Какво ако тъмната материя е просто взаимната гравитационна привличане във Вселената?
Подробно изследване на интригуващата идея
Тъмната материя е една от най-големите загадки на съвременната космология и астрофизика. Наблюденията, включващи кривите на въртене на галактиките, гравитационното лещиране и формирането на големите структури, показват, че във Вселената съществува форма на материя, която не взаимодейства със светлината – затова е наречена „тъмна“. Според разбирането за гравитацията на Нютон и Айнщайн, видимата, „обикновена“ материя (протони, неутрони, електрони) съставлява само около 5% от общия баланс на енергия и материя във 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 на взаимното привличане във Вселената: малки гравитационни приноси от всички звезди, планети и газови частици, които заедно създават явленията, които обясняваме като „тъмна материя“. Това е интригуваща идея: можем ли да се откажем от понятието тъмна материя като отделен компонент и да обясним всичко само с общото гравитационно влияние на видимата материя в огромни мащаби?
В тази статия ще изследваме подробно тази идея – ще прегледаме 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 разглеждат подробните наблюдателни данни.
1. Доказателства за съществуването на тъмната материя
1.1 Криви на въртене на галактиките
Едно от първите ясни доказателства за съществуването на тъмната материя са измерванията на скоростта на орбитите на звездите в периферията на галактиките. Според механиката на Нютон скоростта на звездните орбити в периферията на галактиката трябва да намалява с увеличаване на разстоянието от центъра – подобно на това как скоростта на планетите в нашата Слънчева система намалява с отдалечаването от Слънцето.
Въпреки това астрономите забелязаха, че звездите в спиралните галактики в най-отдалечените региони се движат много по-бързо, отколкото биха предсказали обичайните изчисления. Това явление, наречено „плоски криви на въртене“, показва, че съществува много повече маса, отколкото можем да определим от електромагнитното излъчване (светлина с различни дължини на вълната). Ако в галактиката съществуваше само видима материя (звезди, газове, прах), орбитите на отдалечените звезди би трябвало да са по-бавни. Най-простото обяснение е, че има допълнителен слой невидима маса, т.е. тъмна материя.
1.2 Гравитационно лещиране
Гравитационното лещиране е способността на масивни обекти да огъват светлината, както е описано в общата теория на относителността на Айнщайн. При наблюдение на галактически клъстери се вижда, че ефектът им върху образа на по-отдалечени галактики (лещиране) е много по-силен, отколкото може да се обясни само с видимата материя. За да се обясни този ефект, е необходима допълнителна маса – отново се посочва тъмната материя.
Ярък пример за това е т.нар. сблъсък на Bullet Cluster, при който два галактически клъстера са преминали един през друг. Горещите газове (видими в рентгеновия диапазон) са забавени поради взаимодействия, докато най-силното гравитационно влияние се е преместило напред. Това предполага, че част от масата почти не взаимодейства електромагнитно (т.е. не се сблъсква като обикновените газове), но има значително гравитационно въздействие.
1.3 Космологични наблюдения и формиране на структурата
Наблюдавайки космическия микровълнов фон (англ. Cosmic Microwave Background, CMB) – „отражението“ на Големия взрив, учените наблюдават неравномерности в плътността. Тези неравномерности с времето се развиват в галактики и клъстери, които виждаме днес. Компютърните симулации на формирането на структурата на Вселената показват, че без тъмна материя развитието на тези плътностни „семена“ до сегашните размери би било изключително трудно или дори невъзможно за обяснение. Без тъмна материя формирането на силно неравномерна структура на материята (галактики, галактически клъстери) от почти хомогенната ранна Вселена би било твърде бавно.
2. Предложена идея: обща гравитационна привлекателност на цялата материя
Идеята „а може би тъмната материя е просто взаимната гравитационна привлекателност на всичко съществуващо“ на пръв поглед изглежда привлекателна. Все пак гравитацията действа на неограничени разстояния; колкото и далечни да са два обекта във Вселената, те все пак се привличат взаимно. Ако си представим неизброимо количество звезди и галактики, може би общото им гравитационно влияние 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 тип материя, можем да твърдим, че наблюдаваме само колективното въздействие на познатата ни материя.
