Hvad hvis mørkt stof blot er universets gensidige gravitationelle tiltrækning?
En grundig undersøgelse af denne fascinerende tanke
Mørkt stof er en af de største mysterier i moderne kosmologi og astrofysik. Observationer, der omfatter galaksers rotationskurver, gravitationel linseeffekt og dannelsen af store strukturer, viser, at der findes en form for stof i universet, som ikke interagerer med lys – derfor kaldet "mørkt". Ifølge Newtons og Einsteins tyngdekraftsbegreber udgør det synlige, "almindelige" stof (protoner, neutroner, elektroner) kun omkring 5% af universets samlede energi- og stofbalance, mens mørkt stof udgør cirka 27% (resten er mørk energi).
Men hvad hvis denne manglende masse slet ikke findes? Måske er det bare et resultat af universets egen gensidige tiltrækning: små tyngdebidrag fra alle stjerner, planeter og gaspartikler, som tilsammen skaber fænomener, vi forklarer som "mørkt stof". Det er en fascinerende tanke: kunne vi opgive begrebet mørkt stof som en separat komponent og forklare alt ud fra den fælles tyngdekraft fra det synlige stof i stor skala?
I denne artikel vil vi grundigt undersøge denne idé – vi vil gennemgå beviserne for mørkt stofs eksistens, de videnskabelige forsøg på at forklare fænomenet og hvorfor tanken "det er bare tyngdekraften fra alt, hvad der eksisterer" både er tiltalende og desværre utilstrækkelig, når man ser på detaljerede observationsdata.
1. Beviser for mørkt stofs eksistens
1.1 Galaksers rotationskurver
Et af de første klare beviser for mørkt stofs eksistens er målinger af stjernernes banehastigheder i galaksers yderområder. Ifølge Newtons mekanik burde stjernernes banehastighed falde med afstanden fra centrum i galaksens yderkanter – på samme måde som planeterne i vores solsystem bevæger sig langsommere, jo længere de er fra solen.
Astronomer har dog observeret, at stjernerne i de fjerneste områder af spiralgalakser bevæger sig meget hurtigere, end almindelige beregninger ville forudsige. Dette fænomen, kaldet "flade rotationskurver", indikerer, at der findes meget mere masse, end vi kan bestemme ud fra elektromagnetisk stråling (lys i forskellige bølgelængder). Hvis galaksen kun bestod af synligt stof (stjerner, gas, støv), burde de fjerneste stjerners baner være langsommere. Den enkleste forklaring er derfor, at der findes et ekstra lag af usynlig masse, nemlig mørkt stof.
1.2 Gravitationslinser
Gravitationslinser er massive objekters evne til at bøje lys, som beskrevet i Einsteins generelle relativitetsteori. Når man observerer galaksehobe, ses det, at deres effekt på billedet af fjernere galakser (linsering) er meget stærkere, end hvad der kan forklares med den synlige materie alene. For at forklare denne effekt kræves ekstra masse – hvilket igen peger på mørk materie.
Et kendt eksempel er det såkaldte Bullet Cluster-kollision, hvor to galaksehobe passerede igennem hinanden. De varme gasser (synlige i røntgenstråler) blev bremset af interaktioner, mens den stærkeste gravitationelle påvirkning bevægede sig videre. Dette tyder på, at en del af massen næsten ikke interagerer elektromagnetisk (dvs. de kolliderer ikke som almindelige gasser), men har en betydelig gravitationel effekt.
1.3 Kosmologiske observationer og strukturudvikling
Når man ser på den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling (engelsk Cosmic Microwave Background, CMB) – "eftergløden" fra Big Bang – observerer forskere tæthedsforskelle. Det er netop disse uregelmæssigheder, der med tiden voksede til de galakser og klynger, vi ser i dag. Computersimuleringer af universets strukturudvikling viser, at uden mørk materie ville udviklingen af sådanne tæthedsspor til nutidens størrelser være ekstremt svær eller umulig at forklare. Uden mørk materie ville dannelsen af en meget ujævn materiestruktur (galakser, galaksehobe) fra det næsten ensartede tidlige univers være alt for langsom.
2. Foreslået idé: den fælles tiltrækning af al materie
Tanken "måske er mørk materie blot den gensidige gravitation mellem alt, hvad der eksisterer" virker ved første øjekast tiltalende. Gravitation virker trods alt over ubegrænsede afstande; uanset hvor fjernt to objekter i universet er, tiltrækker de stadig hinanden. Hvis vi forestiller os et utal af stjerner og galakser, kunne deres samlede tiltrækningskraft måske forklare den ekstra masse.
