Kas, jei tamsioji materija tėra visos Visatos tarpusavio gravitacinė trauka?
Išsamus intriguojančios minties tyrimas
Tamsioji materija yra viena didžiausių šiuolaikinės kosmologijos ir astrofizikos paslapčių. Stebėjimai, apimantys galaktikų sukimosi kreives, gravitacinį lęšiavimą ir stambiosios struktūros formavimąsi, rodo, kad Visatoje egzistuoja materijos forma, kuri nesąveikauja su šviesa – dėl to ir pavadinta „tamsiąja“. Remiantis Niutono ir Einšteino gravitacijos samprata, matoma, „įprastinė“ materija (protonai, neutronai, elektronai) sudaro tik apie 5% visos Visatos energijos ir materijos balanso, o tamsioji materija – apie 27% (likusią dalį sudaro tamsioji energija).
Bet kas, jei šios trūkstamos masės išvis nėra? Galbūt tai tik pačios Visatos savitarpio traukos efektas: nedideli visų žvaigždžių, planetų bei dujų dalelių gravitacijos įnašai, kurie sumoje sukuria reiškinius, kuriuos aiškiname kaip „tamsiąją materiją“. Tai intriguojanti mintis: ar galėtume atsisakyti tamsiosios materijos sąvokos kaip atskiro komponento ir viską paaiškinti vien bendru matomos materijos gravitacijos poveikiu didžiuliais mastais?
Šiame straipsnyje išsamiai tyrinėsime šią idėją – apžvelgsime tamsiosios materijos egzistavimo įrodymus, mokslinius bandymus paaiškinti šį reiškinį ir tai, kodėl mintis „tai tik gravitacija iš visko, kas egzistuoja“ yra kartu ir patraukli, ir, deja, nepakankama, žvelgiant į detalius stebėjimų duomenis.
1. Tamsiosios materijos egzistavimo įrodymai
1.1 Galaktikų sukimosi kreivės
Vienas pirmųjų ryškių tamsiosios materijos buvimo įrodymų – tai galaktikų pakraščių žvaigždžių orbitų greičio matavimai. Pagal Niutono mechaniką, žvaigždžių orbitos greitis galaktikos pakraščiuose turėtų mažėti didėjant atstumui nuo centro – panašiai kaip planetų mūsų Saulės sistemoje greitis mažėja tolstant nuo Saulės.
Vis dėlto astronomai pastebėjo, kad spiralinėse galaktikose esančios žvaigždės tolimiausiuose regionuose juda daug greičiau, nei prognozuotų įprasti skaičiavimai. Šis reiškinys, vadinamas „plokščiomis sukimosi kreivėmis“, rodo, kad egzistuoja daug daugiau masės, nei galime nustatyti iš elektromagnetinės spinduliuotės (šviesos įvairiuose bangų ilgiuose). Jei galaktikoje egzistuotų vien matoma materija (žvaigždės, dujos, dulkės), tolimųjų žvaigždžių orbitos turėtų būti lėtesnės. Tad paprasčiausias paaiškinimas – yra papildomos, nematomos masės sluoksnis, t. y. tamsioji materija.
1.2 Gravitacinis lęšiavimas
Gravitacinis lęšiavimas – tai masyvių objektų gebėjimas lenkti šviesą, kaip aprašyta Einšteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje. Stebint galaktikų spiečius, matoma, kad jų daromas poveikis tolimesnių galaktikų vaizdui (lęšiavimas) yra gerokai stipresnis, nei galima paaiškinti vien matoma materija. Norint paaiškinti šį efektą, prireikia papildomos masės – vėlgi nurodoma į tamsiąją materiją.
Garsus to pavyzdys – vadinamasis Bullet Cluster susidūrimas, kuriame du galaktikų spiečiai pralėkė vienas pro kitą. Karštos dujos (matomos rentgeno spindulių diapazone) buvo sulėtintos dėl sąveikų, o stipriausia gravitacinė įtaka persikėlė toliau. Tai leidžia manyti, kad dalis masės beveik nesąveikauja elektromagnetiškai (t. y. neužkliūva viena už kitos kaip įprastos dujos), tačiau turi reikšmingą gravitacinį poveikį.
