Ar tamsioji materija – tik visatos gravitacija pačiai sau?

Je li tamna tvar samo gravitacija svemira koja djeluje sama na sebe?

Što ako tamna tvar nije ništa drugo nego međusobno gravitacijsko privlačenje cijelog Svemira?

Detaljno istraživanje intrigantne zamisli

Tamna tvar jedna je od najvećih zagonetki suvremene kozmologije i astrofizike. Promatranja koja obuhvaćaju krivulje rotacije galaksija, gravitacijsko lećenje i nastanak velike strukture pokazuju da u Svemiru postoji oblik materije koji ne stupa u interakciju sa svjetlošću - zbog toga je i nazvan „tamnom“. Prema Newtonovu i Einsteinovu shvaćanju gravitacije, vidljiva, „uobičajena“ materija (protoni, neutroni, elektroni) čini samo oko 5% ukupne ravnoteže energije i materije u Svemiru, dok tamna tvar čini oko 27% (preostali dio čini tamna energija).

Ali što ako ta nedostajuća masa uopće ne postoji? Možda je riječ samo o međusobnom gravitacijskom privlačenju samog Svemira: mali doprinosi gravitacije svih zvijezda, planeta i čestica plina koji zajedno stvaraju fenomene koje objašnjavamo kao „tamnu tvar“. To je intrigantna zamisao: bismo li se mogli odreći pojma tamne tvari kao zasebne komponente i sve objasniti samo ukupnim gravitacijskim djelovanjem vidljive materije na golemim skalama?

U ovom ćemo članku detaljno istražiti tu ideju - razmotrit ćemo dokaze postojanja tamne tvari, znanstvene pokušaje objašnjenja tog fenomena te zašto je zamisao „to je samo gravitacija svega što postoji“ istodobno privlačna i, nažalost, nedostatna kad se uzmu u obzir detaljni podaci promatranja.

1. Dokazi postojanja tamne tvari

1.1 Krivulje rotacije galaksija

Jedan od prvih uvjerljivih dokaza postojanja tamne tvari bila su mjerenja brzine orbitalnog gibanja zvijezda na rubovima galaksija. Prema Newtonovoj mehanici, brzina orbitalnog gibanja zvijezda na rubovima galaksije trebala bi se smanjivati s povećanjem udaljenosti od središta - slično kao što se brzina planeta u našem Sunčevom sustavu 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 izračuni. Taj fenomen, nazvan „ravnim krivuljama rotacije“, pokazuje da postoji mnogo više mase nego što možemo utvrditi iz elektromagnetskog zračenja (svjetlosti različitih valnih duljina). Kad bi u galaksiji postojala samo vidljiva materija (zvijezde, plin, prašina), orbite udaljenih zvijezda trebale bi biti sporije. Stoga je najjednostavnije objašnjenje da postoji dodatni sloj nevidljive mase, odnosno tamna tvar.

1.2 Gravitacijsko lećenje

Gravitacijsko lećenje - sposobnost je masivnih objekata da savijaju svjetlost, kako je opisano u Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti. Pri promatranju galaktičkih skupova vidljivo je da je njihov učinak na sliku udaljenijih galaksija (lećenje) znatno jači nego što se može objasniti samo vidljivom materijom. Kako bi se objasnio taj učinak, potrebna je dodatna masa - ponovno se upućuje na tamnu tvar.

Poznat primjer za to je takozvani Bullet Cluster, sudar u kojem su dva skupa galaksija prošla jedan kroz drugi. Vrući plin (vidljiv u rendgenskom području) usporen je zbog međudjelovanja, dok se najjači gravitacijski utjecaj pomaknuo dalje. To upućuje na to da dio mase gotovo uopće ne stupa u elektromagnetske interakcije (tj. ne sudara se međusobno poput običnog plina), ali ima znatan gravitacijski učinak.