2. Простота: Много хора намират за привлекателно да вярват, че съществува само барионна (обикновена) материя и нищо повече. Може би досега просто не сме оценили напълно общото гравитационно влияние на тази материя, особено в големи мащаби.
Въпреки това тази хипотеза се сблъсква със сериозни предизвикателства, когато се прилага към точни наблюдателни данни и добре проверени физични теории. Нека разгледаме къде се появяват проблемите.
3. Защо само взаимната гравитация на 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 „модифицираните гравитационни“ теории. Вместо да се въвежда нов вид материя, се предлага корекция на законите на гравитацията на космически мащаб. Един от най-известните примери е MOND (англ. Modified Newtonian Dynamics). MOND твърди, че в области с много малки ускорения (например в периферията на галактиките) гравитацията действа по различен начин, отколкото предсказват 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 модифицирана версия на гравитацията. Поддръжниците на MOND и подобни теории се опитват да обяснят кривите на въртене на галактиките и други явления. Въпреки това MOND, макар и да може да пасне на някои наблюдения (например кривите на въртене на галактиките), трудно се съчетава с други факти (например данните от гравитационното лещиране на Bullet Cluster).
Затова всяка теория, която твърди, че „тъмната материя“ се дължи единствено на общата гравитация на обикновената материя, трябва успешно да обясни не само кривите на въртене на галактиките, но и лещирането, сблъсъците на клъстери и формирането на голямата структура. До момента нито една алтернативна теория не е заменила изцяло хипотезата за тъмната материя, така че да съответства на всички наблюдения.
3.2 Законът за обратния квадрат и космическите мащаби
Гравитационната сила отслабва с квадрата на разстоянието (според закона за всеобщото привличане на Нютон). На космически мащаби съществува реална, макар и слаба, гравитация между далечни галактики, клъстери и филаменти, но тази сила бързо намалява с разстоянието. Данните от наблюденията показват, че само видимата (барионна) материя не е достатъчна и не е разпределена така, че да създаде гравитационните ефекти, приписвани на тъмната материя.
Ако се опитаме да съберем цялата видима материя във Вселената и да изчислим нейното гравитационно въздействие на различни космически мащаби, ще се окаже, че все пак не можем да възпроизведем реалните криви на въртене на галактиките, ефектите на лещиране или скоростта на формиране на структурата. По-просто казано, във Вселената, съставена само от барионна материя, гравитационната сила би била твърде слаба, за да обясни наблюдавания ефект.
3.3 Bullet Cluster и разпределението на „изчезналата“ маса
Bullet Cluster е особено ярък пример. При сблъсък на два клъстера галактики, обикновената материя (главно горещ газ) беше забавена поради взаимодействие, докато другата – почти не взаимодействаща – част от масата (предполага се, че е тъмната материя) успешно премина през сблъсъка без да се забави. Данните от гравитационното лещиране показват, че по-голямата част от масата "се е отместила" по-нататък, изоставайки от светещия газ.
Ако липсващата маса се обяснява просто с цялата материя във Вселената, би трябвало разпределението на масата да съвпада повече с видимата материя (забавените газове). Но наблюдаваният разрив между видимия газ и гравитационно активната маса показва, че съществува допълнителна материя, която не взаимодейства електромагнитно – тъмната материя.
4. „Гравитацията на цялата материя“ и космологията
4.1 Ограничения на нуклеосинтезата на Големия взрив
В ранната Вселена се формираха най-лекият химични елементи – водород, хелий и малко литий. Този процес се нарича нуклеосинтеза на Големия взрив (англ. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Изобилието на леки елементи е чувствително зависимо от плътността на цялата барионна (обикновена) материя. Наблюдавайки космическото микровълново фоново излъчване и изследвайки съотношенията на тези елементи, се вижда, че във Вселената не може да има твърде много барионна материя – в противен случай би се противоречало на наблюдаваните количества хелий или деутерий. Накратко, BBN показва, че обикновената материя съставлява около 5% от енергийния и матерен баланс на Вселената.
