Una din primele observaţii care au indicat existenţa materiei întunecate invizibile a fost făcută în 1933 când astronomul Fritz Zwicky a observat că roiurile de galaxii erau mult mai active decât ar fi trebuit, judecând după masa stelară vizibilă din care erau compuse stelele.
Fritz Zwicky a propus ipoteza existenţei materiei întunecate pentru a explica această discrepanţă. Observaţiile făcute după aceea asupra galaxiilor (printre alţii, de Rubin şi Ford) au arătat că marginile galaxiilor se roteau la fel de repede ca şi interiorul lor, chiar dacă se ştie că acceleraţia rotaţiei trebuie să scadă pe măsură ce scade raza.
Foto: O comparaţie a vitezelor de rotaţie observate în km/s (punctele negre) cu predicţia teoriei MoND (linia punctată) şi a teoriei MiHsC (linia întreruptă) pentru galaxii şi roiuri de galaxii cu masa barionica (vizibilă) crescătoare (în mase solare).
În timp ce ipoteza materiei întunecate este cea mai populară explicaţie pentru acest fenomen şi de altfel pentru alte probleme, au fost totuşi propuse şi alte explicaţii alternative.
Cea mai recentă teorie propusă de Michael McCulloch de la Universitatea din Plymouth (UK), care este specialist în geomatică (matematica poziţionării în spaţiu), afirmă că un model nou ce modifică masa inerţială a galaxiei ar putea să explice viteza de rotaţie mai mare decât cea estimată, a marginilor galaxiei, chiar dacă acest model încalcă celebrul principiu de echivalenţă a lui Einstein.
Lucrarea lui McCulloch pe marginea modelului masei inerţiale modificate a fost publicată în Astrophysics & Space Science şi, de asemenea, pe arXiv.org.
Două tipuri de masă
În general, există două modalităţi de a calcula masa oricărui obiect. O modalitate implică compararea forţei gravitaţiei a unui obiect de masă necunoscută cu forţă de gravitaţie a unui obiect a cărei masă se cunoaşte. Această metodă calculează masa gravitaţională a unui obiect. A doua metodă, care calculează masa inerţială a unui obiect, implică aplicarea unei forţe cunoscute unui obiect de masă necunoscută, măsurarea acceleraţiei pe care forţa respectivă o imprimă obiectului şi calcularea masei obiectului, folosind legea a doua a lui Newton (m = F/a).
În 1907, Einstein a propus ipoteza egalităţii dintre masa gravitaţională şi cea inerţială, care este cunoscută sub numele de principiul echivalenţei şi care serveşte drept concept fundamental în teoria generală a relativităţii. Deşi numeroase teste ale principiului echivalenţei au verificat că principiul lui Einstein este cu o acurateţe foarte mare corect, unii cercetători în mod voit nu au ţinut seama de acest principiu în încercările lor de a explica problema rotaţie galaxiilor fără ipoteza materiei întunecate.
O astfel de explicaţie a fost propusă în 1983, când fizicianul Mordehai Milgrom a lansat o teorie numită “Dinamici Newtoniene Modificate (MoND)” prin care fie se modifică uşor constanta gravitațională sau se modifică uşor legea a doua a lui Newton pentru acceleraţii gravitaţionale foarte mici. Conform cu teoria MoND, viteza stelelor într-o orbită circulară departe de centrul galaxiei este constantă şi nu depinde de distanţa faţă de centru. Totuşi, pentru ca teoria MoND să funcţioneze trebuie introdus un parametru ajustabil.
În 2007, McCulloch a propus un model care să explice planitatea rotaţiei galactice care este similară cu versiunea a doua (inerţială) a teoriei MoND prin aceea că propune, de asemenea, modificări ale masei inerţiale a unui obiect pentru acceleraţii mici, abătându-se astfel de la legea a doua a lui Newton. Spre deosebire de teoria MoND, această nouă teorie nu are nevoie de un parametru ajustabil. Totuşi, ambele teorii încalcă principiul echivalenţei atunci când masele au acceleraţii foarte mici – şi, la marginea galaxiilor, acceleraţia gravitaţională este extrem de mică comparativ cu cea valabilă pe Pământ.