1.3 Kozmološka promatranja i nastanak strukture

Promatrajući kozmičko mikrovalno pozadinsko zračenje (engl. Cosmic Microwave Background, CMB) - „odjek“ Velikog praska - znanstvenici uočavaju nejednakosti u gustoći. Upravo su te nejednakosti s vremenom izrasle u galaksije i skupove galaksija koje danas vidimo. Računalne simulacije nastanka strukture svemira pokazuju da bi bez tamne tvari razvoj takvih „sjemenki“ gustoće do današnjih razmjera bilo iznimno teško objasniti ili čak nemoguće. Bez tamne tvari nastanak vrlo neujednačene strukture tvari (galaksija i skupova galaksija) iz gotovo homogene ranog svemira bio bi prespor.

2. Predložena ideja: zajednička privlačnost sve tvari

Pomisliti „a što ako je tamna tvar zapravo samo međusobna gravitacijska privlačnost svega što postoji“ na prvi pogled djeluje privlačno. Gravitacija naime djeluje na neograničenim udaljenostima; bez obzira na to koliko su bilo koja dva objekta u svemiru udaljena, ona se i dalje međusobno privlače. Kad bismo zamislili nebrojeno mnogo zvijezda i galaksija, možda bi njihov ukupni privlačni učinak mogao objasniti tu dodatnu masu.

2.1 Intuitivna privlačnost

1. Jedinstveno objašnjenje gravitacije: Djelomično se to čini kao objedinjujuća ideja. Umjesto uvođenja nove vrste tvari, mogli bismo tvrditi da promatramo samo kolektivni učinak nama poznate tvari.
2. Jednostavnost: Mnogima je privlačno vjerovati da postoji samo barionska (obična) tvar i ništa više. Možda dosad jednostavno nismo uzeli u obzir ukupnu gravitaciju sve te tvari, osobito na velikim razmjerima.

Međutim, ta se hipoteza suočava s ozbiljnim izazovima kada se primijeni na precizne podatke promatranja i dobro provjerene fizikalne teorije. Pogledajmo gdje se problemi najjasnije pojavljuju.

3. Zašto međusobna gravitacija samo poznate tvari nije dovoljna

3.1 Uobičajena nasuprot modificiranoj gravitaciji

Pokušaji objašnjenja kozmičkih pojava bez tamne tvari često pripadaju području teorija „modificirane gravitacije“. Umjesto uvođenja nove vrste tvari, predlaže se prilagodba zakona gravitacije na razini svemira. Jedan od najpoznatijih primjera je MOND (engl. Modified Newtonian Dynamics). MOND tvrdi da u područjima vrlo malih ubrzanja (primjerice na rubovima galaksija) gravitacija djeluje drukčije nego što predviđaju Newton ili Einstein.

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 didėjant atstumui. 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 didžioji masės dalis „pasitraukė“ toliau, atsilikus švytinčioms dujoms.

Kad trūkstamą masę aiškintume tiesiog kaip visą Visatos materiją, derėtų tikėtis, kad masės pasiskirstymas labiau sutaptų su regimąja materija (sulėtinta dujomis). Tačiau stebimas atotrūkis tarp matomų dujų ir gravitaciškai aktyvios masės rodo, kad egzistuoja papildoma, neelektromagnetiškai sąveikaujanti materija – tamsioji materija.

4. „Gravitacija sve tvari” i kozmologija

4.1 Ograničenja nukleosinteze Velikog praska

U ranom svemiru nastali su najlakši kemijski elementi – vodik, helij i nešto litija. Taj se proces naziva nukleosinteza Velikog praska (engl. Big Bang Nucleosynthesis, BBN). Obilje lakih elemenata osjetljivo ovisi o gustoći ukupne barionske (obične) tvari. Promatranjem kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja i analizom omjera tih elemenata vidi se da u svemiru ne može biti previše barionske tvari – inače bi to bilo u suprotnosti s opaženim količinama helija ili deuterija. Ukratko, BBN pokazuje da obična tvar čini oko 5% energetske i materijalne bilance svemira.

4.2 Mjerenja kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja

Podaci visoke razlučivosti dobiveni sa satelita kao što su COBE, WMAP i Planck omogućili su kozmolozima da s iznimnom preciznošću odrede temperaturne fluktuacije CMB-a. Priroda tih fluktuacija, osobito njihov kutni spektar snage, omogućuje procjenu gustoće različitih komponenti (tamne tvari, tamne energije i barionske tvari). Ta se mjerenja vrlo dobro podudaraju s kozmološkim modelom u kojem je tamna tvar zasebna, nebarionska komponenta. Kad bi gravitacijski učinak koji danas pripisujemo tamnoj tvari bio samo ukupna privlačnost vidljive tvari, spektar snage CMB-a izgledao bi potpuno drukčije.

