενέργεια αποτελεί το 72 τοις εκατό της δομής του σύμπαντος. Βεβαίως, πολλές εναλλακτικές θεωρίες προσπαθούν να εξηγήσουν την επιτάχυνση της διαστολής χωρίς την παρουσία της σκοτεινής ενέργειας, αλλά δεν το έχουν πετύχει.

Η θεωρία δοκιμάστηκε και σε μεγάλη κλίμακα

«Τώρα η γενική θεωρία της σχετικότητας έχει δοκιμαστεί σε μια κοσμολογική κλίμακα και αυτό επιβεβαιώνει ότι αυτή δουλεύει και αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι υπάρχει μια ισχυρή ένδειξη για την παρουσία της σκοτεινής ενέργειας», εξηγεί ο Radek Wojtak.

Τα νέα αποτελέσματα της βαρύτητας συμβάλλουν ώστε να κατανοήσουμε το κρυφό, σκοτεινό σύμπαν και να υπάρξει έτσι μια μεγαλύτερη κατανόηση της φύσης του ορατού σύμπαντος.

Αν και αστροφυσικοί που δεν συμμετείχαν στην έρευνα θεωρούν ότι τα αποτελέσματα χρήζουν περαιτέρω διερεύνησης, όλοι συμφωνούν ότι αποτελούν μια μεγάλη νίκη για τη θεωρία του Αϊνστάιν. Εκτός αυτού φαίνονται επίσης να επιβεβαιώνουν την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης αποκλείοντας τα εναλλακτικά μοντέλα που την αμφισβητούν.

Πηγή: PhysOrg – Nature

(από physics4u)