Тъмната материя просто ли е гравитацията на Вселената сама по себе си?
Linas JuozėnasСподели
Ами ако тъмната материя е просто взаимното гравитационно привличане на цялата Вселена?
Подробно изследване на интригуващата мисъл
Тъмната материя е една от най-големите загадки на съвременната космология и астрофизика. Наблюденията, включващи кривите на въртене на галактиките, гравитационното лещене и формирането на мащабната структура, показват, че във Вселената съществува форма на материя, която не взаимодейства със светлината - затова е наречена „тъмна“. Според разбирането на гравитацията на Нютон и Айнщайн видимата, „обикновена“ материя (протони, неутрони и електрони) съставлява само около 5% от общия енергиен и материален баланс на Вселената, а тъмната материя - около 27% (останалата част е тъмна енергия).
Но какво, ако тази липсваща маса изобщо не съществува? Може би това е просто ефектът от взаимното гравитационно привличане в самата Вселена: малките гравитационни приноси на всички звезди, планети и газови частици, които заедно създават явленията, обяснявани като „тъмна материя“. Това е интригуваща мисъл: бихме ли могли да се откажем от понятието за тъмна материя като отделен компонент и да обясним всичко само чрез общото гравитационно въздействие на видимата материя в огромни мащаби?
В тази статия ще изследваме подробно тази идея - ще разгледаме доказателствата за съществуването на тъмната материя, научните опити да се обясни това явление и защо мисълта „това е просто гравитацията на всичко, което съществува“ е едновременно привлекателна и, за съжаление, недостатъчна, когато се съпостави с подробните данни от наблюденията.
1. Доказателства за съществуването на тъмната материя
1.1 Криви на въртене на галактиките
Едно от първите убедителни доказателства за съществуването на тъмната материя са измерванията на орбиталната скорост на звездите в покрайнините на галактиките. Според Нютоновата механика орбиталната скорост на звездите в покрайнините на галактиката би трябвало да намалява с увеличаването на разстоянието от центъра - подобно на начина, по който скоростта на планетите в Слънчевата система намалява с отдалечаването им от Слънцето.
Все пак астрономите забелязали, че звездите в спиралните галактики в най-отдалечените от центъра области се движат много по-бързо, отколкото биха предвидили обичайните изчисления. Това явление, наречено „плоски криви на въртене“, показва, че съществува много повече маса, отколкото можем да установим чрез електромагнитното излъчване (светлината с различни дължини на вълната). Ако в галактиката съществуваше само видима материя (звезди, газ и прах), орбитите на далечните звезди би трябвало да са по-бавни. Следователно най-простото обяснение е, че съществува допълнителен слой невидима маса, тоест тъмна материя.
1.2 Гравитационно лещене
Гравитационното лещене е способността на масивните обекти да огъват светлината, както е описано в общата теория на относителността на Айнщайн. При наблюдение на галактични купове се вижда, че въздействието им върху изображенията на по-далечни галактики (лещенето) е значително по-силно, отколкото може да се обясни само с видимата материя. За да се обясни този ефект, е необходима допълнителна маса - отново се посочва тъмната материя.
Известен пример за това е така нареченият сблъсък Bullet Cluster, при който два купа от галактики са преминали един през друг. Горещият газ (наблюдаван в рентгеновия диапазон) е бил забавен поради взаимодействията, докато най-силното гравитационно влияние се е преместило по-нататък. Това подсказва, че част от масата почти не взаимодейства електромагнитно (т.е. не се сблъсква с други частици като обикновения газ), но има значително гравитационно въздействие.
1.3 Космологични наблюдения и формиране на структурите
Наблюдавайки космическия микровълнов фон (англ. Cosmic Microwave Background, CMB) - „отражението“ на Големия взрив, учените наблюдават неравномерности в плътността. Именно тези неравномерности постепенно са се превърнали в галактиките и куповете от галактики, които виждаме днес. Компютърните симулации на формирането на структурите във Вселената показват, че без тъмна материя развитието на тези „семена“ на плътността до днешните им размери би било изключително трудно за обяснение или дори невъзможно. Без тъмна материя формирането на силно неравномерни структури на материята (галактики, купове от галактики) от почти еднородната ранна Вселена би протекло твърде бавно.
2. Предложена идея: общото привличане на цялата материя
Мисълта „а може би тъмната материя е просто взаимното гравитационно привличане на всичко, което съществува“ на пръв поглед изглежда привлекателна. В крайна сметка гравитацията действа на неограничени разстояния; колкото и далеч да са едни от други два обекта във Вселената, те все пак се привличат. Ако си представим неизброимо количество звезди и галактики, може би общото им привличане би могло да обясни тази допълнителна маса.