"Acceleraţiile cu care suntem obişnuiţi la suprafaţă terestră sunt în jur de 9,8 m/s2. La marginea galaxiilor accelaraţia este numai de ordinul 10-10 m/s2( 10 la puterea minus 10). La o astfel de acceleraţie minusculă ne-ar trebui 317 ani pentru a trece la o viteza de 1 m/s, sau de la 0 la 60 mile/ora în 8500 ani! Sau, după cum Milgrom a scris, întreaga viaţă a universului pentru a ajunge aproape de viteza luminii."
Masa obiectelor care accelerează
În acest studiu nou, McCulloch dezvoltă acestă teorie, numită “Modificări ale inerţiei aşa cum rezultă din efectului Casimir la Scara Hubble (MiHsC)” sau inerţie cuantificată, conform căreia calcularea cu precizie a masei inerţiale a unui obiect implică luarea în calcul a emisiilor de fotoni şi a radiaţiei Unruh, care apare ca rezultat al acceleraţiei unui obiect în raport cu materia care-l înconjoară. Existenţa radiaţiei este un subiect mult disputat, deoarece este neclar încă dacă a fost sau nu observată.
În teoria MiHsC, efectul Casimir la scara Hubble, care poate fi gândit ca energie a vidului ce rezultă din particule virtuale, impune restricţii asupra lungimii de undă a radiaţiei Unruh. Pe măsură ce acceleraţia unui obiect descreşte, lungimea de undă a radiaţie Unruh creşte pe scara Hubble şi anumite lungimi de undă nu sunt permise. Deoarece în teoria MiHsC această radiaţie este presupusă a contribui la masa inerţială, o descreştere a acceleraţiei conduce la mai puţine lungimi de undă a radiaţiei Unruh şi o descreşterea graduală a masei inerţiale a obiectului respectiv. Cu o masă inerţială mai mică, o stea dintr-o galaxie poate fi accelerată într-o orbită mărginită mult mai uşor de aceiaşi forţă gravitaţională.
"Există două tipuri de mase: masa gravitaţională (MG, măsurată de forţa gravitaţională produsă de galaxie) şi masa inerţială (MI, măsurată ca uşurinţa cu care o stea răspunde la o forţă)," a afirmat McCulloch. "Acestea sunt de regulă presupuse a fie egale. Ideea este că, (1) fie creşti această MG a galaxiei pentru a atrage stelele cu o forţă mai mare (ipoteza materiei întunecate), sau (2), poţi să micşorezi MI a stelelor, astfel încât acestea să poată fi mai uşor forţate în orbite mărginite chiar de către minuscula forţă gravitaţională provenind de la materia vizibilă. Teoria MiHsC/ inerţia cuantificată explică cea de-a doua variantă."
Presupunând că inerţia unei galaxii este datorată radiaţie Unruh care face obiectul efectului Casimir la scara Hubble, McCulloch a dedus o relaţie între viteza şi masa vizibilă a unei galaxii sau a unui roi de galaxii (o relaţie de tip Tully-Fisher). Folosind doar masa provenind din masa barionică (vizibilă), această relaţie poate fi folosită pentru a prezice viteza rotaţională a galaxiilor pitice, a galaxiilor spiralate şi a roiurilor de galaxii. Deşi predicțiile obţinute supraestimează viteza observată de la 1/3 cu până la 1/2, estimările sunt încă în marjele de eroare admise. (Incertitudinea apare din incertitudinea constantei Hubble şi din raportul dintre masa stelară şi lumină, afectând estimările de masă bazate pe observaţie)
"Teoria MiHsC prezice că, pe măsură ce acceleraţia unui obiect descreşte, undele radiaţie Unruh pe care le observăm devin mari în comparaţie cu scara Hubble şi deci devin imposibil de detectat şi de aceea o mare parte din acestea nu sunt permise," explică McCulloch. "Acest mod de gândire, 'dacă nu poţi observa direct ceva atunci nu-i mai da importanţă,' ar putea părea ciudată dar are o istorie distinsă. A fost mult discutat de filozoful idealist Berkeley şi de fizicianul Ernst Mach şi a fost folosit de Einstein pentru a discredita conceptual de spaţiu absolut a lui Newton, ce a condus apoi la teoria specială a relativităţii.
