Mis siis, kui tumeaine on lihtsalt kogu Universumi vastastikune gravitatsiooniline tõmme?
Intrigeeriva mõtte põhjalik uurimine
Tumeaine on üks kaasaegse kosmoloogia ja astrofüüsika suurimaid mõistatusi. Vaatlused, mis hõlmavad galaktikate pöörlemiskõveraid, gravitatsioonilist läätsendust ja suure struktuuri kujunemist, näitavad, et Universumis eksisteerib aine vorm, mis ei suhtle valgusega – seetõttu nimetatakse seda "tumeaineks". Newtoni ja Einsteini gravitatsioonikontseptsiooni põhjal moodustab nähtav, "tavaline" aine (prootonid, neutronid, elektronid) vaid umbes 5% kogu Universumi energia ja aine tasakaalust, tumeaine aga umbes 27% (ülejäänud osa moodustab tumeenergia).
Aga mis siis, kui seda puuduvat massi üldse ei ole? Võib-olla on see lihtsalt kogu Universumi vastastikuse tõmbe efekt: kõigi tähtede, planeetide ja gaasiosakeste gravitatsioonilised panused, mis kokkuvõttes loovad nähtused, mida me seletame kui "tumeainet". See on intrigeeriv mõte: kas me võiksime loobuda tumeaine mõistest eraldi komponendina ja seletada kõik ainult nähtava aine gravitatsioonimõjuga suurtel skaaladel?
Selles artiklis uurime seda ideed põhjalikult – vaatleme tumeaine olemasolu tõendeid, teaduslikke katseid selle nähtuse seletamiseks ning miks mõte "see on lihtsalt gravitatsioon kõigest, mis eksisteerib" on nii ahvatlev kui ka kahjuks ebapiisav, kui vaadata üksikasjalikke vaatlusandmeid.
1. Tumeaine olemasolu tõendid
1.1 Galaktikate pöörlemiskõverad
Üks esimesi selgeid tõendeid tumeaine olemasolu kohta on galaktikate servade tähtede orbiidikiiruste mõõtmised. Newtoni mehaanika järgi peaks tähtede orbiidikiirus galaktika servas vähenema kauguse suurenedes keskpunktist – sarnaselt sellele, kuidas planeetide kiirus meie Päikesesüsteemis väheneb Päikesest kaugemale liikudes.
Siiski on astronoomid märganud, et spiraalgalaktikates kaugetes piirkondades olevad tähed liiguvad palju kiiremini, kui tavapärased arvutused ennustaksid. Seda nähtust, mida nimetatakse "lame pöörlemiskõveraks", näitab, et eksisteerib palju rohkem massi, kui suudame määrata elektromagnetkiirguse (valguse erinevates lainepikkustes) põhjal. Kui galaktikas eksisteeriks ainult nähtav aine (tähed, gaasid, tolm), peaksid kaugete tähtede orbiidid olema aeglasemad. Seega on lihtsaim seletus see, et on olemas täiendav nähtamatu massikiht, st tumeaine.
1.2 Gravitatsiooniline läätsendus
Gravitatsiooniline läätsendus on massiivsete objektide võime valgust kõverdada, nagu kirjeldab Einsteini üldrelatiivsusteooria. Galaktikaparvede vaatlemisel on näha, et nende mõju kaugemate galaktikate kujutisele (läätsendus) on palju tugevam, kui saab seletada ainult nähtava ainega. Selle efekti seletamiseks on vaja lisamassi – mis viitab taas tumedale ainele.
Kuulus näide on nn Bullet Clusteri kokkupõrge, kus kaks galaktikaparve möödusid üksteisest. Kuumad gaasid (nähtavad röntgenkiirguse spektris) aeglustusid vastastikmõjude tõttu, kuid tugevam gravitatsiooniline mõju liikus edasi. See viitab sellele, et osa massist praktiliselt ei suhtle elektromagnetiliselt (st ei takerdu üksteise külge nagu tavalised gaasid), kuid avaldab märkimisväärset gravitatsioonilist mõju.
