Όταν η Βέρα Ρούμπιν αποδείκνυε την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης

… ήταν Ιούνιος του 1980

Το 1933, ο Ελβετός αστρονόμος Fritz Zwicky που εργαζόταν στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας, συνειδητοποίησε ότι οι γαλαξίες του σμήνους της Κόμης κινούνταν τόσο γρήγορα που, σύμφωνα με τους νευτώνειους νόμους της κίνησης, θα έπρεπε να έχουν απομακρυνθεί μεταξύ τους και το σμήνος να διαλυθεί.

 

Η μόνη εξήγηση που σκέφτηκε για το γεγονός ότι το σμήνος παραμένει ενιαίο και δεν διαλύεται, είναι ότι περιέχει εκατοντάδες φορές περισσότερη ύλη απ’ όση βλέπουμε με τα τηλεσκόπιά μας. Είτε οι νόμοι του Νεύτωνα ήταν λάθος για τις γαλαξιακές αποστάσεις, ή το σμήνος της Κόμης περιείχε μεγάλες ποσότητες αόρατης ύλης (dunkle Materie=σκοτεινή ύλη) που το συγκρατούσε ενωμένο. Αλλά μια τέτοια προκλητική ιδέα εκείνη την εποχή ήταν αδύνατον να γίνει αποδεκτή από τα «σφαιρικά καθάρματα» της αστρονομίας!

H ιδέα του Zwicky δεν έπεισε κανέναν. Πέρασαν δεκαετίες, μέχρι το 1980, όταν μια αστρονόμος ονόματι Vera Rubin κατάφερε να συγκεντρώσει ένα πειστικό σύνολο αποδεικτικών στοιχείων ότι κάτι αόρατο στο σύμπαν έκανε τους γαλαξίες να συμπεριφέρονται με απροσδόκητους τρόπους.

Η Vera Rubin (ή Cooper) γεννήθηκε το 1928, στη Φιλαδέλφεια (Πενσυλβάνια) και σε ηλικία 10 ετών μετακόμισε στην πρωτεύουσα Ουάσιγκτον. Σε ένα αυτοβιογραφικό άρθρο η Rubin αναφέρθηκε στον πατέρα της, που όταν ήταν μικρή την βοήθησε να κατασκευάσει ένα τηλεσκόπιο χρησιμοποιώντας έναν σωλήνα λινέλαιου. «Από το κρεβάτι μου δίπλα στο παράθυρο, είχα καθαρή θέα στον βόρειο ουρανό», έγραφε. «Μετά από λίγο ήταν πιο ενδιαφέρον να βλέπεις τα αστέρια παρά να κοιμάσαι».

Καθ’ όλη τη διάρκεια των σπουδών της, η Rubin αντιμετώπισε τον κοινότοπο σεξισμό που ήταν πολύ συνηθισμένος εκείνη την εποχή για τις γυναίκες που ενδιαφέρονταν για την επιστήμη. Με αρκετή πικρία θυμάται πως, όταν υπέβαλε αίτηση για σπουδές στη Φυσική, επειδή είχε πει στον υπεύθυνο εγγραφών ότι της άρεσε να ζωγραφίζει, την ώρα της συνέντευξης την ρώτησαν: «Σκεφτήκατε ποτέ να κάνετε καριέρα ζωγραφίζοντας αστρονομικά αντικείμενα;» Η φράση αυτή, θυμάται η Rubin, «έγινε κάτι σαν οικογενειακό σλόγκαν. Έκτοτε, κάθε φορά που σε κάποιον κάτι πήγαινε στραβά, του λέγαμε: «Σκέφτηκες ποτέ να κάνεις καριέρα ζωγραφίζοντας αστρονομικά αντικείμενα;». Στο γυμνάσιο, όταν είπε στον καθηγητή της φυσικής πως την είχαν δεχτεί στο κολέγιο Vassar, εκείνος απάντησε: «Μια χαρά θα τα πας, αρκεί να μην ανακατευτείς με τις επιστήμες.» Αργότερα, ενθυμούμενη το παρελθόν, θα έλεγε: «Χρειάζεται τεράστια αυτοεκτίμηση για να μην καταρρεύσεις ακούγοντας τέτοια πράγματα.»

