Je li tamna materija samo gravitacija svemira prema samom sebi?
Linas JuozėnasPodijeli
Šta ako je tamna materija samo međusobna gravitacijska privlačnost čitave Vasione?
Detaljno istraživanje intrigantne misli
Tamna materija jedna je od najvećih misterija savremene kosmologije i astrofizike. Posmatranja koja obuhvataju krivulje rotacije galaksija, gravitacijsko sočivo i formiranje struktura velikih razmjera pokazuju da u Vasioni postoji oblik materije koji ne stupa u interakciju sa svjetlošću - zbog čega je i nazvan „tamnom“. Prema Newtonovom i Einsteinovom shvatanju gravitacije, vidljiva, „uobičajena“ materija (protoni, neutroni, elektroni) čini samo oko 5% ukupnog bilansa energije i materije u Vasioni, dok tamna materija čini oko 27% (preostali dio čini tamna energija).
Ali šta ako ta nedostajuća masa uopće ne postoji? Možda je to samo efekt međusobne gravitacijske privlačnosti same Vasione: mali doprinosi gravitacije svih zvijezda, planeta i čestica gasa, koji zajedno stvaraju pojave što ih objašnjavamo kao „tamnu materiju“. To je intrigantna misao: bismo li se mogli odreći pojma tamne materije kao zasebne komponente i sve objasniti samo zajedničkim djelovanjem gravitacije vidljive materije na ogromnim razmjerama?
U ovom članku detaljno ćemo istražiti ovu ideju - razmotrit ćemo dokaze o postojanju tamne materije, naučne pokušaje da se ova pojava objasni i zašto je misao „to je samo gravitacija svega što postoji“ istovremeno privlačna i, nažalost, nedovoljna kada se razmotre detaljni podaci posmatranja.
1. Dokazi o postojanju tamne materije
1.1 Krivulje rotacije galaksija
Jedan od prvih jasnih dokaza postojanja tamne materije jesu mjerenja brzine orbitalnog kretanja zvijezda na rubovima galaksija. Prema Newtonovoj mehanici, brzina orbitalnog kretanja zvijezda na rubovima galaksije trebala bi se smanjivati s povećanjem udaljenosti od centra - slično kao što se brzina planeta u našem Sunčevom sistemu smanjuje s udaljavanjem od Sunca.
Ipak, astronomi su primijetili da se zvijezde u spiralnim galaksijama u najudaljenijim područjima kreću mnogo brže nego što bi predviđali uobičajeni proračuni. Ova pojava, nazvana „ravnim krivuljama rotacije“, pokazuje da postoji mnogo više mase nego što možemo utvrditi iz elektromagnetnog zračenja (svjetlosti različitih valnih dužina). Kada bi u galaksiji postojala samo vidljiva materija (zvijezde, gas, prašina), orbite udaljenih zvijezda trebale bi biti sporije. Stoga je najjednostavnije objašnjenje - postoji dodatni sloj nevidljive mase, tj. tamna materija.
1.2 Gravitacijsko sočivo
Gravitacijsko sočivo je sposobnost masivnih objekata da savijaju svjetlost, kako je opisano u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti. Posmatranjem galaktičkih jata vidi se da je njihov utjecaj na sliku udaljenijih galaksija (gravitacijsko sočivo) znatno jači nego što se može objasniti samo vidljivom materijom. Da bi se ovaj efekt objasnio, potrebna je dodatna masa - ponovo se ukazuje na tamnu materiju.
Poznat primjer toga je takozvani sudar Bullet Cluster, u kojem su dva jata galaksija prošla jedno kroz drugo. Vrući gasovi (vidljivi u rendgenskom području) usporeni su zbog međudjelovanja, dok se najjači gravitacioni uticaj pomjerio dalje. To sugeriše da dio mase gotovo uopšte ne stupa u elektromagnetičku interakciju (tj. ne sudara se međusobno poput uobičajenih gasova), ali ima značajan gravitacioni uticaj.
1.3 Kosmološka posmatranja i formiranje strukture
Posmatrajući kosmičko mikrotalasno pozadinsko zračenje (engl. Cosmic Microwave Background, CMB) - „odjek“ Velikog praska - naučnici uočavaju nejednakosti u gustini. Upravo su te nejednakosti vremenom prerasle u galaksije i jata koja danas vidimo. Kompjuterske simulacije formiranja strukture svemira pokazuju da bi bez tamne materije razvoj takvih „sjemenki“ gustine do današnjih razmjera bilo izuzetno teško objasniti ili čak nemoguće. Bez tamne materije, formiranje veoma neujednačenih struktura materije (galaksija i jata galaksija) iz gotovo homogenog ranog svemira bilo bi presporo.
2. Predložena ideja: ukupna privlačnost sve materije
Pomисао „a šta ako je tamna materija samo međusobna gravitaciona privlačnost svega što postoji“ na prvi pogled djeluje privlačno. Na kraju krajeva, gravitacija djeluje na neograničenim udaljenostima; koliko god da su bilo koja dva objekta u svemiru udaljena, oni se i dalje međusobno privlače. Ako zamislimo nebrojenu količinu zvijezda i galaksija, možda bi njihov ukupni privlačni uticaj mogao objasniti tu dodatnu masu.