Întorcându-ne la teoria MiHsC: la această acceleraţie mică, stelele care nu pot vedea undele Unruh încep să-şi piardă masa inerţială foarte repede şi acest lucru face mai uşor pentru o forţă externă de a le accelera din nou, astfel încât acceleraţia lor creşte şi deci văd mai multe unde Unruh căpătând inerţie şi decelerând. O balanţă se realizează a cazul unei acceleraţii minime care este prezisă a fi foarte apropiată de acceleraţiile cosmice recent observate şi teoria MiHsC prezice rotaţia galaxiilor în limitele de incertitudine normale fără nici un fel de parametru de ajustare."
Deşi teoriile MiHsC şi MoND sunt cumva similare, aşa cum s-a menţionat mai sus, ambele prezicând vitezele observate în cadrul limitelor de eroare statistic admise, teoria MiHsC nu face uz de nici un parametru ajustabil, în timp ce teoria MoND necesită, pentru a justifica datele observate, introducerea unui parametru ajustabil pentru accelaraţie, care nu are o explicaţie.
Testarea predicţiilor
Rămâne de văzut dacă sau nu teoria MiHsC se va dovedi adevărată. Aşa cum s-a menţionat mai sus, teoria încalcă principiul echivalenţei a lui Einstein. Deşi principiul echivalenţei a fost testat riguros, această încălcare a lui nu ar fi putut fi observată în acele testări. "La acceleraţii normale ca acelea de la suprafaţa terestră (9,8 m/s2), dezacordul dintre teoria MiHsC şi principiul echivalenţei este minuscul; dar la acceleraţii de ordinul a 10 la puterea -10 m/s2, el devine important" afirmă McCulloch. "Experimentele cu o balanţă de torsiune au testat principiul echivalenţei cu o acurateţe a acceleraţiilor de până la 10 la puterea -15 m/s2, dar nu s-a putut observa efectul teoriei MiHsC. Acest lucru s-a întâmplat deoarece aceste experimente sunt versiuni mai precise ale experimentului lui Galilei în care două corpuri de mase diferite sunt lăsate să cada dintr-un turn. Dacă principiul echivalenţei este corect, corpul mai greu ar trebuie să fie atras în jos mai mult (datorită masei gravitaţionale mai mare) dar este la fel de greu să accelerezi către Pământ datorită masei inerţiale masive a acestuia, deci cele două corpuri ar trebui să ajungă pe Pământ în acelaşi timp. Anomalia în acceleraţie, prezisă de teoria MiHsC datorită diferenţei dintre MG şi MI, nu depinde de masa obiectelor, deci cele două obiecte vor cădea în acelaşi timp, deşi ambele ar cădea un pic mai repede decât ne-am aştepta.
Aşadar, teoria MiHsC nu va putea fi detectată în astfel de experimente." De asemenea, teoria MiHsC face o predicţie testabilă şi anume aceea că acceleraţia la marginea galaxiei ar trebui să rămână peste o anumită valoare pentru a compensa tradiţionala concepţie de descreştere în acceleraţie odată cu descreşterea razei galaxiei. McCulloch speră că observaţii viitoarea vor veni în sprijinul teoriei MiHsC.
"Încerc să concept un test lipsit pe cât se poate de ambiguitate," spune el. "Problema datelor astronomice este aceea că de foarte multe ori pot fi mai multe explicaţii a uneia şi aceeaşi observaţie, deci este greu să demonstrezi un anumit lucru într-un mod complet lipsit de ambiguitate. Cea mai bună dovadă ar fi un experiment în laborator în care se pot controla condiţiile de lucru şi izola cauzele. Un experiment posibil ar fi acela în care un obiect ar fi răcit la o temperatură de 5 Kelvin în timp ce este cântărit. Testele în navete spaţiale sunt de asemenea posibile. Încerc să obţin finanţarea necesară unui asemenea experiment", a conchis McCulloch.
Traducere după dark-effect-inertial-mass de Mihai Panoschi, cu acordul editorului