2.1 Intuitiv tiltrækningskraft
1. En samlet forklaring på gravitation: Det virker delvist som en forenende idé. I stedet for at introducere en ny type materie kunne vi hævde, at vi blot observerer den kollektive effekt af den materie, vi kender.
2. Enkelhed: Mange finder det tiltalende at tro, at der kun eksisterer barionisk (almindelig) materie og intet andet. Måske har vi hidtil blot undervurderet den samlede gravitation af al denne materie, især i store skalaer.
Men denne hypotese støder på alvorlige udfordringer, når den anvendes på præcise observationsdata og velafprøvede fysikteorier. Lad os se, hvor problemerne opstår.
3. Hvorfor den kendte materies indbyrdes gravitation ikke er tilstrækkelig
3.1 Almindelig versus modificeret gravitation
Forsøg på at forklare kosmiske fænomener uden mørk materie falder ofte inden for området modificerede gravitationsteorier. I stedet for at indføre en ny form for materie foreslås det at justere gravitationslovene på universets skala. Et af de mest kendte eksempler er MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND hævder, at i områder med meget lave accelerationer (f.eks. i galaksers yderkanter) fungerer gravitation anderledes, end Newton eller Einstein forudsiger.
Hvis den samlede gravitation af al materie i universet var den kraft, vi fejlagtigt kalder mørk materie, skulle den i det væsentlige fungere som en form for modificeret gravitation. Tilhængere af MOND og lignende teorier forsøger at forklare galaksers rotationskurver og andre fænomener. Dog passer MOND, selvom det kan forklare nogle observationer (f.eks. galaksers rotationskurver), dårligt med andre fakta (f.eks. Bullet Clusters gravitationslinseeffekter).
Derfor skal enhver teori, der hævder, at "mørk materie" skyldes udelukkende den almindelige materies gravitation, kunne forklare ikke blot galaksers rotationskurver, men også linseeffekter, kollisioner mellem hobe og dannelsen af store strukturer. Indtil videre har ingen alternativ teori fuldstændigt erstattet hypotesen om mørk materie, så den stemmer overens med alle observationer.
3.2 Den inverse kvadratloven og kosmiske skalaer
Gravitationskraften aftager med kvadratet af afstanden (ifølge Newtons universelle gravitationslov). På kosmiske skalaer findes der en reel, omend svag, tiltrækning mellem fjerne galakser, hobe og filamenter, men denne kraft falder hurtigt med afstanden. Observationsdata viser, at den synlige (barioniske) materie ikke er tilstrækkelig og ikke fordelt på en måde, der kan skabe de gravitationelle effekter, der tilskrives mørk materie.
Hvis vi forsøgte at lægge al den synlige materie i universet sammen og beregne dens gravitationelle effekt på forskellige kosmiske skalaer, ville det vise sig, at vi stadig ikke kan genskabe de faktiske rotationskurver for galakser, linseeffekter eller hastigheden af strukturformation. Kort sagt, i et univers bestående kun af barionisk materie ville gravitationskraften være for svag til at forklare de observerede effekter.
3.3 Bullet Cluster og fordelingen af "forsvundet" masse
Bullet Cluster er et særligt tydeligt eksempel. Når to galaksehobe kolliderer, bliver den almindelige materie (primært varm gas) bremset på grund af interaktion, mens den anden – næsten ikke-interagerende – del af massen (formodentlig mørk materie) med succes passerer gennem kollisionen uden at blive bremset. Data fra gravitationslinseeffekter viser, at størstedelen af massen "trækkes væk" længere væk, efterladende den lysende gas.
Hvis den manglende masse blot blev forklaret som alt stof i Universet, ville man forvente, at massefordelingen mere præcist svarede til det synlige stof (forsinket gas). Men det observerede gab mellem synlig gas og gravitationelt aktiv masse viser, at der findes yderligere stof, som ikke interagerer elektromagnetisk – mørkt stof.
4. "Tyngdekraften fra alt stof" og kosmologi
4.1 Begrænsninger for Big Bang nukleosyntese
I det tidlige Univers blev de letteste kemiske grundstoffer dannet – hydrogen, helium og lidt lithium. Denne proces kaldes Big Bang nukleosyntese (engelsk Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Mængden af lette grundstoffer afhænger følsomt af den samlede tæthed af barionisk (almindeligt) stof. Ved at observere den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling og undersøge forholdet mellem disse grundstoffer ses det, at der ikke kan være for meget barionisk stof i Universet – ellers ville det stride mod de observerede mængder af helium eller deuterium. Kort sagt viser BBN, at almindeligt stof udgør omkring 5% af Universets energi- og stofbalance.