Η Rubin σπούδασε αστρονομία ως προπτυχιακή στο κολέγιο Vassar και ήθελε να εγγραφεί ως μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Princeton, αλλά οι γυναίκες δεν επιτρέπονταν στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα αστρονομίας μέχρι το 1975. Η αίτησή της στο Harvard έγινε δεκτή, αλλά τελικά αρνήθηκε γιατί στο μεταξύ είχε παντρευτεί και ακολούθησε τον σύζυγό της, το Bob Rubin που ήταν φυσικομαθηματικός στο Cornel. (Στο κάτω μέρος της απαντητικής επιστολής που έλαβε από το Χάρβαρντ, υπήρχε μια χειρόγραφη υποσημείωση που έλεγε: «Αχ, εσείς οι γυναίκες! Κάθε φορά που βρίσκω μια καλή, μου παντρεύεται και τη χάνω.» )

Έτσι συνέχισε τις μεταπτυχιακές της σπουδές στο Cornell, όπου είχε ως καθηγητές τους Richard Feynman, Hans Bethe και Philip Morrison. Ολοκλήρωσε το διδακτορικό της το 1954, στο πανεπιστήμιο Georgetown, υπό την καθοδήγηση του George Gamow.

Το 1965 η Rubin προσελήφθη στο στο Ινστιτούτο Carnegie της Ουάσιγκτον. Εκεί γνώρισε τον W. Kent Ford Jr., ο οποίος κατασκεύαζε ένα νέο φασματογράφο για τη συλλογή δεδομένων φωτός από μακρινά αντικείμενα. Αυτή η πρωτοποριακή τεχνική θα μπορούσε να αυξήσει πάνω από δέκα φορές την ικανότητα ενός τηλεσκοπίου να καταγράφει το φάσμα ενός αχνού αντικειμένου.

Oι Rubin και Ford έθεσαν το όργανο σε λειτουργία μετρώντας τις ταχύτητες των άστρων στον γαλαξία της Ανδρομέδας (Μ31). Όσο πιο μακριά από τον ήλιο βρίσκεται ένας πλανήτης του ηλιακού μας συστήματος η τροχιακή ταχύτητά του ελαττώνεται (αν υποθέσουμε ότι η τροχιά του πλανήτη είναι κυκλική με ακτίνα r, τότε εξισώνοντας την δύναμη της παγκόσμιας έλξης με την κεντρομόλο δύναμη παίρνουμε , όπoυ M η μάζα του ήλιου). Tα άστρα του γαλαξία M31 αναμενόταν να συμπεριφέρονται παρόμοια. Στο κέντρο του γαλαξία όπου το φως ήταν πιο λαμπρό αναμενόταν μεγάλη συγκέτρωση μάζας. Έτσι οι ταχύτητες των άστρων μακριά από το κέντρο του γαλαξία αναμένονταν μικρότερες. Οι τροχιακές ταχύτητες των άστρων του Μ31 υπολογίστηκαν με βάση τα φασματοσκοπικά δεδομένα και απεικονίστηκαν γραφικά.

Ενώ η καμπύλη των ταχυτήτων συναρτήσει της απόστασης από το κέντρο του γαλαξία θα έπρεπε «πέφτει», η καμπύλη της Rubin έδειχνε ότι οι τροχιακές ταχύτητες των άστρων μακριά από το κέντρο του γαλαξία δεν μειώνονταν. Ήταν σαν ο γαλαξίας να περιείχε αόρατη μάζα, η οποία διατηρούσε τις τροχιακές ταχύτητες σταθερές. Η Rubin σκέφτηκε ότι πρέπει να υπάρχει κάποιος μηχανισμός για την επιτάχυνση των άστρων που κινούνται πολύ αργά ή την επιβράδυνση των άστρων που κινούνται πολύ γρήγορα.
 