1.3 Kosmoloogilised vaatlused ja struktuuri kujunemine
Vaadates kosmilist mikrolaine taustkiirgust (ingl Cosmic Microwave Background, CMB) – Suure Paugu „kaja“, jälgivad teadlased tiheduse ebaühtlusi. Just need ebaühtlused kasvasid aja jooksul galaktikateks ja parvedeks, mida me täna näeme. Arvutisimulatsioonid universumi struktuuri kujunemisest näitavad, et ilma tumeda aineta oleks selliste tiheduse „seemnete“ areng praegustesse mõõtmetesse äärmiselt raske või isegi võimatu seletada. Ilma tumeda aineta oleks peaaegu ühtlasest varajasest universumist väga ebaühtlase aine struktuuri (galaktikad, galaktikaparved) kujunemine liiga aeglane.
2. Pakutud idee: kogu aine ühine tõmme
Mõte „võib-olla on tumeaine lihtsalt kogu olemasoleva aine omavaheline gravitatsiooniline tõmme“ tundub esmapilgul ahvatlev. Lõppude lõpuks toimib gravitatsioon lõpmatutes kaugustes; ükskõik kui kaugel kaks objekti universumis on, nad tõmbuvad ikka üksteise poole. Kui kujutada ette lugematut hulka tähti ja galaktikaid, võiks nende ühine tõmbejõud seletada seda lisamassi.
2.1 Intuitiivne ahvatlus
1. Ühtne gravitatsiooni seletus: See tundub osaliselt ühendav idee. Uue aine tüübi asemel võiksime väita, et vaatleme ainult meile tuntud aine kollektiivset mõju.
2. Lihtsus: Paljudele tundub ahvatlev uskuda, et eksisteerib ainult baryoniline (tavaline) aine ja midagi muud pole. Võib-olla pole me seni hinnanud kogu selle aine üldist gravitatsiooni, eriti suurtes mõõtkavades.
Kuid see hüpotees seisab silmitsi tõsiste väljakutsetega, kui seda rakendada täpsetele vaatlusandmetele ja hästi kontrollitud füüsikateooriatele. Vaatame, kus probleemid ilmnevad.
3. Miks üksnes tuntud aine vastastikune gravitatsioon ei ole piisav
3.1 Tavaline versus modifitseeritud gravitatsioon
Püüdlused seletada kosmilisi nähtusi ilma tumeda ainega langevad sageli "modifitseeritud gravitatsiooni" teooriate valdkonda. Uue aine liigi asemel pakutakse gravitatsiooniseaduste korrigeerimist Universumi skaalal. Üks tuntumaid näiteid on MOND (ingl. Modified Newtonian Dynamics). MOND väidab, et väga väikeste kiirenduste (näiteks galaktikate servades) piirkondades toimib gravitatsioon teisiti kui Newton või Einstein prognoosivad.
Kui kogu Universumi aine üldine gravitatsioon oleks jõud, mida ekslikult nimetame tumedaks aineks, peaks see põhimõtteliselt toimima kui teatud modifitseeritud gravitatsiooni versioon. MOND ja sarnaste teooriate pooldajad püüavad seletada galaktikate pöörlemiskõveraid ja muid nähtusi. Kuid MOND, kuigi sobib mõnele vaatlusele (näiteks galaktikate pöörlemiskõveratele), on raskesti kooskõlas teiste faktidega (näiteks Bullet Clusteri gravitatsioonilise läätsestamise andmetega).
Seetõttu peaks iga teooria, mis väidab, et "tumeaine" on tingitud ainult tavalise aine üldisest gravitatsioonist, suutma edukalt seletada mitte ainult galaktikate pöörlemiskõveraid, vaid ka läätsestamist, parvede kokkupõrkeid ja suurstruktuuri kujunemist. Seni ei ole ükski alternatiivne teooria täielikult asendanud tumeda aine hüpoteesi nii, et see vastaks kõigile vaatlustele.