2.1 Intuitivna privlačnost
1. Jedinstveno objašnjenje gravitacije: Djelimično, ovo izgleda kao objedinjujuća ideja. Umjesto uvođenja nove vrste materije, mogli bismo tvrditi da posmatramo samo kolektivni uticaj materije koja nam je poznata.
2. Jednostavnost: Mnogima je privlačno vjerovati da postoji samo barionska (uobičajena) materija i ništa više. Možda dosad jednostavno nismo uzeli u obzir cjelokupnu gravitaciju sve te materije, naročito na velikim razmjerama.
Međutim, ova hipoteza suočava se s ozbiljnim izazovima kada se primijeni na precizne podatke posmatranja i dobro provjerene fizičke teorije. Pogledajmo gdje problemi postaju očigledni.
3. Zašto međusobna gravitacija samo poznate materije nije dovoljna
3.1 Uobičajena naspram modifikovane gravitacije
Pokušaji objašnjenja kosmičkih pojava bez tamne materije često spadaju u područje teorija „modifikovane gravitacije“. Umjesto uvođenja nove vrste materije, predlaže se prilagođavanje zakona gravitacije na nivou svemira. Jedan od najpoznatijih primjera je MOND (engl. Modified Newtonian Dynamics). MOND tvrdi da u područjima veoma malih ubrzanja (na primjer, na rubovima galaksija) gravitacija djeluje drugačije nego što predviđaju Newton ili Einstein.
Ako bi opća gravitacija sve materije Univerzuma bila sila koju pogrešno nazivamo tamnom materijom, ona bi u suštini morala djelovati kao neka verzija modificirane gravitacije. Zagovornici MOND-a i sličnih teorija nastoje objasniti krive rotacije galaksija i druge pojave. Ipak, MOND, iako može odgovarati nekim posmatranjima (naprimjer, krivama rotacije galaksija), teško se usklađuje s drugim činjenicama (naprimjer, podacima o gravitacijskom sočivanju Bullet Cluster-a).
Stoga bi svaka teorija koja tvrdi da „tamnu materiju“ uzrokuje isključivo opća gravitacija obične materije morala uspješno objasniti ne samo krive rotacije galaksija nego i sočivanje, sudare galaktičkih jata te formiranje velikih struktura. Za sada nijedna alternativna teorija nije u potpunosti zamijenila hipotezu tamne materije na način koji bi bio u skladu sa svim posmatranjima.
3.2 Zakon obrnutog kvadrata i kosmičke razmjere
Gravitacijska sila slabi s kvadratom udaljenosti (prema Newtonovom zakonu univerzalne gravitacije). Na kosmičkim razmjerama postoji stvarno, iako slabo, privlačenje udaljenih galaksija, jata i filamenata, ali ta sila prilično brzo opada s udaljenošću. Podaci posmatranja pokazuju da sama vidljiva (barionska) materija nije dovoljna i da nije raspoređena na način koji bi stvarao gravitacijske efekte pripisane tamnoj materiji.
Ako bismo sabrali svu vidljivu materiju Univerzuma i izračunali njen gravitacijski uticaj na različitim kosmičkim razmjerama, pokazalo bi se da i dalje ne možemo reproducirati stvarne krive rotacije galaksija, efekte sočivanja ili brzinu formiranja struktura. Jednostavno rečeno, u Univerzumu koji bi sadržavao samo barionsku materiju, gravitacijska sila bila bi preslaba da objasni uočeni efekat.
3.3 Bullet Cluster i raspodjela „nestale“ mase
Bullet Cluster je naročito upečatljiv primjer. Kada su se sudarila dva galaktička jata, obična materija (uglavnom vreli gas) usporila je zbog interakcije, dok je drugi, gotovo međusobno nesuprotstavljajući dio mase (za koji se smatra da je tamna materija) uspješno prošao kroz sudar bez usporavanja. Podaci o gravitacijskom sočivanju pokazuju da je većina mase „otišla“ dalje, ostavljajući za sobom sjajni gas.
Ako bismo nedostajuću masu objašnjavali jednostavno cjelokupnom materijom Univerzuma, trebalo bi očekivati da se raspodjela mase više podudara s vidljivom materijom (usporenom djelovanjem gasa). Međutim, uočeni jaz između vidljivog gasa i gravitacijski aktivne mase pokazuje da postoji dodatna materija koja ne stupa u elektromagnetnu interakciju - tamna materija.
4. „Gravitacija sve materije“ i kosmologija
4.1 Ograničenja nukleosinteze Velikog praska
U ranom Svemiru formirali su se najlakši hemijski elementi – vodik, helij i nešto litija. Taj proces naziva se nukleosinteza Velikog praska (engleski Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Obilje lakih elemenata osjetljivo zavisi od gustoće ukupne barionske (uobičajene) materije. Posmatranje kosmičkog pozadinskog mikrovalnog zračenja i analiza omjera ovih elemenata pokazuju da u Svemiru ne može biti previše barionske materije – u suprotnom bi to bilo u suprotnosti s uočenim količinama helija ili deuterija. Ukratko, BBN pokazuje da uobičajena materija čini oko 5% energetsko-materijalnog bilansa Svemira.