1.3 Kosmologiniai stebėjimai ir struktūros formavimasis
Žvelgdami į kosminę foninę mikrobangę spinduliuotę (angl. Cosmic Microwave Background, CMB) – Didžiojo sprogimo „atšvaitą“, mokslininkai stebi tankio netolygumus. Būtent šie netolygumai ilgainiui išaugo į galaktikas ir spiečius, kuriuos matome šiandien. Kompiuterinės Visatos struktūros formavimosi simuliacijos rodo, kad be tamsiosios materijos tokių tankio „sėklų“ vystymasis iki dabartinių dydžių būtų nepaprastai sunkiai paaiškinamas ar net neįmanomas. Be tamsiosios materijos, iš beveik vienalytės ankstyvosios Visatos susiformuoti labai netolygiai materijos struktūrai (galaktikoms, galaktikų spiečiams) būtų pernelyg lėta.
2. Siūloma idėja: bendrinė visos materijos trauka
Mintis „o gal tamsioji materija tėra visko, kas egzistuoja, tarpusavio gravitacinė trauka“ iš pirmo žvilgsnio atrodo patraukli. Juk gravitacija veikia neribotais atstumais; kad ir kokie du objektai Visatoje būtų tolimi, jie vis tiek vienas kitą traukia. Jei įsivaizduotume nesuskaičiuojamą žvaigždžių ir galaktikų kiekį, galbūt bendras jų traukos poveikis galėtų paaiškinti tą papildomą masę.
2.1 Intuityvus patrauklumas
1. Vieningas gravitacijos paaiškinimas: Iš dalies tai atrodo suvienijanti idėja. Užuot įvedus naują materijos tipą, galėtume teigti, kad stebime tik mums žinomos materijos kolektyvinį poveikį.
2. Paprastumas: Daug kam patrauklu manyti, kad egzistuoja tik barioninė (įprastinė) materija ir nieko daugiau. Galbūt lig šiol tiesiog neįvertinome visos šios materijos bendros gravitacijos, ypač dideliais mastais.
Tačiau ši hipotezė susiduria su rimtais iššūkiais, kai pritaikoma tiksliems stebėjimų duomenims ir gerai patikrintoms fizikos teorijoms. Pažvelkime, kur išryškėja problemos.
3. Kodėl vien tik žinomos materijos tarpusavio gravitacijos nepakanka
3.1 Įprasta prieš modifikuotą gravitaciją
Bandymai aiškinti kosminius reiškinius be tamsiosios materijos dažnai patenka į „modifikuotos gravitacijos“ teorijų sritį. Užuot įvedus naują materijos rūšį, siūloma koreguoti gravitacijos dėsnius Visatos mastu. Vienas žymiausių pavyzdžių – MOND (angl. Modified Newtonian Dynamics). MOND teigia, kad itin mažų pagreičių (pavyzdžiui, esančių galaktikų pakraščiuose) srityse gravitacija veikia kitaip, nei prognozuoja Niutonas ar Einšteinas.
Jei visos Visatos materijos bendroji gravitacija būtų ta jėga, kurią klaidingai vadiname tamsiąja materija, ji iš esmės turėtų veikti kaip tam tikra modifikuotos gravitacijos versija. MOND ir panašių teorijų šalininkai stengiasi paaiškinti galaktikų sukimosi kreives ir kitus reiškinius. Visgi MOND, nors ir gali tikti kai kuriems stebėjimams (pavyzdžiui, galaktikų sukimosi kreivėms), sunkiai dera su kitais faktais (pavyzdžiui, Bullet Cluster gravitacinio lęšiavimo duomenimis).
Todėl bet kokia teorija, teigianti, kad „tamsiąją materiją“ lemia vien bendroji įprastinės materijos gravitacija, privalėtų sėkmingai aiškinti ne tik galaktikų sukimosi kreives, bet ir lęšiavimą, spiečių susidūrimus bei stambiosios struktūros formavimąsi. Kol kas nė viena alternatyvi teorija visapusiškai nepakeitė tamsiosios materijos hipotezės taip, kad atitiktų visus stebėjimus.