3.2 Tagurpidi ruutseadus ja kosmilised skaalaastmed
Gravitatsioonijõud nõrgeneb kauguse ruuduga (vastavalt Newtoni universaalse gravitatsiooniseadusele). Kosmilistel skaalaastmetel eksisteerib tõeline, kuigi nõrk, kaugete galaktikate, parvede ja filamentide tõmme, kuid see jõud väheneb kiiresti kaugusega. Vaatluste andmed näitavad, et ainult nähtav (baryoniline) aine ei ole piisav ega paikne nii, et tekitada gravitatsioonilisi efekte, mis omistatakse tumedale ainele.
Kui prooviksime kokku liita kogu nähtava Universumi aine ja arvutada selle gravitatsiooniline mõju erinevatel kosmilistel skaalaastmetel, selguks, et ikkagi ei suuda me taastada tegelikke galaktikate pöörlemiskõveraid, läätsestamise efekte ega struktuuri kujunemise kiirust. Lihtsamalt öeldes oleks Universumis, kus eksisteerib ainult baryoniline aine, gravitatsioonijõud liiga nõrk, et seletada täheldatud efekti.
3.3 Bullet Cluster ja „kadunud“ massi jaotus
Bullet Cluster on eriti silmapaistev näide. Kui kaks galaktikaparve põrkuvad, aeglustub tavaline aine (peamiselt kuum gaas) vastastikmõju tõttu, samas kui teine – peaaegu mittesiduv massiosa (arvatavasti tumeaine) läbib kokkupõrke edukalt aeglustumata. Gravitatsioonilise läätsestamise andmed näitavad, et massi enamus "liikus" edasi, jäädes helendavast gaasist maha.
Kui seletada puuduvat massi lihtsalt kogu universumi ainega, võiks eeldada, et massi jaotus kattuks rohkem nähtava ainega (gaasidega). Kuid nähtava gaasi ja gravitatsiooniliselt aktiivse massi vaheline lõhe näitab, et eksisteerib täiendav, mitteelektromagnetiliselt interakteeruv aine – tumeaine.
4. „Kõigi ainete gravitatsioon“ ja kosmoloogia
4.1 Suure Paugu nukleosünteesi piirangud
Varases universumis tekkisid kerged keemilised elemendid – vesinik, heelium ja veidi liitiumit. Seda protsessi nimetatakse Suure Paugu nukleosünteesiks (inglise keeles Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Kergelementide hulk sõltub tundlikult kogu baryoonilise (tavapärase) aine tihedusest. Kosmilise taustakiirguse vaatlemine ja nende elementide suhete uurimine näitab, et universumis ei saa olla liiga palju baryoonilist ainet – vastasel juhul oleks vastuolus nähtud heeliumi või deuteeriumi kogustega. Lühidalt öeldes näitab BBN, et tavaline aine moodustab umbes 5% universumi energia ja aine tasakaalust.
4.2 Kosmilise taustakiirguse mikrolainekiirguse mõõtmised
Kõrge eraldusvõimega andmed, mis on saadud satelliitidelt nagu COBE, WMAP ja Planck, on võimaldanud kosmoloogidel väga täpselt määrata CMB temperatuuri kõikumisi. Nende kõikumiste iseloom, eriti nende nurkline võimsusspekter, võimaldab hinnata erinevate komponentide (tumeaine, tumeda energia ja baryoonilise aine) tihedust. Need mõõtmised sobivad väga hästi kosmoloogilise mudeliga, kus tumeaine on eraldiseisev, mitte baryooniline komponent. Kui gravitatsiooniline mõju, mida me praegu omistame tumeainele, oleks lihtsalt nähtava aine üldine tõmme, näeks CMB võimsusspekter täiesti teistsugune välja.
5. Kas on olemas teine viis öelda, et tumeaine on lihtsalt „gravitatsioon“?
Mõte „mis siis, kui tumeaine on tegelikult gravitatsiooniseaduste puudulikkus?“ on innustanud erinevaid muudetud gravitatsiooniteooriaid. Need pakuvad Einsteini üldrelatiivsusteooria või Newtoni dünaamika parandamist galaktilisel ja suuremal skaalal, mõnikord üsna keeruka matemaatilise alusega. Sellised teooriad püüavad ilma täiendavate nähtamatute osakesteta selgitada galaktikate pöörlemiskõveraid ja klastrite gravitatsioonilist läätsestumist.