4.2 Измервания на космическото микровълново фоново излъчване
Данни с висока резолюция, получени от спътници като COBE, WMAP и Planck, позволиха на космолозите да определят изключително точно флуктуациите на температурата на КФМ. Характерът на тези флуктуации, особено техният ъглов спектър на мощност, дава възможност да се оцени плътността на различните компоненти (тъмна материя, тъмна енергия и барионна материя). Тези измервания много добре съвпадат с космологичния модел, в който тъмната материя е отделен, небарионен компонент. Ако гравитационният ефект, който в момента приписваме на тъмната материя, беше само общото привличане на видимата материя, спектърът на мощност на КФМ щеше да изглежда съвсем различно.
5. Има ли друг начин да се каже, че тъмната материя е просто „гравитация“?
Идеята „какво ако тъмната материя всъщност е само несъвършенство в законите на гравитацията?“ стимулира различни теории на модифицираната гравитация. Те предлагат да се коригира Общата теория на относителността на Айнщайн или динамиката на Нютон на галактически и по-големи мащаби, понякога с доста сложна математическа основа. Такива теории се опитват да обяснят кривите на въртене на галактиките и лещирането на клъстери без допълнителни, невидими частици.
Основни предизвикателства за теориите на модифицираната гравитация:
- Настройка: Необходимо е да се коригира гравитацията на галактически мащаб, но същевременно да се остане съвместими с наблюденията на Слънчевата система и общата теория на относителността, която е потвърдена с изключителна точност от множество експерименти.
- Формиране на структурата: Теориите трябва да обяснят не само кривите на въртене на галактиките, но и формирането на структури във Вселената от ранните времена до днес, съобразено с наблюденията през различни епохи.
- Релативистични ефекти: При промяна на закона за гравитацията е необходимо да не се противоречат явления като гравитационно лещиране или данните от Bullet Cluster.
Въпреки че „Ламбда Студена Тъмна Материя“ (англ. ΛCDM) – настоящият стандартен космологичен модел, включващ както тъмна материя, така и тъмна енергия (Λ), има някои недостатъци, досега нито една теория за модифицирана гравитация не успя толкова успешно да обясни всички наблюдения, колкото ΛCDM.
6. Заключение
Идеята, че тъмната материя може просто да е взаимното гравитационно привличане на цялата материя във Вселената – е интересна. Тя съвпада с търсенето на по-просто обяснение, което не изисква нова, невидима материя. По същество това резонира със старата научна и философска максима, че Окамовата бръснач препоръчва да се отстранят излишните хипотези.
Но десетилетия астрономически и космологични наблюдения показват, че само количеството на познатата материя не обяснява проблема с „липсващата маса“. Кривите на въртене на галактиките, данните за гравитационно лещиране, темповете на формиране на големите структури, измерванията на космическото микровълново фоново излъчване и ограниченията от нуклеосинтезата на Големия взрив – всички те предполагат съществуването на вид материя, който е без и допълнително към обичайната материя, с която сме свикнали. Още повече, наблюдения като тези на Bullet Cluster показват, че невидимата маса се държи по различен начин от обичайната материя (например слабо участва в други, не гравитационни взаимодействия).
Въпреки това космологията е постоянно развиваща се научна област. Новите наблюдения – от гравитационни вълни до по-точни карти на разпределението на галактиките и още по-добър анализ на CMB – непрекъснато усъвършенстват нашето разбиране. До момента повечето наблюдателни данни показват, че тъмната материя наистина съществува като отделен, небарионен вид материя. Въпреки това отвореното мислене и вниманието към неочаквани данни остават много важни – науката напредва, когато хипотезите се проверяват и променят, ако не съответстват на новите факти.
В момента наблюденията най-силно подкрепят идеята, че тъмната материя е реален, физически компонент. Все пак да се пита „а може ли все пак да има алтернатива?“ означава да се поддържа духът на научно любопитство, който е особено необходим за разгадаване на тайните на Вселената.
Допълнително четиво
- Тъмната материя във Вселената – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Клъстерът Bullet като доказателство срещу модифицираната гравитация – публикации с наблюдения от много автори, напр. Clowe и др.
- Тестване на предсказанията на MOND – различни изследвания на кривите на въртене на галактиките (например работите на Stacy McGaugh и съавтори).
- Наблюдения на космологичните параметри – данни от мисии Planck, WMAP, COBE.