Η σκοτεινή ύλη συναντά την αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν:Μια ιστορία δύο σωματιδίων
Η σκοτεινή ύλη είναι μια από τις πιο μπερδεμένες προκλήσεις της σημερινής φυσικής. Είναι μια μυστηριώδης οντότητα που παρουσιάζεται μόνο μέσω της βαρυτικής αλληλεπίδρασης και αντιστοιχεί περίπου στο 27% του ενεργειακού περιεχομένου του Σύμπαντος αυτή τη στιγμή. Η ύπαρξή του είναι γνωστή από το 1933, ωστόσο, η φύση και η προέλευσή του δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί.
Η σκοτεινή ύλη παρατηρείται μέσω των καμπυλών περιστροφής των γαλαξιών, οι οποίες αποκαλύπτουν ότι η ταχύτητα των περιφερειακών αστεριών γίνεται αρκετά σταθερή μακριά από το κέντρο και μέσω της συνοχής των γαλαξιών ως συστατικά των σμηνών γαλαξιών. Η σταθερότητα των γαλαξιακών δίσκων υποδηλώνει ότι η σκοτεινή ύλη απλώνεται σε σφαιροειδή φωτοστέφανα που περιβάλλουν τον δίσκο και το γαλαξιακό εξόγκωμα. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η δυναμική του Γαλαξία κυριαρχείται επίσης από τη σκοτεινή ύλη. Έχουν γίνει διάφορες προσπάθειες για να περιγραφεί μαθηματικά η κατανομή της σκοτεινής ύλης στα φωτοστέφανα χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις Ν-σώματος. Μία από τις πιο συζητημένες περιγραφές είναι το λεγόμενο προφίλ Navarro-Frenk-White του οποίου η πυκνότητα της σκοτεινής ύλης στο φωτοστέφανο είναι ουσιαστικά αντιστρόφως ανάλογη με τον κύβο της απόστασης από το κέντρο του φωτοστέφανου (θυμηθείτε ότι ο παγκόσμιος νόμος βαρύτητας του Νεύτωνα ορίζει ότι η δύναμη είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης, η οποία οδηγεί σε πυκνότητα ύλης αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης).
Στην εργασία μας, δείξαμε ότι χρησιμοποιώντας την κατανομή της σκοτεινής ύλης στο φωτοστέφανο, είναι δυνατό να επιτευχθούν αρκετά αυστηρά όρια στην Αρχή της Ασθενούς Ισοδυναμίας (WEP), μια από τις θεμελιώδεις βασικές αρχές της Γενικής Σχετικότητας (GR). Το WEP αναφέρει ότι η τροχιά ενός σωματιδίου σημειακής μάζας σε ένα βαρυτικό πεδίο εξαρτάται μόνο από την αρχική του θέση και την ταχύτητά του και είναι ανεξάρτητη από τη σύνθεση και τη δομή του. Με άλλα λόγια, το WEP είναι μια επαναδιατύπωση της ισότητας των βαρυτικών και αδρανειακών μαζών της Νευτώνειας μηχανικής.
Η GR είναι η καλύτερη θεωρία που έχουμε μέχρι στιγμής για να περιγράψουμε τη βαρυτική αλληλεπίδραση και έχει δοκιμαστεί μέσα από πολλά επαναλαμβανόμενα πειράματα και παρατηρήσεις λίγα χρόνια μετά την εμφάνιση της τελικής εκδοχής των εξισώσεων πεδίου του Αϊνστάιν το 1915. Ωστόσο, αν και η επιτυχία και η ακρίβειά της σε επίπεδο Ηλιακού Συστήματος για την παροχή ολοκληρωμένης κατανόησης πολλών βαρυτικών φαινομένων, σε μεγαλύτερη κλίμακα, η αναγκαιότητα εισαγωγής της σκοτεινής ύλης (και της σκοτεινής ενέργειας) ενθαρρύνει την αναζήτηση αποκλίσεων από το GR σε αστροφυσικές και κοσμολογικές κλίμακες.