 

Οι ταχύτητες περιστροφής των άστρων στον γαλαξία της Ανδρομέδας, από την δημοσίευση του 1970 της Vera Rubin με τον Kent Ford. Καθώς αυξάνεται η απόσταση από το κέντρο του γαλαξία, αντί να μειώνονται οι ταχύτητες, η καμπύλη είναι σχεδόν επίπεδη – απόδειξη για ύπαρξη αόρατης μάζας ή της σκοτεινής ύλης [V. Rubin and K. Ford, Astrophysical Journal, vol. 159, p.379 (February 1970)]

Μεταξύ 1976 και 1986, οι Rubin και Ford διερεύνησαν κι άλλους σπειροειδείς γαλαξίες. Δημοσίευσαν σχεδόν 50 εργασίες κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Όμως το πιο σημαντικό και επιδραστικό άρθρο δημοσιεύθηκε στο τεύχος Ιουνίου 1980 του περιοδικού Astrophysical Journal. Εκεί περιέχονταν οι καμπύλες περιστροφής 21 σπειροειδών γαλαξιών, διαφόρων μεγεθών και φωτεινοτήτων. Όλες τους έμοιαζαν με την παραπάνω καμπύλη του γαλαξία της Ανδρομέδας. Οι τροχιακές ταχύτητες των άστρων αντί να μειώνονται καθώς απομακρυνόμαστε από τα κέντρα των γαλαξιών, παρέμεναν σταθερές. Το συμπέρασμα ήταν αναπόφευκτο: στους γαλαξίες αυτούς υπάρχει επιπλέον μη ορατή ύλη (που δεν εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία). 

 

Στα συμπεράσματα της δημοσίευσης των Rubin, Ford και Thonnard, με τίτλο «Rotational properties of 21 SC galaxies with a large range of luminosities and radii, from NGC 4605 (R=4kpc) to UGC 2885 (R=122kpc)«, τον Ιούνιο του 1980 περιέχεται η ιστορική πλέον φράση: «The conclusion is inescapable that non-luminus matter exixts beyond the optical galaxy«

Αυτές οι παρατηρήσεις, σε συνδυασμό με την έρευνα των θεωρητικών και των ραδιοαστρονόμων, έδειξαν ότι αν ισχύουν οι κανόνες της Νευτώνειας φυσικής, θα πρέπει να υπάρχει μεγάλη ποσότητα αόρατης μάζας σε αυτούς τους γαλαξίες. Σήμερα, η ευρέως αποδεκτή άποψη είναι ότι οι γαλαξίες είναι γεμάτοι σκοτεινή ύλη και ότι έως και το 85% της ύλης του σύμπαντος συνίστσται από αυτήν.

Το τι είναι στην πραγματικότητα η σκοτεινή ύλη, όμως παραμένει ακόμα ένα μεγάλο μυστήριο. Οι πειραματιστές φυσικοί την αναζητούν και οι επιστήμονες έχουν αφιερώσει αμέτρητες ώρες συζητώντας για την σύστασή της. Ενώ η εργασία της Rubin βοήθησε να τεθεί αυτή η ερώτηση, εκείνη παρέμεινε «αγνωστικίστρια» σχετικά με την απάντησή της. «Οι επιστήμονες σπάνια τονίζουν την τεράστια άγνοιά μας», έγραφε η Rubin στον πρόλογο του Bright Galaxies, Dark Matters, της συλλογής των εργασιών της που δημοσιεύθηκε το 1997.

πηγές:
1. June 1980: Vera Rubin Publishes Paper Hinting at Dark Matter
2. Η αστρονόμος Vera Rubin (1928 – 2016)


https://physicsgg.me/2023/06/08/%cf%8c%cf%84%ce%b1%ce%bd-%ce%b7-%ce%b2%ce%ad%cf%81%ce%b1-%cf%81%ce%bf%cf%8d%ce%bc%cf%80%ce%b9%ce%bd-%ce%b1%cf%80%ce%bf%ce%b4%ce%b5%ce%af%ce%ba%ce%bd%cf%85%ce%b5-%cf%84%ce%b7%ce%bd-%cf%8d%cf%80%ce%b1/