2.1 Интуитивна привлекателност
1. Единно обяснение на гравитацията: Отчасти това изглежда като обединяваща идея. Вместо да въвеждаме нов вид материя, бихме могли да твърдим, че наблюдаваме колективното въздействие само на познатата ни материя.
2. Простота: За мнозина е привлекателно да приемат, че съществува само барионна (обикновена) материя и нищо повече. Може би досега просто не сме отчели цялостното гравитационно въздействие на тази материя, особено в големи мащаби.
Тази хипотеза обаче се сблъсква със сериозни предизвикателства, когато се прилага към точни наблюдателни данни и добре проверени физични теории. Нека разгледаме къде се открояват проблемите.
3. Защо гравитацията между само познатата материя не е достатъчна
3.1 Обикновена срещу модифицирана гравитация
Опитите да се обяснят космическите явления без тъмна материя често попадат в областта на теориите за „модифицирана гравитация“. Вместо да се въвежда нов вид материя, се предлага законите на гравитацията да се коригират в мащаба на Вселената. Един от най-известните примери е MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics). MOND твърди, че в области с изключително малки ускорения (например в покрайнините на галактиките) гравитацията действа по различен начин от предсказанията на Нютон или Айнщайн.
Ако общата гравитация на цялата материя във Вселената беше силата, която погрешно наричаме тъмна материя, тя по същество би трябвало да действа като някаква версия на модифицирана гравитация. Привържениците на MOND и подобни теории се стремят да обяснят кривите на въртене на галактиките и други явления. Въпреки това MOND, макар да може да съответства на някои наблюдения (например кривите на въртене на галактиките), трудно се съвместява с други факти (например данните от гравитационното лещене на Купа Пуля).
Следователно всяка теория, която твърди, че „тъмната материя“ се дължи единствено на общата гравитация на обикновената материя, би трябвало успешно да обяснява не само кривите на въртене на галактиките, но и лещенето, сблъсъците на купове и формирането на мащабните структури. Засега нито една алтернативна теория не е заменила изцяло хипотезата за тъмната материя по начин, който да съответства на всички наблюдения.
3.2 Законът за обратния квадрат и космическите мащаби
Силата на гравитацията отслабва с квадрата на увеличаването на разстоянието (според закона на Нютон за всемирното привличане). В космически мащаби съществува реално, макар и слабо привличане от далечни галактики, купове и нишки, но тази сила намалява сравнително бързо с разстоянието. Данните от наблюденията показват, че само видимата (барионна) материя не е достатъчна и не е разпределена по такъв начин, че да създава гравитационните ефекти, приписвани на тъмната материя.
Ако се опитаме да съберем цялата видима материя във Вселената и да изчислим гравитационното ѝ въздействие в различни космически мащаби, ще се окаже, че все пак не можем да възпроизведем реалните криви на въртене на галактиките, ефектите на лещене или скоростта на формиране на структурите. Казано по-просто, във Вселена, в която съществува само барионна материя, гравитационната сила би била твърде слаба, за да обясни наблюдавания ефект.
3.3 Купът Пуля и разпределението на „липсващата“ маса
Купът Пуля е особено ярък пример. При сблъсъка на два галактични купа обикновената материя (предимно горещ газ) е била забавена поради взаимодействието, докато друга - почти невзаимодействаща - част от масата (смята се, че това е тъмна материя) успешно е преминала през сблъсъка, без да се забави. Данните от гравитационното лещене показват, че по-голямата част от масата се е „отдалечила“ напред, докато светещият газ е изостанал.
Ако обясняваме липсващата маса просто с цялата материя във Вселената, би трябвало да очакваме разпределението на масата да съвпада повече с видимата материя (забавена от газа). Наблюдаваното разминаване между видимия газ и гравитационно активната маса обаче показва, че съществува допълнителна материя, която не взаимодейства електромагнитно - тъмна материя.
4. „Гравитацията на цялата материя“ и космологията
4.1 Ограничения от нуклеосинтезата на Големия взрив
В ранната Вселена са се образували най-леките химични елементи – водород, хелий и малко литий. Този процес се нарича нуклеосинтеза на Големия взрив (на английски Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Изобилието на леките елементи зависи чувствително от плътността на цялата барионна (обикновена) материя. Наблюденията на космическото микровълново фоново излъчване и изследването на съотношенията на тези елементи показват, че във Вселената не може да има прекалено много барионна материя – в противен случай това би противоречало на наблюдаваните количества хелий или деутерий. Накратко, BBN показва, че обикновената материя съставлява около 5% от енергийно-материалния баланс на Вселената.