4.2 Mjerenja kosmičkog pozadinskog mikrovalnog zračenja
Podaci visoke rezolucije, dobijeni sa satelita kao što su COBE, WMAP i Planck, omogućili su kosmolozima da s izuzetnom preciznošću odrede temperaturne fluktuacije CMB-a. Karakter tih fluktuacija, posebno njihov ugaoni spektar snage, omogućava procjenu gustoće različitih komponenti (tamne materije, tamne energije i barionske materije). Ova mjerenja veoma se dobro podudaraju s kosmološkim modelom u kojem je tamna materija zasebna, nebarionska komponenta. Kada bi gravitacioni utjecaj koji trenutno pripisujemo tamnoj materiji bio samo ukupna privlačnost vidljive materije, spektar snage CMB-a izgledao bi potpuno drugačije.
5. Postoji li drugačiji način da se kaže da je tamna materija samo „gravitacija“?
Ideja „šta ako je tamna materija zapravo samo nesavršenost zakona gravitacije?“ potaknula je različite teorije modificirane gravitacije. One predlažu izmjenu Einsteinove opće teorije relativnosti ili Newtonove dinamike na galaktičkim i većim skalama, ponekad nudeći prilično složenu matematičku osnovu. Takve teorije pokušavaju bez dodatnih, nevidljivih čestica objasniti krive rotacije galaksija i gravitaciono sočivo jata galaksija.
Glavni izazovi za teorije modificirane gravitacije:
- Usklađivanje: Potrebno je prilagoditi gravitaciju na skali galaksija, ali istovremeno ostati u skladu s posmatranjima Sunčevog sistema i općom teorijom relativnosti, koju su brojni eksperimenti već potvrdili s izuzetnom preciznošću.
- Formiranje struktura: Teorije moraju objasniti ne samo krive rotacije galaksija već i formiranje struktura u Svemiru od ranih vremena do danas, u skladu s posmatranjima iz različitih epoha.
- Relativistički efekti: Pri mijenjanju zakona gravitacije neophodno je da teorija bude u skladu s pojavama kao što su gravitaciono sočivo ili podaci o Bullet Clusteru.
Iako „Lambda hladna tamna materija“ (engl. ΛCDM) – trenutni standardni kosmološki model, u kojem postoje i tamna materija i tamna energija (Λ), ima određene nedostatke, dosad nijedna teorija modificirane gravitacije nije uspjela tako uspješno objasniti sva posmatranja kao ΛCDM.
6. Zaključak
Ideja da bi tamna materija mogla biti jednostavno uzajamna gravitaciona privlačnost sve materije u Svemiru – zanimljiva je. Ona se podudara s nastojanjem da se pronađe jednostavnije objašnjenje koje ne zahtijeva koncept nove, nevidljive materije. U suštini, to odražava staro naučno i filozofsko stanovište da se pomoću Okamove britve treba riješiti nepotrebnih hipoteza.
Ipak, decenije astronomskih i kosmoloških posmatranja pokazuju da sama ukupna količina poznate materije ne objašnjava problem „nedostajuće mase“. Krivulje rotacije galaksija, podaci o gravitacionom sočivu, stope formiranja velikih struktura, mjerenja kosmičkog pozadinskog mikrovalnog zračenja i ograničenja nukleosinteze Velikog praska – svi oni ukazuju na to da postoji vrsta materije koja je izvan i dodatna u odnosu na materiju koja nam je uobičajena. Štaviše, jato Bullet i slična posmatranja pokazuju da se nevidljiva masa ponaša drugačije od uobičajene materije (naprimjer, slabo učestvujući u drugim, negravitacionim interakcijama).
Ipak, kosmologija je naučna oblast koja se stalno razvija. Nova posmatranja – od gravitacionih talasa do preciznijih mapa raspodjele galaksija i još bolje analize CMB-a – neprestano unapređuju naše razumijevanje. Za sada većina posmatračkih podataka ukazuje na to da tamna materija zaista postoji kao zasebna, nebarionska vrsta materije. Međutim, otvorenost uma i pažnja prema neočekivanim podacima i dalje su veoma važni – nauka napreduje kada se hipoteze provjeravaju i mijenjaju kada nisu u skladu s novim činjenicama.
Trenutno posmatranja najviše podržavaju ideju da je tamna materija stvarna, fizička komponenta. Ipak, pitati se „a šta ako ipak postoji alternativa?“ znači njegovati duh naučne radoznalosti, koji je posebno potreban u nastojanju da se razumiju tajne Svemira.
Daljnje čitanje
- Tamna materija u Svemiru – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Jato Bullet kao dokaz protiv modificirane gravitacije – publikacije o posmatranjima brojnih autora, npr. Clowea i dr.
- Testiranje predviđanja MOND-a – različita istraživanja krivulja rotacije galaksija (naprimjer, radovi Stacyja McGaugha i saradnika).
- Zapažanja kosmoloških parametara – podaci misija Planck, WMAP, COBE.