Ένα αρκετά γενικό πλαίσιο για τη σύγκριση του GR με άλλες εναλλακτικές θεωρίες της βαρύτητας είναι ο λεγόμενος παραμετροποιημένος μετανευτώνειος φορμαλισμός, στον οποίο κάποιος εξετάζει είτε δύο διαφορετικά σωματίδια (φωτόνια και νετρίνα, για παράδειγμα) είτε μόνο έναν τύπο σωματιδίου με διαφορετικές ενέργειες. και συγκρίνει τις τροχιές τους μέσα από το ίδιο βαρυτικό πεδίο. Σε αυτό το πλαίσιο, κάθε σωματίδιο επισημαίνεται με μια παράμετρο «γ» (γ1 για ένα σωματίδιο 1 και γ2 για ένα σωματίδιο 2) και έτσι το WEP προβλέπει ότι γ1 =γ2 δεδομένου ότι και τα δύο σωματίδια έχουν την ίδια ταχύτητα, την ταχύτητα του φωτός, διανύουν την ίδια απόσταση και οι τροχιές τους θα πρέπει να είναι ανεξάρτητες από οποιαδήποτε εσωτερική δομή και άλλα χαρακτηριστικά.
Αυτή η συλλογιστική παρέχει μια πειραματική διαδικασία για την απόκτηση περιορισμών στο WEP, συγκεκριμένα μέσω της μέτρησης της χρονικής καθυστέρησης δύο διαφορετικών σωματιδίων (όπως φωτόνια και νετρίνα, ή δύο φωτόνια με διαφορετικές ενέργειες) που προκύπτουν από αστροφυσικά φαινόμενα, όπως το γάμμα εκρήξεις ακτίνων ή γρήγορες εκρήξεις ραδιοφώνου. Αυτά τα φαινόμενα αποτελούνται από εκρήξεις φωτονίων με διαφορετικές συχνότητες (και επομένως με διαφορετικές ενέργειες) που εκπέμπονται από ένα αστροφυσικό αντικείμενο ή σύστημα, όπως, για παράδειγμα, ένα δυαδικό αστέρι νετρονίων, το οποίο μπορεί να αποκαλύψει, εάν δεν τηρηθεί το WEP, μια χρονική καθυστέρηση κατά την άφιξή τους όταν παρατηρήθηκαν στη Γη. Δεδομένου ότι ο χρόνος ταξιδιού κάθε σωματιδίου είναι ανάλογος του γ, μια πιθανή παραβίαση του WEP θα εμφανιστεί μέσω μιας διαφοράς μεταξύ γ1 και γ2 . Δεδομένης της επιτυχίας του GR, αυτή η διαφορά αναμένεται να είναι πολύ μικρή.
Η διαφορά γ1 – γ2 εξαρτάται επίσης αντιστρόφως από την πυκνότητα της ύλης μέσω της οποίας ταξιδεύουν τα σωματίδια. Ως εκ τούτου, δεδομένου ότι τα σωματίδια που μετρώνται στη Γη επηρεάζονται κυρίως από το βαρυτικό δυναμικό του Γαλαξία μας και ο γαλαξίας μας κυριαρχείται από τη σκοτεινή ύλη, είναι φυσικό να αναρωτηθούμε πώς η παρουσία της τελευταίας επηρεάζει τα όρια στο WEP που συζητήθηκε παραπάνω. Αυτό το αποτέλεσμα εξετάστηκε για πρώτη φορά στη δουλειά μας. Καθώς η συνεισφορά της σκοτεινής ύλης κάνει τη μάζα του γαλαξία μεγαλύτερη, συνεπάγεται ότι επιτρέπει πιο αυστηρά όρια για τη διαφορά γ1 – γ2 .
Επομένως, λαμβάνοντας υπόψη την παρουσία της σκοτεινής ύλης στον γαλαξία μας, είναι δυνατό να επιτευχθούν πιο αυστηροί περιορισμοί στη διαφορά της παραμέτρου γ. Λαμβάνοντας υπόψη το προφίλ Navarro-Frenk-White και τη μέτρηση της χρονικής καθυστέρησης μιας πολωμένης έκρηξης ακτίνων γάμμα, έχουμε το πιο αυστηρό όριο μέχρι σήμερα, γ1 – γ2 <10, υποδεικνύοντας ότι το WEP είναι μια εξαιρετικά καλά θεμελιωμένη θεμελιώδης αρχή και ότι η σκοτεινή ύλη παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτήν τη συζήτηση.