5. Postoji li drugačiji način da se kaže da je tamna tvar samo „gravitacija”?

Ideja „što ako je tamna tvar 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 krivulje rotacije galaksija i gravitacijsko lećenje skupova galaksija.

Glavni izazovi za teorije modificirane gravitacije:

  • Usklađivanje: Gravitaciju treba prilagoditi na galaktičkim skalama, ali istodobno ostati usklađenom s opažanjima Sunčeva sustava i općom teorijom relativnosti, koju su brojni eksperimenti već potvrdili s iznimnom preciznošću.
  • Formiranje struktura: Teorije moraju objasniti ne samo krivulje rotacije galaksija nego i formiranje struktura u svemiru, od ranih razdoblja do danas, u skladu s opažanjima iz različitih epoha.
  • Relativistički učinci: Pri izmjeni zakona gravitacije nužno je da oni nisu u suprotnosti s pojavama poput gravitacijskog lećenja ili podacima o skupu Bullet Cluster.

Iako „Lambda hladna tamna tvar” (engl. ΛCDM) - trenutačni standardni model kozmologije, u kojem postoje i tamna tvar i tamna energija (Λ) - ima određene nedostatke, dosad nijedna teorija modificirane gravitacije nije uspjela tako uspješno objasniti sva promatranja kao ΛCDM.

6. Zaključak

Ideja da bi tamna tvar mogla jednostavno biti ukupna međusobna gravitacijska privlačnost sve tvari u svemiru zanimljiva je. U skladu je s težnjom za jednostavnijim objašnjenjem koje ne zahtijeva novi koncept nevidljive tvari. U biti, to je u skladu s drevnim znanstvenim i filozofskim stajalištem prema kojem bi se Occamovom britvom trebalo riješiti nepotrebnih hipoteza.

Međutim, desetljeća astronomskih i kozmoloških promatranja pokazuju da sama ukupna količina poznate tvari ne objašnjava problem „nedostajuće mase”. Krivulje rotacije galaktika, podaci o gravitacijskom lećanju, stope nastanka velikih struktura, mjerenja kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja i ograničenja nukleosinteze Velikog praska - svi oni upućuju na to da postoji vrsta tvari koja je izvan i dodatna u odnosu na nama uobičajenu tvar. Štoviše, jato Bullet i slična promatranja pokazuju da se nevidljiva masa ponaša drukčije od uobičajene tvari (primjerice, slabo sudjelujući u drugim, negravitacijskim interakcijama).

Ipak, kozmologija je znanstveno područje koje se stalno razvija. Nova promatranja - od gravitacijskih valova do preciznijih karata raspodjele galaktika i još bolje analize CMB-a - neprestano poboljšavaju naše razumijevanje. Zasad većina promatračkih podataka pokazuje da tamna tvar doista postoji kao zasebna, nebari­onska vrsta tvari. Međutim, otvoren um i pozornost prema neočekivanim podacima i dalje su vrlo važni - znanost napreduje kada se hipoteze provjeravaju i mijenjaju kad nisu u skladu s novim činjenicama.

Trenutačno promatranja najviše podupiru ideju da je tamna tvar stvarna, fizička komponenta. Ipak, pitati se „a što ako ipak postoji alternativa?” znači njegovati duh znanstvene znatiželje, koji je osobito potreban za razumijevanje tajni svemira.

Daljnje čitanje

  • Tamna tvar u svemiru – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
  • Jato Bullet kao dokaz protiv modificirane gravitacije – publikacije o promatranjima brojnih autora, npr. Clowea i dr.
  • Testiranje predviđanja MOND-a – različita istraživanja krivulja rotacije galaktika (primjerice, radovi Stacyja McGaugha i njegovih suradnika).
  • Promatranja kozmoloških parametara – podaci misija Planck, WMAP i COBE.
Natrag na blog