4.2 Målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling
Højopløsningsdata fra satellitter som COBE, WMAP og Planck har gjort det muligt for kosmologer at bestemme CMB-temperaturfluktuationer med ekstrem præcision. Karakteren af disse fluktuationer, især deres vinkelfrekvensspektrum, giver mulighed for at estimere tætheden af forskellige komponenter (mørkt stof, mørk energi og barionisk stof). Disse målinger stemmer meget godt overens med den kosmologiske model, hvor mørkt stof er en separat, ikke-barionisk komponent. Hvis tyngdekraftseffekten, som vi i øjeblikket tilskriver mørkt stof, blot var den samlede tiltrækning fra synligt stof, ville CMB's effekt-spektrum se helt anderledes ud.
5. Er der en anden måde at sige, at mørkt stof blot er "tyngdekraft"?
Tanken "hvad hvis mørkt stof faktisk blot er en ufuldkommenhed i tyngdelovene?" har ført til forskellige modificerede tyngdekraftsteorier. De foreslår at rette Einsteins generelle relativitetsteori eller Newtons dynamik på galaktisk og større skala, nogle gange med en ret kompleks matematisk basis. Sådanne teorier forsøger at forklare galaksers rotationskurver og klynge-linsering uden ekstra, usynlige partikler.
Hovedudfordringer for modificerede tyngdekraftsteorier:
- Tilpasning: Det er nødvendigt at justere tyngdekraften på galaksskala, men samtidig forblive i overensstemmelse med observationer i solsystemet og den generelle relativitetsteori, som mange eksperimenter allerede har bekræftet med stor nøjagtighed.
- Strukturdannelse: Teorier skal forklare ikke kun galaksers rotationskurver, men også dannelsen af Universets strukturer fra de tidlige tider til i dag, i overensstemmelse med observationer på forskellige tidspunkter.
- Relativistiske effekter: Ved ændring af gravitationsloven er det nødvendigt ikke at modsige fænomener som gravitationslinser eller data fra Bullet Cluster.
Selvom "Lambda Kold Mørkt Stof" (engelsk ΛCDM) – den nuværende standardmodel for kosmologi, som inkluderer både mørkt stof og mørk energi (Λ) – har visse mangler, har ingen modificeret gravitationsteori indtil videre formået at forklare alle observationer lige så succesfuldt som ΛCDM.
6. Konklusion
Ideen om, at mørkt stof blot kunne være hele universets materies gensidige gravitationelle tiltrækning – er interessant. Den stemmer overens med ønsket om at finde en enklere forklaring, som ikke kræver en ny, usynlig stofkoncept. Grundlæggende resonerer det med den gamle videnskabelige og filosofiske holdning, at Occams barberkniv bør bruges til at skære unødvendige hypoteser væk.
Men årtier af astronomiske og kosmologiske observationer viser, at den samlede mængde kendt stof alene ikke forklarer problemet med "manglende masse". Galaksers rotationskurver, data om gravitationslinser, hastigheden for dannelse af store strukturer, målinger af den kosmiske mikrobølgebaggrund og begrænsninger fra Big Bang-nukleosyntese – alle peger på, at der findes en type stof, som er udenfor og udover det stof, vi kender til. Endnu mere, Bullet Cluster og lignende observationer viser, at den usynlige masse opfører sig anderledes end almindeligt stof (for eksempel deltager den kun svagt i andre, ikke-gravitationelle interaktioner).
Kosmologi er dog et konstant udviklende videnskabeligt felt. Nye observationer – fra gravitationsbølger til mere præcise kort over galaksers fordeling og endnu bedre CMB-analyse – forbedrer løbende vores forståelse. Indtil videre viser de fleste observationsdata, at mørkt stof virkelig eksisterer som en separat, ikke-barionisk form for stof. Men åbenhed og opmærksomhed over for uventede data forbliver meget vigtige – videnskaben skrider frem, når hypoteser testes og ændres, hvis de ikke stemmer overens med nye fakta.
I øjeblikket understøtter observationerne mest ideen om, at mørkt stof er en ægte, fysisk komponent. Dog at spørge "men findes der måske alligevel et alternativ?" er at bevare ånden af videnskabelig nysgerrighed, som er særligt nødvendig for at forstå universets mysterier.
Yderligere læsning
- Mørkt stof i universet – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- The Bullet Cluster som bevis mod modificeret gravitation – publikationer med observationer fra mange forfattere, fx Clowe m.fl.
- Test af MOND-forudsigelser – forskellige undersøgelser af galaksers rotationskurver (for eksempel arbejde af Stacy McGaugh og medforfattere).
- Observationer af de kosmologiske parametre – data fra Planck, WMAP, COBE-missionerne.