4.2 Измервания на космическото микровълново фоново излъчване
Данните с висока разделителна способност, получени от спътници като COBE, WMAP и Planck, позволиха на космолозите да определят с изключителна точност температурните флуктуации на CMB. Характерът на тези флуктуации, особено техният ъглов спектър на мощността, дава възможност да се оцени плътността на различните компоненти (тъмна материя, тъмна енергия и барионна материя). Тези измервания се съгласуват много добре с космологичния модел, в който тъмната материя е отделен небарионен компонент. Ако гравитационният ефект, който понастоящем приписваме на тъмната материя, беше само общото привличане на видимата материя, спектърът на мощността на CMB би изглеждал напълно различно.
5. Има ли друг начин да се каже, че тъмната материя е просто „гравитация“?
Идеята „ами ако тъмната материя всъщност е само несъвършенство в законите на гравитацията?“ е дала тласък на различни теории за модифицирана гравитация. Те предлагат да се коригира общата теория на относителността на Айнщайн или нютоновата динамика в галактически и по-големи мащаби, като понякога предлагат доста сложна математическа основа. Такива теории се опитват да обяснят кривите на въртене на галактиките и лещенето от галактичните купове без допълнителни невидими частици.
Основни предизвикателства пред теориите за модифицирана гравитация:
- Съгласуваност: Гравитацията трябва да се коригира в мащаба на галактиките, но същевременно да остане съвместима с наблюденията в Слънчевата система и с общата теория на относителността, потвърдена с изключителна точност от множество експерименти.
- Формиране на структурите: Теориите трябва да обясняват не само кривите на въртене на галактиките, но и формирането на структурите във Вселената от ранните времена до днес, в съответствие с наблюденията от различни епохи.
- Релативистки ефекти: При промяна на закона за гравитацията е необходимо да не се противоречи на явления като гравитационното лещене или на данните от Bullet Cluster.
Макар че „Ламбда студена тъмна материя“ (на англ. ΛCDM) - настоящият стандартен космологичен модел, в който съществуват и тъмна материя, и тъмна енергия (Λ), има определени недостатъци, досега нито една теория на модифицираната гравитация не е успяла да обясни всички наблюдения толкова успешно, колкото ΛCDM.
6. Заключение
Идеята, че тъмната материя би могла просто да представлява взаимното гравитационно привличане на цялата материя във Вселената, е интересна. Тя съответства на стремежа да се търси по-просто обяснение, което не изисква концепцията за нова, невидима материя. По същество това резонира със старата научна и философска нагласа, че с бръснача на Окам трябва да се отстраняват ненужните хипотези.
Въпреки това десетилетията астрономически и космологични наблюдения показват, че само общото количество известна материя не обяснява проблема с „липсващата маса“. Кривите на въртене на галактиките, данните от гравитационното лещене, темповете на образуване на едромащабната структура, измерванията на космическото микровълново фоново излъчване и ограниченията от нуклеосинтезата на Големия взрив - всички те подсказват, че съществува вид материя, който е извън и в допълнение към познатата ни материя. Нещо повече, Купът от куршуми и подобни наблюдения показват, че невидимата маса се държи различно от обикновената материя (например като участва слабо в други, негравитационни взаимодействия).
Все пак космологията е постоянно развиваща се научна област. Новите наблюдения - от гравитационните вълни до по-точните карти на разпределението на галактиките и още по-добрия анализ на CMB - непрекъснато усъвършенстват разбирането ни. Засега преобладаващата част от наблюдателните данни показва, че тъмната материя действително съществува като отделен, небарионен вид материя. Но непредубеденото мислене и вниманието към неочакваните данни остават много важни - все пак науката напредва, когато хипотезите се проверяват и променят, ако не съответстват на новите факти.
Понастоящем наблюденията най-силно подкрепят идеята, че тъмната материя е реален физически компонент. Въпреки това въпросът „а може би все пак съществува алтернатива?“ означава да поддържаме духа на научното любопитство, който е особено необходим за разбирането на тайните на Вселената.
Допълнително четене
- Тъмната материя във Вселената – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Купът от куршуми като доказателство срещу модифицираната гравитация – публикации с наблюдения от множество автори, например Clowe и др.
- Проверка на предсказанията на MOND – различни изследвания на кривите на въртене на галактиките (например трудовете на Stacy McGaugh и съавтори).
- Наблюдения на космологичните параметри – данни от мисиите Planck, WMAP, COBE.