3.2 Atvirkštinio kvadrato dėsnis ir kosminiai masteliai
Gravitacijos jėga silpnėja kvadratu didėjant atstumui (pagal Niutono visuotinės traukos dėsnį). Kosminiais mastais egzistuoja reali, nors ir menka, tolimų galaktikų, spiečių bei filamentų trauka, tačiau ši jėga gana greitai sumažėja su atstumu. Stebėjimų duomenys rodo, kad vien matomos (barioninės) materijos nepakanka ir ji nėra taip išsidėsčiusi, kad sukurtų gravitacinius efektus, priskiriamus tamsiajai materijai.
Jei bandytume sudėti visą matomą Visatos materiją ir apskaičiuoti jos gravitacinį poveikį įvairiais kosminiais mastais, paaiškėtų, kad vis tiek negalime atkurti realių galaktikų sukimosi kreivių, lęšiavimo efektų ar struktūros formavimosi greičio. Paprasčiau tariant, Visatoje, kurioje egzistuotų vien barioninė materija, gravitacinė jėga būtų per silpna, kad paaiškintų stebimą efektą.
3.3 Bullet Cluster ir „dingusios“ masės pasiskirstymas
Bullet Cluster yra ypač ryškus pavyzdys. Susidūrus dviem galaktikų spiečiams, įprastinė materija (daugiausia karštos dujos) buvo sulėtinta dėl sąveikos, o kita – beveik nesąveikaujanti – masės dalis (manoma, kad tai tamsioji materija) sėkmingai prasiskverbė per susidūrimą nesulėtėdama. Gravitacinio lęšiavimo duomenys rodo, kad masės dauguma „pasitraukė“ toliau, atsilikus švytinčiai dujai.
Jei trūkstamą masę aiškintume tiesiog visa Visatos materija, derėtų tikėtis, kad masės pasiskirstymas labiau sutaptų su regimąja materija (sulėtinta dujomis). Tačiau stebimas atotrūkis tarp matomos dujos ir gravitaciškai aktyvios masės rodo, kad egzistuoja papildoma, neelektromagnetiškai sąveikaujanti materija – tamsioji materija.
4. „Visos materijos gravitacija“ ir kosmologija
4.1 Didžiojo sprogimo nukleosintezės apribojimai
Ankstyvojoje Visatoje susiformavo lengviausieji cheminiai elementai – vandenilis, helis ir truputis ličio. Šis procesas vadinamas Didžiojo sprogimo nukleosinteze (angl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Lengvųjų elementų gausa jautriai priklauso nuo visos barioninės (įprastinės) materijos tankio. Stebint kosminę foninę mikrobangę spinduliuotę ir tiriant šių elementų santykius, matyti, kad Visatoje negali būti per daug barioninės materijos – kitaip tektų prieštarauti matomiems helio ar deuterio kiekiams. Trumpai tariant, BBN rodo, kad įprastinė materija sudaro apie 5% Visatos energijos ir materijos balanso.
4.2 Kosminės foninės mikrobangės spinduliuotės matavimai
Aukštos raiškos duomenys, gauti iš palydovų, tokių kaip COBE, WMAP ir Planck, leido kosmologams nepaprastai tiksliai nustatyti CMB temperatūros fluktuacijas. Šių fluktuacijų pobūdis, ypač jų kampinis galios spektras, suteikia galimybę įvertinti įvairių komponentų (tamsiosios materijos, tamsiosios energijos ir barioninės materijos) tankį. Šie matavimai labai gerai sutampa su kosmologiniu modeliu, kuriame tamsioji materija yra atskiras, ne barioninis komponentas. Jei gravitacijos poveikis, kurį šiuo metu priskiriame tamsiajai materijai, būtų tik bendra regimosios materijos trauka, CMB galios spektras atrodytų visiškai kitaip.
5. Ar yra kitoks būdas sakyti, kad tamsioji materija tėra „gravitacija“?
Mintis „kas, jei tamsioji materija iš tikrųjų tėra gravitacijos dėsnių netobulumas?“ paskatino įvairias modifikuotos gravitacijos teorijas. Jos siūlo taisyti Einšteino Bendrąją reliatyvumo teoriją ar Niutono dinamiką galaktiniu ir stambesniu mastu, kartais pasiūlydamos gana sudėtingą matematinį pagrindą. Tokios teorijos mėgina be papildomų, nematomų dalelių paaiškinti galaktikų sukimosi kreives bei spiečių lęšiavimą.