Muudetud gravitatsiooniteooriate peamised väljakutsed:
- Kohandamine: Tuleb korrigeerida gravitatsiooni galaktika tasandil, kuid samal ajal jääda kooskõlla Päikesesüsteemi vaatlustega ja üldrelatiivsusteooriaga, mida on paljud katsed juba väga täpselt kinnitanud.
- Struktuuri kujunemine: Teooriad peavad selgitama mitte ainult galaktikate pöörlemiskõveraid, vaid ka universumi struktuuride kujunemist varajastest aegadest tänapäevani, vastavalt erinevate ajastute vaatlustele.
- Relativistlikud efektid: Gravitatsiooniseaduse muutmisel tuleb vältida vastuolusid nähtustega nagu gravitatsiooniline läätsendus või Bulleti klastrist pärinevad andmed.
Kuigi „Lambda külm tumeaine“ (ingl. ΛCDM) – praegune standardne kosmoloogiamudel, milles eksisteerib nii tumeaine kui ka tumeenergia (Λ) – omab mõningaid puudusi, ei ole ükski muudetud gravitatsiooniteooria suutnud kõiki vaatlustulemusi nii edukalt seletada kui ΛCDM.
6. Kokkuvõte
Idee, et tumeaine võiks olla lihtsalt kogu Universumi ainevaheline gravitatsiooniline tõmme – on huvitav. See langeb kokku lihtsama seletuse otsimisega, mis ei nõua uue nähtamatu aine kontseptsiooni. Põhimõtteliselt resoneerib see vana teaduse ja filosoofia põhimõttega, et Occami habemenuga abil tuleks vabaneda tarbetutest hüpoteesidest.
Kuid aastakümnete pikkused astronoomilised ja kosmoloogilised vaatlustulemused näitavad, et ainult tuntud aine kogus ei selgita „puuduva massi“ probleemi. Galaktikate pöörlemiskõverad, gravitatsioonilise läätsenduse andmed, suurstruktuuride tekkimise kiirused, kosmilise mikrolaine taustkiirguse mõõtmised ja Suure Paugu nukleosünteesi piirangud – kõik need viitavad aine tüübile, mis eksisteerib ilma ja lisaks meile tavapärasele ainele. Veelgi enam, Bulleti klaster ja sarnased vaatlustulemused näitavad, et nähtamatu mass käitub teisiti kui tavaline aine (näiteks osaledes vähe teistes kui gravitatsioonilistes vastasmõjudes).
Kuid kosmoloogia on pidevalt arenev teadusvaldkond. Uued vaatlustulemused – alates gravitatsioonilainetest kuni täpsemate galaktikate jaotuse kaartide ja parema CMB analüüsini – täiustavad pidevalt meie arusaamist. Seni näitavad enamik vaatlusandmeid, et tumeaine tõepoolest eksisteerib eraldiseisva, mittebariioonilise aine tüübina. Kuid avatud meel ja tähelepanelikkus ootamatute andmete suhtes jäävad väga oluliseks – teadus edeneb, kui hüpoteese testitakse ja muudetakse, kui need ei vasta uutele faktidele.
Praegused vaatlustulemused toetavad enim ideed, et tumeaine on tõeline, füüsikaline komponent. Kuid küsida „või kas siiski eksisteerib alternatiiv?“ tähendab säilitada teadusliku uudishimu vaimu, mis on eriti vajalik Universumi saladuste mõistmiseks.
Edasine lugemine
- Universumi tumeaine – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- Bulleti klaster kui tõend muudetud gravitatsiooni vastu – mitmete autorite vaatluspublikatsioonid, nt Clowe jt.
- MOND-i ennustuste testimine – erinevad galaktikate pöörlemiskõverate uuringud (näiteks Stacy McGaugh ja kaasautorite tööd).
- Kosmoloogiliste parameetrite vaatlustest – Planck, WMAP, COBE missioonide andmed.