Pagrindiniai iššūkiai modifikuotos gravitacijos teorijoms:
- Priderinimas: Reikia koreguoti gravitaciją galaktikų mastu, bet tuo pat metu išlikti suderintiems su Saulės sistemos stebėjimais ir bendrąja reliatyvumo teorija, kurią daugybė eksperimentų jau patvirtino itin tiksliai.
- Struktūros formavimasis: Teorijos turi paaiškinti ne tik galaktikų sukimosi kreives, bet ir Visatos struktūrų formavimąsi nuo ankstyvųjų laikų iki šių dienų, atitinkant stebėjimus įvairiais laikmečiais.
- Reliatyvistiniai efektai: Keičiant gravitacijos dėsnį, būtina neprieštarauti reiškiniams, tokiems kaip gravitacinis lęšiavimas, ar Bullet Cluster duomenims.
Nors „Lambda Šaltoji Tamsioji Materija“ (angl. ΛCDM) – dabartinis standartinis kosmologijos modelis, kuriame egzistuoja ir tamsioji materija, ir tamsioji energija (Λ), turi tam tikrų trūkumų, kol kas nė viena modifikuotos gravitacijos teorija nepavyko taip sėkmingai paaiškinti visų stebėjimų, kaip ΛCDM.
6. Išvada
Idėja, kad tamsioji materija galėtų būti tiesiog visa Visatos materijos tarpusavio gravitacinė trauka – įdomi. Ji sutampa su siekiu ieškoti paprastesnio paaiškinimo, nereikalaujančio naujos, nematomos materijos koncepcijos. Iš esmės tai rezonuoja su senąja mokslo ir filosofijos nuostata, kad Occamo skustuvu derėtų atsikratyti bereikalingų hipotezių.
Tačiau dešimtmečiai astronominių ir kosmologinių stebėjimų rodo, kad vien bendras žinomos materijos kiekis nepaaiškina „trūkstamos masės“ problemos. Galaktikų sukimosi kreivės, gravitacinio lęšiavimo duomenys, stambiosios struktūros formavimosi tempai, kosminės foninės mikrobangės spinduliuotės matavimai ir Didžiojo sprogimo nukleosintezės apribojimai – visi jie leidžia manyti, kad egzistuoja materijos tipas, esantis be ir papildomai prie mums įprastos materijos. Dar daugiau, Bullet Cluster ir panašūs stebėjimai rodo, kad nematoma masė elgiasi kitaip nei įprasta materija (pavyzdžiui, menkai dalyvaudama kitose, ne gravitacinėse sąveikose).
Visgi kosmologija yra nuolat besivystanti mokslinė sritis. Nauji stebėjimai – nuo gravitacinių bangų iki tikslesnių galaktikų pasiskirstymo žemėlapių ir dar geresnės CMB analizės – nuolat tobulina mūsų supratimą. Kol kas daugiausia stebėjimų duomenų rodo, kad tamsioji materija išties egzistuoja kaip atskira, nebarioninė materijos rūšis. Tačiau atviras mąstymas ir atidumas netikėtiems duomenims išlieka labai svarbūs – juk mokslas žengia pirmyn, kai hipotezės tikrinamos ir keičiamos, kai jos neatitinka naujų faktų.
Šiuo metu stebėjimai labiausiai palaiko idėją, jog tamsioji materija yra tikras, fizinis komponentas. Vis dėlto klausti „o gal vis dėlto egzistuoja alternatyva?“ – tai palaikyti mokslinio smalsumo dvasią, kuri ypač reikalinga siekiant suprasti Visatos paslaptis.
Tolimesnis skaitymas
- Dark Matter in the Universe – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- The Bullet Cluster as Evidence Against Modified Gravity – daugelio autorių stebėjimų publikacijos, pvz., Clowe ir kt.
- Testing MOND Predictions – įvairūs galaktikų sukimosi kreivių tyrimai (pavyzdžiui, Stacy McGaugh ir bendraautorių darbai).
- Observations of the Cosmological Parameters – Planck, WMAP, COBE misijų duomenys.